›
›

Đề tài Nghiên cứu giải pháp cọc Cát để gia cố tầng đất yếu khu vực thành phố Hải Phòng - Nguyễn Đình Đức

pdf 98 trang huongle 1170
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Đề tài Nghiên cứu giải pháp cọc Cát để gia cố tầng đất yếu khu vực thành phố Hải Phòng - Nguyễn Đình Đức", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfde_tai_nghien_cuu_giai_phap_coc_cat_de_gia_co_tang_dat_yeu_k.pdf

Nội dung text: Đề tài Nghiên cứu giải pháp cọc Cát để gia cố tầng đất yếu khu vực thành phố Hải Phòng - Nguyễn Đình Đức

  1. Bộ giáo dục và đào tạo Tr•ờng đại học dân lập Hải Phòng ISO 9001 : 2008 đề tài nghiên cứu khoa học Tên đề tài: Nghiên cứu giải pháp cọc cát để gia cố tầng đất yếu khu vực thành phố Hải Phòng ThS Nguyễn Đình Đức Hải phòng, tháng 8 năm 2009 1
  2. tr•ờng đại học dân lập Hải Phòng Bộ môn xây dựng ISO 9001 : 2008 đề tài nghiên cứu khoa học Tên đề tài : Nghiên cứu giải pháp cọc cát để gia cố tầng đất yếu khu vực thành phố Hải PhònG Chủ nhiệm đề tài : Thạc sỹ . Nguyễn Đình Đức Các thành viên tham gia: Kỹ S• . Trần Trọng Bính Thạc sỹ. Trịnh Công Cần Kỹ s•. Đào Hữu Đồng Hải phòng, tháng 8 năm 2009 2
  3. Lời giới thiệu Trong điều kiện nh• n•ớc ta, công tác xây dựng cơ bản ngày càng phát triển mạnh thì việc sử dụng nền đất yếu càng trở nên cần thiết hơn bao giờ hết. Tính phức tạp của việc sử dụng loại đất yếu làm nền xây dựng các công trình theo quan điểm của viện sĩ N.A.Tsưtovitr, I.U.Zarevsky,v.v (1967) đã kết luận rằng: độ lún của công trình xây dựng trên loại đất yếu có thể đạt tới trị số rất lớn (S > 2,5m) và thời gian ổn định lún xảy ra trong vòng vài chục năm. Nhiệm vụ lại trở nên vô cùng phức tạp khi phải tiến hành xây dựng các công trình giao thông, sân bay và đặc biệt là các công trình ngầm có kích th•ớc lớn trong điều kiện tầng đất nén lún mạnh có chiều dày lớn hơn 6 8m. Có nhiều ph•ơng pháp gia c•ờng nền đất yếu bão hoà n•ớc nén lún mạnh, nhiều n•ớc trên thế giới đã dùng ph•ơng pháp cọc cát (Sand Pile - SP) để gia c•ờng nền đất này. Ph•ơng pháp SP gia c•ờng nền đất yếu bão hoà n•ớc có tác dụng vừa thoát nhanh, vừa làm tăng khả năng chịu tải, đồng thời làm giảm mức độ lún của nền đất d•ới công trình. Tính •u việt của nền đ•ợc gia c•ờng bằng SP còn đ•ợc thể hiện qua khả năng kháng hoá lỏng của đất nền trong những vùng có động đất. Là một ng•ời đã từng tham gia tính toán, thiết kế và thi công xử lý một số nền đất yếu bằng vật thoát n•ớc thẳng đứng (ví dụ nh• bấc thấm, giếng cát ) đồng thời được chứng kiến nhiều diễn biến phức tạp trong quá trình thi công xử lý nền đất yếu ở khu vực Hải Phòng. Bằng kinh nghiệm thực tế và qua kiến thức thu nhập đ•ợc trong những năm nghiên cứu giảng dậy tại Bộ môn Xây dựng - Tr•ờng tr•ờng Đại học Dân lập Hải Phòng, chính vì vậy tác giả chọn đề tài nghiên cứu "Nghiên cứu giải pháp cọc cát để gia cố tầng đất yếu khu vực thành phố Hải Phòng". Nội dung đề tài đi sâu vào bài toán cố kết thấm đối xứng trục trong điều kiện cấu trúc nền đất yếu của khu vực Hải Phòng và giảm độ lún cố kết nền đất yếu sau khi đ•ợc gia c•ờng bằng cọc cát. Đề tài này tr•ớc hết nh• là một tổng kết về quá trình nghiên cứu, giảng dạy tại Bộ môn Xây dựng tr•ờng Đại học Dân lập Hải Phòng, sau cùng để đóng góp một phần nhỏ vào công cuộc xây dựng cơ bản ở thành phố Hải Phòng . Để làm giảm nhẹ và tăng cao hiệu quả tính toán, phần thiết kế gia cố nền đất yếu bằng cọc cát, nhóm tác giả đã sử dụng phầm mềm máy tính Plaxis. 4
  4. Nội dung của đề tài đ•ợc hoàn thành bao gồm 87 trang nội dung và 45 trang phụ lục, đ•ợc sắp xếp thành các phần sau: Mở đầu: Nêu đ•ợc sự cần thiết của đề tài, mục đích, đối t•ợng, phạm vi, ph•ơng pháp nghiên cứu và những đóng góp của đề tài. Ch•ơng 1: Tổng quan về lịch sử phát triển ph•ơng pháp gia c•ờng nền đất yếu bằng cọc cát. Ch•ơng 2: Điều kiện địa chất công trình tầng đất yếu khu vực Hải Phòng Ch•ơng 3: Một số khái niệm cơ bản về các bài toán cố kết thấm Ch•ơng 4: Lý thuyết về Cọc cát Ch•ơng 5: Ph•ơng pháp tính toán - thiết kế và các kết quả nghiên cứu thực tế Mặc dù, tác giả và nhóm nghiên cứu đã có nhiều cố gắng trong qúa trình nghiên cứu đề tài , nh•ng do khả năng có hạn nên đề tài không tránh khỏi những sai sót. Rất mong đ•ợc sự góp ý của các độc giả. Chủ nhiệm đề tài và nhóm nghiên cứu xin chân thành cám ơn: GS. TS. NGƯT Trần Hữu Nghị – Hiệu tr•ởng tr•ờng đại học Dân lập Hải Phòng, ng•ời đã tạo mọi điều kiện cả về kinh phí, thời gian và cổ vũ tinh thần để nhóm nghiên cứu hoàn thành đề tài này. PGS. TS Nguyễn Ngọc Bích tr•ờng Đại học Xây Dựng Hà Nội. KS. Nguyễn Đức Nghinh – Tr•ởng ban thanh tra tr•ờng đại học Dân Lập Hải Phòng đã có nhiều góp ý về nội dung nghiên cứu của đề tài. TS. Đỗ Minh Đức – Phó chủ nhiệm khoa Địa chất –Tr•ờng đại học Khoa học Tự nhiên - đại học Quốc gia Hà Nội, GS. TSKH. Phạm Xuân – Liên hiệp khảo sát xử lý nền móng bộ Xây dựng . Kỹ s• Nguyễn Trọng Thoáng – P.Giám đốc Trung tâm Thí nghiệm và Kiểm định Xây dựng Hải Phòng và cán bộ nhận viên phòng thí nghiệm Las-32 đã công tác, giúp đỡ cung cấp nhiều số liệu thí nghiệm về tính chất cơ lý của đất đá. NCS.ThS. Ngô Văn Hiển, NCS.ThS. Đoàn Văn Duẩn và toàn thể cán bộ giảng viên bộ môn xây dựng – tr•ờng đại học Dân lập Hải Phòng. Tiến sỹ Giang Hồng Tuyến và cán bộ phòng Quản lý Khoa học và Đối ngoại - tr•ờng đại học Dân Lập Hải Phòng đã có nhiều giúp đỡ trong quá trình thực hiện đề tài. Chủ nhiệm đề tài & Nhóm nghiên cứu 5
  5. Mở đầu 1. Sự cần thiết của đề tài Đất yếu hầu nh• có mặt rộng khắp mọi nơi ở các vùng đồng bằng của Việt Nam nh• đồng bằng Sông Hồng và đồng bằng sông Cửu Long. Đất yếu phân bố phổ biến và có tính phức tạp nhất ở Đồng bằng Sông Hồng phải kể đến các khu vực thuộc các tỉnh và thành phố vùng ven biển nh• Thành phố Hải Phòng. Do đặc tính phức tạp của đất yếu nên việc thi công xây dựng các công trình giao thông, các bến cảng trên các vùng đất yếu luôn phải đối mặt với các vấn đề kỹ thuật về xử lý nền. Các công trình giao thông trọng điểm nh• quốc lộ 10, quốc lộ 5, đ•ờng ra đảo Đình Vũ, các hệ thống cảng Đình Vũ, cảng Chùa Vẽ là các minh chứng cụ thể. Đặc biệt theo định h•ớng phát triển của thành phố Hải Phòng trong thời gian tới trung tâm đô thị thành phố sẽ mở rộng, các khu công nghiệp sẽ đ•ợc đầu t• xây dựng ra các vùng ngoại thành trên những địa hình bãi bồi có cấu trúc nền đất yếu phức tạp. Do đó vấn đề cần quan tâm tr•ớc tiên là việc lựa chọn tìm ra các giải pháp gia cố nền đất một cách hợp lý và hiệu quả đảm bảo cho việc xây dựng công trình đ•ợc ổn định và an toàn góp phần thúc đẩy sự nghiệp công nghiệp hoá hiện đại hoá của thành phố Hải Phòng theo chủ ch•ơng nghị quyết Trung •ơng VII của đảng và nhà n•ớc CHXHCN Việt Nam. Để mở rộng hệ thống các ph•ơng pháp xử lý nền, việc nghiên cứu khả năng áp dụng các ph•ơng pháp mới trong điều kiên thực tế Địa chất ở Việt Nam cũng nh• ở khu vực Hải Phòng là thực sự cần thiết. Chính vì vậy, nhóm tác giả đã chọn đề tài nghiên cứu: "Nghiên cứu giải pháp cọc cát để gia cố tầng đất yếu khu vực thành phố Hải Phòng". 2. Mục đích nghiên cứu của đề tài - Nghiên cứu làm sáng tỏ cấu trúc nền đất yếu và đặc tính địa chất công trình của các dạng đất yếu khác nhau có trong khu vực thành phố Hải Phòng 6
  6. và ảnh h•ởng của nó tới việc xây dựng các công trình giao thông, bãi cảng, thuỷ lợi - Khả năng áp dụng giải pháp cọc cát trong gia cố nền đất yếu cho các dạng nền đất có cấu trúc khác nhau ở khu vực thành phố Hải Phòng - áp dụng khoa học công nghệ tin học - kỹ thuật máy tính trong tính toán - thiết kế cọc cát gia cố nền đất yếu. 3. Đối t•ợng nghiên cứu - Nền đất yếu đồng nhất và không đồng nhất nhiều lớp, dị h•ớng về tính thấm n•ớc - Giải pháp cọc cát gia c•ờng nền đất yếu 4. Phạm vi nghiên cứu - Các dạng cấu trúc nền đất yếu tiêu biểu trong khu vực Hải Phòng và giải pháp cọc cát gia cố. - Dùng phần mềm Plaxis để giải bài toán cố kết đối xứng trục cho các dạng nền đất yếu tiêu biểu có trong khu vực nghiên cứu. 5. Ph•ơng pháp nghiên cứu - Ph•ơng pháp địa chất - địa mạo : Nghiên cứu các đặc điểm địa mạo và cấu trúc địa chất. - Ph•ơng pháp thực nghiệm: Xác định tính chất cơ lý của đất và một số tính chất biến dạng của đất yếu. - Ph•ơng pháp tính toán lý thuyết: Tính toán định l•ợng xác định mức độ cố kết, mức độ biến dạng, các giá trị ứng suất của nền đất. - Ph•ơng pháp mô hình hóa : Mô hình hoá các đối t•ợng địa chất thực tế thông qua việc sử dụng phần mềm tin học Plaxis chạy trên máy tính điện tử để giải các bài toán cố kết đối xứng trục cho nền gia c•ờng bằng cọc cát - Ph•ơng pháp logich : Sử dụng để phân tích logich các vấn đề lý thuyết, các vấn đề nghiên cứu cũng nh• các hiện t•ợng thực tế nhằm rút ra các kết luận cần thiết. 6. Những đóng góp của đề tài 7
