Địa kỹ thuật số 2-2009 1 CảI TạO dới ĐấT YếU NềN ĐƯờNG BằNG CọC XI MĂNG ĐấT Nguyễn Châu Lân * CÔNG NGHệ NềN MóNG Impovement of embankment on soft soils by using cment columns Abstract: For the last some years cement column method of soil stabilization has been applied popularly in Vietnam .This method has been used to increase the load capacity and decrease settlement, moreover it prevents road embankment on soft clay ground from failure. This article describes in detail the design procedures of the cement column methods by using Japanese criteria The author also introduces the finite element method of settlement calculation, slip circle analysis and load bearing capacity of soil cement column method operated in the Ninh Binh highway. 1. ĐặT VấN Đề Cọc xi măng đất là loại cọc đợc thi công theo phơng pháp trộn sâu, bằng cách trộn đều xi măng với nền đất yếu tạo thành một loại cọc đờng kính cọc từ 0,5 1m, chiều sâu mà cọc làm việc hiệu quả từ 15 ữ 30m. Cọc xi măng đất dùng để cải tạo nền đất theo phơng pháp trộn sâu thờng đợc áp dụng nhằm gia cố nền đờng hay tờng chắn, mố cầu dẫn, bờ dốc để đảm bảo yêu cầu chống trợt, giảm độ lún và làm tăng sức chịu tải của nền đất. Hiện nay có nhiều quy trình thiết kế, tính toán của các nớc nh Nhật Bản, Trung Quốc, Thụy Điển Tại Việt nam chỉ có tiêu chuẩn xây dựng về thiết kế - thi công nghiệm thu cọc xi măng đất TCXDVN 385:2006. Tuy nhiên một số phần hớng dẫn thiết kế trong tiêu chuẩn này cha thật rõ ràng. Do vậy, tác giả tham khảo cách tính toán và thiết kế theo quy trình Nhật Bản, để kiến nghị đa ra cách tính toán cọc xi măng đất cho phù hợp với điều kiện Việt Nam. Đồng thời bài báo cũng đi sâu vào tính toán phân tích các yếu tố biến dạng, ổn định, cờng độ và áp lực nớc lỗ rỗng tiêu tán trong nền đất đã đợc cải tạo bằng cọc xi măng đất theo phơng pháp phần tử hữu hạn. 2. THIếT Kế CọC XI MĂNG ĐấT 2.1 Thiết kế theo quy trình Nhật Bản Khi thiết kế cọc xi măng đất phải xác định các điều kiện thiết kế trớc sau đó đa ra các thông số cho vùng đất cải tạo và tính toán cọc xi măng đất về độ lún, ổn định và cờng độ cọc. Thiết kế cọc xi măng đất có thể tính theo các bớc sau: 2.1.1. Xác định điều kiện thiết kế. Điều kiện thiết kế xác định dựa vào mục đích, chức năng và tầm quan trọng của công trình và các yếu tố nh: tải trọng, tính chất cơ lý của nền đất, cách bố trí cọc Có thể xem xét một số vấn đề sau: (1) Độ lún cho phép: độ lún d nhỏ hơn 10- 20 cm. Độ lún lệch giữa các cọc nên nhỏ hơn khoảng 5cm(theo quy trình Nhật Bản). (2) Hệ số ổn định (theo phơng pháp của Bishop) theo quy trình 22 TCN 262-2000: trong giai đoạn thi công FS1,4 và trong giai đoạn khai thác FS1,2 (3) Tải trọng: gồm tải trọng của nền đờng đắp DL và tải trọng đoàn xe LL (4) Bố trí cọc: bố trí theo lới ô vuông hoặc lới * Trờng Đại học Giao thông Vận tải H Nội Cầu Giấy, Đống