Nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình đất tương tự schneebeli cho móng trên nền đất yếu có cát san lấp bằng cọc ngắn

Nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình đất tương tự schneebeli cho móng trên nền đất yếu có cát san lấp bằng cọc ngắn Nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình đất tương tự schneebeli cho móng trên nền đất yếu có cát san lấp bằng cọc ngắn Nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình đất tương tự schneebeli cho móng trên nền đất yếu có cát san lấp bằng cọc ngắn

GIỚI THIỆU CHUNG

Trong thời gian gần đây, nhiều công trình xây dựng gặp phải tình trạng sụt lún ở nền tầng trệt do không có biện pháp xử lý nền đất yếu trước khi san lấp mặt bằng.

Nền đất yếu là loại đất không đủ sức chịu tải và có độ bền thấp, dẫn đến việc không thể xây dựng công trình trên đó Đất yếu không thể chống đỡ kết cấu bên trên, gây lún tùy thuộc vào tải trọng Cải thiện nền đất yếu không chỉ liên quan đến tính năng vật liệu mà còn phụ thuộc vào thiết kế nền móng Nếu khảo sát địa chất và biện pháp gia cố không được chú trọng, chất lượng công trình sẽ bị suy giảm Nhiều công trình BTCT đã hư hỏng do chưa ước tính đúng ứng xử của đất nền và lựa chọn phương án gia cố không phù hợp Do đó, nghiên cứu biện pháp gia cố nền đất yếu là cần thiết để đảm bảo an toàn, khả năng sử dụng và độ bền lâu dài của kết cấu.

Hiện nay, sự phát triển của khoa học đã dẫn đến nhiều công nghệ mới và thông minh được áp dụng để cải thiện đặc tính của đất yếu Việc sử dụng các công nghệ này trong gia cố đất nền không chỉ tăng tuổi thọ công trình mà còn nâng cao sự ổn định của đất nền và giảm nguy cơ lún lệch Tuy nhiên, nhu cầu ngày càng cao của ngành xây dựng cùng với sự biến đổi liên tục của lớp trầm tích và các mảng lục địa vẫn chưa được đáp ứng đầy đủ.

Chương này giới thiệu mô hình thí nghiệm và quy trình đánh giá biện pháp gia cố đất yếu bằng cát san lấp, dựa trên mô hình đất tương tự Schneebeli Các phương pháp thí nghiệm được trình bày chi tiết nhằm xác định hiệu quả của biện pháp gia cố này trong cải thiện tính chất của đất yếu.

GIỚI THIỆU MÔ HÌNH SCHNEEBELI

3.2.1 Sơ lược lịch sử mô hình Schneebeli

Mô hình Schneebeli, được giới thiệu bởi tác giả cùng tên vào năm 1956, sử dụng các thanh thép không rỉ với ba loại đường kính 3mm, 4mm và 5mm, mỗi thanh có chiều dài 60mm Theo nghiên cứu của Dolzhenko, tỷ trọng của vật liệu thép dao động từ 6.42 đến 6.53 Sự pha trộn các loại thanh này được thể hiện trong Bảng 3-1.

Bảng 3-1: Tỷ lệ và đường kính thanh thép [23] Đường kính thanh (mm) Tỷ lệ về khối lượng (%)

Các thanh Schnebeeli được chế tạo từ nhiều loại vật liệu như gỗ, nhựa và nhôm, với đường kính dao động từ 2mm đến 20mm Trong một số trường hợp, thanh tròn có thể được mài vát ở một số cạnh để tăng tính ứng dụng Tùy thuộc vào mục đích mô phỏng, tỷ trọng vật liệu và góc ma sát trong sẽ có sự khác biệt giữa các loại vật liệu.

Mô hình vật liệu tương tự Schneebeli được áp dụng để mô phỏng đất rời, giúp nhiều tác giả hiểu và đơn giản hóa hành vi của đất từ không gian ba chiều xuống hai chiều.

Hình 3-1: Hình ảnh các thanh Schneebeli [23]

Kastner (1982) [24] đã sử dụng mô hình cho hố đào sâu trong đô thị, Marsouri (1986)

[25] sử dụng để mô phỏng tường chắn đất nửa cứng, Al Abram và Dolzhenko (2005)

[26] sử dụng để nghiên cứu trường ứng suất khi đào hầm

Mô hình Schneebeli được sử dụng khá rộng rãi vì các lợi thế như sau [26]:

- Đất tương tự Schneebeli thể hiện tính tăng thể tích khi biến dạng, tương tự như đất cát chặt;

- Mô đun biến dạng của đất phụ thuộc vào cường độ ứng suất;

Đất tương tự có tỷ trọng trung bình là 6.2, nặng hơn so với đất tự nhiên, cho phép giảm kích thước mô hình theo tỷ lệ 1/3 trong khi vẫn giữ nguyên trạng thái ứng suất.

- Dễ dàng mô phỏng, sự lặp lại các thí nghiệm rất đảm bảo;

Mô hình này không yêu cầu khung đỡ bề mặt, chỉ cần khung đỡ ở bốn góc, nhờ vào các thanh tự cân bằng Điều này giúp tránh được hiệu ứng biên tiếp xúc, khác với việc sử dụng đất cát thật.