  7. - Phân chia các kiểu cấu trúc đất yếu trong khu vực Hải Phòng và xác định quy luật phân bố của chúng làm cơ sở để định h•ớng nghiên cứu và khảo sát địa chất công trình chi tiết hơn. Việc đ•a ra bảng về khả năng áp dụng các giải pháp xử lý nền cho các dạng đất yếu có trong cấu trúc nền nhằm giúp cho việc lựa chọn các giải pháp kỹ thuật hợp lý xử lý nền đất yếu và khai thác hiệu quả nguồn tài nguyên đất xây dựng. - Đ•a ra ph•ơng pháp giải bài toán cố kết thấm đối xứng trục vận dụng trong tính toán thiết kế giải pháp cọc cát gia c•ờng nền đất yếu. - Qua việc tìm hiểu, nắm vững, đồng thời đ•a ra các b•ớc khai thác sử dụng phần mềm Plaxis của công ty PLAXIS BV Hà Lan để phục vụ tính toán thiết kế giải pháp cọc cát trong gia c•ờng nền đất yếu giúp cho công tác thiết kết nhanh và hiệu quả. - Kiểm chứng khả năng áp dụng phần mềm Plaxis cho việc tính toán thiết kế giải pháp cọc cát trong việc xử lý nền đất yếu (thông qua việc so sánh kết quả của hai ph•ơng pháp tính tay và tính toán có sử dụng phần mềm Plaxis). - Xác lập đ•ợc các t•ơng quan giữa sự biến đổi của các yếu tố nh• tỷ số thay thể và độ lún với chiều dài và khoảng cách cọc cát, giá trị biến đổi của hệ số tập trung ứng suất là tài liệu quan trong giúp cho việc tính toán thiết kế giải pháp cọc cát gia cố nền đất yếu ở khu vực Hải Phòng và ở Việt Nam đạt hiệu quả. 8
  8. Ch•ơng 1 Tổng quan về lịch sử phát triển ph•ơng pháp gia cố nền đất yếu bằng cọc cát 1.1. Khái niệm cơ bản về đất yếu Khi xây dựng công trình trên nền đất, d•ới tải trọng tác dụng của công trình nền đất bị biến dạng nh• lún quá mức cho phép gây phá huỷ kết cấu công trình thì ta nói nền đất là yếu, nh•ng cũng với nền đất đó ta xây dựng công trình có tải trọng vừa và nhỏ lên, d•ới tải trọng này có thể nền đất và công trình không bị biến dạng hoặc biến dạng d•ới mức cho phép thì nền đó là đủ khả năng chịu lực. Nh• vậy, không thể đ•a ra một khái niệm tuyệt đối về nền đất yếu mà khái niệm đó phải đ•ợc xét trên mối t•ơng quan phụ thuộc giữa trạng thái vật lý, khả nằng chịu lực của đất và tải trọng mà công trình truyền lên . Với cách nhìn nhận đó, trong xây dựng một nền đất đựơc coi là yếu với những đặc tr•ng sau: Đất yếu là đất có khả năng chịu tải nhỏ (vào khoảng 0,5 - 1,0 Kg /cm2) có tính nén lún lớn, hầu nh• bão hoà n•ớc, có hệ số rỗng lớn (e >1), mô đun biến 2 dạng thấp (th•ờng thì Eo 50 Kg/cm ), lực chống cắt nhỏ. Nếu không có biện pháp xử lý đúng đắn thì việc xây dựng công trình trên nền đất yếu này rất khó khăn hoặc không thể thực hiện đ•ơc. Đất yếu là các vật liệu mới hình thành (từ 10000 đến 15000 năm tuổi), các loại đất này đều đ•ợc bồi tụ trong n•ớc một cách khác nhau theo các điều kiện thuỷ lực t•ơng ứng: bồi tích ven biển, đầm phá, cửa sông, ao hồ. vv. Trên cơ sở đặc điểm về đặc tính địa chất công trình (thành phần, tính chất) đất yếu có thể đ•ợc chia thành các loại sau: - Đất sét mềm bồi tụ ở bờ biển hoặc gần biển (đầm phá, tam giác châu; cửa sông tạo thành một họ đất yếu phát triển nhất ở Việt Nam, phân bố chủ yếu ở các khu vực thuộc đồng bằng Bắc Bộ nh• thành phố Hải Phòng và Đồng bằng của các tỉnh phía Nam. ở trạng thái tự nhiên độ ẩm của chúng th•ờng bằng hoặc lớn hơn giới hạn chẩy, hệ số rỗng lớn (đất sét mềm e 1,5, đất á sét bụi 9
  9. 2 e 1, lực dính không thoát n•ớc Cu 0,15 Kg/cm , góc nội ma sát o 0,50 (trạng thái chẩy đến dẻo mềm). - Than bùn và đất hữu cơ ( amb, bm, ab) có nguồn gốc đầm lầy th•ờng hình thành từ các trầm tích lẫn hữu cơ ở nơi đọng n•ớc th•ờng xuyên hoặc có mực n•ớc ngầm cao, các loại thực vật phát triển thối rữa và phân huỷ, tạo ra các trầm tích hữu cơ lẫn với trầm tích khoáng vật loại này th•ờng gọi là đất đầm lầy than bùn, hàm l•ợng hữu cơ chiếm tới 20 đến 80%. Trong điều kiện tự nhiên, than bùn có độ ẩm rất cao trung bình W = 85% - 95% và có thể lên tới vài trăm phần trăm. Than bùn là loại đất th•ờng nén lún lâu dài, không đều và mạnh nhất; hệ số nén lún có thể đạt 3 - 8 - 10cm2/daN, vì thế th•ờng phải thí nghiệm than bùn trong các thiết bị nén với các mẫu cao ít nhất 40 đến 50 cm. Đất yếu đầm lầy than bùn còn đ•ợc phân theo hàm l•ợng hữu cơ của chúng: Hàm l•ợng hữu cơ từ 20 - 30%: đất nhiễm than bùn. Hàm l•ợng hữu cơ từ 30 - 60%: đất than bùn. Hàm l•ợng hữu cơ trên 60%: than bùn. - Bùn là các lớp đất mới đ•ợc tạo thành trong môi tr•ờng n•ớc ngọt hoặc n•ớc biển, gồm các hạt rất mịn (< 200 m) với tỷ lệ phần trăm các hạt < 2mm cao, bản chất khoáng vật thay đổi và th•ờng có kết cấu tổ ong. Hàm l•ợng hữu cơ th•ờng d•ới 10%. Bùn th•ờng tạo thành do sự bồi lắng tại các đáy vũng, vịnh, hồ hoặc các cửa sông nhất là các của sông chịu ảnh h•ởng của thuỷ triều phân bố rông khắp ở các đồng bằng ven biên Bắc và nam Bộ. Bùn luôn no n•ớc và rất yếu về mặt chịu l•c. C•ờng độ của bùn rất nhỏ biến dạng rất lớn, mô đun biến dạng chỉ vào khoảng 1- 5Kg/cm2 với bùn sét và từ 10 - 25Kg/cm2 với bùn sét pha cát và bùn cát pha sét và hệ số nén lún chỉ có thể lên tới 2-3 cm2/daN. Nh• vậy bùn là loại trầm tích nén ch•a chặt, dễ bị thay đổi kết cấu tự nhiên do đó việc xây dựng trên bùn chỉ có thể thực hiện sau khi áp dụng các biện pháp xử lý đặc biệt. 10
  10. 1.2. Lịch sử phát triển ph•ơng pháp gia c•ờng nền đất yếu bằng cọc cát (Sand pile - Sp) 1.2.1. Trên thế giới Ph•ơng pháp gia c•ờng nền đất yếu bằng trụ vật liệu rời, cũng nh• bằng cọc cát, nó xuất hiện gắn liền với kết quả công trình nghiên cứu về cố kết thấm của đất sét no n•ớc, mà ng•ời đầu tiên đề cấp tới là Tepzaghi, khi ông tìm ra ph•ơng trình vi phân cố kết thấm một chiều vào năm 1925. ở Liên Xô, vấn đề cố kết thấm cũng đ•ợc nghiên cứu sâu rộng thể hiện ở các công trình của V.A. Florin, S.A. Rôza, A.A. Nhichipôrơvích. ở các n•ớc nh• Mỹ, Pháp, ph•ơng pháp cọc cát cũng đ•ợc nghiên cứu ở các mặt kỹ thuật và ph•ơng pháp thi công và đ•ợc ứng dụng trong gia cố nền các công trình cầu đ•ờng, bến cảng. ở Nhật, do tính •u việt của cọc cát nên đ•ợc nhiều các công ty xây dựng của Nhật ứng dụng ph•ơng pháp này. Chỉ tính riêng một Công ty ở Nhật Bản tr•ớc năm 1996 tổng cộng chiều dài giếng cát gia cố nền đất yếu bão hoà n•ớc nén lún mạnh trên đất liền là 15 triệu mét, và ở d•ới biển là 40 triệu mét dùng để cố kết thoát n•ớc nền công trình, dùng 6 triệu và 20 triệu mét cọc cát lần l•ợt trên đất liền, d•ới biển để làm chặt đất đạt độ tin cậy cao, ph•ơng pháp giếng cát thẳng đứng để cố kết thoát n•ớc và cọc cát làm chặt nền đất yếu bão hoà n•ớc phục vụ xây dựng công trình th•ờng đ•ợc áp dụng để làm ổn định các đê chắn sóng, móng cầu bể chứa, và sân bay . vv . Ví dụ điển hình: Sân bay quốc tế Kansai, cảng biển Kôbê, nhà máy nhiệt điện Matsura và một hòn đảo để đổ chất thải ở vịnh Tôkyô hiện nay đang đ•ợc tiến hành gia cố bằng cọc cát. Tại Singapore, một Công ty xây dựng của Nhật Bản đang thi công cọc cát làm chặt đất (Sand Compaction pile - scp) nhằm cải tạo nền đất bùn làm bãi chứa Container. Trận động đất ngày 15/1/1995 ở Vùng Ôsaka - Kôbê Nhật Bản đã gây tai hoạ rất lớn cho cảng Kôbê và những quận lân cận. Rất may trong trận thảm 11
