Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu
Cao độ hoàn thiện của đường dẫn vào cầu thường được thiết kế bằng với cao độ bản mặt cầu Tuy nhiên, sau một thời gian khai thác, tải trọng xe cộ, đặc biệt là tải trọng trùng phục, gây nén chặt nền đường, dẫn đến hiện tượng lún lệch Điều này xảy ra do nền đường lún xuống trong khi cao độ mặt cầu vẫn không thay đổi.
Tải trọng xe cộ và tải trọng nền đường đắp ảnh hưởng đến tốc độ cố kết của nền đất, gây ra hiện tượng lún lệch Độ lún quá mức có thể do thiết kế không phù hợp hoặc thi công không đúng kỹ thuật Việc thi công cầu trước và nền đường dẫn vào cầu sau cũng dẫn đến tình trạng lún không đều, khi nền đường chưa cố kết hoàn toàn Hiện nay, chưa có nghiên cứu cụ thể nào đánh giá mức độ tổn thất do vấn đề này gây ra, mặc dù đã có một số giải pháp được đưa ra nhưng chưa triệt để Do đó, nghiên cứu về giải pháp trụ đất xi măng kết hợp với vải địa kỹ thuật để gia cố nền đất yếu đường dẫn vào cầu là rất cần thiết và cấp bách.
Nghiên cứu giải pháp sử dụng trụ đất xi măng kết hợp với vải địa kỹ thuật để gia cố nền đất yếu dưới nền đường đầu cầu là một nhiệm vụ cần thiết và cấp bách Giải pháp này không chỉ mang lại ý nghĩa to lớn về mặt kỹ thuật mà còn có tác động tích cực đến kinh tế, văn hóa xã hội và chính trị.
Mục đích nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Nghiên cứu điều kiện địa chất và địa mạo đã dẫn đến việc đề xuất giải pháp gia cố nền đất cho đoạn đường dẫn vào cầu tại huyện Tân Phú Đông, tỉnh Tiền Giang, nhằm đảm bảo tính kinh tế và kỹ thuật Giải pháp thiết kế và thi công gia cố đất yếu dưới nền đường đầu cầu sẽ đảm bảo sự êm thuận và an toàn cho công trình, cũng như cho các phương tiện lưu thông trên đoạn đường tiếp giáp với cầu.
Xác định chiều dài đoạn đường dẫn và chiều sâu gia cố là bước quan trọng trong thi công công trình Sự ổn định của hệ trụ đất xi măng kết hợp với vải địa kỹ thuật đóng vai trò then chốt trong việc gia cố nền đất yếu dưới nền đường đầu cầu.
Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết về giải pháp gia cố nền đất yếu dưới nền đường đầu cầu bằng trụ đất xi măng kết hợp với vải địa kỹ thuật Lý thuyết này tập trung vào việc ổn định và kiểm soát biến dạng trong nền đất yếu nhờ vào sự kết hợp hiệu quả giữa trụ đất xi măng và vải địa kỹ thuật.
Dựa vào số liệu địa kỹ thuật và tải trọng, cùng với các cơ sở lý thuyết và tài liệu tham khảo liên quan, học viên thực hiện phân tích và đánh giá công trình đường dẫn đầu cầu tại huyện Tân Phú Đông, tỉnh Tiền Giang.
Phương pháp phần tử hữu hạn Plaxis được áp dụng để mô phỏng và tính toán ổn định cũng như biến dạng của nền đất yếu dưới nền đường đầu cầu Nghiên cứu này xem xét hai trường hợp: một là nền đất chưa có giải pháp gia cố, và hai là nền đất được gia cố bằng hệ trụ đất xi măng.
Cấu trúc của luận văn
Nội dung luận văn gồm có phần mở đầu, 03 chương nội dung và phần kết luận và kiến nghị, trình bày các vấn đề sau:
Trong phần mở đầu, bài viết sẽ trình bày tổng quan về nghiên cứu giải pháp trụ đất xi măng kết hợp với vải địa kỹ thuật nhằm gia cố nền đất yếu cho đường dẫn vào cầu Nội dung sẽ đề cập đến tính cấp thiết của vấn đề, mục tiêu nghiên cứu, đối tượng khảo sát và phương pháp thực hiện nghiên cứu.
Chương 1 cung cấp cái nhìn tổng quan về nguyên nhân gây ra độ lún lệch đường dẫn vào cầu, đồng thời giới thiệu cấu tạo và giải pháp gia cố nền đất yếu dưới nền đường đầu cầu bằng trụ đất xi măng kết hợp với vải địa kỹ thuật Ngoài ra, chương này cũng trình bày các phương pháp bố trí cấu tạo của giải pháp gia cố này nhằm nâng cao hiệu quả và độ bền của công trình.
Chương 2 trình bày cơ sở lý thuyết về tính toán gia cố nền đất yếu dưới nền đường đầu cầu bằng trụ đất xi măng kết hợp với vải địa kỹ thuật Bài viết tổng kết các giả thuyết tính toán và nguyên lý thiết kế, đồng thời giới thiệu phương pháp tính toán gia cố từ các tác giả trong và ngoài nước Học viên sẽ nghiên cứu sâu về các lý thuyết kiểm tra ổn định và các trạng thái giới hạn sử dụng.