- Mô hình rất dễ dàng để xử lý hình ảnh, đo trường biến dạng bằng cách kẻ ô vuông hoặc to màu các thanh

Tuy nhiên, mô hình Schneebeli vẫn có một vài các bất lợi [26]:

- Góc ma sát khá nhỏ, chỉ từ 20 đến 25 0 , trong khi đất cát chặt góc ma sát là 30-40 0

- Không mô phỏng được bài toán 3D, ví dụ bài toán hiệu ứng vòm tác động lên đầu cọc

3.2.2 Ứng xử của vật liệu tương tự Schneebeli

Schneebeli [22] đã tiến hành thí nghiệm nén 2 trục trên các thanh hợp kim nhôm với hai loại bề mặt: nhẵn và được tạo nhám Kết quả cho thấy, bề mặt nhẵn có góc ma sát dao động từ 24 đến 26 độ, trong khi bề mặt nhám có góc ma sát cao hơn, dao động từ 34 đến 35 độ.

Kastner [24] đã thực hiện thí nghiệm với các thanh Schneebeli thép mạ inox trong máy nén 3 trục lớn, với áp lực buồng lên tới 500 kPa Kích thước mẫu nén là 201mm x 404mm Kết quả cho thấy các đường cong ứng suất-biến dạng không rõ ràng thể hiện đỉnh ứng suất Ban đầu, mẫu bị giảm thể tích, nhưng sau đó thể tích tăng khi biến dạng dọc trục gia tăng Góc ma sát đo được là 21 độ, hệ số Poisson là 0.9 và mô đun biến dạng là E7500(σ) 0.5.

Hình 3-2: Thí nghiệm của Kastner [24]

Dolzhenko (2002) đã tiến hành các thí nghiệm nén 2 trục với mô hình được minh họa trong hình vẽ Kết quả nghiên cứu cho thấy góc ma sát trong là 24 độ và xác định đường tới hạn Mohr-Coulomb như trong hình.

Hình 3-3: Cấu tạo mô hình Schneebeli [27]

Hình 3-4: Đường tới hạn Mohr-Coulomb [27]

3.2.3 Tỷ lệ mô hình thu nhỏ

Khi thực hiện mô hình thu nhỏ trong phòng thí nghiệm, cần đảm bảo sự tương ứng giữa công trình thực và mô hình về cả vật liệu lẫn kết cấu Vật liệu sử dụng phải có tính lặp lại và độc lập, nghĩa là không bị ảnh hưởng bởi các thao tác thí nghiệm, đồng thời phải có sự tương hợp về ứng xử với vật liệu thực.

Các thông số về tỷ lệ vật liệu tương tự và vật liệu thực bao gồm;

- Tỷ lệ về tỷ trọng vật liệu ;

- Hệ số nở ngang Poisson phải giống nhau;

- Tỷ lệ mô đun đàn hồi bằng với hệ số tỷ lệ n;

Mô hình 2D không thể hiện được sự mở rộng sang chiều thứ ba do tính chất của đất Schneebeli, trong khi cơ chế hình thành vòm thường diễn ra trong không gian 3D.

Mô hình vật lý này không chỉ đơn thuần mô phỏng ứng xử của đất tự nhiên, mà còn giúp hiểu rõ hơn về hành vi của nền đất trong môi trường phòng thí nghiệm Nó cung cấp các thông số cần thiết để xác thực hiệu quả của phương pháp nghiên cứu này.

3.2.4 Các ứng dụng của mô hình Scheneebeli

Nataliya Dolzhenko và cộng sự đã phát triển một mô hình thu nhỏ với kích thước 2m chiều rộng và 1.5m chiều cao, tỷ lệ từ 1/10 đến 1/50, nhằm nghiên cứu tác động của hầm ngầm đến các công trình xây dựng trên mặt đất.

Hình 3-5: Trường biến dạng được quan sát, đo và xử lý bằng PP xử lý hình ảnh [23]

Amina Benrabah (1996) [29] đã sử dụng mô hình Schneebeli với kích thước rộng 1,5m cao 0,86m để nghiên cứu việc gia cường bằng các tấm vải địa kỹ thuật như hình vẽ:

Các thanh thép được phân loại theo bốn đường kính: 2mm (29%), 3mm (38%), 4mm (21%) và 5mm (12%) Góc ma sát trong được xác định là 23 độ thông qua thí nghiệm cắt trực tiếp trên mẫu kích thước 200x200x60mm Lực tác động lên mô hình là từ móng nông đặt trên bề mặt dài 20cm Kết quả phân bố ứng suất theo phương ngang và độ sâu từ mô hình thực nghiệm phù hợp với lý thuyết Boussineq và được mô phỏng bằng phần mềm PLAC.

Caudron (2007) đã nghiên cứu sự sụp đổ của hầm trong lòng đất và tác động của nó đến các công trình bên trên, phân chia đất thành hai lớp: đất rời và đất dính Lớp đất này được mô phỏng bằng các thanh Schneebeli với ba loại đường kính khác nhau là 2, 3 và 5mm Đất dính được tạo ra bằng cách ngâm các thanh trong chất lỏng có tính dính Kết quả từ thực nghiệm về sự sụp đổ do đào hầm cho thấy sự tương hợp rất tốt với mô phỏng bằng FLAC, cung cấp cái nhìn toàn cảnh về các yếu tố ảnh hưởng đến hiện tượng này.

Hình 3-7: Ứng dụng mô hình Schneebeli [30]

Caudron (2005) đã nghiên cứu hành vi của hệ thống đất đắp trên nền đất yếu được gia cường bằng cọc, sử dụng vật liệu tương tự như Schneebeli với các đường kính 3, 4 và 5mm Mô hình đất yếu được mô phỏng bằng các lớp mút, trong khi cọc được đại diện bằng thanh thép Nghiên cứu đã thành công trong việc phân tích sự truyền tải trọng vào khối đất đắp, tuân thủ các điều kiện tỷ lệ mô hình Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng độ lún của lớp mút xốp và ứng suất tác động lên nó giảm khi chiều dày lớp san lấp tăng lên.