Đa, H Nội DĐ: 0912877781 Địa kỹ thuật số 2-2009 2 tam giác. Trong thiết kế cọc xi măng đất cần xác định hệ số cải tạo nh sau: 21 XX A a col p = (1) x1 x2 Hình 1: Bố trí cọc Trong đó a p - hệ số cải tạo đất; col A - diện tích mặt cắt ngang của 1 cọc xi măng đất X 1 , X 2 - khoảng cách của mỗi cọc. 2.1.2. Tính toán độ lún a) Tổng độ lún nền đất sau khi cải tạo Tổng độ lún có thể đợc tính toán nh sau: 21 hhh += (2) q 2 coc xi mang q 1 h 2 h 1 2 1 2 1 Hình 2: Mô hình tính toán độ lún của nền đất sau cải tạo - Độ lún 1 h , tính từ bề mặt đến phần đợc cải tạo bằng cọc xi măng đất tính theo công thức sau: soilpcolp EaEa Hq h )1( 11 1 + = (3) Trong đó q 1 - tổng tải trọng tác dụng q 1 = (DL+LL)/A; Với: A - diện tích cải tạo(A=B.L), với B-chiều rộng móng; L - chiều dài móng; DL - tĩnh tải do nền đờng tác dụng lên 1 cọc; LL - hoạt tải do đoàn xe tác dụng lên 1 cọc; H 1 - chiều dài cọc; a p - hệ số cải tạo; E col - môđun đàn hồi của cọc xi măng đất, xác định theo thí nghiệm có thể lấy gần đúng E col = 100 # 300 q uck ; q uck - sức kháng nén của cọc xi măng đất xác định bằng thí nghiệm E soil - môđun đàn hồi của nền đất, có thể lấy E soil = 210 c 0 ; Với c 0 - lực dính đơn vị của nền đất yếu. - Độ lún 2 h , tính từ phần cải tạo đến đáy tầng đất yếu (hoặc đến hết chiều sâu tính lún), đợc tính theo công thức sau: ' 2' 2 0 2 log 1 vo voc q H e C h + + = (4) Trong đó: c C - chỉ số nén của đất; e 0 - hệ số rỗng ban đầu của đất; H 2 - độ dày của tầng không đợc cải tạo bên dới cọc xi măng (m) 'vo - ứng suất có hiệu thẳng đứng tại giữa lớp đất yếu dới cọc của tầng phủ; q 2 - tổng tải trọng tác dụng tại trọng tâm của nền đất không đợc cải tạo. q 2 = (DL+LL)/(B+H 2 /2). b) Tính toán độ lún theo thời gian Có thể tính toán tơng tự nh giếng cát. 2.1.3. Phân tích ổn định trợt sâu Cờng độ chống cắt trung bình của đất sau khi cải tạo bằng cọc xi măng đất có thể đợc tính nh đất hỗn hợp, gồm sức chống cắt của nền đất và của cọc xi măng: ooo ooppp Kcc caca = + = )1( (5) Trong đó: - cờng độ chống cắt trung bình của đất đã cải tạo; p c - lực dính đơn vị của cọc xi măng đất (c p =q uck /2); oo c - lực dính đơn vị của đất đã cải tạo. K - hệ số chiết giảm. Sau khi đã tính toán đợc cờng độ chống Địa kỹ thuật số 2-2009 3 cắt của nền đất cải tạo có thể dùng phần mềm Slope- W để kiểm toán ổn định cho nền đất cải tạo bằng cọc xi măng đất. 2.1.4. Kiểm toán sức chịu tải của nền đất cải tạo bằng cọc xi măng đất Tính toán khả năng chịu tải của cọc xi măng đất theo đất nền: usoilusoilisoilult cdchdQ 25,2 2 , += (6) Trong đó soilult Q , - khả năng chịu tải của cọc theo đất nền; d - đờng kính cọc; h i - chiều dày lớp đất thứ i mà cọc xuyên qua; c usoil - sức chống cắt không thoát nớc của đất sét xung quanh. - Tính toán khả năng chịu tải của cọc xi măng đất theo vật liệu chế tạo colult Q , ).35.3.