  11. hoạ đó ch•a xảy ra hiện t•ợng hoá lỏng (xúc biến) nền đất, nên trong các khu vực đ•ợc gia cố bằng cọc cát thiệt hại xảy ra ít hơn. Điều này càng chứng minh rõ nét tính hiệu quả của chúng. Do đó một loạt công trình lớn sắp đ•ợc mở ra ở Nhật Bản, trong đó ph•ơng án mở rộng sân bay Kansai sẽ đực chính phủ nhật chấp thuận ph•ơng án cọc cát để làm chặt đất nền công trình. ở Thái Lan, ph•ơng pháp cọc cát (SP) sử dụng đã đ•ợc Tiến sĩ Bergado (1988, 1990a), Enriquez (1989) thuộc viện kỹ thuật Châu á (AIT) đã tiến hành nghiên cứu và ứng dụng ph•ơng pháp cọc cát vào xử lý nền đất yếu ở Thái Lan. Trong suốt những năm từ 1986 đến 1990, trong quá trình nghiên cứu, Bergado đã tiến hành nhiều thực nghiệm để đánh giá khả năng gia cố nền đất yếu của giải pháp cọc cát trong việc gia cố nền đất yếu ở Thái Lan nh• : thí nghiệm chất tải trên cọc vật liệu rời, thí nghiệm nghiên cứu sự biến đổi độ lún với tỉ số thay thế as, thí nghiệm nghiên cứu khả năng giữ ổn định mái dốc hố móng và hàng loạt các thí nghiệm nghiên cứu về ph•ơng pháp thi công. Kết luận của quá trình nghiên cứu tiến sỹ Bergado đã rút ra kết luận:"Ph•ơng pháp cọc cát trong gia cố nền đất yếu ở Băng cốc có tác dụng năng cao về khả năng chịu lực, giảm độ lún và c•ờng độ đất nền tăng lên" 1.2.2. ở Việt Nam Tại Việt Nam, ph•ơng pháp cọc cát đã có những áp dụng mang tính thí nghiệm tuy nhiên ch•a đ•ợc áp dụng mang tính đại trà. Năm 1963, Sở xây dựng Hà Nội đã áp dụng ph•ơng pháp cọc cát gia cố nền công trình trụ sở làm việc 5 tầng của Bộ Ngoại th•ơng. Từ năm 1977, nhờ có thiết bị rung hạ cọc, cọc cát đã đ•ợc sử dụng cho một số công trình khác tại Hà Nội. Nh• đ•ờng cao tốc Láng Hòa Lạc và Gần đây nhất, cọc cát đ•ợc sử dụng tại "Trung tâm hội nghị quốc gia" d•ới sự tính toán và thiết kế của tự vấn Đức GMP một hãng t• vấn nổi tiếng trên toàn thế giới. Tuy vậy đến đến nay việc áp dụng cọc cát cũng ch•a đ•ợc phổ biến, ở Hải Phòng trong thời gian qua cũng mới dừng lại ở ph•ơng pháp bấc thấm là chủ yếu. Các lý thuyết tính toán thí nghiệm của bấc thấm đã đ•ợc xây dựng và phổ biến thành sách học, tiêu chuẩn h•ớng dẫn cho các kỹ s• và thạc sĩ 12
  12. chuyên nghành cơ học đất - nền móng các công trình dân dụng và công nghiệp, xây dựng nền móng các mố và trụ cầu hay nền đ•ờng, còn ph•ơng pháp cọc cát thì ch•a và lại không thể hiện đ•ợc vai trò của nó tại Việt Nam dù nó có những •u điểm hơn hẳn so với bấc thấm (sẽ đ•ợc trình bày chi tiết ở ch•ơng 5). Theo tác giả điều này do một số nguyên nhân sau: - Không có ph•ơng pháp chuẩn để kiểm tra chất l•ợng của cọc cát - Không có ph•ơng pháp chuẩn để thiết kế và kiểm toán cọc cát - Thiếu thiết bị chuyên dụng thi công cọc cát. - Ch•a có những nghiên cứu và đánh giá đầy đủ về khả năng áp dụng giải pháp cọc cát trong điều kiện địa chất thực tế tại các khu v•c của Việt Nam. 1.3. Kết luận Cọc cát là một ph•ơng pháp gia cố nền đ•ợc áp dụng rộng rãi ở n•ớc ngoài đến mức "công nghệ này trở thành tự nhiên trong ý nghĩ của các kỹ s•" (Betrand Soyez - Phòng thí nghiệm Cầu đ•ờng Trung •ơng - Pari - 1985) nhờ những •u điểm về mọi mặt cả kỹ thuật và kinh tế của ph•ơng pháp. Tuy ch•a đ•ợc phát triển nhiều tại Việt Nam, nh•ng trong t•ơng lai, khi hội nhập WTO, với sự hỗ trợ của các t• vấn và nhà thầu n•ớc ngoài, chắc chắn chúng ta sẽ có một ph•ơng pháp gia c•ờng nền bằng các cọc cát hiệu quả và kinh tế hơn. Với đề tài này nhóm nghiên cứu cũng hi vong có thể góp một phần vào việc thiết kế và chuyển giao công nghệ thi công cọc cát cũng là để thúc đẩy quá trình phát triển của ph•ơng pháp này ơ TP Hải Phòng cũng nh• ở Việt Nam trong thời gian tới. Ch•ơng 2 Đặc điểm Điều kiện địa chất công trình khu vực Hải Phòng 2. 1. Đặc điểm điều kiện địa lý tự nhiên Trên bản đồ địa lý vùng nghiên cứu thuộc khu vực Hải Phòng có vị trí giới hạn bởi kinh độ, vĩ độ nh• sau: Vĩ độ: 200 51' 27" (N) - 20052'30" N) 13
  13. Kinh độ: 106044'00" (E) - 106045'10(E) 1. Địa hình: Khu vực nghiên cứu nằm ở phía Đông Bắc đồng bằng Sông Hồng với diện tích tự nhiên khoảng 1503km2 đ•ợc tạo bởi 4 dạng địa hình chính. Địa hình Karstơ, địa hình đồi núi thấp, địa hình đồi núi sót, địa hình đồng bằng và đảo ven biển. Địa hình Karstơ tạo nên bởi các hang hốc đá vôi. Karstơ có mặt ở các đảo Cát Bà vầ phía Bắc Thuỷ Nguyên. Địa hình đồi núi thấp gồm các núi cao khoảng 100 - 400m phân bố ở Bắc Thuỷ Nguyên, Kiên An. Địa hình đồi núi sót là các núi với quy mô không lớn, cao khoảng 100 - 150m nằm rải rác ở các vùng đồng bằng nh• Kiến An, Núi Đèo, Kiếm Thuỵ. Dạng địa hình chính trong khu vực là địa hình đồng bằng chiếm một diện tích khá lớn khoảng 1007km2. Ngoại ra, do đặc tr•ng về vị trí địa lý của Hải Phòng, ở đây còn có dạng địa hình dảo ven biển nh• đảo Cát Bà, Cát Hải. 2. Thuỷ văn a. Sông ngòi: Trong khu vực có mặt các dòng sông lớn nh• sông Bạch Đằng, sông Thái Bình, Văn úc, Lạch Tray, sông Cấm với tổng chiều dài là 280km. Mật độ trung bình là 0,18 km/ km2. Các dòng sông chẩy chủ yếu theo ph•ơng Tây Bắc - Đông Nam. b. Thuỷ văn biển: Thuỷ chiều ở đây theo chế độ nhật triều. Mỗi tháng có hai lần c•ờng và lần n•ớc kém. Độ lớn triều trung bình trên d•ới 3,5m. Vào kỳ triều c•ờng mực n•ớc lên xuống nhanh có thể đạt tới 0,5m/h. 3. Khí hậu: Hải phòng chịu ảnh h•ởng của khí hậu nhiệt đới gió mùa, có hai mùa rõ rệt. Mùa mua từ tháng 4 đến tháng 10 , mùa khô từ tháng 11 đến tháng 3 năm sau, nhiệt độ trung bình mùa đông là 19 oc , mùa nóng 27oc. 14
  14. 2.2. Đặc điểm địa mạo Địa hình nghiên cứu đ•ợc chia ra 14 bề mặt, trong đó có 10 bề mặt nguồn gốc tích tụ và 4 bề mặt có nguồn gốc bóc mòn xâm thực. 2.2.1. Nhóm các bề mặt nguồn gốc tích tụ Các bề mặt thuộc bãi bồi thấp đ•ợc tạo thành từ các trầm tích nguồn gốc sông, biển, sông - biển, đầm lầy, sông - đầm lầy, biển - gió thuộc trầm tích 3 Thái Bình - phụ tầng trên (am, amb, ab, mv, Q2 tb2) có độ cao tuyệt đối nhỏ (1,5m), phân bố chủ yếu ở vùng ven biển, ven sông lớn đ•ợc xác định có tuổi 3 chung là Holoxen muội (Q2 ). Bề mặt thuộc bãi bồi cao đ•ợc thành tạo từ tầng 3 trầm tích Thái Bình - phụ tầng d•ới (amQ2 ) có độ cao 1 - 2m, tuổi Holoxen 3 muội (Q2 ). 1-2 Bề mặt thềm bậc I đ•ợc thành tạo từ trầm tích Hải H•ng (mbQ2 hh1) có 1 - 2 độ cao 2 - 4 tuổi thành tạo Holoxen giữa (Q2 ). Bề mặt tích tụ có độ cao tuyệt đố lớn nhất trong khu vực nghiên cứu đó là các thềm hỗn hợp đ•ợc tạo từ trầm tích sông biển bậc II thuộc tầng TT 3 (maQ1 vp) có độ cao 8 - 12 m tuổi Pleistoxen muội. Các bề mặt tích tụ s•ờn tích, tích tụ Karstơ phân bố ở đảo Cát Bà, Thuỷ Nguyên. 2.2.2. Nhóm các bề mặt nguồn gốc bóc mòn xâm thực. Bao gồm các bề mặt s•ờn (s•ờn rửa trôi, s•ờn xâm thực, s•ờn karrstơ và các bề mặt san bằng mức cao 100 - 150, 200 - 400m. Các s•ờn rửa trôi, xâm thực, bề mặt san bằng mức cao 200 - 400 tồn tại d•ời dạng các mảng địa hình sót trên đỉnh núi khu vực đảo Cát Bà, bề mặt san bằng mức 100 - 150m tồn tại d•ới dạng bề mặt phẳng, các cổng trời, hang treo trên đỉnh các núi sót Đồ Sơn, Phủ Liễn, Núi Voi, Núi Đèo, các đỉnh núi của các dải núi phía Bắc, các bề mặt mức 200 - 400m xác định tuổi Plioxen muội (N2) còn bề mặt mức 100 - 150 có tuổi pleistocen sớm (Q1). 2.3. Các thành tạo đất đá trong cấu trúc nền đất yếu và đặc tính địa chất công trình của chúng. Trên cơ sở đặc tr•ng về nguồn gốc và tuổi (thời gian thành tạo) các trầm tích, địa tầng trong khu vực nghiên cứu đ•ợc chia thành 6 phức hệ địa tầng. 15
  15. Từ các phức hệ chia tầng cùng nguồn gốc, dựa vào đặc điểm về thành phần và trạng thái chính của đất để chia các lớp có đặc tính địa chất công trình và khả năng xây dựng riêng. 2.3.1. Các trầm tích Holocen và tích chất cơ lý 1. Phức hệ địa tầng nguồn gốc nhân sinh tuổi Holocen (anQ2) Phức hệ dầy 0,5 - 1,5 - 2m gồm cát, sét pha, sét lẫn các phế liệu xây dựng và sinh hoạt. Vì thành phần hỗn tạp, không đồng nhất, phải loại bỏ hoặc xử lý khi xây dựng công trình. 2. Trầm tích tuổi Holocen sớm - giữa hệ tầng Thái Bình phần giữa, nguồn gốc sông 3 (aQ2 tb2) Trầm tích này phân bố chủ yếu dọc theo các sông Văn úc, sông Thái Bình, Sông Hoá, Thành phần là cát pha, sét pha mầu nâu, đất có trạng thái chẩy, thuộc loại bùn sét, bùn sét pha với hệ số rỗng khoảng 1,02 - 1,43. Tính nén lún cao thể hiện là hệ số nén lún a = 0,078 - 0,026cm2/kg. 3. Trầm tích tuổi Holocen muộn, hệ tầng Thái Bình, phần trên, nguồn gốc sông - 3 đầm lầy (abQ2 tb2) Trầm tích phân bố với một diện tích không lớn ven theo các con sông nhỏ, th•ờng bị ngập n•ớc, chỉ khoảng 1 - 3m, thành phần chủ yếu là bùn sét, bùn sét chứa mùn xám đen, xám tro, chiều dầy nhỏ nên không lấy mẫu thí nghiệm tính chất cơ lý. 4. Trầm tích tuổi Holocen muộn hệ tầng Thánh Bình, phần trên, nguồn gốc sông 3 biển - đầm lầy (ambQ2 tb2). Thành phần bùn sét, bùn cát pha màu xám nâu, chứa mùn thực vật phân bố ở cửa sông Lạch Tray, Văn úc. Qua việc lấy mẫu nghiên cứu các đặc tính địa chất công trình cho thấy trạng thái đất thay đổi từ dẻo chẩy đến dẻo mềm, 2 thể hiện độ sệt có giá trị 0,54 - 1,4, sức chịu tải (Ro): 0,5 - 0,7 Kg/cm . Tiếp xuống d•ới thành phần chuyển sang sét pha, cát pha, sức chịu tải tăng lên (Ro) 1,7 - 1,8 Kg/cm2. 16