Hình 3-8: Ứng dụng mô hình Schneebeli [31]

XÁC ĐỊNH CÁC ĐẠI LƯỢNG CHO THÍ NGHIỆM TRÊN MÔ HÌNH

Phép phân tích thứ nguyên theo Định lý Pi-Buckingham (1914) cho phép chuyển đổi một quan hệ hàm số chưa biết với nhiều biến, biểu diễn dưới dạng f(x1, x2, , xn).

= 0, thành dạng một quan hệ hàm số khác nhau, bao gồm tổ hợp không thứ nguyên: f

Phép phân tích thứ nguyên cho phép giảm số lượng biến cần nghiên cứu bằng cách giới hạn các đại lượng phân tích Trong nghiên cứu ứng xử của nhóm cọc, chúng ta sẽ xem xét ảnh hưởng của kích thước cọc, khoảng cách cọc, chiều dài cọc và tính chất của nền đất Các thông số cơ bản được lựa chọn bao gồm khối lượng (M), độ dài (L) và thời gian (T).

Bảng 3-2: Các đại lượng nghiên cứu

STT Đại lượng Ký hiệu

3 Khoảng cách giữa các cọc S

4 Dung trọng tự nhiên của đất 

5 Góc ma sát trong của đất 

6 Lực dính đơn vị của đất c

7 Sức chịu tải dọc trục của nhóm cọc (Qg)ult

THIẾT LẬP MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM

3.4.1 Chế tạo thiết bị thí nghiệm Để mô phỏng nền đất trong thiết bị trên mô hình thu nhỏ, ta xây dựng bể chứa đất mô phỏng (simulated soil) Do dự kiến các nhóm cọc thí nghiệm đều có mặt bằng đối xứng và thực hiện nhiều thí nghiệm với các tỷ lệ (S/d) và (L/d), nên ta chọn xây dựng bể chứa đất có tiết diện hình chữ nhật Thành bể được làm bằng thép đảm bảo độ cứng, không bị biến dạng trong quá trình thí nghiệm Qua tổng hợp các nghiên cứu về cọc trên mô hình vật lý tỷ lệ thu nhỏ của các tác giả trong vào ngoài nước trong thời gian gần đây cũng như xác định phạm vi vùng ứng suất phân bố xung quanh nhóm cọc với giả thiết đài cọc cứng và không tiếp xúc với nền đất bằng bài toán mô phỏng trên phần mềm Plaxis để chọn lựa kích thước hợp lý của bể chứa đất Ta chọn kích thước bể chứa đất hình chữ nhật kích thước 1500x700x60mm và chiều cao bể là h00mm

Hình 3-11: Mô hình thí nghiệm

1 Bánh xe thép giúp di chuyển mô hình

4 Bản thép định hướng cố định cọc

5 Bản thép đỡ tải và liên kết truyền lực

9 Thước chia vạch dùng xác định độ lún

10 Thanh thép gồm 3 loại: 3mm 33,3%

Hình 3-12: Mô hình thí nghiệm 3.4.2 Chế tạo cọc thí nghiệm

Nghiên cứu khả năng chịu tải trọng của móng trên nền gia cố cọc ngắn thường sử dụng cọc bê tông cốt thép, tuy nhiên trong nghiên cứu này, cọc được mô phỏng bằng thép có tiết diện 30x30mm, cách lớp đất yếu lần lượt 5cm, 10cm và 15cm Cọc có thể được chế tạo từ thép rỗng hoặc thép đặc có bịt đáy, với chiều dài mỗi cọc được cộng thêm 150mm so với chiều dài phần cọc nằm trong đất Đoạn cọc dài 150mm này đảm bảo rằng đài cọc không tiếp xúc với mặt đất và bù trừ cho độ lún của cọc trong quá trình thí nghiệm.

Hệ thống gia tải bằng thép tấm có kích thước 1,5 x 0,7 x 0,06 m, được thiết kế với lỗ đục theo vị trí cọc, giúp cố định cọc vuông một cách hiệu quả Bản thép này không chỉ giữ tải mà còn cho phép việc lắp đặt và tháo gỡ dễ dàng Các viên tải trọng được sản xuất theo modul 05kg/1 đơn vị, đảm bảo tính linh hoạt và tiện lợi trong quá trình sử dụng.

Cát san lấp là vật liệu quan trọng dùng để tạo lớp đệm cho các nền đất yếu như đất sét nhão và than bùn, với độ dày các lớp đất yếu dưới 3m Mặc dù cát giúp tăng tính ổn định cho công trình, nó cũng có thể gây ra ma sát âm và tăng tải trọng, dẫn đến chi phí thiết kế móng cọc sâu hơn Trong nghiên cứu này, cát được mô phỏng bằng các thanh thép với ba kích thước khác nhau: 3mm, 4mm và 5mm, mỗi loại chiếm 33,3% Việc sử dụng thanh thép tương tự cát nén chặt giúp tăng lực ma sát, khả năng chống trượt và rút ngắn thời gian cố kết của đất nền, từ đó nâng cao khả năng chịu tải và ổn định lún cho công trình.

Tổng khối lượng hạt thép dùng trong mỗi thí nghiệm 110(kg) trộn đều theo tỉ lệ bằng nhau các thanh thép (10),

Chiều cao lớp đất: Lớp hạt thép: 30 (cm),

Trình tự thi công Schneebeli

❖ Bước 1: Đặt một lớp xốp mút (EPS), chiều cao 30 cm

❖ Bước 2: Trộn đều các thanh Schneebeli có đường kính 3,4,5 mm theo tỷ lệ 33%, 33%, 33% theo khối lượng

❖ Bước 3: Lấy một lượng thép vừa đủ (bằng cách cân để rải thành một lớp dày 5cm với tỷ trọng là 37,33 g /cm 2 )

❖ Bước 4: Rải đều bằng tay các thanh Schneebeli, sau đó gạt phẳng bằng thước, gõ nhẹ để chiều cao mỗi lớp đúng bằng 5cm

Lặp lại các bước 3 và 4 cho đến khi đạt được chiều dày mong muốn của vật liệu Schneebeli Vật liệu này có kích thước bề rộng 100 cm, chiều cao 30 cm và trọng lượng 114 kg.

