LỜI TÁC GIẢ Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật chuyên ngành Xây dựng công trình thuỷ với đề tài: " Nghiên cứu ứng suất và biến dạng của nền đê, đập gia cố bằng cọc xi măng đất " được hoàn thành với sự giúp đỡ tận tình của Khoa sau đại học, Khoa Công trình, bộ môn Thuỷ công Trường đại học Thuỷ lợi cùng các thầy cô, các chuyên gia, bạn bè và đồng nghiệp. Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Thuỷ công và phòng Đào tạo Đại học và Sau đại học, trường Đại học Thủy lợi. Xin chân thành cảm ơn Tổng công ty tư vấn xây dựng thủy lợi Việt Nam, Công ty CPTVXDTLTĐ Thăng Long, bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã tạo mọi điều kiện và động viên về nhiều mặt để tác giả hoàn thành luận văn. Đặc biệt tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Quốc Dũng, NCS.ThS Phùng Vĩnh An - những người đã tận tình hướng dẫn tác giả trong quá trình thực hiện luận văn. Tuy nhiên, do thời gian có hạn và trình độ còn nhiều hạn chế nên luận văn không thể tránh được các thiếu sót, rất mong các thầy cô, bạn bè và đồng nghiệp quan tâm góp ý để tác giả có thêm kiến thức và kinh nghiệm trong lĩnh vực này. Luận văn được hoàn thành tại phòng Đào tạo Đại học và Sau đại học trường Đại học Thủy lợi tháng 11 năm 2010. Hà Nội, 30 tháng 11 năm 2010 Hồ Sỹ Hùng MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài……………………………………… 0B1 2. Mục đích của đề tài……………………………………………………. 1B2 3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu…………………… 2B2 4. Kết quả đạt được của luận văn………………………………… 3B3 4BCHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ GIA CỐ NỀN BẰNG CỌC XI MĂNG - ĐẤT 1.1 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng cọc xi măng đất để gia cố nền đê, đập trên thế giới……………………………………………… 4 1.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng cọc xi măng đất để gia cố nền đê, đập tại Việt Nam…………………………………………… 5 1.3 Tổng quan về các mô hình vật liệu dùng để phân tích ứng suất, biến dạng và các phương pháp tính ứng suất , biến dạng……… 8 1.3.1 Các mô hình vật liệu dùng để phân tích ứng suất , biến dạng… 8 1.3.2 Các phương pháp phân tích ứng suất , biến dạng………………. 17 1.4 Kết luận………………………………………………………… 22 CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ XỬ LÝ CHO ĐÊ, ĐẬP KHI GIA CỐ NỀN BẰNG CỌC XI MĂNG - ĐẤT 2.1 Các phương pháp thí nghiệm……………………………………. 23 2.1.1 Khảo sát địa chất công trình……………………………………. 23 2.1.2 Các thí nghiệm trong phòng xác định cường độ cọc XMĐ… 23 2.1.3 Các thí nghiệm tại hiện trường…………………………………. 24 2.2 Sự làm việc của cọc đơn và nhóm cọc xi măng - đất…………… 26 2.2.1 Phương pháp tính toán theo quan điểm cọc làm việc như cọc… 27 2.2.2 Phương pháp tính toán theo quan điểm nền tương đương……… 29 2.2.3 Phương pháp tính toán theo quan điểm hỗn hợp……………… 30 2.3 Bố trí cọc xi măng - đất để xử lý nền đê, đập…………………… 42 2.3.1 Dạng cách đều………………………………………………… 42 2.3.2 Dạng khung…………………………………………………… 43 2.4 Kết luận …………………………………….