  16. 5. Trầm tích tuổi Holocen muộn hệ tầng Thái Bình, phần trên nguồn gốc biển 3 (mQ2 tb2). Phân bố thành dải hẹp từ Đồ Sơn đến cửa sông Văn úc, ven đảo Cát Bà, cửa sông Thái Bình. Bề dày trung bình 5m, trầm tích thuộc loại cát lẫn bụi màu xám (cát chiếm 50,4%, bụi 47,6%), trạng thái dẻo thể hiện độ sệt B = 0,65 .Tính nén lún thấp: sức chịu tải đạt đ•ợc 2,2 kg/cm2 . 6. Trầm tích tuổi Holocen muộn hệ tầng Thái Bình, phần d•ới nguồn gốc sông- 3 biển (amQ2 tb1) Trầm tích là sét pha, cát pha màu xám nâu, xám đen. Phân bố rộng khắp trên hầu hết diện tích các huyện Thuỷ Nguyên, An Hải, Tiên Lãng, Vĩnh Bảo và nội thành Hải Phòng. Bề dày trầm tích trung bình khoảng 17m. Trong một mặt cắt hoàn chỉnh, trầm tích có 3 tập từ d•ới lên nh• sau: - Tập 1: Cát pha sét trạng thái chảy, màu xám nâu trong đó hàm l•ợng cát và bụi chiếm •u thế, còn sét chỉ chiếm trung bình 9%. Tính nén lún trung 2 bình và sức chịu tải (R0): 1,6 kg/cm . - Tập 2: Sét pha, trạng thái dẻo mềm đến dẻo chẩy, tính nén lún trung 2 bình, sức chịu tải quy •ớc R0 nằm trong khoảng 1,3 - 1,4 kg/cm . - Tập 3: Bùn sét, bùn sét pha, hệ số rỗng (eo): 1,1 - 1,4. Trạng thái chẩy 2 2 Tính nén lún cao: 0,06 - 0,09cm /kg. Sức chịu tải nhỏ R0 chỉ đạt 0,45 kg/cm 7. Trầm tích tuổi Holocen muộn hệ tầng Thái Bình, phần d•ới nguồn gốc biển 3 (mQ2 tb1) Thành phần chủ yếu là cát, cát pha màu vàng, vàng nâu, xám nâu, hạt nhỏ đền vừa lẫn vỏ sò ốc biển. Trầm tích này phân bố thành giải hẹp song song với bờ biển hiện tại, do chiều dày trầm tích mỏng trung bình 2,6m nên không lấy mẫu xác định tính chất cơ lý. 8. Trầm tích tuổi Halocen sớm - giữa, hệ tầng Hải H•ng, phần trên, nguồn gốc biển 1-2 (mQ2 hh2) Lộ ra trên diện tích khá rộng ở vùng An Hải, bắc Thuỷ Nguyên, ven rìa dẫy núi Phủ Liền, Núi Voi và gặp ở nhiều lỗ khoan khác, bề dày thay đổi 1 - 16,6m (trung bình 2 - 5m). Thành phần là sét, sét pha, cát pha. 17
  17. Theo chiều từ d•ới lên, trong mặt cắt đầy đủ trầm tích gồm 3 tập: - Tập 1: Cát pha, trạng thái dẻo, tính nén lún trung bình đến thấp và sực 2 chịu tải quy •ớc (R0) 1,6 kg/cm - Tập 2: Sét lẫn bụi, trạng thái dẻo chẩy, tính nén lún trung bình, sức chịu 2 tải (R0) khoảng 1,7kg/cm - Tập 3: Sét, trạng thái dẻo mềm, hệ số nén lún trung bình, sức chịu tải khoảng 2kg/ cm2. 9. Trầm tích tuổi Holocen sớm - giữa hệ số tầng Hải H•ng, phần d•ới, nguồn gốc 1-2 biển - đầm lầy (mbQ2 hh1). Trầm tích này không lộ ra trên mặt chỉ gặp trong các lỗ khoan vùng nội thành và các nơi khác, chiều dầy trầm tích lớn nhất đạt 24m. Thành phần là cát bùn, bùn cát chứa hữu cơ, tính dẻo thấp, trạng thái dẻo chẩy, các tính chất cơ lý cho thấy đất có độ rỗng lớn, tính nén lún cao và khả năng chịu tải thấp, 2 sức chịu tải quy •ớc lớn (R0) trung bình chỉ đạt 0,5 kg/cm 2.3.2. Trầm tích Pleistocen và tích chất cơ lý. Trong khu v•c nghiên cứu các thành tao có tuổi Pleistocen th•ờng phân bố d•ới sâu gặp ở độ sâu từ 30 đến 45 m nên chỉ ảnh h•ởng đến các công trình có tải trong lớn, các công trình xây dựng có giải pháp móng đặt sâu nh• móng cọc vv, còn các công trình có tải trong vừa và phân bố trên pham vi rộng nh• nền đ•ờng, bãi cảng thì phạm vi ảnh h•ởng của các trầm tích này ít hơn. Do vậy trong pham vi nghiên cứu của luân văn không đề cập nhiều tới các trầm tích này và chỉ nêu sơ bộ trên cơ sở những kết quả nghiên cứu của đề tài điều tra địa chất công trình khu vực Hải Phòng năm 1993. 1. Trầm tích Pleistocen muộn, hệ tầng Vĩnh Phúc, phần trên, nguồn gốc sông biển 2 (maQ1 vp2). Gặp trong hầu hết các lỗ khoan mà còn lộ ra trên mặt ở ven rìa các đồi núi thấp ở vùng bắc Thuỷ Nguyên, bề dầy từ 3 - 5m. Thành phần là sét pha, sét màu xám, xám vàng loang lổ, vàng đỏ. Bề mặt phong hoá của hệ tầng là ranh giới giữa các phức hệ thạch học tuổi Pleistocen muộn và Holocen. Theo chiều từ d•ới lên mặt cắt trầm tích gồm 2 tập: 18
  18. - Tập 1: Sét pha, tính dẻo thấp, trạng thái dẻo chẩy đền dẻo mềm.Tính 2 nén lún thấp đến trung bình, sức chịu tải (R0) trong khoảng 1,9 - 2,2kg/cm - Tập 2: Bùn sét pha, tính dẻo thấp, trạng thái chẩy, tính nén lún trung bình, sức chịu tải thấp, chỉ đạt 0,6kg/cm2 2. Trầm tích Pleistocen muộn, hệ tầng Vĩnh Phúc, phần d•ới, nguồn gốc sông biển 2 (maQ1 vp2). 2 Trầm tích Pleistocen muộn, hệ tầng Vĩnh Phúc, phần d•ới (amQ1 vp2) trầm tích không lộ ra ở trên mặt mà nằm d•ới sâu phủ tục tiếp lên trầm tích 1 của hệ tầng Hà Nội (amQ1 ). Thành phần cát lẫn sỏi, sạn bụi sét ít tàn tích thực vật, màu xám, xám vàng, chiều dầy mỏng 4 - 6cm, nên không có mẫu thí nghiệm tính chất cơ lý. 1 3. Trầm tích tuổi Pleistocen giữa đầu Pleistocen muộn, hệ tầng Hà Nội (amQ1 hn). Thành phần cát pha, sét pha, màu xám, xám đen, có chiều dầy không lớn, nhỏ hơn 10m nằm sâu nên không lấu mẫu thí nghiệm cơ lý. 4. Trầm tích tuổi Pleistocen giữa - đầu Pleistocen muộn, hệ tầng Hà Nội d•ới 1 (aQ1 hn) Thành phần chủ yếu tạo bởi các trầm tích hạt thô nh• cuội, sạn, sỏi, cát hạt thô, trong khu vực nghiên cứu các trầm tích này không lộ trên mặt chỉ gặp ở những lỗ khoan sâu địa chất thuỷ văn nên không có mẫu thí nghiệm tính chất cơ lý. 5. Trầm tích tuổi Plenstocen sớm, hệ tầng Lệ Chi nguồn gốc sông biển (amQ1lc) Thành phần cát lẫn sỏi cuội, cát pha, sét pha nằm ở sâu d•ới hệ tầng Hà Nội nên không có mẫu thí nghiệm cơ lý đất. Vấn đề cần chú ý đối với xây dựng là hiện t•ợng ngập úng kéo dài và mực n•ớc ngầm thay đổi theo thuỷ triều là một trong những động lực gây tác động huỷ hoại nền móng của công trình xây dựng trên địa bàn thành phố Hải Phòng. 19
  19. Bảng 2.1. Bảng tính chất cơ lý của các trầm tích Holocen Các phụ hệ tầng trầm tích Halocen và loại đất Ký TT Chỉ tiêu Đơn vị hiệu Sét pha Sét Bùn sét Sét pha 1 2 1 2 3 3 (mbQ2 hh1) (mQ2 hh2) (amQ2 tb1) (amb Q 2 tb2) Thành 1 phần Cát % 26,79 16,62 13,2 19,3 hạt 2 Bụi % 50,4 49,65 52,2 56,3 3 Sét % 22,8 33,73 34,6 24,4 4 Độ ẩm tự nhiên W % 43,65 33,73 50,7 39 5 Khối l•ợng thể tích g/cm3 1,74 1,85 1,65 1,8 3 6 Khối l•ợng thể tích khô C g/cm 1,22 1,38 1,0 1,3 7 Khối l•ợng riêng g/cm3 2,7 2,7 2,69 2,69 8 Hệ số rỗng e 0,09 0,95 1,5 0,95 9 Độ lỗ rỗng n % 52,3 48,8 59 54,6 10 Độ bão hoà G % 92,5 95,0 95 92 11 Giới hạn chẩy WL % 34,6 40,4 44,3 35 12 Giới hạn dẻo WP % 22,1 22,0 25 20 13 Chỉ số dẻo IP % 12,4 18,4 19,7 14,4 14 Độ sệt B 1,8 0,64 1,3 1,3 15 Lực dính kết c Kg/cm2 0,054 0,13 0,059 0,06 16 Góc ma sát trong độ 90 90 3 8 2 17 Hệ số nén lún a1-2 cm /Kg 0,09 0,073 0,09 0,057 2 18 Sức chịu tải R0 Kg/cm 0,5 2,0 0,4 0,6 20
  20. 2.4. Điều kiện địa chất thuỷ văn ở Hải Phòng n•ớc chứa trong các tầng ch•a n•ớc lỗ hổng, tầng chứa n•ớc khe nứt, khe nứt karst, khe nứt vỉa. 2.4.1. Các tầng chứa n•ớc lỗ hổng 1. Tầng chứa n•ớc Holoxen trên (qh2) Các trầm tích này phân bố hầu hết vùng nghiên cứu nh•ng chủ yếu tập trung trên các đồng ruộng, ven bờ biển, ven các cửa sông. Bề dày thay đổi từ vai ba mét đến hàng chục mét. Thành phần đất đá chứa trong n•ớc chủ yếu là cát, cát sét. Độ chứa n•ớc phần lớn là nghèo, tỷ l•u l•ợng q < 0,21l/sm, không có ý nghĩa cung cấp n•ớc. Chất l•ợng n•ớc không tốt, M th•ờng < 0,5g/l. Loại hình hoá học chủ yếu lad Clorua - bicarbonat, hàm l•ợng Fe cao. Mực n•ớc chủ yếu thay đổi theo mùa và thuỷ triều. Nguồn cung cấp chủ yếu là n•ớc m•a, n•ớc mặt. 2. Tầng chứa n•ớc Holoxen d•ới (qh1) Tầng chứa n•ớc này chỉ phát hiện đ•ợc ở các công trình khai đào. Diện phân bố khá rộng rãi trong khu vực, chiều dầy tầng chứa n•ớc thay đổi từ vài ba mét đến vài chục mét, trung bình là 13m. Đất chủ yếu là cát, cát sét màu xám xanh. Độ giầu của n•ớc thuộc loại trung bình nghèo, n•ớc ở đây bị nhiễm mặn, độ tổng khoáng hoá thay đổi từ 1,2g/l đến 7,3g/l, hàm l•ợng Fe khá cao, đa phần từ 7mg/l đến 25,4 mg/l. Loại hình hoá học chủ yếu của n•ớc là Clorua - Natri. Động thái của n•ớc phụ thuộc vào thuỷ chiều và mùa. Nguồn cung cấp là n•ớc mặt và n•ớc m•a. 3. Tầng chứa n•ớc Pleistoxen. Có mặt hầu hết diện tích đồng bằng vùng nghiên cứu. Chiều dày tầng chứa n•ớc thay đổi từ 5m đến 50m, trung bình 35m. Thành phần đất đá chức n•ớc chủ yếu là cuội sỏi lẫn cát và dăm sạn. Đặc tính chứa n•ớc biến đổi từ rất giầu đến nghèo tuỳ theo khu vực. Tỷ l•u l•ợng từ 0,16 đến 6,08 l/sm. 21