Các thông số của vật liệu Schneebeli

Trọng lượng riêng của vật liệu Schneebeli được xác định là = 62,4 kN/m³, tương tự như các thông số vật liệu, kích thước thanh và tỷ lệ các thanh Schneebeli theo nghiên cứu của Dolzhenko [23, 27] Do đó, các thông số cơ học trong mô hình này được chấp nhận là bằng với các thông số đo được bởi Dolzhenko [23, 27], đảm bảo tuân thủ luật tỷ lệ (Similarity Law) của mô hình thu nhỏ.

Mô hình vật lý thu nhỏ được sử dụng để định lượng dự đoán sự ứng xử của công trình thực, bao gồm ảnh hưởng của các điều kiện biên và giới hạn mô hình Để tái tạo chính xác công trình thực, mô hình cần tuân thủ các điều kiện biên, hệ thống gia tải và ứng xử vật liệu theo tỷ lệ Mặc dù mô hình thu nhỏ có nhiều ưu điểm như khả năng tái tạo nhanh và gia tải đến mức phá hoại dễ dàng, nhưng cũng gặp khó khăn trong việc đảm bảo các điều kiện tỷ lệ để duy trì sự tương tự với công trình thực Luật tỷ lệ dựa trên các bất biến của các phương trình cơ học tổng quát, bao gồm động lực học, bảo toàn khối lượng và ứng xử vật liệu.

James [36] đã phân biệt hai loại mô phỏng vật lý của đất;

1) Mô hình thu nhỏ là nguyên bản của chính nó, sự ứng xử của nó dùng để phân tích trong mục tiêu cải thiện các phương pháp Các kết quả tiến hành trên mô hình không nhằm để thiết kế công trình thực mà chỉ phục vụ mục tiêu thiết lập các nguyên tắc thiết kế Lúc này các luật về tỷ lệ không còn là quan trọng nhất nữa [37];

2) Mô hình thu nhỏ thỏa mãn các luật về tỷ lệ, nó cho phép dự đoán ứng xử của công trình thực Thậm chí trên mô hình này người ta còn mô phỏng được ảnh hưởng của đường tải trọng

Mô hình Schneebeli trong nghiên cứu này không hoàn toàn tuân thủ các quy tắc tỷ lệ, vì mục tiêu chính không phải là tái tạo định lượng công trình thực mà là xây dựng cơ sở dữ liệu về hiện tượng để rút ra nguyên tắc thiết kế cọc ngắn trong môi trường đất yếu có cát san lấp Vật liệu giống Schneebeli được làm bằng nhôm (= 62,4 kN/m³), nặng hơn nhiều so với đất thông thường (18 – 22 kN/m³), dẫn đến khó khăn trong việc đạt được các quy luật tỷ lệ Đất yếu, với đặc điểm không đủ sức chịu tải và độ bền, không thể hỗ trợ các công trình, gây ra lún tùy thuộc vào tải trọng bên trên, có thể dẫn đến hư hỏng cục bộ hoặc hoàn toàn do biến dạng không thỏa mãn Trong nghiên cứu này, lớp đất yếu được giả lập bằng xốp mút (EPS), với cấu trúc dạng bọt, dễ bị trượt dưới ứng suất nén lớn, tương tự như các hạt đất trong môi trường nước, với thành phần hạt rất mịn và luôn ở trạng thái no nước, có chiều cao lớp đất là 30 cm.

❖ Thông số xốp mút (EPS) (Phụ lục II):

Xốp EPS có đặc tính chịu nén vượt trội, được kiểm nghiệm theo tiêu chuẩn DIN 53421 Khi chịu ứng suất nén lớn, bề mặt xốp có độ mềm và xảy ra hiện tượng trượt, giúp bảo vệ hiệu quả các sản phẩm bên trong Đặc biệt, tính chịu nén của xốp EPS tăng lên khi tỷ trọng của nó cao hơn.

Xốp EPS có khả năng chịu kéo được kiểm nghiệm theo tiêu chuẩn DIN 53430, với lực kéo đứt tăng theo tỉ trọng Đặc tính này còn phụ thuộc vào công nghệ sản xuất, các trạng thái sản xuất và chất lượng hấp ngấu xốp, tạo nên sự khác biệt so với xốp gia công.

- Tính chịu uốn:Thử nghiệm theo tiêu chuẩn DIN 53423 Tính chịu uốn tăng khi tỉ trọng tăng

- Tính chịu tải lâu dài: Thay đổi đến 90% hình dáng khi chịu tải lớn nhất trong vòng

Sau 24 giờ, sản phẩm có thể trở lại hình dáng ban đầu sau khi trải qua 04 tuần thử nghiệm Hiện tượng hồi phục này xảy ra nhờ sự thấm trở lại của không khí vào các hạt xốp.

THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM

❖ Tải trọng: Sử dụng viên tải có trọng lượng 05kg/1 đơn vị tải trọng

❖ Hệ thống đo chuyển vị : gồm 4 đồng hồ so với thang đo 0 ÷ 50mm/0,01mm gắn chặt trên thân cọc thông qua một hệ giá đỡ và gông thép (Hình 3-14)

❖ Thiết bị ghi hình: Sử dụng máy ảnh, máy quay video để ghi nhận kết quả

Hình 3-14: Tải trọng và đồng hồ đo chuyển vị

QUY TRÌNH THÌ NGHIỆM

Bước 1: Sau khi chế tạo xong mô hình thí nghiệm tiến hành lắp cọc vào mô hình tiết diện cọc 30x30mm;

Bước 2: Lắp các đồng hồ đo chuyển vị tại các điểm;

Trong bước 3, thực hiện thí nghiệm gia tải theo từng cấp với trọng lượng 15kg mỗi cấp và thời gian kéo dài 5 phút cho mỗi cấp tải Sau 5 phút, tiến hành chụp hình hiện trạng các lớp đất và mũi cọc, đồng thời ghi chép số liệu từ đồng hồ đo chuyển vị để đảm bảo việc theo dõi và phân tích chính xác.

Bước 5: Như trên tiếp tục gia tải đến khi các lớp đất bị phá hủy

Bài 1: Với D là đường kính của cọc Lần lượt, tổ chức các bài thí nghiệm với khoảng cách giữa các cọc lần lượt là 3D, 6D, 9D Tương úng khoảng cách cọc ở trên thực hiện

3 bài thí nghiệm với yếu tố khoảng cách mũi đặt trên lớp đất tốt với khoảng cách lần lượt là 5, 10, 15 (cm)

Bảng 3-3: Quy trình gia tải

Mũi cọc cách lớp đất yếu (cm)

Thời gian gia tải (phút)

Bước 4: Mô phỏng móng trên nền gia cố cọc ngắn bằng phần mềm Plaxis 3D và so sánh với thực nghiệm;

Bước 5: Đề ra giải pháp hợp lý, các khuyến cáo khi thiết kế cọc ngắn trên đất yếu có cát sán lấp.

KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM SCHNEEBELI

3.7.1.1 Cách lớp đất yếu 5 (cm):

Các cọc được ép vào nền đất giả lập đến độ sâu 5cm so với lớp đất yếu Quá trình gia tải diễn ra với các mức tải lần lượt là 15kg, 30kg, 45kg, 60kg, 75kg, 90kg và 120kg, mỗi mức tải được duy trì trong thời gian 5 phút (xem Hình 3-15).

Hình 3-15: Thí nghiệm với khoảng cách cọc 3D, mũi cọc cách lớp đất yếu 5(cm)

Kết quả nghiên cứu cho thấy, ở cấp tải 15kg, độ lún trung bình của cọc đạt 5,065mm; tại cấp tải 30kg, độ lún trung bình là 14,775mm; ở cấp tải 45kg, độ lún trung bình đạt 26,06mm; tại cấp tải 60kg, độ lún trung bình là 39,81mm; ở cấp tải 75kg, độ lún trung bình đạt 54,89mm; tại cấp tải 90kg, độ lún trung bình là 70mm; và cuối cùng, ở cấp tải 105kg, độ lún trung bình đạt 110mm, như được thể hiện trong Bảng 3-4.

Hình 3-16: Biểu đồ quan hệ tải trọng – độ lún (5cm - 3D)

Phương trình đường thẳng có dạng: y=ax+b

Phương trình đường thẳng đi qua 2 điểm A(15;-5.065) và B(30;-14.755) (Hình 3-17):

Phương trình đường thẳng đi qua 2 điểm C(90;-70) và D(105;-110) (Hình 3-17) là:

Giao điểm của 2 đường thẳng ( ) 1 và ( ) 2 là (Hình 3-17):

Hình 3-17: Biểu đồ quan hệ tải trọng – độ lún (5cm - 3D) Bảng 3-4: Số liệu thí nghiệm với khoảng cách cọc 3D, mũi cọc cách lớp đất yếu 5(cm)

Cách lớp đất yếu: 5 (cm) 3D; D = 3 (cm)

Các cọc được ép vào nền đất giả lập với độ sâu 10cm so với lớp đất yếu, sau đó tiến hành gia tải với các mức 15kg, 30kg, 45kg, 60kg, 75kg, 90kg và 120kg Thời gian gia tải cho mỗi mức là 5 phút, như được thể hiện chi tiết trong Hình 3-18.

Kết quả từ số liệu (Hình 3-19) cho thấy độ lún trung bình của cọc ở các cấp tải khác nhau như sau: tại cấp tải 15kg, độ lún đạt 2,27mm; cấp tải 30kg đạt 10,965mm; cấp tải 45kg đạt 17,75mm; cấp tải 60kg đạt 29,15mm; cấp tải 75kg đạt 48,625mm; cấp tải 90kg đạt 80mm; cấp tải 105kg đạt 140mm; và cấp tải 120kg đạt 210mm Các kết quả này được tổng hợp trong (Bảng 3-5).

Phương trình đường thẳng đi qua 2 điểm A(15;-2.27) và B(30;-10.965) (Hình 3-20) là:

Giao điểm của 2 đường thẳng ( ) 1 và ( ) 2 (Hình 3-20) là:

Bảng 3-5: Số liệu thí nghiệm với khoảng cách cọc 3D, mũi cọc cách đất yếu 10(cm)

Các cọc được ép vào nền đất giả lập với độ sâu 15cm so với lớp đất yếu, sau đó thực hiện gia tải từng cấp 15kg, 30kg, 45kg, 60kg, 75kg, 90kg và 120kg Thời gian gia tải cho mỗi cấp là 05 phút, như được thể hiện trong Hình 3-21.