Chương 3 trình bày nghiên cứu ứng dụng tính toán cho công trình thực tế, cụ thể là mô hình tính toán mặt cắt ngang nền đất yếu dưới nền đường đầu cầu tại huyện Tân Phú Đông Nghiên cứu sử dụng phần mềm Plaxis để kiểm tra ổn định và biến dạng của nền đất trong hai trường hợp: một là nền đất chưa được gia cố và hai là nền đất được gia cố bằng hệ trụ đất xi măng Các kết quả tính toán và mô phỏng sẽ được phân tích và so sánh để đánh giá hiệu quả của giải pháp gia cố.
Ph ầ n k ế t lu ậ n và ki ế n ngh ị : Trình bày các kết quả và kiến nghị của nghiên cứu.
TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ LÚN ĐƯỜNG DẪN VÀO CẦU TRÊN NỀN ĐẤT YẾU
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN
Phương pháp tính toán theo tiêu chuẩn Châu Âu
2.1.1 Cách xác đị nh kho ả ng cách gi ữ a các tr ụ đấ t xi m ă ng
Khoảng cách giữa các trụ được tính toán tối ưu để đáp ứng nhu cầu kinh tế và kỹ thuật Giới hạn tối đa cho khoảng cách giữa các trụ trong bố trí lưới ô vuông có thể được xác định bằng công thức cụ thể.
Khả năng chịu tải cho mỗi trụ được xác định bởi hệ số tải trọng do đất đắp (f fs) và hệ số tải trọng do hoạt tải (f p), với giá trị F fs và F p nằm trong khoảng từ 1,3 đến 1,5 Hoạt tải phân bố đều trên bề mặt đất đắp (q) và chiều cao của đất đắp (h) cũng cần được xem xét, cùng với trọng lượng trung bình của đất đắp (γ) để đảm bảo tính toán chính xác.
2.1.2 Ki ể m tra theo v ậ t li ệ u tr ụ
Kiểm tra theo điều kiện vật liệu được thực hiện theo phương pháp hệ số vượt tải với điều kiện:
Sức chịu tải của mỗi trụ đất xi măng như sau:
(2.3) Tải trọng tác dụng lên trụ:
Acol: Diện tích tiết diện ngang của trụ; σn: Áp lực ngang tổng cộng tác dụng lên trụ, xác định theo công thức:
Cucol, Cusoil: Sức kháng cắt của trụ, đất nền; σ p : Ứng suất phân bố dưới đáy khối gia cố, xác định theo công thức:
(2.6) qtt: Hoạt tải và tải trọng đất đắp; a: Tỷ diện thay thế của trụ đất xi măng;
E soil , E col : Mô đun biến dạng của nền đất và trụ
Kiểm tra theo điều kiện đất nền được thực hiện theo phương pháp hệ số vượt tải với điều kiện:
(2.7) Sức chịu tải của trụ đất xi măng theo điều kiện đất nền:
FS: Hệ số an toàn;
Su: Sức kháng cắt không thoát nước của đất nền;
P ac : Tải trọng tính toán của 1 trụ đơn bao gồm hoạt tải
2.1.4 Ki ể m tra s ứ c ch ị u t ả i c ủ a nhóm tr ụ
Kiểm tra theo điều kiện đất nền của nhóm trụ được thực hiện theo phương pháp hệ số vượt tải với điều kiện:
Sức chịu tải của nhóm trụ tính theo công thức của Broms và Boman (1978), Bergado và nnk (1996), xác định theo công thức:
B: Bề rộng của nhóm cọc;
Su: Sức kháng cắt không thoát nước của đất nền;
Hệ số lấy bằng 6 khi móng hình chữ nhật có L>>B (móng băng)
2.1.5 Độ lún c ủ a kh ố i thân tr ụ Độ lún tổng cộng của một công trình đặt trên nền đất gia cường bằng trụ đất xi măng gồm hai thành phần là độ lún cục bộ của khối đất được gia cố (Δh 1 ) và độ lún của đất không ổn định nằm dưới khối (Δh2)
Để tính toán độ lún cục bộ của khối đất gia cố (Δh 1), cần xác định độ tăng tải trọng q do công trình gây ra, trong đó một phần tải trọng (q 1) được truyền lên trụ và phần còn lại (q2) được truyền cho đất xung quanh, như thể hiện trong Hình 2.1 Độ lún do tải trọng q1 gây ra là một yếu tố quan trọng trong quá trình đánh giá độ ổn định của công trình.
(2.12) Độ lún do tải trọng q 2 gây ra:
Độ lún cục bộ của phần trụ đất xi măng Δh1 được xác định dựa trên giả thiết rằng tải trọng q tăng không đổi trên toàn chiều cao khối và tải trọng trong khối không giảm, dẫn đến việc trụ và đất nền có cùng mức độ lún.
Hình 2.1 Phân chia tải trọng tác dụng lên trụ và đất nền
Hình 2.1 Phân chia tải trọng tác dụng lên trụ và đất nền
Trong đó: a: Tỷ diện thay thế của cọc đất gia cố xi măng;
Ecol: Mô đun đàn hồi của cọc xi măng đất;
Msoil: Mô đun biến dạng của đất nền xung quanh cọc; Δh: Chiều dày của lớp địa chất
2.1.6 Độ lún c ủ a đấ t d ướ i m ũ i tr ụ Độ lún Δh2 của đất chưa gia cố dưới mũi cọc được tính theo nguyên lý cộng lún từng lớp phân tố và quy về móng khối quy ước:
Bài viết đề cập đến các thông số quan trọng trong nghiên cứu tính lún của đất, bao gồm: bề dày lớp đất tính lún thứ i (h i), hệ số rỗng của lớp đất i ở trạng thái tự nhiên ban đầu (e0i), chỉ số nén lún hồi phục (i r C) liên quan đến quá trình dỡ tải, chỉ số nén lún hay độ dốc của đường cong nén lún (i c C), ứng suất nén thẳng đứng do trọng lượng bản thân các lớp đất tự nhiên (σ'v0), gia tăng ứng suất thẳng đứng (Δσ' v), và ứng suất tiền cố kết (σ'p).