…………………… 44 CHƯƠNG 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ LỰA CHỌN PHẦN MỀM TÍNH TOÁN 3.1 Cơ sở lý thuyết và các phương pháp tính toán…………………… 45 3.1.1 Phương pháp sai phân hữu hạn …………………………………. 47 3.1.2 Phương pháp phần tử hữu hạn………………………………… 47 3.1.3 Phương pháp biến phân cục bộ………………………………… 59 3.2 Lựa chọn phần mềm tính toán ………………………………… 60 3.2.1 Giới thiệu về phần mềm Plaxis ……………………………… 60 3.2.2 Cơ sở lý thuyết phần mềm Plaxis ………………………………. 61 3.2.3 mô hình hoá trong phần mềm Plaxis ………………………… 67 3.3 Kết luận …………………………………….…………………… 70 CHƯƠNG 4. ỨNG DỤNG CỦA CỌC XI MĂNG - ĐẤT ĐỂ XỬ LÝ NỀN ĐẬP KHE NGANG – TỈNH THỪA THIÊN HUẾ 4.1 Giới thiệu công trình…………………………………………… 71 4.1.1 Nhiệm vụ của dự án…………………………………………… 71 4.1.2 Phương án thiết kế xử lý nền đập……………………………… 73 4.2 Lựa chọn các thông số đầu vào…………………………………. 77 4.2.1 Các thông số của đập thiết kế…………………………………… 77 4.2.2 Các chỉ tiêu cơ lý của đất nền…………………………………… 77 4.2.3 Các chỉ tiêu cơ lý của cọc XMĐ dự kiến ………………………. 78 4.2.4 Các chỉ tiêu cơ lý của nền tương đương………………………… 79 4.3 Mô hình bài toán ……………………………… ……………… 80 4.3.1 Phương pháp tính toán………………………………………… 80 4.3.2 Mô hình bài toán………………………………………………… 80 4.4 Phân tích và đánh giá kết quả tính toán…………………………. 81 4.4.1 Về ứng suất ……………………………………………………… 81 4.4.2 Về biến dạng ………………………………………………… 81 4.4.3 Về tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng ……………………………… 82 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. Những kết quả đạt được ………………………………………………. 83 2. Những vấn đề còn tồn tại …………………………………………… 83 3. Hướng phát triển của luận văn…………………………………… 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO ……………………………………………… 85 PHỤ LỤC ……………………………………………………………… 86 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sửa chữa chống thấm cống D10-Hà Nam ………… … 6 Hình 1.2: Thi công tường chống thấm nền đập Đá Bạc- Hà Tĩnh .……7 Hình 1.3: Hình ảnh chống thấm cho đê quai công trình Sơn La …… 7 Hình 1.4: Quan hệ ứng suất-biến dạng mô hình biến dạng tuyến tính 9 Hình 1.5: Quan hệ ứng suất- biến dạng trong mô hình lý thuyết cân bằng giới hạn ………………………………………………11 Hình 1.6: Quan hệ ứng suất- biến dạng trong mô hình đàn hồi- cân bằng giới hạn ………………………………………………12 Hình 1.7: Quan hệ ứng suất - biến dạng mô hình đàn hồi phi tuyến 13 Hình 1.8: Quan hệ ứng suất - biến dạng mô hình đàn dẻo lý tưởng 15 Hình 1.9: Quan hệ ứng suất - biến dạng mô hình đàn dẻo tăng bền….16 Hình 1.10: Lý thuyết phá hoại Mohr - Coulomb ……………… 18 Hình 1.11: Áp lực đất tĩnh Lý thuyết phá hoại Mohr - Coulomb … 19 Hình 1.12: Các trạng thái cân bằng dẻo của Rankine ….………… 20 Hình 2.1: Sơ đồ phá hoại của đất dính gia cố bằng cọc XMĐ …… 31 Hình 2.2: Quan hệ ứng suất - biến dạng của vật liệu XMĐ … …… 33 Hình 2.3: Phá hoại khối ………… … …………………………… 33 Hình 2.4: Phá hoại cắt cục bộ …… … …………………………… 33 Hình 2.5: Sơ đồ tính toán biến dạng … …………………………… 35 Hình 2.6: Sơ đồ tải trọng truyền cho cọc … …………….…… 37 Hỡnh 2.7: S ti trng truyn cho t khụng n nh gia cỏc cc khi ti trng vt quỏ bn róo .38 Hỡnh 2.8: Cỏc hỡnh thc b trớ cc XM vi mc ớch gia c nn 43 Hỡnh 2.9: B trớ gia c kiu khung . 