( , hcolcolcolult cAQ += (7) Trong đó colult Q , - khả năng chịu tải của cọc theo vật liệu; h - tổng áp lực ngang tác dụng lên cọc, usoilvh c.5+= ; v - ứng suất thẳng đứng do các lớp phủ bên trên tác dụng; col c -lực dính đơn vị của cọc xi măng đất. Khả năng chịu tải tính toán của cọc xi măng đất có thể lấy giá trị nhỏ hơn trong hai giá trị khả năng chịu tải của cọc theo điều kiện đất nền và theo vật liệu: ),min( ,, colultsoilultult QQQ = (8) Nếu lấy hệ số an toàn FS=1,5 thì khả năng chịu tải cho phép của cọc xi măng : FS Q Q ult allow = (9) - Kiểm tra khả năng chịu tải của nền đất theo điều kiện: PQ allow > Đạt Trong đó: P là tổng tải trọng tác dụng lên 1 cọc 2.2. Ví dụ tính toán cọc xi măng đất 2.2.1. Điều kiện bi toán Tác giả dựa vào kết quả khảo sát địa chất và đề cơng thiết kế kỹ thuật Dự án đờng cao tốc Cầu Giẽ-Ninh Bình do Tổng Công ty TVTK GTVT (TEDI) lập. - Tiêu chuẩn kỹ thuật của đờng + Nền đờng có chiều rộng B=18,0m; trọng lợng thể tích 18 kN/m 3 + Chiều cao nền đờng đắp H=7,4m; chiều rộng bệ phản áp: 10m; - Điều kiện địa chất Nền đất yếu đợc gồm 4 lớp, với các chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất nh trong bảng sau:: Chỉ tiêu Đơn vị Lớp 1 (sét chảy) Lớp 2 (bùn sét pha) Lớp 3 (sét dẻo chảy) Lớp 4 (cát chặt) Chiều dày m 6,6 2,3 24,0 2,0 Trọng lợng thể tích tự nhiên kN/m 3 18,2 16,4 16,6 17,5 Độ ẩm % 34,69 60,30 49,69 55,00 Hệ số rỗng - 1,00 1,64 1,41 0,94 Giới hạn chảy % 39,55 47,60 50,10 - Giới hạn dẻo % 19,51 32,97 29,37 - Lực dính đơn vị kN/m 2 18,00 16,90 17,90 - áp lực tiền cố kết kN/m 2 65,00 - - - Hệ số thấm m/ngày 2,2.10 -4 1,4.10 -4 2,2.10 -4 0,5 Hệ số cố kết cm 2 /s 0,00012 0,000132 0,00012 Chỉ số nén - 0,34 0,42 0,37 - Chỉ số nở - 0,034 - - - Chỉ số xuyên SPT búa - - - 32 2.2.2. Kết quả tính toán a) Trớc khi xử lý Địa kỹ thuật số 2-2009 4 Độ lún tổng cộng, tính toán theo phơng pháp phân tầng cộng lún, tính cho nền đất gồm cả 4 lớp nh bảng trên đợc: độ lún cố kết S c = 157,40 cm; độ lún tức thời S I = 15,74 cm; độ lún tổng cộng: S = 173,14 cm; Độ lún d bằng 30,5cm >20cm (không thỏa mãn Quy trình 22TCN262:2000), cần tiến hành xử lý. b) Sau khi xử lý bằng biện pháp cọc xi măng đất Sức khán g danh đ ị nh của 2 /300 cmkGq uck = cọc ( 30.000kN/m 2 ) Đờng kính cọc D = 600 mm. Chiều dài cọc L=15 m. Khoảng cách giữa các cọc S=1,5m Cách bố trí cọc Lới ô vuông - Tính lún: sử dụng phơng pháp phân tầng cộng lún tơng tự quy trình 22 TCN-262-2000 1 h - độ lún tính từ mặt đất đến cao độ mũi cọc xi măng đất tính toán theo bảng sau: Chiều sâu a p 0 c (kN/m 2 ) o soil c mkNE .250 )/( 2 = uc k col q mkNE 350 )/( 2 = q 1 ( 2 / mkN ) H 1 (m) 1 h (m) 0-15 0,126 18 4500 105 000 133 15 0,12 2 h - độ lún phần đất không đợc cải tạo đợc tính toán theo bảng sau: Lớp đất Cao độ của lớp tính toán H (m) (kN/m 3 ) )/( 2' mkN vo q 2 =q 1 .B (B+H/2) 0 e Cc Độ lún (m) Lớp sét 3 -15~-17 