Phương pháp tính toán theo quy trình Nhật Bản
2.2.1 S ứ c ch ị u t ả i c ủ a tr ụ đấ t xi m ă ng theo v ậ t li ệ u
Khả năng chịu tải của trụ đất xi măng được tính toán theo công thức sau:
P: Tải trọng của nền đất đắp do một cọc đỡ (kN); ΔP: Tổng tải trọng phân bố của nền đắp (kN/m 2 );
A: Diện tích nền đất do một tru5 đỡ (m 2 ), xác định bằng công thức:
(2.17) x: Khoảng cách giữa các trụ (tính từ tim trụ);
P a : Lực nén lớn nhất mà cọc có thể chịu được (kN), xác định bằng công thức:
(2.18) qu: Cường độ chịu nén của cọc (kN/m 2 );
A p : Diện tích tiết diện của cọc (m 2 )
2.2.2 S ứ c ch ị u t ả i c ủ a tr ụ đấ t xi m ă ng theo đấ t n ề n
Ru: Sức chịu tải cực hạn của trụ đất xi măng;
R pu : Sức chịu tải mũi cực hạn của trụ đất xi măng;
Sức chịu tải mũi cực hạn của trụ đất xi măng phụ thuộc vào loại đất:
N: Trị số SPT trung bình trên và dưới 1 lần đường kính trụ;
C: Lực dính của đất nền;
A p : Diện tích tiết diện của trụ;
L: Chu vi trụ đất xi măng; hi: Chiều dày phân tố; τ di : Ma sát thành bên cực hạn của trụ đất xi măng
Ma sát thành bên cực hạn của trụ được tính theo công thức:
Trong đó: q u : Sức kháng cắt của trụ;
N: Trị số SPT tại độ sâu đang xét
2.2.3 Tính độ lún c ủ a n ề n đấ t gia c ố Độ lún tổng (S) của nền gia cố được xác định bằng tổng độ lún của bản thân khối gia cố và độ lún của đất dưới khối gia cố:
S 1 : Độ lún trong phần đất được gia cố;
S 2 : Độ lún của lớp đất yếu chưa được gia cố dưới mũi trụ Độ lún trong phần đất được gia cố (S 1 ) xác định theo công thức:
Trong đó: ap: Tỷ diện tích đất được thay thế; n: Tỷ số mô đun, xác định theo công thức:
S n : Độ lún cuối cùng của lớp đất thứ n, trong bài toán tính lún khi nền đất chưa được gia cố và tính theo công thức:
C c : Chỉ số nén của lớp đất thứ n; e 0 : Hệ số rỗng ban đầu của lớp đất thứ n;
Chiều dày của lớp đất thứ n được ký hiệu là Hn, trong khi w1 và w2 là tải trọng của đất đắp Ứng suất cố kết tại giữa lớp đất thứ n được tính bằng công thức p = max(pc, σ2), trong đó σ1 và σ2 là ứng suất hữu hiệu do tải trọng gây ra Để xác định độ lún của lớp đất yếu chưa được gia cố dưới mũi trụ (S2), ta coi khối đất gia cố bằng trụ đất xi măng phía trên như một móng khối quy ước Độ lún S2 của đất yếu bên dưới khối gia cố được tính bằng phương pháp phân tầng, cộng lún từng lớp phân tố.
Phương pháp tính toán theo quy trình Trung Quốc
Tiêu chuẩn này chủ yếu đề cập đến vấn đề lực thẳng đứng là chính mà chưa đề cập đến tải trọng ngang
2.3.1.1 Sức chịu tải của khối gia cố
Sức chịu tải cho phép của khối nền đất gia cố được xác định thông qua thí nghiệm nén nền hỗn hợp tại hiện trường, nhưng cũng có thể ước tính theo công thức và chọn giá trị nhỏ hơn.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu về các yếu tố quan trọng liên quan đến trụ đất xi măng, bao gồm tỷ diện thay thế của trụ (m), khả năng chịu tải cho phép của đất giữa các trụ (f s) và hệ số chiết giảm khả năng chịu tải của đất dưới mũi trụ (β), thường có giá trị từ 0,4 đến 0,6.
Sức chịu tải cho phép của trụ được xác định thông qua thí nghiệm nén tĩnh trụ đơn tại hiện trường, tuy nhiên có thể ước tính bằng công thức và chọn giá trị nhỏ hơn.