  21. Khu vực đồng bằng sông Cấm có độ giầu n•ớc từ giầu đến nghèo tử l•u l•ợng q = 0,04 -> 1,041 l/sm Khu vực trung tâm (nam sông Cấm - bắc sông Văn úc) có độ giàu n•ớc từ giầu đến nghèo, tỷ l•u l•ợng q = 0,16 đến 6,08l/sm. Khu vực phía nam sông Văn úc có độ giầu n•ớc từ rất giầu đến trung bình, tỷ l•u l•ợng q = 0,84 - 3,4l/sm chất l•ợng trong trầm tích pleitocen có đặc điểm sau: Khu vực phía bắc sông Cấm n•ớc lợ chuyển sang mặn với tổng độ khoáng hoá M = 3,08 - 9,07g/l. Càng về bắc giáp Núi Đèo càng mặn. Khu vực trung tâm (nam sông Cấm - bắc sông Văn úc) ngoài hai khu Kiến An - An Hải đến Hải Phòng - Kiến Thuỵ - Đồ Sơn n•ớc d•ới đất có chát l•ợng tốt. N•ớc từ siêu nhạt đến hạt. Tổng độ khoáng hoá M hầu hết < 1g/l, th•ờng gặp M = 0,2 đến 0,6 g/l hàm l•ợng Fe 1 - 5mg/l, trung bình 3mg/l; còn lại các nơi khác đều bị mặn với tổng độ khoáng hoá M = 1,2 - 8g/l, đa phần 4 - 5g/l. Động thái n•ớc thay đổi theo mùa, biên độ dao động từ +0,5 - 3m. Nguồn cung cấp chủ yếu là n•ớc m•a, miền thoát địa ph•ơng qua các sông lớn trong vùng. 4. Các tầng chứa n•ớc khe nứt, khe nứt karst a. Tầng chứa n•ớc Plioxen Trầm tích Plioxen phân bố từ dẫy núi Kiến An về nam dãy núi Kiến Thuỵ về phía Thái Bình chiều dày tầng chứa n•ớc thay đổi từ vài chục mét đến hàng trăm mét. Đất đá chủ yếu là cát kết cuội gắn kết yếu. Đây là tầng chứa n•ớc thuộc loại n•ớc giầu n•ớc. N•ớc đều thuộc loại n•ớc mặn M = 1,6 đến 4,9g/l. Loại hình hoá học của n•ớc là Clorua - Natri - Kali. Động thái của n•ớc thay đổi theo mùa, đây là tầng chứa n•ớc áp lực, mực n•ớc đều cao hơn mặt đất 0,3 - 0,4m. b. Tầng chứa n•ớc khe nứt - khe nứt karst Tầng chứa n•ớc này lộ ra ở bắc Thuỷ Nguyên, Kiến An và Đồ Sơn, ngoài đảo Cát bà là chủ yếu. Còn lại bị các trầm tích trẻ hơn phủ kín. Chiều dày của tầng thay đổi từ vài chục đến hàng trăm mét. Thành phần đất đá chủ yếu là đá vôi và đá vôi silic xen kẹp sét vôi. 22
  22. Độ giầu n•ớc từ rất giầu đến nghèo theo từng khu vực khác nhau. Tỷ l•u l•ợng thay đổi theo vùng, q từ 0,06 đến 5,4l/sm. Chất l•ợng n•ớc cũng thay đổi: ở núi Mi Sơn M = 0,78g/l, Kiến An M < 1g/l; ở Tràng Kênh thì n•ớc lại bị nhiễm mặn M = 7,65g/l. N•ớc thuộc loai bị bicacbonat - Clurua - Canxi. Động thái của n•ớc cũng thay đổi theo mùa. Nguồn cung cấp chủ yếu là n•ớc m•a và các tầng chứa n•ớc nằm trên. c. Tầng chứa n•ớc khe nứt - khe nứt vỉa Các trầm tích này phân bố ở núi Đèo, Thuỷ Nguyên, Kiến An và toàn bộ các dẫy núi Đồ Sơn. Chiều dày của tầng chứa n•ớc thay đổi từ vài chục đến hàng trăm mét. Đất đá chủ yếu là cát kết dạng quaczit, sạn kết, xen kẹp các lớp sét kết. Độ chứa n•ớc của tầng này thay đổi từ giầu đến nghèo q = 0,02 đến 1,8l/sm. Chất l•ợng n•ớc khá tốt đa phần M < 1g/l. N•ớc th•ờng có kiểu bicabonat - Clurua - Canxi - Natri - Kali. Động thái của n•ớc phụ thuộc theo mùa, nguồn cung cấp chủ yếu là n•ớc m•a và n•ớc của các tầng chứa n•ớc nằm trên. 2.4.2. Các thực thể địa chất cách n•ớc 3 1. Các trầm tích cách n•ớc thuộc tầng Thái Bình (QIV ) và Hải H•ng 1 - 2 (Q2 hh2) Các trầm tích này lộ trên một diện tích khá rộng ở An Hải, bắc Thuỷ Nguyên, ven rìa dãy núi An Lão - Kiến An, một phần ở khu vực Tiên Lãng, Chùa Vẽ. Phần còn lại bị trầm tích trẻ hơn phủ kín. Thành phần đất đá chủ yếu là sét, sét bột, bột sét, sét cát lẫn mùn thực vật. Chiều dày thay đổi từ vài ba mét đến vài chục mét, trung bình 15m. Khả năng chứa n•ớc kém q thay đổi từ 0,025 đến 0,047l/sm. 2 2. Trầm tích cách n•ớc Pleistoxen trên (Q1 vp2) 23
  23. Trầm tích này phân bố hầu hết vùng nghiên cứu. Chúng chỉ lộ ra ở rìa các dãy núi thấp theo khu bắc Thuỷ Nguyên và thung lũng gia luận đảo Cát Bà, còn lại bị các trầm tích trẻ hơn phủ kín. Thành phần đất đá chủ yếu là sét, sét bột, sét pha cát, màu xám vàng, xám trắng loang lổ chiều dày thay đổi từ 0,5 đến 20m. Khả năng chứa n•ớc kém (coi là trầm tích cách n•ớc) với q 3mg/l. Ăn mòn rửa lũa HCO3 > 2mg đl/l. 2- Ăn mòn sunfat SO4 > 250 mg/l. Qua kết quả phân tích mẫu n•ớc do Liên đoàn địa chất II thực hiện tại tầng chứa lỗ hổng tuổi Holoxen cho thấy n•ớc không thể ăn mòn axit nh•ng có khả năng ăn mòn cacbonic, rửa lũa. Cho nên trong quá trình thi công và thiết kế xử lý nền móng của công trình xây dựng bằng vật liệu, bê tông cốt thép cần chú ý đến đặc tính ăn mòn của n•ớc. 2.5. Các quá trình và hiện t•ợng địa chất động lực 2.5.1. Quá trình và hiện t•ợng liên quan đến hoạt động nội lực 1. Nứt đất Nứt đất ở Hải Phòng đ•ợc sinh thành liên quan chặt chẽ với hoạt động của các hệ đứt gãy kiến tạo trẻ của vùng. Chúng tập trung thành các dải, phát triển dọc theo các hệ thống đứt gãy kiến tạo hoạt động mạnh mẽ trong giai đoạn tân kiến tạo và kiến tạo hiện đại, đặc biệt là các nút giao l•u của các hệ thống, đứt gãy theo các ph•ơng khác nhau. Các điểm nứt đất phát hiện tại các vùng Thuỷ Nguyên, Hoàng Tân, Quang Yên, rìa bắc địa phận Hải Phòng, Cát Hải, bắc Đồ Sơn, phía đông nam Vĩnh Bảo phản ánh rất rõ hiện t•ợng nói trên. ở Cát Hải nứt đất kết hợp với hoạt động sụt lún trong giai đoạn hiện đại đã gây nên hiện t•ợng xói lở bờ biển phía nam của đảo. 24
  24. Do diện tích Hải Phòng hầu nh• bị phủ bởi các trầm tích nên nứt đất ở đây bộc lộ không rõ ra trên mặt mà có khả năng phát triển nứt ngầm. 2. Động đất Đây là hậu quả của các biểu hiện vận động hiện đại của vỏ trái đất, gắn liền với các đới đứt gãy kiến tạo trẻ. Hải Phòng gần đới đứt gãy Sông Hồng, Sông Chảy, Sông Lô, đứt gãy Đông Triều, Mạo Khê Quang Ninh. Theo tài liệu quan trắc ở các trạm trên lãnh thổ Việt Nam và tài liệu lịch sử ở Hải Phòng, Hà Nội và các vùng lân cận đã ghi đ•ợc trên 150 trận động đất, có 2 trân cấp từ 7 đến 8;3 trận cấp 7;40 trận cấp 6 và chủ yếu là nhỏ hơn cấp 6. 2.5.2. Các tai biến liên quan đến hoạt động ngoại lực 1.Hoạt động của dòng chảy Hoạt động này gây ra các hiện t•ợng xói lở bờ của các dòng sông, xói mòn bề mặt, hiện t•ợng m•ơng xói mòn trong khu vực nghiên cứu hoạt động của dòng chẩy ra xói mòn lở bờ của sông nh• cửa Luộc, Văn úc, sông Thái Bình. Hiện t•ợng sói mòn bề mặt phát triển chủ yếu ở địa hình đồi núi sót ở bắc Thuỷ Nguyên, vùng Kiến An, Đồ Sơn trên nền đá lục nguyên. Hoạt động của các quá trình xâm thực bóc mói tạo ra các khe rãnh, suối nhỏ, tác động trên các địa hình này là đã làm cuốn trôi các sản phẩm phong hoá từ trên xuống tạo cho đất trở nên cằn cỗi. Hiện t•ợng m•ơng xói phát triển ở núi Đèo, núi D•ỡng Động theo cơ chế xâm thực giật lùi diễn ra mạnh mẽ ở các s•ờn đồi có độ dốc > 200. Hậu quả là làm cho s•ờn núi chia cắt các lớp đất bề mặt bị cuốn dần, đá gốc lộ ra. 2. Hoạt động phá hoại bờ biển Hoạt động của thủy triều kết hợp với những tác động của sóng, của dòng chảy ven bờ đã gây ra các hiện t•ợng xói ở lở bờ biển, hiện t•ợng bồi tụ. Bờ biển Hải Phòng có thể chia làm hai bộ phận xói lở, hiện t•ợng bồi tụ khác nhau: Phần bắc bán đảo Đồ Sơn là vùng bờ biển đang diễn ra các quá trình hoạt động xói lở, di chuyển vật liệu ven bờ, bồi tụ, gây ra những biến động đ•ờng 25