Kết quả thử nghiệm cho thấy, tại cấp tải 15kg, độ lún trung bình của cọc đạt 2,605mm; ở cấp tải 30kg, độ lún trung bình là 7,26mm; tại 45kg, độ lún trung bình đạt 17,265mm; ở 60kg, độ lún trung bình là 38,495mm; tại 75kg, độ lún trung bình đạt 66,105mm; ở 90kg, độ lún trung bình là 92,04mm; tại 105kg, độ lún trung bình đạt 120mm; ở 120kg, độ lún trung bình là 170mm; tại 135kg, độ lún trung bình đạt 250mm Đặc biệt, ở cấp tải 150kg, đất nền mất ổn định, chuyển vị theo phương thẳng đứng vượt mức cho phép, dẫn đến nền móng mất khả năng chịu tải, như được thể hiện trong Bảng 3-6.

Hình 3-23: Biểu đồ quan hệ tải trọng – độ lún (15cm - 3D) Bảng 3-6: Số liệu thí nghiệm với khoảng cách cọc 3D, mũi cọc cách đất yếu 15(cm)

Cách lớp đất yếu: 15(cm) 3D; D = 3 (cm)

Các cọc được ép vào nền đất giả lập đến độ sâu 5cm trên lớp đất yếu và tiến hành gia tải theo các mức 15kg, 30kg, 45kg, 60kg, 75kg, 90kg và 120kg Thời gian gia tải cho mỗi cấp là 5 phút, với các thông tin chi tiết được thể hiện trong Hình 3-24.

Kết quả khảo sát cho thấy độ lún trung bình của cọc tăng theo cấp tải, cụ thể: ở mức tải 15kg, độ lún trung bình đạt 0,375mm; tại 30kg, đạt 5,555mm; ở 45kg, đạt 9,705mm; tại 60kg, đạt 12,215mm; ở 75kg, đạt 20,72mm; tại 90kg, đạt 30mm; ở 105kg, đạt 50mm; và cuối cùng, tại 120kg, độ lún trung bình đạt 80mm Các kết quả này được trình bày chi tiết trong Bảng 3-7.

Phương trình đường thẳng đi qua 2 điểm A(15;-0.375) và B(30;-5.555) là:

Phương trình đường thẳng đi qua 2 điểm C(105;-50) và D(120;-80) là:

Giao điểm của 2 đường thẳng ( ) 1 và ( ) 2 là:

Cách lớp đất yếu: 5(cm) 6D; D = 3 (cm)

Các cọc được ép vào nền đất giả lập với độ sâu cách lớp đất yếu 10cm, sau đó tiến hành gia tải theo các cấp từ 15kg đến 135kg, với thời gian gia tải mỗi cấp là 5 phút, như được thể hiện trong Hình 3-27.

Hình 3-27: Thí nghiệm với khoảng cách cọc 6D, mũi cọc cách lớp đất yếu 10 (cm)

Kết quả khảo sát cho thấy độ lún trung bình của cọc thay đổi theo cấp tải: ở mức 15kg đạt 2,235mm, 30kg đạt 5,935mm, 45kg đạt 10,97mm, 60kg đạt 21,925mm, 75kg đạt 40mm, và 90kg đạt 70mm.

Khi tải trọng đạt 105 kg, độ lún trung bình là 110 mm; tại 120 kg, độ lún trung bình tăng lên 160 mm; và ở mức tải 135 kg, độ lún trung bình đạt 240 mm, như được thể hiện trong Bảng 3-8.

Phương trình đường thẳng qua 2 điểm A(15;-2.235) và B(30;-5.935) (Hình 3-29) là:

Phương trình đường thẳng qua 2 điểm C(120;-160) và D(135;-240) (Hình 3-29) là:

Các cọc được ép vào nền đất giả lập với độ sâu 15cm cách lớp đất yếu Quá trình gia tải được thực hiện theo các cấp tải lần lượt là 15kg, 30kg, 45kg, 60kg, 75kg, 90kg và 120kg, mỗi cấp tải có thời gian gia tải là 05 phút, như được trình bày trong Hình 3-30.

Kết quả thí nghiệm cho thấy độ lún trung bình của cọc tăng theo cấp tải: tại 15kg đạt 2,41mm, 30kg đạt 7,68mm, 45kg đạt 21,945mm, 60kg đạt 41,675mm, 75kg đạt 85,575mm, 90kg đạt 120mm, 105kg đạt 180mm, và 120kg đạt 250mm, như được trình bày trong Bảng 3-9.

Các cọc được ép vào nền đất giả lập đến độ sâu 5cm trên lớp đất yếu và trải qua quá trình gia tải với các mức 15kg, 30kg, 45kg, 60kg, 75kg, 90kg và 105kg Mỗi mức tải được duy trì trong thời gian 5 phút, theo thông tin chi tiết trong Hình 3-33.

Kết quả khảo sát cho thấy độ lún trung bình của cọc thay đổi theo cấp tải: tại 15kg đạt 1,62mm, 30kg đạt 4,27mm, 45kg đạt 10,57mm, 60kg đạt 20,99mm, 75kg đạt 30,635mm, 90kg đạt 40mm, và 105kg đạt 50mm Những dữ liệu này được trình bày chi tiết trong Bảng 3-10.

SO SÁNH KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

3.8.1 Cùng khoảng cách mũi cọc đến lớp đất yếu (H)

3.8.1.1 Cách lớp đất yếu 5 cm

Hình 3-42: Biểu đồ quan hệ tải trọng – độ lún khi mũi cọc cách đất yếu 5 cm

Kết quả từ Hình 3-42 và Bảng 3-13 cho thấy, với khoảng cách mũi cọc đến lớp đất yếu là 05cm và cấp tải từ 15-90kg, cọc có khoảng cách 6D cho chuyển vị trung bình thấp nhất ở các cấp tải 15kg, 45kg và 90kg, trong khi cọc 9D có chuyển vị thấp nhất ở các cấp tải 30kg và 60kg Cụ thể, cọc 3D có chuyển vị từ 5.065mm đến 70mm, cọc 6D từ 0.375mm đến 50mm, và cọc 9D từ 1.64mm đến 60mm Sự chênh lệch giữa chuyển vị của cọc 6D và 9D không đáng kể ở các cấp tải lớn, chứng tỏ rằng cọc 6D vượt trội hơn khi khoảng cách mũi cọc đến lớp đất yếu là 05cm.