Trong đó: f cu : Cường độ chị nén của mẫu thử đất gia cố xi măng trong phòng thí nghiệm ở 90 ngày tuổi trong điều kiện bảo dưỡng tiêu chuẩn;
A p : Diện tích mặt cắt ngang trụ; η: Hệ số chiết giảm cường độ thân trụ, có thể lấy 0,3 ÷ 0,4;
U p : Chu vi trụ đất xi măng;
Lực ma sát của lớp đất xung quanh trụ (Qsi) và chiều dày lớp đất thứ i (li) đóng vai trò quan trọng trong việc xác định khả năng chịu tải của đất dưới mũi trụ (qp) Hệ số chiết giảm khả năng chịu tải của đất (α) nằm trong khoảng từ 0,4 đến 0,6, ảnh hưởng đến hiệu quả chịu tải của công trình.
2.3.2 Độ lún c ủ a n ề n đấ t gia c ố Độ lún của nền đất gia cố được tính toán bao gồm độ lún của khối thân trụ đất xi măng và tổng độ lún của lớp đất yếu không gia cố dưới mũi trụ
S1: Độ lún của khối thân trụ đất xi măng, xác định theo công thức:
Po: Áp lực trung bình tại đỉnh trụ;
Poz: Áp lực tại mũi trụ;
Esp: Mô đun co nén của thân trụ, xác định theo công thức:
Ep: Mô đun co nén của trụ đất xi măng:
(2.35) fcu: Sức kháng cắt của trụ đất xi măng; m: Tỷ diện thay thế của trụ đất xi măng;
Es: Mô đun co nén của đất xung quanh trụ; Độ lún S2 của đất yếu dưới mũi trụ được xác định theo nguyên lý cộng lún từng lớp
Phương pháp tính toán theo tiêu chuẩn Việt Nam - TCVN 9403:2012
2.4. Độ lún tổng (S) của nền gia cố được xác định bằng tổng độ lún của bản thân khối gia cố và độ lún của đất dưới khối gia cố:
S1: Độ lún bản thân khối gia cố;
S 2 : Độ lún của đất chưa gia cố, dưới mũi trụ Độ lún của bản thân khối gia cố S 1 được tính theo công thức:
Trong đó: q: Tải trọng công trình truyền lên khối gia cố (kN);
H: Chiều sâu của khối gia cố (m); a: Tỷ số diện tích, a = (nAc / BL); n: Tổng số trụ;
A c : Diện tích tiết diện trụ;
B, L: Kích thước khối gia cố;
E c : Mô đun đàn hồi của vật liệu trụ (có thể lấy E c = (50÷100)Cc, với C c là sức kháng cắt của vật liệu trụ);
Mô đun biến dạng của đất nền giữa các trụ có thể được xác định bằng công thức thực nghiệm Es = 250Cu, trong đó Cu là sức kháng cắt không thoát nước của đất nền Độ lún của đất chưa gia cố S2 dưới mũi trụ được tính theo nguyên lý cộng lún từng lớp Phạm vi ảnh hưởng lún được xác định đến chiều sâu mà tại đó áp lực gây lún không vượt quá 10% áp lực đất tự nhiên.
Vải địa kỹ thuật
Dệt vải địa kỹ thuật polypropylen được thực hiện bằng máy, với phương thức dệt tương tự như dệt vải thông thường, bao gồm các sợi được dệt theo hướng ngang và dọc Biến dạng của vải được thí nghiệm theo hai hướng chính: hướng dọc máy (MD) và hướng ngang máy (CD), trong đó sức chịu kéo theo hướng dọc máy luôn lớn hơn so với hướng ngang Vải dệt này thường được sử dụng làm cốt gia cường cho các công tác xử lý nền đất khi cần thiết.
Dính kết (hay không dệt) là phương pháp sản xuất vải địa kỹ thuật, trong đó các sợi được sắp xếp ngẫu nhiên mà không theo quy tắc cụ thể Các sợi này được gắn kết với nhau thông qua nhiều cách như nung nóng để tạo liên kết tự nhiên, sử dụng hóa chất để phá vỡ liên kết đôi, hoặc thông qua kim dùi cơ học Mặc dù vải địa kỹ thuật sản xuất bằng phương pháp này có tính thẩm mỹ phức tạp hơn so với vải dệt, nhưng tính chịu kéo của nó có thể bị giảm sút.
Hình 2.3 Vải địa kĩ thuật dệt polypropylene Hình 2.3 Vải địa kĩ thuật dệt polypropylene
Phức hợp là sự kết hợp của hai phương pháp, trong đó sử dụng máy may để gắn bó sợi đã được dệt lên vải không dệt Phương pháp này mang lại tính chất cơ lý ưu việt từ cả hai loại vải, tạo ra sản phẩm có hiệu suất cao và ứng dụng đa dạng.
Vải địa kĩ thuật có thể có nhiều lớp và có thể được sử dụng phối hợp với các loại vật liệu khác
Nói chung, vải polyester tốt hơn vải polypropylene, còn vải polyamide ở giữa hai loại vải trên
Vải địa kỹ thuật là giải pháp phổ biến toàn cầu trong các công trình như tường chắn đầu cầu, kè sông, kè biển và gia cố mái dốc, nhờ vào những ưu điểm vượt trội của nó.