43 Hỡnh 3.1: S tớnh toỏn theo Phng phỏp PTHH 50 Hỡnh 4.1: Phng ỏn búc b tng t yu nn p Khe Ngang 74 Hỡnh 4.2: Thi cụng cc XM ti cụng trng p chớnh Khe Ngang thỏng 6/2010 .76 Hình 4.3: Mô hình cọc XMĐ và nền làm việc riêng rẽ 81 Hình 4.4: Mô hình nền tơng đơng 81 Bài toán Cọc XMĐ và nền làm việc riêng rẽ Hỡnh 4.5: S chia li phn t 87 Hỡnh 4.6: Mụ phng ng sut hin trng 87 Hỡnh 4.7: V trớ cỏc im theo dừi im A (mt nn); im B (nh gia c); im C (ỏy gia c) 87 Hỡnh 4.8: Kt qu tớnh chuyn v tng th 88 Hỡnh 4.9: Kt qu tớnh chuyn v ngang 88 Hỡnh 4.10: Kt qu tớnh chuyn v ng 88 Hỡnh 4.11: Kt qu tớnh s tiờu tỏn ỏp lc nc l rng .88 Hỡnh 4.12: lỳn ca im cỏc im theo dừi .89 Hỡnh 4.13: Tiờu tỏn ỏp lc nc l rng theo thi gian 89 Bµi to¸n nÒn ®ång nhÊt Hình 4.14: Sơ đồ chia lưới phần tử .…….…………………………90 Hình 4.15: Mô phỏng ứng suất hiện trường ….………………………90 Hình 4.16: Vị trí các điểm theo dõi điểm A (mặt nền); điểm B (đỉnh gia cố); điểm C (đáy gia cố) …………………………………90 Hình 4.17: Kết quả tính chuyển vị tổng thể ……………………… 91 Hình 4.18: Kết quả tính chuyển vị ngang .…………………………91 Hình 4.19: Kết quả tính chuyển vị đứng …………………………91 Hình 4.20: Kết quả tính sự tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng ………… 91 Hình 4.21: Độ lún của điểm các điểm theo dõi ……….………… 92 Hình 4.22: Tiêu tán áp lực nước lỗ rống theo thời gian ……………92 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 4.1: Các thông số của đập thiết kế ……………………………….77 Bảng 4.2: Các chỉ tiêu cơ lý dùng trong tính toán ……………………77 Bảng 4.3: Các chỉ tiêu cơ lý của cọc xi măng đất dự kiến ……… 78 Bảng 4.4: Các chỉ tiêu cơ lý tương đương của khối hỗn hợp ………… 79 1 MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Khi xây dựng đê, đập trên nền đất yếu nếu không được quan tâm xử lý đúng mức thì có thể dẫn đến hư hỏng công trình. Trong thực tế, một số dạng hư hỏng thường gặp là: (1) Biến dạng nền dẫn đến lún sụt đê, đập - Dạng này thường gặp ngay trong quá trình thi công. Nứt ngang và dọc cục bộ đê, đập - Dạng này thường gặp trong quá trình khai thác; (2) Trượt mái thượng và hạ lưu đê, đập vv Khi đó, các giải pháp xử lý và gia cố nền đê, đập sẽ được đưa ra bao gồm một số nhóm sau: - Nhóm các giải pháp làm chặt bằng cơ học. - Nhóm các giải pháp làm chặt bằng các thiết bị tiêu nước. - Nhóm các giải pháp xử lý bằng chất kết dính. Trong các phương pháp để xử lý nền kể trên thì xu hướng chung hiện nay đang thiên về hướng xử lý đất tại chỗ bằng chất kết dính. Trong đó, phương pháp xử lý nền bằng cọc xi măng- đất (XMĐ) là phương pháp được quan tâm nhiều trong thời gian qua vì một số ưu điểm nổi trội sau đây: - Thiết bị thi công linh hoạt, cho phép thi công tại các khu vực chật hẹp. - Chất lượng vật liệu đồng đều, sức kháng nén linh hoạt tuỳ theo yêu cầu của tải trọng (khi cần thiết có thể đạt tới 15 kg/cm P 2 P). - Ít phụ thuộc vào các điều kiện thời tiết, không gây ô nhiễm môi trường. - Vật liệu sử dụng là xi măng rất sẵn có vv 2 Trên thực tế, việc xử lý nền cho đê, đập là không hề đơn giản. Đặc biệt tại những khu vực có mực nước ngầm cao hoặc những