2 16,6 16,6 130,94 1,41 0,37 0,29 -17~-19 2 16,6 58,1 128,94 1,41 0,37 0,16 -19~-21 2 16,6 74,7 127,01 1,41 0,37 0,13 -21~-23 2 16,6 91,3 125,13 1,41 0,37 0,11 -23~-25 2 16,6 107,9 123,30 1,41 0,37 0,10 -25~-27 2 16,6 124,5 121,53 1,41 0,37 0,09 -27~-29 2 16,6 159,5 119,81 1,41 0,37 0,074 Tổng 0,96 Vậy tổng độ lún: 1 h =0,12+0,96=1,08m Tính toán ổn định: dùng phần mềm Slope-W tính theo phơng pháp Bishop đợc k=1,52 Tính toán khả năng chịu tải của nền đất. soilult Q , (kN) colult Q , (kN) ult Q (kN) allow Q (kN) P(kN) Kết luận 675,76 881,4 `675,76 450 355,5 Đạt 3. THIếT Kế, TíNH TOáN CọC XI MĂNG ĐấT THEO PHƯƠNG PHáP PHầN Tử HữU HạN 3.1. Tính toán nền đờng đắp trên đất yếu ở điều kiện tự nhiên bằng phần mềm Plaxis 3.1.1. Sơ đồ tính toán của bi toán Địa kỹ thuật số 2-2009 5 Hình 3: Mô hình bi toán khi cha xử lý 3.1.2. Kết quả tính toán nền đất khi cha xử lý 0 500 1,e3 1,5e3 2,e3 2,5e3 3,e3 -2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 Time [day] Uy [m] Hình 4: Độ lún của điểm A tại tim nền đờng Hình 5: Biểu đồ đờng đẳng áp lực nớc lỗ rỗng d. - Độ lún ổn định của nền đất theo biểu đồ hình 4 là: S=1,573 m. - Từ biểu đồ hình 5 cho kết quả áp lực nớc lỗ rỗng d lớn nhất là 93,72 kN/m 2 tại vị trí ngay dới tim nền đờng. Địa kỹ thuật số 2-2009 6 3.2. Tính toán cọc xi măng đất theo phơng pháp phần tử hữu hạn bằng phần mềm Plaxis 3.2.1. Khai báo các yếu tố hình học của bi toán Mô hình tính toán đợc nhập theo tọa độ điểm và cho nh hình bên dới: Hình 6: Mô hình tính toán cọc xi măng đất trong Plaxis 3.3.2. Tính toán cọc xi măng đất theo phơng pháp phần tử hữu hạn a) Khi bố trí chiều di cọc L=15m 0 1,e3 2,e3 3,e3 4,e3 5,e3 6,e3 -1,6 -1,2 -0,8 -0,4 0,0 Time [day] Uy [m] Hình 7: Độ lún tại vị trí tim cọc xi măng đất Hình 8: Biểu đồ tiêu tán áp lực nớc lỗ rỗng Địa kỹ thuật số 2-2009 7 - Từ biểu đồ hình 7, độ lún của nền đờng tại vị trí tim cọc xi măng đất là S=0,883 m; độ lún của nền đờng S=0,891 m. - Biểu đồ hình 8 là biểu đồ tiêu tán áp lực nớc lỗ rỗng sau khi xử lý. So sánh với biểu đồ tiêu tán áp lực nớc lỗ rỗng của nền đất khi cha xử lý thấy rằng áp lực nớc lỗ rỗng trong trờng hợp dùng cọc xi măng đất tiêu tán nhanh hơn, do đó tốc độ cố kết cũng nhanh hơn. - Hệ số ổn định khi tính toán bằng Plaxis: FS=1,42. 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 |U| [m] Su m- Ms f Chart 2 Curv e 1 Hình 9 :Biểu đồ hệ số ổn định khi bố trí cọc xi măng đất b) Nghiên cứu ảnh hởng khi thay đổi chiều di của cọc xi măng đất - Tiếp theo cho thay đổi chiều dài cọc xi măng đất từ 15m thành 20 m và 25m và tính toán bằng phần mềm Plaxis đợc: 0 1,e3 2,e3 3,e3 4,e3 5,e3 6,e3 -1,6 -1,2 -0,8 -0,4 0,0 Time [day] Displac ement [m] Chart 1 Coc L=25m Coc L=15m Coc L=20m Hình 10 :Biểu đồ độ lún của nền đất khi chiều di cọc thay đổi Có thể tóm tắt kết quả tính toán khi thay đổi chiều dài cọc nh