- Độ an toàn cao, bền vững với môi trường, vòng đời thiết kế 120 năm
- Thời gian thi công nhanh chóng
- Tận dụng vật liệu tại chỗ
- Cho phép máy móc hạng nặng hoạt động gần khu vực mép mái dốc để đầm chặt đều
- Sử dụng giải pháp trồng cỏ trên mặt taluy tạo cảnh quan và thân thiện với môi trường
- Có thể thiết kế và thi công tường chắn đạt đến độ cao 45 mét
- Nhiều lựa chọn cho bề mặt tường chắn, đảm bảo tính thẩm mỹ của công trình
- Tiết kiệm được chi phí so với các kết cấu trọng lực và bê tông gia cố truyền thống
Hình 2.5 Ứng dụng Vải địa kĩ thuật Hình 2.5 Ứng dụng Vải địa kĩ thuật
Phân tích về trụ xi măng đất và vải địa kỹ thuật cho thấy đây là phương pháp hiệu quả trong xử lý lún nền đường đắp cao trên đất yếu, đáp ứng yêu cầu về độ lún của công trình Phương pháp này không chỉ đảm bảo tiến độ thi công mà còn tiết kiệm diện tích đất, không gây ảnh hưởng đến các công trình lân cận và duy trì khả năng lưu thông trong quá trình thi công Tác giả khuyến nghị áp dụng trụ đất xi măng kết hợp với vải địa kỹ thuật để tối ưu hóa hiệu quả kinh tế và đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật cho nền đường dẫn vào cầu.
CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN CHO
3.1.1 Đ i ề u ki ệ n đị a ch ấ t khu v ự c công trình c ầ u Tân Phú Đ ông
Công trình được xây dựng trên nền đất đặc thù của cấu trúc trũng Cửu Long, với đất nền chủ yếu là các trầm tích Holocen và Pleistocen Các trầm tích này bao gồm đất mềm rời và đất mềm đính có trạng thái đặc biệt Qua các lỗ khoan nghiên cứu nước dưới đất, địa tầng khu vực được xác định từ dưới lên gồm trầm tích Pleistocen không phân chia, phân bố rộng rãi và phủ trực tiếp lên bề mặt phong hóa của trầm tích Pliocen Thành phần trầm tích Pleistocen chủ yếu là cát chứa sạn sỏi, xen kẹp các trầm tích hạt mịn với cấu trúc phân lớp mỏng, có chiều sâu trung bình khoảng 120m.
Hình 3.1 Cắt dọc địa chất khu vực nghiên cứu Hình 3.1 Cắt dọc địa chất khu vực nghiên cứu
Dựa trên quan sát thực địa, mô tả đất đá tại các hố khoan và tài liệu thu thập trong khu vực, kết hợp với kết quả phân tích mẫu cơ lý, chúng tôi nhận thấy khu vực khảo sát được hình thành từ các trầm tích Q iy & Q uy, được chia thành 09 lớp đất từ trên xuống.
Lớp 1: Đất trồng trọt thành phần chủ yếu là sét lẫn mùn rễ thực vật Chiều dày lớp thay đổi từ 0,50 m đến 0,60 m Cao độ đáy lớp biến thiên từ -0,50 m đến -0,60 m
Lóp 2: Bùn sét pha xám đen Lớp này gặp ở cả 03 hỗ khoan Chiều dày lớp thay đổi từ 10,50 m đến 20,20 m, cao độ đáy lớp biến thiên từ -11,00 m đến -20,80 m
Lớp 3: Bùn sét màu xám đen, xám xanh lớp này gặp ở cả 03 hố khoan Chiều dày lớp thay đổi từ 7,60 m đến 16,20 m Cao độ đáy lớp biến thiên từ -27,20 m đến -28,40 m
Lớp 4: Sét pha màu xám đen, trạng thái dẻo chảy Chiều dày lớp thay đổi từ 7,40 m đến 13,40 m Cao độ đáy lớp biến thiên từ -35,80 m đến -40,60 m
Lớp 5: Sét màu xám nâu, trạng thái nửa cứng Chiều dày lớp 4,60 m, cao độ đáy lớp -45,20 m
Lớp 6: Sét màu xám nâu, xám xanh, trạng thái cứng Chiều dày lớp thay đổi từ 5,40 m đến 7,80 m, cao độ đáy lớp biến thiên -43,60 m đến -45,70 m
Lớp 7: Cát hạt thô màu xám đen, trạng thái chặt vừa Chiều dày lớp 6,60 m, cao độ đáy lớp -51,80 m
Lớp 8: Cát hạt nhỏ màu xám đen, trạng thái chặt vừa Chiều dày lớp thay đổi từ 4,60 m đến >16,40 m Cao độ đáy lớp biến thiên từ -56,40 m đến < -60,00 m
Lóp 9: Cát hạt trung màu xám đen, trạng thái chặt vừa Chiều dày lớp >3,69 m Cao độ mái lớp -56,40 m
Lớp đất yếu được đánh giá là bùn sét màu xám đen, có trạng thái chảy và độ dày lên tới 40,6 m gần mặt đất Việc thi công nền đường cầu đắp cao có thể gây ra độ lún lớn và nguy cơ mất ổn định Tuy nhiên, các lớp đất bên dưới có chất lượng tốt, do đó không cần phải xử lý.
Hình 3.2 Hình trụ hố khoan HK1 Hình 3.2 Hình trụ hố khoan HK1
CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN CHO CÔNG TRÌNH THỰC TẾ 34 Giới thiệu
Mục đích của việc tính toán là để xác định các thông số chính trong nghiên cứu, bao gồm chiều cao đắp tối đa của nền đường có thể đạt được, độ lún và hệ số ổn định tương ứng trong điều kiện không xử lý.