khu vực có mưa nhiều. Biện pháp xử lý là bóc bỏ lớp đất yếu để thay thế bằng loại đất tốt hơn. Tuy nhiên, biện pháp này lại rất khó thực hiện bởi một số lý do như : (1) Tăng khối lượng đào bóc ảnh hưởng đến giá thành công trình; (2) Sau khi đào bỏ thì vấn đề vị trí bãi thải đặt ra làm ảnh hưởng đến công tác giải phóng và đền bù mặt bằng; (3) Phải tìm mỏ vật liệu để thay thế tầng đất yếu dẫn đến phát sinh các công tác khảo sát, vận chuyển và tích trữ vv Do đó, hiện nay trên thế giới và trong nước, việc nghiên cứu ứng dụng của giải xử lý nền bằng cọc XMĐ là yêu cầu đặt ra của thực tiễn sản xuất. Trong đó, việc nghiên cứu ứng suất và biến dạng là một nội dung quan trọng của vấn đề này. 2. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI Nghiên cứu phương pháp tính toán ứng suất, biến dạng phẳng của nền đê, đập gia cố bằng cọc XMĐ thi công bằng công nghệ Jet – Grouting. 3. CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1. Phương pháp tiếp cận: 3.1.1. Tiếp cận trên cơ sở đánh giá nhu cầu: Nhu cầu trong vấn đề xử lý nền đất yếu khi xây dựng đê, đập. 3.1.2. Tiếp cận với thực tiễn công trình: Khi tính toán ứng suất, biến dạng cho đập chính Hồ chứa nước Khe Ngang- Tỉnh Thừa Thiên Huế, hội đồng khoa học đã đặt vấn đề cho Tư vấn thiết kế phải làm rõ các nội dung như sau: - Cơ chế hoạt động của cọc XMĐ. [...]... chớnh h cha nc Khe Ngang - tnh Tha Thiờn Hu 4 CHNG 1 TNG QUAN V CễNG NGH GIA C NN BNG CC XI MNG T TRấN TH GII V TI VIT NAM 1.1 TèNH HèNH NGHIấN CU V NG DNG CC XI MNG T GIA C NN ấ, P TRấN TH GII Cụng ngh trn sõu (Deep Mixing) to cc xi mng- t (XM) l cụng ngh trn xi mng vi t ti ch- di sõu c phỏt minh ng thi ti Thu in v Nht Bn vo gia thp niờn 70 ca th k XX Cc XM c s dng khỏ rng rói trờn ton th gii trong... X Lí CHO ấ, P KHI GIA C NN BNG CC XI MNG - T 2.1 CC PHNG PHP TH NGHIM Cụng vic tin hnh cụng on thớ nghim phc v cho vic thit k, thi cụng x lý cho nn ờ, p gia c bng phng phỏp cc XM bao gm: - Kho sỏt, xỏc nh cỏc iu kin ban u ca t nn (cỏc ch tiờu c lý, a tng, a cht thu vn) - Kho sỏt s tng cng t t nhiờn vi xi mng, thụng qua cỏc mu ly nc c ti hin trng xõy dng Tỡm ra hm lng cht gia c (xi mng) ti u v mt kinh... c nn gia c bng cc xi mng - t cn phi bit c tớnh cht vt liu to nờn ct Do ú, mc ớch chớnh ca thớ nghim l thụng qua thớ nghim trong phũng xỏc nh c hm lng xi mng v cỏc ph gia khỏc nhm phc v mc ớch thit k - Cỏc thụng s cn xỏc nh: + i vi vic xỏc nh cng ct hay cng nh bờ tụng hin nay s dng l ch s R 28 xỏc nh c giỏ tr ny ta thc hin trn nhiu R R cỏc trng hp hm lng xi mng khỏc nhau Vi mi giỏ tr hm lng xi mng... chuyờn gia: Song song vi vic thu thp v tng hp thụng tin, ly ý kin cỏc chuyờn gia b sung cho quỏ trỡnh nghiờn cu 3.2.3 Phng phỏp nghiờn cu trờn mụ hỡnh toỏn: - La chn phn mm tớnh toỏn - Chn cụng trỡnh c th thit lp mụ hỡnh 4 KT QU T C CA LUN VN - xut c phng phỏp v mụ hỡnh tớnh toỏn ng sut, bin dng ca nn ờ, p gia c bng cc XM - Thit lp quan h lm vic gia Nn- Cc- Cụng trỡnh vi ti trng tỏc dng theo thi gian... ó cú ti nghiờn cu v cc Xi mng - Vụi B Xõy dng ang chun b ban hnh Tiờu chun thit