bảng sau: Thông số L=15m L=20m L=25m Độ lún 0,883 0,672 0,489 Thời gian để nền đất đạt độ cố kết 90% (ngày) 415 295 190 Hệ số ổn định 1,42 1,53 1,601 Địa kỹ thuật số 2-2009 8 c) Nghiên cứu lới biến dạng trớc v sau khi sử dụng cọc xi măng đất Tác giả nghiên cứu hai trờng hợp trớc và sau khi xử lý cho kết quả lới biến dạng nh biểu đồ sau: Hình 11: Biểu đồ biến dạng của nền đất trớc khi xử lý bằng cọc xi măng đất Hình 12: Biểu đồ biến dạng của nền đất sau khi xử lý bằng cọc xi măng đất Đồng thời biểu đồ hình 12 cho thấy biến dạng trong phạm vi cọc xi măng đất nhỏ hơn rất nhiều so với trờng hợp cha xử lý theo biểu đồ hình 11. Điều đó chứng tỏ hiệu quả rõ rệt của việc sử dụng cọc xi măng đất làm giảm biến dạng của nền đất. 4. KếT LUậN - Phơng pháp tính toán bằng phần tử hữu hạn có nhiều u điểm đó là có thể xác định đợc biến dạng, ứng suất, áp lực nớc lỗ rỗng tại một điểm bất kỳ dới nền đất và tại vị trí giữa các cọc xi măng đất mà các phơng pháp tính tay không thể thực hiện đợc. - Khi tính toán ổn định bằng Slope-W thì phải quy đổi về nền đất tơng đơng, còn khi tính toán theo Plaxis thì chỉ cần nhập vào môđun của nền đất và của cọc xi măng đất, kết quả tính toán bằng ổn định theo phần tử hữu hạn có độ tin cậy cao. - Khi phân tích bằng phơng pháp phần tử hữu hạn, độ lún của nền đất phụ thuộc vào chuyển vị ngang, khi dùng cọc xi măng đất thì chuyển vị ngang của nền đờng cũng giảm và giảm độ lún của nền đất. - Kiến nghị nên đa phơng pháp phần tử hữu hạn vào tính toán cọc xi măng đất. TI LIệU THAM KHảO [1]. Tiêu chuẩn xây dựng TCXDVN 385:2006. Gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng, Bộ xây dựng, 2006. [2]. Bộ Giao thông vận tải. Quy trình Khảo sát thiết kế nền đờng ô tô đắp trên đất yếu, 22 TCN 262-2000. [3]. Cement Deep mixing method association. Cement Deep mixing method manual , 1993. [4]. Masaki Kitazume, Masaaki Terashi. The deep mixing method: principle, design and construction, Japan, 2002. [5] . Publics Works Research Center. Deep mixing method design execution manual for land works: 92-99, 1999. [6]. Japan - Thailand Joint Study Project on Soft Clay Foundation. Manual for design and construction of cement column method, 1998 Địa kỹ thuật số 2-2009 9 Ngời phản biện: PGS.TS. Vơng Văn Thành . 3 cắt của nền đất cải tạo có thể dùng phần mềm Slope- W để kiểm toán ổn định cho nền đất cải tạo bằng cọc xi măng đất. 2.1.4. Kiểm toán sức chịu tải của nền đất cải tạo bằng cọc xi măng đất Tính. trong nền đất đã đợc cải tạo bằng cọc xi măng đất theo phơng pháp phần tử hữu hạn. 2. THIếT Kế CọC XI MĂNG ĐấT 2.1 Thiết kế theo quy trình Nhật Bản Khi thiết kế cọc xi măng đất phải xác định. VấN Đề Cọc xi măng đất là loại cọc đợc thi công theo phơng pháp trộn sâu, bằng cách trộn đều xi măng với nền đất yếu tạo thành một loại cọc đờng kính cọc từ 0,5 1m, chiều sâu mà cọc làm