Tác giả đã tính toán và so sánh các giải pháp xử lý đất yếu cho nền đường đầu cầu với các thông số cụ thể: chiều cao đất đắp ≥ 3m, độ dốc dọc khoảng 3%, mố cầu cao khoảng 5m, bề rộng nền đường ≥ 9m, thuộc loại đường cấp IV trở lên, và chiều dày tại khu vực đất yếu khoảng 12m.
Việc tính toán lún và ổn định công trình được thực hiện bằng phần mềm Plaxis v8.2 Hệ số ổn định tối thiểu sau khi xử lý cần đạt Kmin ≥ 1,2 trong giai đoạn thi công và Kmin ≥ 1,4 khi công trình đưa vào sử dụng Đối với nền đường đầu cầu, độ lún dư được quy định là 100mm.
Vị trí tại đường đầu cầu: Bề rộng nền đường là 10m H đắp thay đổi theo trắc dọc và cao độ đường đỏ, chiều sâu lớp đất yếu là Hbùn = 15m
Giới thiệu phần mềm Plaxis
Phần mềm Plaxis, được phát triển từ năm 1987 tại Đại học Công nghệ Delft, Hà Lan, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giải quyết các vấn đề địa kỹ thuật Hiện nay, Plaxis và GeoStudio là hai bộ phần mềm hàng đầu trong lĩnh vực này.
Hình 3.3 Mặt cắt ngang nền đường đầu cầu Hình 3.3 Mặt cắt ngang nền đường đầu cầu
Lớp 3 Lớp 3 mềm khá đầy đủ những bài toán Địa Kỹ thuật thường gặp trong thực tế, thân thiện người dùng và được nhiều nước trên thế giới ưa chuộng
Bài toán theo ph ươ ng pháp ph ầ n t ử h ữ u h ạ n đượ c tính toán v ớ i các b ướ c:
Chia lưới phần tử hữu hạn
Chuyển vị tại các nút là các ẩn số
Chuyển vị bên trong các phần tử được nội suy từ các chuyển vị nút
Thiết lập mô hình vật liệu (quan hệ ứng suất và biến dạng)
Thiết lập các điều kiện biên về chuyển vị và lực
Giải hệ phương trình tổng thể cân bằng lực, cho kết quả chuyển vị nút Tính toán các đại lượng khác như ứng suất, biến dạng
Ph ầ n m ề m Plaxis s ử d ụ ng ph ươ ng pháp PTHH để tính toán theo trình t ự :
Xác định các mô hình hình học để mô hình hóa bài toán
Nhập và gán vật liệu
Thiết lập điều kiện ban đầu
Tạo lưới phần tử hữu hạn
Trong quá trình thi công đắp nền đường, việc tính toán cần được thực hiện theo các giai đoạn, bao gồm phân tích dẻo và phân tích cố kết Phân tích ổn định có thể áp dụng phương pháp giảm c-ϕ, đồng thời có thể cập nhật lưới tính toán và điều chỉnh các điều kiện mực nước để đảm bảo độ chính xác trong thiết kế.
Kết quả có thể được trình bày dưới dạng đồ thị hoặc bảng, bao gồm các giá trị như chuyển vị, ứng suất, nội lực và hệ số ổn định Các kết quả này có thể được hiển thị tại bất kỳ mặt cắt nào.
Ph ầ n m ề m Plaxis có các menu chính:
Input: Nhập các thông số đầu vào và các điều kiện biên của bài toán
Calc: Tính toán theo các giai đoạn
Output: Xuất các kết quả lưới chuyển vị, các giá trị ứng suất…
Curves: Xuất kết quả chuyển vị, áp lực nước lỗ rỗng, hệ số ổn định theo biểu đồ hoặc theo bảng
Trong phân tích bài toán bằng phần mềm Plaxis, việc lập mô hình hình học là rất quan trọng Mô hình hình học 2D bao gồm các điểm, đường và miền, với các lớp đất được phân tầng riêng biệt, cấu trúc, giai đoạn thi công và tải trọng Mô hình cần đủ rộng để đảm bảo điều kiện biên không ảnh hưởng đến kết quả nghiên cứu Ba loại cấu kiện chính trong mô hình hình học bao gồm: Điểm (Points) dùng để xác định vị trí bắt đầu và kết thúc của đường, cũng như định vị các điểm neo và lực tập trung; Đường (Lines) xác định ranh giới vật lý, biên của mô hình và các gián đoạn như tường và phân chia lớp đất Mỗi đường có thể đảm nhận nhiều chức năng khác nhau.
Miền, hay còn gọi là vùng (Cluster), là diện tích được bao bọc bởi các đường (miền đóng), và phần mềm Plaxis nhận diện miền thông qua việc nhập các đường hình học Một miền đất đặc trưng là đồng nhất và có thể coi như một lớp đất Tất cả các tác động liên quan đến miền sẽ được áp dụng cho toàn bộ các phần tử trong miền Sau khi hoàn thành mô hình hình học, mô hình PTHH sẽ tự động cập nhật lưới dựa trên bố cục của các miền và các đường trong mô hình Trong lưới PTHH, bao gồm các yếu tố phần tử và điểm ứng suất.
Khi tạo lưới, các miền được chia thành các phần tử tam giác, với lựa chọn giữa phần tử 6 nút và 15 nút Phần tử 6 nút có ưu điểm về tốc độ tính toán nhanh chóng, trong khi phần tử 15 nút mang lại độ chính xác cao hơn trong việc tính toán ứng suất và tải trọng phá hoại Người dùng có thể dễ dàng xem xét và chia phần tử, với lưới mặc định thường gồm các phần tử 15 nút Chuyển vị (ux và uy) được tính toán tại các nút đã chọn trước để phát sinh đồ thị về chuyển vị và tải trọng.
Phần tử 15 nút bao gồm 15 nút, trong khi phần tử 6 nút có 6 nút, với các nút được phân chia trên mỗi phần tử Các phần tử liền kề được kết nối qua các nút chung, và chuyển vị (ux và uy) được tính tại các nút này Nút được chọn trước để phát sinh đồ thị chuyển vị và tải trọng Điểm ứng suất, khác với chuyển vị, được tính tại các điểm tích phân Gaussian, với phần tử tam giác 6 nút chứa 3 điểm ứng suất và phần tử 15 nút chứa 12 điểm ứng suất Những điểm ứng suất này được lựa chọn trước để tạo ra đường ứng suất hoặc biểu đồ ứng suất - chuyển vị.
Trong quá trình phân tích và tính toán các giải pháp nối tiếp giữa cầu và đường, việc mô hình hóa trên phần mềm Plaxis đóng vai trò quan trọng Độ tin cậy của kết quả tính toán phụ thuộc hoàn toàn vào độ chính xác của mô hình hóa Mô hình phẳng thường được sử dụng cho tính toán kết cấu công trình và môi trường đất, mang lại kết quả nhanh chóng và chính xác đối với các vùng nối tiếp có cấu trúc và điều kiện địa chất đơn giản Tuy nhiên, đối với các giải pháp nối tiếp có tính chất kỹ thuật phức tạp, cần áp dụng mô hình không gian để mô phỏng chính xác sự tương tác giữa kết cấu và môi trường đất đá xung quanh.
Mô hình hoá kết cấu nối tiếp trên phần mềm Plaxis yêu cầu chú ý đến dạng phân tử, nguyên tắc chia lưới phần tử, phạm vi ảnh hưởng của mô hình và các loại mô hình đất nền Việc lựa chọn thông số cho mô hình cần dựa trên yêu cầu tính toán để đảm bảo kết quả đạt độ tin cậy cao.
Giải pháp nối tiếp kết cấu giữa cầu và đường được nghiên cứu bao gồm cọc xi măng đất có chiều dài thay đổi, vải địa kỹ thuật và hệ cọc xi măng Khi áp dụng các giải pháp này, cần chú ý đến ba vấn đề chính: phần tử kết cấu (bao gồm cọc xi măng đất, cọc đóng và vải địa kỹ thuật), phần tử đất, và phần tử tiếp xúc giữa đất và kết cấu.
Các phần tử kết cấu trong bài toán kết cấu thường được mô tả tương tự như trong các bài toán thông thường Tùy thuộc vào mô hình tính toán của kết cấu, các phần tử có thể được phân loại thành phần tử thanh (bar), dầm (beam) cho mô hình phẳng, hoặc phần tử tấm vỏ (shell) cho mô hình không gian.
Kết luận
Bài viết đã tổng hợp và phân tích sự hoạt động của trụ đất xi măng, đồng thời trình bày các phương pháp gia cố đất yếu hiện nay, đặc biệt nhấn mạnh vào kỹ thuật gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng.
Tổng kết các nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước về lý thuyết về ổn định và biến dạng của trụ đất xi măng
Sau khi tính toán bằng phần mềm Plaxis, trên cơ sở kết quả thu thập được luận văn đúc kết được một số kết luận sau:
Đoạn đường dẫn vào cầu thường gặp phải tình trạng hư hỏng, do đó cần có các giải pháp hợp lý và yêu cầu chất lượng cao hơn cho đường dẫn trên nền đất yếu Việc phân tích và tính toán các phương án ổn định cho đoạn đường này là rất cần thiết để đáp ứng các tiêu chuẩn ngày càng khắt khe.
Phương pháp tính toán phần tử hữu hạn là cần thiết trong lĩnh vực này do có nhiều thông số đầu vào và tính toán phức tạp Phương pháp này cho phép mô phỏng nhiều mô hình ứng xử của nền đất, từ đó mang lại kết quả tương đối chính xác.
Cọc xi măng đất và vải địa kỹ thuật là hai yếu tố quan trọng trong việc tăng cường ổn định và giảm biến dạng cho nền đất yếu Cọc xi măng đất giúp cải thiện tính ổn định của nền đất, trong khi vải địa kỹ thuật hỗ trợ ổn định cho khối đất đắp Sự kết hợp của cả hai yếu tố này đóng vai trò quyết định trong việc nâng cao độ bền và an toàn cho các công trình xây dựng trên nền đất yếu.
Độ lún của nền đất chưa qua xử lý đạt 1,06 m, nhưng sau khi áp dụng hệ trụ xi măng đất kết hợp với vải địa kỹ thuật gia cố, độ lún giảm xuống chỉ còn 0,003 m Hệ số ổn định cũng tăng đáng kể từ 1,032 lên 2,739.
Sử dụng phần mềm tính toán dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn giúp người thiết kế phân tích nhiều bài toán với các thông số hình học khác nhau, từ đó lựa chọn giải pháp thiết kế tối ưu nhất.
2 Kiến nghị và hướng nghiên cứu tiếp theo
Do hạn chế về kinh nghiệm chuyên môn và thời gian nghiên cứu, lượng thông tin thu thập từ luận văn còn hạn chế Phân tích và tính toán các giải pháp kết nối giữa cầu và đường chủ yếu dựa vào các yếu tố địa chất đặc trưng.
Hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc thực hiện thí nghiệm mô hình thực ngoài hiện trường, trong đó sử dụng trụ đất xi măng được lắp đặt các thiết bị đo nhằm đo lường ứng suất phân bố lên trụ và nền đất gia cố.
[1] 22TCN 262:2000, “Quy trình khảo sát thiết kế nền đường ô tô đắp trên đất yếu,” Bộ Giao thông vận tải, 2000
Lareal Nguyễn Thành Long, Lê Bá Lương, Nguyễn Quang Chiêu và Vũ Đức Lực đã nghiên cứu về công trình trên đất yếu trong điều kiện Việt Nam, được công bố bởi Trường Đại học Bách khoa Tp HCM vào năm 2005 Nghiên cứu này cung cấp những kiến thức quan trọng về các giải pháp xây dựng và quản lý công trình trong môi trường đất yếu, góp phần nâng cao hiệu quả và an toàn trong xây dựng tại Việt Nam.
Nguyễn Đức Hạnh và Phạm Thanh Hà đã nghiên cứu về các cơ chế phá hoại của nền đắp trên đất yếu khi sử dụng cọc đất gia cố ximăng Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Cầu đường Việt Nam, số 05, năm 2007, cung cấp cái nhìn sâu sắc về vấn đề này.
Nguyễn Hoài Danh (2019) đã thực hiện nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu nén của vật liệu đất trộn xi măng, nhằm cải thiện nền đường đất yếu tại huyện Tân Phú Đông, tỉnh Tiền Giang Luận văn Thạc sĩ của tác giả tại Đại học Kinh tế Kỹ thuật Long An cung cấp những thông tin quan trọng về ứng dụng vật liệu này trong xây dựng hạ tầng giao thông.
Nguyễn Mạnh Thủy và Ngô Tấn Phong đã công bố nghiên cứu về gia cố đất yếu tại quận 9, Tp HCM, sử dụng vôi và xi măng Kết quả nghiên cứu được trình bày trong Tạp chí Khoa học & Công nghệ Phát triển, Tập 10, Số 10, năm 2007 Nghiên cứu này đóng góp quan trọng vào việc cải thiện chất lượng đất và ứng dụng trong xây dựng.
Quyết định số 3095/QĐ-BGTVT, ban hành ngày 07 tháng 10 năm 2013 bởi Bộ Giao thông vận tải, quy định các giải pháp kỹ thuật công nghệ tạm thời cho đoạn chuyển tiếp giữa đường và cầu trên đường ô tô Quy định này nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả trong việc kết nối giữa hai loại công trình giao thông.
[7] TCVN 9403:2012, “Gia cố nền đất yếu – Phương pháp trụ xi măng đất” Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng, Vụ Khoa học Công nghệ
[8] TCVN 9844:2013, “Yêu cầu thiết kế, thi công và nghiệm thu vải địa kỹ thuật trong xây dựng nền đắp trên đất yếu”
[9] Bengt B Homs, “Keynote Lecture: Design of lime, lime/cement and cement columns,” in International Conference on Dry Mix Methods: Dry Mix Methods for Deep Soil Stabilization, Rotterdam Balkema, 1999, pp 125-153
[10] Briaud, J L., James, R W., and Hoffman, S B (1997) “NCHRP Synthesis 34: Settlement of Bridge Approaches (the bump at the end of the bridge)” Transportation Research Board, National Research Council, Washington, D.C., pp.75
[11] Briaud, J L., James, R W., and Hoffman, S B (1997) “NCHRP Synthesis 234: Settlement of Bridge Approaches (the bump at the end of the bridge)” Transportation Research Board, National Research Council, Washington, D.C., pp.75
[12] Das, B M (2008) Fundamentals of Geotechnical Engineering 3rd Edition, Cengage Learning, Stamford, CT
[13] EuroSoilStab, Development design and construction methods to stabilize soft organics soils, Design Guide Soft Soil Stabilization, CT 97-0351, Project No.: BE 96-
The article by Filz et al presents standardized definitions and laboratory procedures for creating soil-cement specimens specifically designed for the wet method of deep mixing This research was shared at the International Conference on Deep Mixing held in Stockholm, highlighting its significance in the field.
[15] Guideline for Design and Quanlity Control of Soil Improvement for Building – Deep and Shallow Cement Mixing Methods (2004)
[16] Lin, Q.L and Wong, I.H (1999) “Use of Deep Cement Mixing to Reduce Settlements at Bridge Approaches.” Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, Vol 125(4), 309
[17] Mimura, C.S and Kimura, S.A (1995) “A Light-Weight Solution.” Proceedings Geosynthetics '95, Nashville, Tennessee, Vol 1, 39–51
[18] Nguyen Bach Tung, Pham Ngoc Hung, M Nozu, J Mukai, “Soft Soil treatment with Wet Nixing Soil Cement Column of Japanese Technology in Mekong River Delta,”
[19] Nozu, M and Nakai, N., “A comparative study on influence of soft clay properties for deep soil cement mixing in the Mekong and Mississippi Deltas,” pp 59-
[20] R.Whitlow, “Basic soil mechanics”, second edition.