Bảng 3-13: Số liệu so sánh độ lún của cọc 3D, 6D, 9D khi mũi cọc cách đất yếu 5cm

3.8.1.2 Cách lớp đất yếu 10cm

Hình 3-43: Biểu đồ quan hệ tải trọng – độ lún khi mũi cọc cách đất yếu 10 cm

Kết quả từ Hình 3-43 và Bảng 3-14 cho thấy, với khoảng cách mũi cọc đến lớp đất yếu 10cm và cấp tải từ 15-105kg, cọc có khoảng cách 3D có chuyển vị trung bình thấp nhất, dao động từ 1.64mm đến 90mm Trong khi đó, cọc với khoảng cách 6D và 9D có chuyển vị trung bình lần lượt từ 2.235mm đến 160mm và 2.27mm đến 140mm Điều này chứng tỏ rằng cọc 3D thể hiện sự vượt trội khi khoảng cách đến lớp đất yếu là 10cm.

3.8.1.3 Cách lớp đất yếu 15cm

Hình 3-44: Biểu đồ quan hệ tải trọng – độ lún khi mũi cọc cách đất yếu 15cm

Kết quả từ Hình 3-44 và Bảng 3-15 cho thấy, với khoảng cách mũi cọc đến lớp đất yếu 15cm và cấp tải từ 15-105kg, cọc có khoảng cách 9D đạt chuyển vị thấp nhất, từ 1.14mm đến 110mm Trong khi đó, cọc với khoảng cách 3D và 6D có chuyển vị trung bình lần lượt từ 2.605mm đến 120mm và 2.41mm đến 180mm Sự chênh lệch chuyển vị giữa cọc 3D và 6D so với 9D trở nên rõ ràng hơn ở các cấp tải lớn, chứng tỏ rằng cọc 9D vượt trội hơn khi khoảng cách đến lớp đất yếu là 15cm.

Hình 3-45: Biểu đồ quan hệ tải trọng – độ lún khi khoảng cách cọc 3D

Kết quả từ Hình 3-45 và Bảng 3-16 cho thấy rằng tại khoảng cách 3D với cấp tải từ 15-90kg, cọc có khoảng cách mũi cọc đến lớp đất yếu 10cm có chuyển vị trung bình thấp nhất, dao động từ 2.27mm đến 80mm Trong khi đó, cọc có khoảng cách mũi cọc đến lớp đất yếu 5cm và 15cm có chuyển vị trung bình lần lượt từ 5.065mm đến 70mm và 2.605mm đến 92.04mm Sự chênh lệch chuyển vị giữa các cọc này trở nên rõ rệt ở những cấp tải lớn, chứng tỏ rằng việc đặt mũi cọc cách lớp đất yếu 10cm sẽ cải thiện khả năng chịu tải của đất nền hiệu quả hơn.

Bảng 3-16: Số liệu so sánh độ lún của mũi cọc cách đất yếu 5cm,10cm và 15cm khi khoảng cách cọc 3D

(kg) 5cm 10cm 15cm 5cm&10cm 5cm&15cm 10cm&15cm

Kết quả từ Hình 3-46 và Bảng 3-17 cho thấy rằng với khoảng cách cọc 6D, cọc có khoảng cách mũi đến lớp đất yếu 10cm có chuyển vị thấp nhất trong các cấp tải từ 15-90kg Cụ thể, chuyển vị trung bình của cọc ở khoảng cách 5cm dao động từ 0.375mm đến 80mm, trong khi ở khoảng cách 10cm là từ 2.235mm đến 160mm, và ở khoảng cách 15cm là từ 2.41mm đến 250mm Sự chênh lệch chuyển vị giữa cọc cách lớp đất yếu 5cm và 15cm so với 10cm là khá lớn ở các cấp tải cao, cho thấy rằng khoảng cách mũi cọc 10cm sẽ cải thiện khả năng chịu tải của đất nền một cách hiệu quả hơn.

Bảng 3-17: Số liệu so sánh độ lún của mũi cọc cách đất yếu 5cm,10cm và 15cm khi khoảng cách cọc 6D

Kết quả từ Hình 3-47 và Bảng 3-18 cho thấy, với khoảng cách cọc 9D và tải trọng từ 15-105kg, cọc có khoảng cách mũi đến lớp đất yếu 05cm có chuyển vị trung bình từ 1.62mm đến 50mm, trong khi cọc cách 10cm có chuyển vị từ 1.64mm đến 90mm, và cọc cách 15cm có chuyển vị từ 2.14mm đến 110mm Điều này cho thấy cọc với khoảng cách mũi 05cm và 10cm có chuyển vị tương đối thấp, với chênh lệch giữa chúng là nhỏ Kết quả này chứng minh rằng trong điều kiện khoảng cách cọc 9D, cả hai khoảng cách mũi cọc 05cm và 10cm đều có thể được sử dụng hiệu quả.