k cc XM Nm 2004, Vin Khoa hc Thu li VN ó tip nhn chuyn giao cụng ngh DM t Nht Bn ti ó ng dng cụng ngh v thit bj ny trong nghiờn cu sc chu ti ca cc n v nhúm cc, kh nng chu lc ngang, nh hng ca hm lng xi mng nhm ng dng cc XM vo x lý t yu cho cỏc cụng trỡnh thu li Sau õy, l mt s cụng trỡnh ờ, p c gia c nn bng cc XM theo cụng... ngy, 7 ngy v 28 ngy + Cỏc thụng s khỏc cn xỏc nh l ch tiờu c lý (dung trng, m,) cng (chu ct, chu nộn), moduyl bin dng ca xi mng t, cỏc ch s ny ph thuc tng th nhiu yu t: hm lng xi mng, hm lng cỏc cht hu c trong t, ngy tui, loi v hm lng ph gia Vỡ vy, xỏc nh c cng chu lc ca cc xi mng - t cn phi thớ nghim vi nhiu t mu khỏc nhau 2.1.3 Cỏc thớ nghim ti hin trng: Kim tra cht lng ca cỏc cc XM l mt khõu... khai thỏc mt mnh ca DM ú l kh nng gia c nhanh, cú th c nh ti ch cỏc ngun ụ nhim khụng cho chỳng thoỏt lờn khi mt t Khi mi phỏt minh, yờu cu i vi DM ch l nhm t c cng cao v chi phớ thp Nhng gn õy do nhng nan gii trong vn xõy dng ó t yờu cu cao v s tin cy v hon chnh ca cụng ngh u th ca DM ha hn cho nhng nghiờn cu tip tc 1.2 TèNH HèNH NGHIấN CU V NG DNG CC XI MNG T GIA C NN ấ, P TI VIT NAM Cụng ngh... ton th gii trong x lý nn múng cụng trỡnh xõy dng, c bit l x lý nn ờ, p xõy dng trờn nn t yu Mc ớch gia c ca cụng ngh l lm thay i, nõng cao cht lng ca t bng cỏch cng húa ti ch Nhng quc gia ng dng cụng ngh DM nhiu nht l Nht Bn v cỏc nc thuc vựng Scandinaver Trong nhng nm 1977-1993 cú trờn 300 d ỏn vi lng t gia c bng DM trờn 23 triu m3 n nm 1994, hóng SWS P P Seiko ca Nht Bn ó thi cụng 4000 d ỏn trờn ton... cht phi tuyn v ph thuc thi gian ca mụi trng t, ỏ - Cú th gii quyt cỏc bi toỏn liờn quan n ỏp lc l rng thu tnh v khụng thu tnh ca t nhiu pha S tng tỏc gia cụng trỡnh v mụi trng t vi cỏc ti trng tnh v ng 22 - Cho phộp t xõy dng mụ hỡnh tớnh toỏn v s dng trong chng trỡnh nh mụ hỡnh mu 1.4 KT LUN Trong Chng 1 tỏc gi ó trỡnh by tng quan v tỡnh hỡnh nghiờn cu v ng dng ca cc XM gia c nn ờ, p trờn Th gii... xung m khụng phi l úng vo trong t Thớ nghim ny c tin hnh trc v sau khi gia c bng cc XM ỏnh giỏ ng u ca cc v hiu qu ca vic gia c Thụng qua cỏc kt qu thớ nghim nh: Sc khỏng xuyờn q c , ma sỏt bờn F s , cú th c ỏp lc nc l rng u (tu thuc R R R R thit b) t ú xỏc nh c: + Cu to a tng ca khu vc kho sỏt + Cỏc ch tiờu c lý ca t nn trc v sau gia c: E, C, + Sc chu ti ca cc XM 2.1.3.2 Thớ nghim xuyờn tiờu chun . GIA CỐ NỀN BẰNG CỌC XI MĂNG - ĐẤT 1.1 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng cọc xi măng đất để gia cố nền đê, đập trên thế giới……………………………………………… 4 1.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng cọc xi. NGHỆ GIA CỐ NỀN BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM 1.1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CỌC XI MĂNG ĐẤT ĐỂ GIA CỐ NỀN ĐÊ, ĐẬP TRÊN THẾ GIỚI Công nghệ trộn sâu (Deep Mixing). ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI Nghiên cứu phương pháp tính toán ứng suất, biến dạng phẳng của nền đê, đập gia cố bằng cọc XMĐ thi công bằng công nghệ Jet – Grouting. 3. CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU