VAI TRÒ CỦA CỌC ĐẤT TRONG VIỆC NÂNG CAO SỨC CHỊU TẢI CỦA ĐẤT YẾU NCS. TRẦN QUỐC ĐẠT Trường Đại học Giao thông Đường bộ Matxcơva (MADI) Tóm tắt: Bước đầu nghiên cứu về vai trò của cọc đất trong gia cố nền đất yếu khi xây dựng các công trình trên đất yếu. Từ đó đề cập đến khả năng ứng dụng kết cấu cọc đất trong xây dựng nền đường trên đất yếu ở Việt Nam. Summary: The intial research into role of Soil Pile in the strengthening softsoil in construction. Then, touching upon abilities of applying SoilPile structure in construction of Viet Nam highway foundation on the softsoil. I. ĐẶT VẤN ĐỀ Ý tưởng về việc nghiên cứu các cọc đất thoát nước thẳng đứng với tư cách là kết cấu chịu tải đã xuất hiện từ các thí nghiệm sử dụng cọc cát thóat nước cho việc đẩy nhanh lún nền đường trên đất yếu bão hòa nước. Quan trắc lún và ổn định của nền móng có cọc cát thoát nước, nền móng là than bùn, bùn hoặc là đất sét với độ ẩm tự nhiên cao, người ta đã nhiều lần xác nhận rằng độ lún đo được theo thời gian và mức độ ổn định của nền đường là sai khác nhiều so với giá trị tính toán. Ví dụ, sự nghiên cứu của J.R. Lake [4] trên một đoạn nghiên cứu thuộc đường cao tốc A.173 đã thu được các kết quả rất khác với những kết quả tính toán lý thuyết - độ lún của thùng nước đầy trên nền đất than bùn có thoát nước thẳng đứng nhỏ hơn 10-15% so với độ lún không thoát nước thẳng đứng. Sven Hansbo [5] cũng đo được độ lún của nền có cọc cát thoát nước thẳng đứng và phát hiện ra rằng, khi bước cọc thoát nước là 0,9m thì độ lún là nhỏ hơn đáng kể so với khi bước cọc 1,5m. Các độ lún này tương ứng là 48cm và 78cm. Trong các ví dụ đã đưa ra, các tác giả đã giải thích rõ hiệu ứng “ngược” của các công trình thoát nước thẳng đứng không đúng với các lý thuyết tính toán, còn trong một vài trường hợp và công trình cọc cát thoát nước, giống như cọc, đã thể hiện rõ vai trò của một kết cấu cọc hoặc kết cấu cột (“hiệu ứng cọc”, “hiệu ứng cột”). Các công trình nghiên cứu nền có cọc cát thoát nước đã được W. Veber [6] thực hiện ở Mỹ năm 1969 đã cho phép xác định rằng, các cọc cát thoát nước có thể làm tăng đáng kể ổn định của nền đất yếu khi chất tải tức thời. Sự nghiên cứu độ ổn định của nền đắp có thoát nước và không thoát nước trên than bùn đã nhận được kết quả rằng, sự có mặt của cọc thoát nước đã cho phép làm tăng chiều cao giới hạn của nền đắp từ 2,5m đến 6,5m. Hiện tượng này cũng được tác giả giải thích bằng “hiệu ứng cọc”, là hiệu ứng mà xuất hiện trong kết cấu nền có cọc cát thoát nước. II. MỘT SỐ VẤN ĐỀ ĐÃ ĐƯỢC NGHIÊN CỨU Các nhân tố đã biết khác đã nêu cho phép giả thiết rằng, các cọc cát thoát nước thẳng đứng làm thay đổi các điều kiện làm việc của đất trong nền móng công trình, cho phép làm giảm lún và làm tăng độ ổn định của nền móng, và do đó chúng có thể được xem xét trong mức độ nào đó giống như kết cấu cọc với sức chịu tải đã xác định. Dĩ nhiên là hiệu quả từ sự có mặt các cọc cát trong nền đường chỉ thuần túy giống nhau về bề ngoài với các cột cứng thông thường. Do đó khái niệm “hiệu ứng cọc” có thể thích hợp với kết cấu nền có cọc cát ở mức độ đáng kể một cách có điều kiện. Tuy vậy để ngắn gọn và tiện lợi khi trình bày có thể sử dụng thuật ngữ “hiệu ứng cọc” và hiểu đó là hiệu ứng có lợi về mặt ổn định nền móng do sự thay đổi trạng thái ứng suất của nền móng khi có mặt trong nền móng các cọc cát. Trong thực tế công trình, thuật ngữ cọc “cát” hay cọc “đất” đã được biết khá lâu và rộng rãi. Cọc đất, hay còn gọi là cọc vật liệu rời, được làm chặt và chèn vào lớp đất mềm yếu bằng phương pháp thay thế. Thuật ngữ cọc đất được sử dụng ở đây thường là cát, sỏi hay đá dăm được nén chặt. Đất yếu được bố trí các cọc đất gọi là đất hỗn hợp. Công nghệ bố trí các cọc đất đôi khi tương tự công nghệ bố trí cọc cát thoát nước thẳng đứng, ở chỗ rằng bề ngoài cả hai kết cấu trông có vẻ hoàn toàn như nhau và sự khác nhau chỉ là trong mục đích và phạm vi sử dụng chúng. Nếu các cọc cát thoát nước thẳng đứng dùng cho các mục đích thoát nước của lớp đất bão hòa và làm tăng lún nền móng (Evgenhev, [2], [3]), thì các cọc đất được sử dụng, tùy theo phương pháp thi công cọc, có thể giống như phương pháp làm giảm tích cực lỗ rỗng đất, làm chặt đất (Abelev, [1]), hoặc là một giải pháp phân bố lại áp lực nền đường xuống nền móng đất yếu. Tuy nhiên ảnh hưởng của các cọc đất đến điều kiện làm việc của đất trong nền móng vẫn còn chưa được nghiên cứu đầy đủ. Khi đất hỗn hợp chịu tải, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng, trên các cọc đất có sự tập trung ứng suất, đồng thời kèm theo sự giảm ứng suất trong vùng đất yếu ít cứng chắc hơn ở xung quanh, hơn là truyền ứng suất xuống các lớp đất dưới sâu (hình 1). Điều này có thể giải thích là khi chất tải, độ lún của cọc đất và của đất yếu xung quanh xấp xỉ nhau, cho nên ứng suất sẽ tập trung trên các cọc đất vì cọc đất có độ cứng lớn hơn đất dính và đất rời xốp ở xung quanh [7]. Kết quả là cường độ và khả năng chịu lực của nền đất yếu được tăng lên và tính nén lún giảm. Hình 1. Sơ đồ đất hỗn hợp Sự phân bố ứng suất thẳng đứng trong phạm vi một đơn nguyên cũng có thể biểu thị bằng hệ số tập trung ứng suất sau: s c σ n= σ (1) Ở đây: σ s – ứng suất trên cọc đất σ c – ứng suất trên đất yếu ở xung quanh cọc. Độ lớn tập trung ứng suất cũng phụ thuộc vào quan hệ giữa độ cứng của cọc đất và của đất yếu xung quanh cọc. Theo các thí nghiệm của Barksdal và Bachus (1983) thì nhận được hệ số tập trung ứng suất thay đổi trong khoảng từ 2 đến 5. Trong khi đó, Aboshi (1979) và Bergado (1987) nhận được giá trị cao hơn, bằng 9. Khoảng biến đổi lớn như vậy của hệ số tập trung ứng suất (n = 2 ÷ 9) có thể được giải thích là do các tác giả khi tiến hành thí nghiệm đã sử dụng các tấm ép phẳng có độ cứng khác nhau khi chất tải [7]. a) Cọc đất dài là cọc chống hoặc cọc treo - Phá hoại phình ra ngoài b) Cọc ngắn là cọc chống - Phá hoại cắt c) Cọc ngắn là cọc treo - Phá hoại trượt Hình 2. Cơ chế phá hoại cọc đất đơn trong đất yếu Ứng suất trung bình σ trên diện tích một đơn nguyên có thể được biểu thị như sau: σ = σ s .a s + σ c .(1-a s ) (2) Ở đây: a s tỉ diện tích thay thế s s sc A a= A+A Với: A s - diện tích ngang của cọc đất A c - diện tích ngang của đất yếu xung quanh cọc Khi đó ứng suất trên cọc và trên đất yếu bỉeu thị qua hệ số tập trung ứng suất là: () s s n.σ σ = 1+ n-1 a = ⎡ ⎤ ⎣ ⎦ μ s . σ (3) () c s σ σ = 1+ n-1 a = ⎡ ⎤ ⎣ ⎦ μ c . σ (4) Ở đây: μ s và μ c tỉ số ứng suất trên cọc và trên đất sét so với ứng suất trung bình trên diện tích một đơn nguyên. Về cơ chế phá hoại của cọc đất trong đất yếu, dựa trên nhiều thí nghiệm, các tác giả ở trên nhận thấy cọc đất có thể bị phá hoại riêng từng cọc hoặc cả nhóm. Cơ chế phá hoại đối với một cọc đơn được minh họa trên hình 2. III. KẾT LUẬN Như vậy kết cấu cọc đất đã được nghiên cứu từ khá lâu, từ những năm 60 cho đến những năm 80 của thế kỷ XX, và đã được áp dụng thi công ở nhiều nước trên thế giới. Ở Thái Lan, cọc đất đã được ứng dụng trong gia cố đất yếu trên các đoạn đường đầu cầu ở vùng đồng bằng Trung tâm và đã cho thấy hiệu quả rõ rệt trong việc tăng chiều cao giới hạn của nền đắp trên đất yếu có cọc, hiệu quả cao về ổn định và giảm lún của nền đất yếu. Tuy nhiên cho đến nay, việc nghiên cứu cọc đất trong gia cố xử lý đất yếu mới chỉ dừng lại ở một số nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá về sức chịu tải, độ ổn định và độ lún của nền đất yếu khi có cọc đất. Còn nhiều vấn đề cần được nghiên cứu sâu thêm, ví dụ về trạng thái ứng suất – biến dạng của đất yếu khi bố trí cọc đất, về phạm vi ứng dụng cọc đất hiệu quả… nhằm hiểu rõ hơn về vai trò của cọc đất trong đất yếu. Hiện nay ở Việt Nam, các công nghệ thi công cọc cát tiêu nước thẳng đứng và gần đây là cọc ximăng - đất đã được hoàn thiện và thi công phổ biến. Với việc công nghệ thi công cọc đất tương đối tương đồng với công nghệ thi công các cọc ở trên, đã mở ra khả năng ứng dụng kết cấu cọc đất trong gia cố xử lý đất yếu ở Việt Nam. Vì vậy, là rất cần thiết để nghiên cứu sâu thêm về vai trò của cọc đất trong đất yếu cả về mặt lý thuyết lẫn thực nghiệm. Kết cấu cọc đất chắc chắn sẽ là một giải pháp kinh tế và tiện dụng trong việc gia cố xử lý đất yếu khi xây dựng đường ôtô. Tài liệu tham khảo [1]. Абелев М.Ю., Абелев М.Ю. "Основы проектирования и строительства на просадочных макропористых грунтах". Стройиздат, M., 1968. Abelev M.IU., Abelev M.IU. “Cơ sở thiết kế và xây dựng trên đất xốp”. Nhà xuất bản xây dựng, Matxcơva, 1968. [2]. Евгеньев И.Е. Земляное полотно с вертикальными дренами на болотах. "Транспорт", М.,1964. Evgenhep I.E. Nền đường đắp có thoát nước thẳng đứng qua vùng đầm lầy. “Giao thông”, Matxcơva, 1964. [3] Евгеньев И.Е. Строительство автомобильных дорог через болота. "Транспорт", М., 1968. Evgenhep I.E. Xây dựng đường ôtô qua vùng đầm lầy. “Giao thông”, Matxcơva, 1968. [4]. Lake J.R. Pore-pressure and settlement measurement during small-scale and laboratory experiments to determine the effectiveness of vertical sand drains in peat. Proc.of the conf. “Pore pressure and suction in soils”. London, 1960. [5]. Hansbo Sven. Consolidation of clay with special reference to influence of vertical sand drains. Swedish Geotechnical Inst.Proc.N18,1960. [6]. Weber W.G. Perfomance of embankment constructed over peat. Proc. ASCE. Journal of soil mech.and found.div.v.95, N SM l, January, 1969. [7]. Bergado D.T., Chai J.C., Alfaro M.C., Balasubramaniam A.S. "Improvement techniques of soft ground in subsiding and lowland environment", Division of geotechnical & transportation engineering asian institute of technology Thailand, 1992. [8]. GS. TSKH. Bùi Anh Định. "Cơ học đất", Hà Nội, 2004 ♦ . VAI TRÒ CỦA CỌC ĐẤT TRONG VIỆC NÂNG CAO SỨC CHỊU TẢI CỦA ĐẤT YẾU NCS. TRẦN QUỐC ĐẠT Trường Đại học Giao thông Đường bộ Matxcơva (MADI) Tóm tắt: Bước đầu nghiên cứu về vai trò của cọc. biến dạng của đất yếu khi bố trí cọc đất, về phạm vi ứng dụng cọc đất hiệu quả… nhằm hiểu rõ hơn về vai trò của cọc đất trong đất yếu. Hiện nay ở Việt Nam, các công nghệ thi công cọc cát. quả rõ rệt trong việc tăng chiều cao giới hạn của nền đắp trên đất yếu có cọc, hiệu quả cao về ổn định và giảm lún của nền đất yếu. Tuy nhiên cho đến nay, việc nghiên cứu cọc đất trong gia