Bảng 3-18: Số liệu so sánh độ lún của mũi cọc cách đất yếu 5cm,10cm và 15cm cm khi khoảng cách cọc 9D

THÍ NGHIỆM NÉN TĨNH TRÊN CỌC ĐƠN NGOÀI HIỆN TRƯỜNG

Trong nghiên cứu này, tác giả phân tích hiệu suất của cọc ngắn trong điều kiện đất san lấp tại Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL), với địa chất điển hình bao gồm hai lớp: lớp cát san lấp dày 4-5m và lớp đất sét dày hơn 10m Các thí nghiệm nén tĩnh trên cọc đơn được thực hiện theo tiêu chuẩn TCVN 9393-2012, cho phép đánh giá đặc điểm làm việc cũng như mối quan hệ giữa tải trọng và độ lún của cọc ngắn trong điều kiện địa chất này Kết quả thí nghiệm cũng cung cấp cơ sở để hiệu chỉnh thông số Plaxis cho mô hình vật lý thu nhỏ Schneebeli.

Cọc BTCT ngắn trong nghiên cứu này có kích thước 15cm x 15cm và chiều dài 4m, với cốt thép dọc 4ỉ10 và thép đai ỉ6a150, sử dụng bêtông cấp độ bền B15 (M200) Cọc được đúc tại chỗ và được ép xuống đất sau 28 ngày Sau khi ép, cọc sẽ được thí nghiệm nén tĩnh theo tiêu chuẩn TCVN 9393:2012 sau thời gian lớn hơn 7 ngày.

Hình 4- 1: Cấu tạo cọc ngắn BTCT

4.1.2 Mô tả địa chất khu vực thí nghiệm Địa chất tại vị trí thí nghiệm gồm 2 lớp: lớp 1 là cát san lấp có chiều dày 4.5m; lớp

Lớp đất sét xám vàng có độ dẻo mềm, dày 10m và chưa hoàn tất hố khoan Mực nước ngầm hiện tại ở cao độ -1.5 m so với bề mặt Các chỉ tiêu cơ lý được trình bày trong Bảng 4-1.

Do lớp đất 1 đã được san lấp trước khi tiến hành thí nghiệm 4 năm, các lớp đất 1 và 2 đã hoàn toàn cố kết dưới tải trọng của đất đắp.

Bảng 4- 1: Các chỉ tiêu cơ lý tại khu vực thí nghiệm

Thành phần Sỏi sạn >2mm - - cỡhạt Cát 2-0,05 mm 91.0 14.2

Dung trọng đẩy nổi γđn (g/cm 3 ) 0.887 0.845

Hệ số rỗng e 0.878 0.987 Độ rỗng N (%) 46.8 49.7 Độ bão hòa S (%) 93.2 94.8

Chỉ số dẻo Ip - 20.5 Độ sệt B - 0.67

Sức chịu nén đơn QU(Kg/cm 2 ) - 0.611

Lực dính đơn vị C (Kg/cm 2 ) 0.019 0.132

Module biến dạng ứng E0(Kg/cm 2 ) 54.976 26.988 với cấp áp lực 1-2

Hình 4- 2: Kích thủy lực - Hệ thống đo chuyển vị

Khi thực hiện thí nghiệm cọc đơn, sử dụng kích thủy lực 25 tấn đặt chính xác trên đầu cọc, với trục của kích thẳng hàng với trục cọc hoặc đài cọc Hệ thống bơm dầu thủy lực đi kèm có đồng hồ áp suất đo trong khoảng (0~40) MPa, với độ chia là 0.2 MPa Lực nén tác động được xác định dựa trên số đọc trên đồng hồ thủy lực kết hợp với hệ số sức nâng của kích thủy lực.

Hệ thống đo chuyển vị bao gồm 4 đồng hồ với thang đo từ 0 đến 50mm và độ chính xác đạt 0.01mm, được gắn chặt trên thân cọc hoặc đài thông qua một hệ thống giá đỡ và gông thép Hệ giá đỡ mốc chuẩn được làm từ thép hình và được chôn sâu cách tim cọc thử nghiệm từ 1.5 đến 2 mét, đảm bảo độ cứng và sự chắc chắn, đồng thời được bảo vệ để tránh biến dạng trong suốt quá trình thử nghiệm.

Trước khi tiến hành thí nghiệm chính thức, cần thực hiện gia tải trước (cấp 0) để kiểm tra hoạt động của thiết bị và đảm bảo tiếp xúc tốt giữa thiết bị và đầu cọc Gia tải trước được thực hiện bằng cách áp dụng khoảng 5% tải trọng thiết kế lên đầu cọc, sau đó giảm tải về mức yêu cầu.

0 để kiểm tra hoạt động bình thường của các thiết bị thử nghiệm

Thí nghiệm được tiến hành theo quy trình gia tải từng cấp, bắt đầu với 25% tải trọng thiết kế Cấp tải trọng sẽ chỉ được tăng khi chuyển vị đầu cọc đạt độ ổn định quy ước hoặc sau thời gian quy định Việc tăng cấp tải mới chỉ diễn ra khi tốc độ lún đạt yêu cầu.

Trong chu kỳ thí nghiệm phá hoại, tải trọng được tăng thêm 25% cho mỗi cấp cho đến khi chuyển vị của cọc đạt 10% chiều dài cạnh cọc (D) Tốc độ tải trọng không vượt quá 0,1 mm/giờ và thời gian thí nghiệm không quá 2 giờ.

Bảng 4- 2: Quy trình quan trắc số liệu, gia tải, giảm tải

Cấp tải thử nghiệm (kN) Thời gian duy trì tải trọng lên đầu cọc

Thời gian theo dõi và ghi số liệu thử nghiệm Cọc đơn

5% 1 Gia tải trước 10 phút Ghi số đọc các đồng hồ tại các thời điểm 10’, 20’, 30’, 45’, 60’, 90’,120’,180’, 240’, 300’, 360’

25% 5 Độ lún

Định dạng
Số trang	140
Dung lượng	11,73 MB