  25. bờ khá mạnh mẽ. Các phần bờ bị lở mạnh điển hình có thể kể đến bờ nam đảo Cát Hải, đảo Đình Vũ. Bên cạnh đó, tại một số nơi các bãi triều vẫn tiếp tục đ•ợc bồi tụ nh• từ cửa Lạch Tray đến cửa Nam Triệu. Phần cửa nam bán đảo Đồ Sơn t•ơng đối ổn định hơn với xu thế chung là lục địa lấn dần ra biển, tốc độ bồi tụ từ 30 m/ năm đến 40 m/năm. 3. Hiện t•ợng ngập úng. Khi mực n•ớc triều dâng cao từ 0,1 đến 2m làm ngập các địa hình thấp (trũng ven biển). N•ớc triều dâng cũng đồng thời làm mực n•ớc ngầm dâng cao có khi dâng cao cách mặt đất từ 0,1m đến 0,3m. Sự dâng cao của thuỷ triều, n•ớc ngầm, cùng với thời điểm m•a to kéo dài đã gây ngập úng nhiều vùng thuộc khu vực. Các vị trí th•ờng bị ngập úng nh• các phố Cầu Đất, Lạch Tray, Lê Lợi, Trần Nguyên Hãn. Nhiều nơi ngập sâu từ 0,8 đến 1m. 4. Hiện t•ợng tr•ợt lở ở Hải Phòng các hiện t•ợng tr•ợt lở mang tính chất tai biến hoặc tai biến tiềm ẩn tập trung ở phía Bắc Thuỷ Nguyên, phía Nam núi Đèo, tại các s•ờn núi Xuân Sơn, Kiến An. Nguyên nhân của hiện t•ợng: Ngoài nguyên nhân kiến tạo liên quan đến hoạt động của các đứt ngẫy kiến tạo trẻ, phải kể đến hoạt động phá rừng của con ng•ời. Hoạt động của con ng•ời đã góp phần thúc đẩy tính tích cực của quá trình tr•ợt lở khu vực. 5. Hoạt động Karstơ Trên các địa phận thuộc khu vực nghiên cứu, hoạt động Karstơ tập trung chủ yếu ở đảo Cát Bà, rải rác ở một số khối đá nhỏ có biểu hiện Karstơ ở phía bắc Thuỷ Nguyên, các quá trình hoạt động Karsơ mặt đã tạo nên các địa hình Karsơ nh• địa hình tai mèo, địa hình Karstơ tạo rãnh, luống, phiễu Karstơ, giếng phiễu Karstơ, các s•ờn địa hình phiễu Karsơ th•ờng dốc trên 500. Các quá trình phiễu Karstơ ngầm tạo nên hệ thống các hang động ở những độ cao khác nhau. Các tai biến do quá trình hoạt động Karstơ gây ra không phải lúc nào cũng xuất hiện mà các quá trình hoạt động này th•ờng tạo những tai biến 26
  26. mang tính tiềm ẩn, gặp các hoàn cảnh thuận lợi sẽ xẩy ra bất ngờ. Vì vậy cần l•u ý khi xây dựng các công trình trên vùng này. 6. Hiện t•ợng phong hoá Vỏ phong hoá ở vùng gò đồi thành phố Hải Phòng khá phát triển, chúng phân bố ở vùng Đồ Sơn, Kiến An, Kiến Thụy và Bắc Thuỷ Nguyên. Quá trình phong hoá trong điều kiện khí hậu nhiệt đới ẩm đã tạo cho vùng gò đồi có vỏ phong hoá dầy, đa dạng về thành phần vật chất và cấu tạo mặt cắt. Đá gốc thành tạo ở vùng Hải Phòng chủ yếu là đá trầm tích lục nguyên thuộc các hệ tầng Xuân Sơn (S2 - D1xs), D•ỡng Động (D1-2dđ) và Đồ Sơn (D3đs). Quá trình phong hoá hoá học theo cơ chế tàn d• và thấm đọng đã biến đổi các đá trầm tích thành các sản phẩm dạng sét. ở s•ờn dốc phía tây dải Đồ Sơn vùng núi đèo và núi D•ỡng Động, quá trình phong hoá vật lý chiếm •u thế. Tại đây đã tạo vỏ phong hoá Saprolit với việc đá gốc mới chớm bị phong hoá dở dang. ở những nơi thực vật kém phát triển, đá gốc trơ ra ở s•ờn núi dốc. ở miền núi thoải hơn hoặc đ•ợc chia n•ớc thoải ở vùng Đồ Sơn, Kiến An và bắc Thuỷ Nguyên gặp hiện t•ợng sét hoá ở khe nứt và mặt phân lớp của đá bột kết, sét kết. ở những chỗ nh• vậy tạo nên vỏ phong hoá sialit sắt với chiều dày 2 - 2,5m. Diện tích còn lại ở vùng gò đồi, núi thấp Hải Phòng là vỏ phong hoá ferosialit chúng phân bố chủ yếu ở chân núi, s•ờn núi tại vùng Đồ Sơn, Kiến An và bắc Thuỷ Nguyên. Chiều dày của vỏ này thay đổi từ 1,8 - 3,5m. Đất phát triển trên kiểu vỏ này có chứa các nguyên tố vi l•ợng NPK, chất mùn, thuận lợi cho việc trồng các loại cây ăn quả, chè, dứa. 2.6. Phân loại cấu trúc nền đất yếu khu vực thành phố Hải Phòng Khả năng xây dựng của đất yếu không chỉ phụ thuộc vào thành phần và tính chất của bản thân đất yếu, mà còn phụ thuộc nhiều vào điều kiện tồn tại của chúng trong cấu trúc nền và môi tr•ờng địa chất. Do vậy muốn đánh giá 27
  27. đ•ợc đúng khả năng xây dựng của đất yếu trong điều kiện tự nhiên, cần phải nghiên cứu đầy đủ các đặc điểm cấu trúc của nền đất. Thuật ngữ cấu trúc nền đ•ợc hiểu là phần t•ơng tác giữa công trình và môi tr•ờng địa chất, đ•ợc xác định bởi quy luật phân bố trong không gian, khả năng biến đổi theo thời gian của các thành tạo đất đá có tính chất địa chất công trình đ•ợc xác định diễn ra trong vùng ảnh h•ởng của công trình. Nh• vậy cấu trúc nền đất yếu là cấu trúc nền có sự tham gia trực tiếp của các thành tạo đất yếu, đất yếu đóng vai trò trung tâm và có ý nghĩa quyết định đặc tính và khả năng xây dựng của cấu trúc nền. Với quan điểm đó trong khu vực nghiên cứu cấu trúc nền đ•ợc tạo bởi các lớp đất thuộc trầm tích của các hệ tầng có tuổi Holocen là chính nh• hệ tầng Hải H•ng, hệ tầng Thái Bình. Dựa vào sự có mặt của các phức hệ địa tầng nguồn gốc đất yếu trong cấu trúc nền. Dựa vào đặc điểm bất đồng nhất của các yếu tố về bề dầy, sự đồng nhất, không đồng nhất để chia thành các kiếu, dạng khác nhau. Trong quá trình nghiên cứu tác giả đã dựa vào các đặc điểm về sự có mặt hay không có mặt các trầm tích có nguồn gốc khác của hệ tầng Hải H•ng và hệ tầng Thái Bình để phân thành các kiểu và phụ kiểu. Tiếp theo đó việc phân chia các dạng là trên cơ sở đặc điểm về bề dày của các trầm tích có nguồn gốc sông, sông biển, sông đầm lầy, biển đầm lầy của hệ tầng Thái Bình, cụ thể việc phân chia nh• sau: - Kiểu I: Đất yếu trong cấu trúc nền có mặt phức hệ địa tầng nguồn gốc, 1-2 biển đầm lầy tuổi Holocen sớm - giữa, hệ tầng Hải H•ng, phần d•ới (bm Q 2 hh1) 1-2 và không có mặt các trầm tích biển của hệ tầng Hải H•ng trên (m Q 2hh2). Thành phần đất đá lá sét , sét pha, sức chịu tải thấp, điều kiện địa chất công trình phức tạp. ở kiểu I, dựa vào sự có mặt của các trầm tích có nguồn gốc 3 3 sông biển, sông biển đầm lầy của hệ tầng Thái Bình (am Q 2tb1, amb Q 2tb2,) để chia thành hai phụ kiểu a và b. 28
  28. + Phụ kiểu a: Có mặt các trầm tích nguồn gốc sông biển của hệ tầng 3 Thái Bình (am Q 2 tb1), phụ kiểu a th•ờng tạo bởi các trầm tích có bề dày lớn hơn 10m xếp vào dạng 2. + Phụ kiểu b: Có mặt các trầm tích nguồn gốc sông biển đầm lầy của hệ 3 tầng Thái Bình (amb Q 2tb2,), phụ kiểu b đ•ợc tạo bởi các trầm tích có bề dày lớn hơn 10m thuộc vào dạng 3, còn bề dầy trầm tích từ 5 –10m xếp vào dạng 2, và bề dầy trầm tích nhỏ hơn 10m xếp vào dạng 1. - Kiểu II: Đất yếu trong cấu trúc nền kiểu này có mặt phức hệ địa tầng nguồn gốc biển, tuổi Holocen sớm – giữa hệ tầng Hải H•ng, phần trên (m Q1- 2 2 hh2) và không có mặt các trầm tích nguồn gốc biển - đầm lầy hệ tầng Hải 1-2 H•ng d•ới (bm Q 2 hh1), kiểu II chia thành hai phụ kiểu a và b. + Phụ kiểu a: Trong cấu trúc địa tầng có mặt các trầm tích nguồn gốc 3 sông biển tuổi Holocen muộn hệ tầng thái bình phần d•ới (am Q 2 tb1). + Phụ kiểu b: Trong cấu trúc địa tầng có mặt các trầm tích nguông gốc 3 sông biển đầm lầy và trầm tích sông biển của hệ tầng Thái Bình (amb Q 2tb2) Những nơi bề dầy trầm tích nhỏ hơn 5m xếp vào dạng 1, những nơi mà bề dầy trầm tích từ 5 – 10 xếp vào dạng 2, bề dầy lớn hơn 10 xếp vào dạng 3. - Kiểu III: Đất yếu trong cấu trúc nền có mặt đầy đủ trầm tích nguồn 1-2 gốc biển và nguồn gốc biển đầm lầy tuổi Holocen hệ tầng Hải H•ng, (bm Q 2 1-2 hh1, m Q 2 hh2). Thành phần gồm sét, sét pha trạng thái chẩy . ở kiểu III dựa vào sự có mặt của các trầm tích có nguồn gốc khác nhau của hệ tầng Thái Bình để chia thành hai phụ kiểu a và b và cũng trên đặc điểm bề dầy trầm tích ta chia ra 3 dang (dạng 1, dạng 2, dạng 3). Tính chất cơ lý của các trầm tích trong cấu trúc nền thể hiện bảng 2.1 và phân bố theo sơ đồ hình 2.3. 2.7. Kết luận. Qua việc phân loại trên ta thấy trong khu vực nghiên cứu tồn tại ba kiểu, 2 phụ kiểu và ba dạng nền. Sự tổ hợp của các kiểu, phụ kiểu và dạng nền cho ta 10 dạng cấu trúc nền khác nhau, nh•ng trong đó cần chú ý nhất là 3 dạng 29
  29. cấu trúc nền nh• hình 2.3 đây là các dạng phổ biến nhất trong khu vực nghiên cứu. 0m 0m 0m Sét pha, mầu xám, 1 xám nâu, xám đen. 3 (ambQ 2 tb2) 2,5m Bùn sét pha, mầu xám, Bùn sét pha, mầu xám, Bùn sét pha, mầu xám, 3 2 (amQ tb1) 2 3 2 (amQ2 tb1) 2 3 (amQ tb1) 2 7,5m 8m 11m Sét pha, mầu xám, Sét pha, mầu xám, 4 xám nâu, xám đen. xám nâu, xám đen. Sét pha, mầu xám, 1-2 4 (bmQ hh1) 1-2 3 xám nâu, xám vàng. 2 (bmQ2 hh1) 1-2 (mQ 2 hh2) 18m 20m 17m Cấu trúc Dạng III Cấu trúc Dạng I Cấu trúc Dạng II Hình 2.4. Các cấu trúc nền tiêu biểu trong khu vực nghiên cứu Phạm vi áp dụng các giải pháp gia cố không những phụ thuộc vào quy mô công trình, tải trọng mà còn phụ thuộc đặc điểm của cấu trúc nền đất yếu. Qua công tác xây dựng thực tế tại khu vực Hải Phòng trong thời gian qua, sơ bộ có thể đúc kết ra bảng 2.2 về khả năng áp dụng các giải pháp khác nhau cho các loại đất yếu ở Hải Phòng, Với đặc tr•ng cấu trúc nền đất yếu ở khu vực Hải Phòng nh• đã chỉ ra ở bảng 2.1, tạo bởi các trầm tích sét, bùn sét có độ dẻo cao, tính thấm nhỏ thì việc cải tạo đất bằng gia cố (cọc cát đầm chặt), bằng vật liệu trộn, ph•ơng pháp trộn sâu và bằng thoát n•ớc (tiêu n•ớc thẳng đứng) là thích hợp. 30
  30. Bảng 2.2. Phạm vi ứng dụng ph•ơng pháp kỹ thuật cải tạo các loại đất yếu khác nhau ở khu vực Hải Phòng . Cơ chế cải tạo Tạo cốt Trộn hỗn hợp hay Đầm chặt Thoát (tiêu) bơm phụt vữa n•ớc Phụ thuộc vào Thời gian cải tạo T•ơng đối ngắn Lâu dài Lâu dài chất chôn vùi Đất hữu cơ 3 1-2 (amb Q 2tb2, bm Q 2 hh1) Đất sét có độ dẻo cao 3 3 (am Q 2 tb1, amb Q 2 tb2, 1-2 m Q 2 hh2) Đất sét có độ dẻo thấp 3 3 (am Q 2 tb1, amb Q 2 tb2, 1-2 m Q 2 hh2) 3 Đất bùn (am Q 2 tb1) 1-2 Đất cát (m Q 2 hh2,) Đất sạn - sỏi 3 3 (a Q 2 tb1, a Q 2tb2, 1-2 m Q 2 hh2) T•ơng tác Xi măng hoá Dung trọng tăng cao Trạng thái của đất giữa đất và chất do hệ số rỗng giảm đ•ợc cải tạo chôn vùi Không thay đổi Làm thay đổi trạng thái của đất trạng thái đất Trong phạm vi của nội dung luận văn thạc sỹ không có điều kiện đi sâu tìm hiểu nghiên cứu cụ thể các giải pháp gia cố trong điều kiện nền đất yếu ở khu vực Hải Phòng. Do vậy, tác giả chỉ tập trung vào nghiên cứu và đánh giá hiệu quả của việc áp dụng giải pháp cọc cát vừa có tác dụng thoát tiêu n•ớc kết hợp nén chặt trong việc gia cố nền đất yếu tại khu vực Hải Phòng. 31
  31. Ch•ơng 3 Một số khái niệm cơ bản về các bài toán cố kết thấm 3.1. Các khái niệm cơ bản về bài toán cố kết thấm Khi có một lớp đất chịu một ứng suất nén, giống nh• quá trình xây dựng công trình, sẽ xảy ra sự sắp xếp lai các hạt và ép n•ớc và không khí ra khỏi các lỗ rỗng của lớp đất đó. Theo Terzaghi (1943): "Giảm một l•ợng n•ớc của một loại đất bão hoà n•ớc mà không có khả năng thay thế nó bằng không khí, đ•ợc gọi là một quá trình cố kết". Để làm sáng tỏ quá trình trên ta xét một nền đất có cấu tạo địa chất nh• hình 3.1. MNN Cát Sét H t Cát Hình 3.1. Mô hình cố kết một chiều của nền đất Giả sử một tải trọng có giá trị tác dụng lên bề mặt của nền đất sét bão hòa n•ớc, d•ới tác dụng của tải trọng này thì áp lực n•ớc lỗ rỗng hình thành trong đất là U, còn ứng suất hữu hiệu là '. Ta có quan hệ = ' + U. Theo thời gian của tải trọng tác dụng ta xác định đ•ợc giá trị của áp lực n•ớc lỗ rỗng và ứng suất hữu hiệu nh• sau: Tại thời điểm t = 0 ta có U = còn vào thời điểm t > 0 có U < , khi t = , U = 0, theo sơ đồ hình 3.2. 32
  32. , , , U U U Độ tăng ứng Độ tăng ứng Độ tăng ứng suất trong lơp suất trong lơp suất trong lơp sét sét sét , t = 0 U t > 0 t = 0 Ht H t Ht Độ sâu Độ sâu Độ sâu a. b. c. Hình 3.2. Sơ đồ thay đổi áp lực n•ớc lỗ rỗng và ứng suất hữu hiệu trong lớp sét đ•ợc trình bày trong hình 3.1. do quá trình gia tải. Nh• vậy, một loại đất sét bão hoà n•ớc khi d•ới dạng tải trọng nén của công trình, thì áp lực n•ớc trong lỗ rỗng của nó lập tức tăng lên. Nh•ng do tính thấm của đất sét rất nhỏ, nên quá trình ép tách n•ớc ra khỏi các lỗ rỗng trong đất xảy ra chậm chạp và dẫn tới hiện t•ợng lún xảy ra kéo dài theo thời gian, để tăng tốc độ thoát n•ớc ra khỏi lỗ rỗng của đất sét và tăng nhanh quá trình cố kết của nền đất, nền đất đ•ợc nhanh ổn định, công trình sớm đ•ợc xây dựng và xây dựng một cách đ•ợc an toàn. Với mục đích nh• vậy các nhà khoa học kỹ thuật xây dựng trên thế giới và Việt Nam đã tìm ra lời giải cho các dạng bài toán về cố kết thấm của đất yếu loại sét từ đó làm cơ sở cho việc đề suất ph•ơng án tính toán thiết kế xây dựng công trình nh• bài toán cố kết của nền đất đồng nhất, nền đồng nhất phân lớp. 3.2. Lý thuyết cố kết thấm một chiều trong nền đất đồng nhất Lý thuyết về tốc độ cố kết một chiều theo thời gian lần đầu tiên đ•ợc Terzaghi đ•a ra năm 1925. D•ới đây là các giả thiết cơ bản cho bài toán cố kết của Terzaghi: - Lớp đất sét là đồng nhất. - Lớp đất sét bão hoà n•ớc. 33
  33. - Tính nén lún của lớp sét chỉ do sự thay đổi thể tích mà sự thay đổi này lại do ép tách n•ớc ra khỏi lỗ rỗng của đất. - Hoàn toán tuân theo định luật Darcy. - Biến dạng của đất chỉ xảy ra d•ới ph•ơng tác dụng của tải trọng. K - Hệ số cố kết (Cv ) là hằng số trong quá trình cố kết. wmv Từ các điều kiện biên trên đây và bằng lý thuyết, Terzaghi đã đ•a đ•ợc ph•ơng trình vi phân cơ bản sau: u K 2u 2u 2u 2 Cv 2 Cv 2 (3.1) t wmv z z z Lời giải của ph•ơng trình vi phân (2.1) có thể viết d•ới dạng chuỗi Fouruer: 4 m 1 (2m 1) T U(z.t) sin Z exp (2m 1)2 2 v (3.2) m 0 2m 1 2h 4 Trong đó: U (z,t) : là áp lực n•ớc lỗ rỗng tại độ sâu z vào thời gian t. K : là hệ số thấm n•ớc của đất. w: là trọng l•ợng đơn vị của n•ớc. av mv : là hệ số nén thể tích = ( ở đây; av là hế số nén lún của đất, e0 : 1 e0 là hệ số rỗng ban đầu của đất) 2 Tv = (Cv/ h ).t : là hệ số thời gian không thứ nguyên. h : là chiều dài phần thoát n•ớc. Mức độ cố kết trung bình của lớp đất sét thoát n•ớc cả hai phía (lên trên và xuống d•ới) đ•ợc viết d•ới dạng: m 2 2 U av 1 2 exp( M Tv ) (3.3) m 0 M Trong đó: M = (2m + 1) ; (với m là một số nguyên). 2 Các trị số Uav Theo Tv có thể tra bảng 3.1 hay tra trên đồ thị Uav= f(Tv) 34
  34. Bảng 3.1. Biến thiên của Tv theo Uav(lập trên cơ sở của ph•ơng trình 3.3) Uav,% Tv Uav,% Tv 0 0 60 0,287 10 0,008 65 0,342 20 0,031 70 0,403 30 0,071 75 0,478 35 0,096 80 0,567 40 0,126 85 0,684 45 0,159 90 0,848 50 0,197 95 1,127 55 0,238 100 3.3. Bài toán cố kết thấm trong nền đất không đồng nhất phân lớp Hiện nay, ch•a có khả năng đ•a ra đ•ợc lời giải đúng đắn cho cố kết trong nền đất không đồng nhất nhiều lớp, bởi lý do có một số giá trị về tính chất của đất (ví dụ nh•: hệ số thấm n•ớc (Ki), chiều dày của các lớp đất (hi), và hệ số cố kết (Cv)) luôn luôn thay đổi. D•ới đây, chúng ta xét bài toán cố kết thấm của nền đất hai lớp khác nhau nh• hình 3.3. Theo Scott (1963), từ ph•ơng trình (3.1) có thể viết: K u 2u . K. 2 (3.4) Cv t z 1 Cv1 Tham khảo hình 3.4 bằng lời giải sai phân hữu hạn và giả thiết: 2 tR zR Ta có: 1 K2 / K1 t 2K1 2K2 U 0.t t . . U 1,t U 3,t 2U 0,t U 0,t 2 1 (K2 / K1 )(Cv1 / Cv2 ) ( z) K1 K 2 K1 K2 (3.5) t Muốn ph•ơng trình (3.5) có nghiệm (hay hội tụ), thì 0,5 ( z)2 35
  35. z z 2 Lớp 1: z Cv1 , K 1 3 1 Lớp 2: Cv2 , K2 z 4 Hình 3.3. Sơ đồ giải bài toán cố kết cho nền hai lớp bằng ph•ơng pháp sai phân hữu hạn. 3.4. Bài toán cố kết thấm đối xứng trục ở các bài toán cố kết cơ bản đã xét ở trên cho thấy rằng quá trình cố kết không những phụ thuộc vào tải trọng công trình, thời gian tác dụng của tải trọng, hệ số thấm k, hệ số cố kết của đất nền mà còn phụ thuộc vào quan hệ giữa tầng đất sét yếu bão hòa và các tầng đất đá có tính thấm n•ớc mạnh trong cấu trúc địa tầng của nền chịu tải. Từ việc nghiên cứu bài toán cố kết một chiều của Terzaghi, nhiều nhà nghiên cứu đã phát triển lý thuyết này và mở rộng xây dựng nên bài toán cố kết thấm đối xứng trục và đã đúc kết thành lý thuyết làm cơ sở cho việc thiết kế một số giải pháp kỹ thuật xử lý nền đất yếu trong xây dựng. Nội dung của bài toán nh• sau: Để đẩy nhanh quá trình cố kết của nền đất sét yếu ta đ•a vào trong nền đất những trụ tròn tạo bởi những vật liệu có tính thấm cao nh• cát, sạn, sỏi Sau đó tác dụng tải trọng lên (tải trọng này có thể tạo ra do xây dựng công trình bên trên hoặc chất tải bằng các loại đất). D•ới tải trọng tác dụng trên mặt đất, áp lực n•ớc lỗ rỗng trong nền đất sét tăng lên và xẩy ra hiện t•ợng thoát n•ớc theo ph•ơng đứng và ph•ơng ngang nh• hình 3.4. Thoát n•ớc theo ph•ơng ngang xẩy ra bởi các trụ thoát 36
  36. n•ớc, do vậy quá trình tiêu tan áp lực n•ớc lỗ rỗng d• thừa bởi tác dụng của tải trọng ngoài và từ đó xuất hiện lún tăng lên. Để khảo sát bài toán trên ta tách ra trong nền đất sét yếu một trụ đơn vị gồm có trụ thoát n•ớc và phạm vi vùng ảnh h•ởng xung quanh nh• chỉ ra trên hình 3.5. Ph•ơng trình cân bằng thể tích của một phân tố đất (dx, dy, dz) đ•ợc viết trong hệ toạ độ Đề các với trục oz trùng với trục của tâm trụ tròn thoát n•ớc. Trong đó: Vx, Vy và Vz là các vận tốc thấm theo các ph•ơng x, y và z t•ơng ứng và chúng đ•ợc xác định: K x u Vx = . (3.7a) w x K y u Vy = . (3.7b) w y K z u Vz = . (3.7c) w z e u và [ a (P U)] a (3.7d) t t v t P Đệm cát Thoát nuớc ngang Sét yếu Sét yếu sét yếu sét yếu Thoát nứơc đứng Vùng đất Nền đất cát xáo trộn không thấm nứơc Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý cố kết thoát n•ớc đối xứng trục bằng cọc vật liệu rời (VLR). Sau khi thay các ph•ơng trình (3.7a) đến (3.7d) vào ph•ơng trình (3.6) ta có: 37
  37. 2 2 2 K x u K y u K z u av u . 2 . 2 . 2 . (3.8) w x w y Yw z 1 e t Ph•ơng trình (3.8) là ph•ơng trình cố kết thấm trong tr•ờng hợp bài toán cố kết thấm không gian ba chiều viết trong hệ toạ độ Dêcac. Để chuyển ph•ơng trình (3.8) sang hệ toạ độ trụ tròn, thì một điểm bất kỳ trong không gian có toạ độ (x,y,z) đ•ợc tải trong hệ toạ độ trụ bằng (r,z), với r = x2 y2 là khoảng cách từ điểm đang xét với trục z. Khi đó, ta có thể viết đ•ợc: K x 2 u 2 y 2 u K y 2 2u x 2 u x [ . ] y [ . . ] 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 w x y r (x y ) x y ) r w x y r (x y ) x y r 2 K z u av u . 2 w z 1 e t (3.9) Trong đó: Kx và Ky là các hệ số thấm theo ph•ơng ngang, và đ•ợc ký hiệu chung là Kh. Kz là hệ số thấm theo ph•ơng đứng, ký hiệu là Kv. Khi đó, ph•ơng trình (3.9) đ•ợc viết d•ới dạng: U U 1 u 2U C ( . ) C (3.10) t h r 2 r r v z2 K v ở đây: Cv = : là hệ số cố kết theo ph•ơng đứng và w .mv K h Ch = : là hệ số cố kết thấm ph•ơng ngang w .mv N. Carillo (1942), bằng ph•ơng pháp tích phân xác định ph•ơng trình (3.10) đã đ•a ra lời giải tổng quát sau: U = 1 - (1 - Uh) (1 - Uv) (3.11) Trong đó: U: tổng mức độ cố kết,% Uh: mức độ cố kết theo ph•ơng ngang h•ớng vào tâm trụ VLR,%. 38
  38. Uv: mức độ cố kết theo ph•ơng đứng dọc trục trụ VLR,%. Trong điều kiện lý t•ởng (đất xung quanh trụ VLR không bị xáo động) R.A. Barron (1948) đã đ•a ra lời giải tính sau: 8T U 1 exp[ h ] (3.12) h F(n) Trong đó: 2 Th = (Ch/ De )*t : là hệ số thời gian không thứ nguyên theo ph•ơng ngang. n2 3n2 1 F(n) = ( )ln(n) ( ) : là hệ số Barron. n2 1 4n2 n = De/d : là tỷ số Barron. De: đ•ờng kính vùng ảnh h•ởng của trụ VLR m 2 2 Uv = 1 - 2 exp( M Tv ) (3.13) m 0 M Trong đó: m = (2m + 1) /2 ( m : là số nguyên) Cv Tv = 2 t : là hệ số thời gian không thứ nguyên theo ph•ơng H t đứng. Ph•ơng trình (3.13) chỉ đúng cho tr•ờng hợp biến thiên của áp lực lỗ rỗng có dạng tuyến tính theo độ sâu. Trong tr•ờng hợp, biến thiên của áp lực n•ớc lỗ rỗng có dạng hình Sin theo độ sâu, thì mức độ cố kết trung bình theo ph•ơng đứng là: T U = 1 - exp ( v ) (3.14) v 4 Biến thiên của Uh theo Th và Uh theo Tv có thể tra bảng. 3.5. Kết luận - Kết quả của việc giải bài toán về cố kết với nhiều ph•ơng pháp khác nhau cho thấy sự phát triển không ngừng của ph•ơng pháp luận khoa học 39
  39. trong lĩnh vực nghiên cứu về cơ học đất nền móng nhằm giải quyết tốt các vấn đề về xây dựng đặt ra. - Trong quá trình giải các bài toán với điều kiện địa chất nền đất phức tạp phụ thuộc vào nhiều yếu tố, do vậy việc đề cập bài toán mà xét tới toàn diện các yếu tố là khó thực hiện đ•ợc. Trong các bài toán cố kết có lý t•ởng hóa một số điều kiện về nền đất là cần thiết nhằm giảm nhẹ tính phức tạp của bài toán và kết quả giúp sử dụng tính toán đ•ợc thuận lợi. - Kết quả của việc giải các bài toán cố kết, đặc biệt là bài toán cố kết thấm đối xứng trục làm cơ sở cho việc tính toán dự báo độ lún và độ ổn định của nền đất yếu nhằm phục vụ tốt cho công tác thiết kế và đề xuất các giải pháp xử lý nền móng công trình nhằm đáp ứng đ•ợc các điều kiện thực tế đặt ra. - Trong số các ph•ơng pháp xử lý nền móng thực tế đã sử dụng lời giải của các bài toán trên phải kể đến ph•ơng pháp cọc cát, trụ đá, bấc thấm.Vấn đề này sẽ đ•ợc đề cập ở ch•ơng 4 và ch•ơng 5. Ch•ơng 4 lý thuyết về cọc cát 4.1. Mở đầu Để có thể áp dụng đ•ợc ph•ơng pháp cọc cát một cách tinh tế và đảm bảo chất l•ợng, cần xây dựng lý thuyết để tính toán các vấn đề liên quan đến bao gồm độ bền, các hiệu qủa kỹ thuật tính toán, thiết kế hoàn chỉnh ph•ơng án xử lý nền đất yếu bằng cọc cát. Các lý thuyết này đã đ•ợc chứng minh bằng các thí nghiệm mô hình và các kết quả áp dụng thực tế ở các n•ớc trên thế giới. 4.2. Các cơ chế phá hoại 4.2.1. Cọc cát đơn Cọc cát đơn có ba loại phá hoại chính, phá hoại do phình ngang trong đoạn chiều sâu từ mặt đất đến ba lần đ•ờng kính cọc cát, pha hoại do bị tr•ợt và phá hoại lớp đất d•ới chân cọc. Phá hoại do phình ngang th•ờng xảy ra với cả cọc treo và cọc chống. 40
  40. Trong khoảng cách từ mặt đất đến chiều sâu bằng ba lần đ•ờng kính cọc (hình 4.1a). Phá hoại do tr•ợt th•ờng xảy ra với cọc ngắn (hình 4.1b). Phá hoại do chọc thủng th•ờng xảy ra với các cọc treo có chiều dài ngắn hơn 2 đến 3 lần đ•ờng kính (hình 4.1c). Tuỳ theo điều kiện thực tế, các phá hoại này có thể xảy ra, tuy nhiên theo thống kê và tính toán thì phá hoại do phình ngang là th•ờng gặp nhất. P P P Ma sát thành 2-3D Lực chống mũi cọc (b) Cọc cát ngắn chống lên nền (c) Cọc cát ngắn treo - đất cứng - Phá hoại do bị cắt Phá hoại do bị chọc thủng D Nền đất cứng (a) Cọc cát dài chống hoặc không chống lên nền đất cứng - Pha hoại do phình ngang Hình 4.1. Các dạng phá hoại cọc cát đơn Từ thí nghiệm mô hình ng•ời ta đã chứng minh đ•ợc khả năng chịu tải và độ lún của cọc cát đơn phụ thuộc vào ph•ơng pháp chất tải (các hình thức gia tải đối với cọc cát xem hình 4.2). Ph•ơng pháp chất tải trên tấm cứng có diện tích lớn hơn cọc làm tăng ứng suất trong đất xung quanh. Diện chịu tải tăng giúp cho cọc cát giảm khả năng bị phá hoại và tăng khả năng chịu tải. Với diện chịu tải hình vuông có diện tích gấp bốn lần cọc cát thì khả năng chụi tải tăng 1.7 lần. 41
  41. P P (a) Gia tải trên móng cứng (b) Thí nghiệm nén trực tiếp trên đỉnh cọc cát Nền đắp (c) Tải trọng khối đất đắp Hình 4.2. Các dạng tải trọng khác nhau tác dụng lên các cọc cát 4.2.2 Nhóm các cọc cát Cọc cát đơn có khả năng chịu tải thấp hơn khả năng chịu tải trung bình của một cọc cát trong nhóm cọc. Trong nhóm cọc cát, các cọc cát lân cận có tác dụng làm tăng độ cứng của nhau. Thí nghiệm đã thử ra rằng với nhóm trụ đá bố trí thành một hàng hay hai hàng chỉ làm tăng đ•ợc rất ít sức chịu tải trung bình của trụ, tuy nhiên với số hàng cọc nhiều hơn hai hiệu quả này đ•ợc thể hiện rõ rệt. Nghiên cứu tải trọng truyền trên móng mềm và rộng (nền đắp), Vautrain chỉ ra rằng độ lún cả cọc cát và độ lún của đất xung quanh là gần nh• bằng nhau. Khi tiến hành thi công nền đắp trên nền đất yếu, đất d•ới đáy móng bị 42
  42. nén và trồi sang hai bên. Đây là dạng phá hoại thứ nhất đối với nhóm cọc cát - phá hoại do tr•ợt. (xem hình 4.3a, 4.3b). P Mặt trựơt P cung tròn Sét yếu (a) Phình ngang - (b) Mặt truơt cung Khối đất đắp rộng tròn tổng quát P (c) Phá hoại do phình ngang -Nhóm cọc nhỏ Sét yếu (c) Phá hoại do chọc thủng của các cọc cát ngắn - Đất yếu không đồng nhất Hình 4.3. Các dạng phá hoại của các nhóm cọc cát. Phá hoại do phình ngang của nhóm cọc đ•ợc minh hoạ ở hình 4.3c. Nhóm cọc ngắn cũng có thể bị phá hoại do chọc thủng t•ơng tự nh• phá hoại của cọc đơn, hình 4.3d. P P P Sét rất yếu D Sét yếu Sét yếu Phá hoại do trựơt D hay phình ngang H Sét yếu Sét rất yếu H/D =2 Sét yếu Nền cứng Nền cứng Nền cứng Hình 4.4. Các cơ chế phá hoại của cọc cát trong nền đất dính không đồng nhất. 43
  43. Các cơ chế phá hoại trên đây là các phá hoại lí t•ởng dựa trên giả thiểt nền đất là đồng nhất. Với nền không đồng nhất, cơ chế phá hoại của cọc cát cũng dựa trên các nguyên tắc đã trình bầy nh• trên tuy nhiên sẽ có một số sai khác phụ thuộc theo tính chất của nền đất đó. Ví dụ nh• với sự phá hoại do phình ngang trong nền không đồng nhất có thể xuất hiện tại cả vị trí sâu và nông nếu nh• tại đó đất xung quanh là yếu nhất, xem hình 4.4. Nếu có một lớp đất rất yếu ở trên mặt dày từ 1-3m, lớp đất này sẽ có ảnh h•ởng rất lớn đến độ lún và sức bền tới hạn của cả cọc đơn và nhóm cọc. Nhìn chung khi xuất hiện một lớp đất rất yếu có chiều dầy lớn hơn hay bằng đ•ờng kính của cọc cát sẽ ảnh h•ởng nghiệm trọng đến điều kiện ổn định của cọc cát nói riêng và của nền gia c•ờng nói chung. 4.3. Các t•ơng quan cơ bản 4.3.1. Khái niệm trụ đơn vị và tập trung ứng suất 1. Trụ đơn vị và trụ đơn lý t•ởng Trụ đơn vị đ•ợc định nghĩa là phần trụ đ•ợc giới hạn bởi diện tích đới ảnh h•ởng của cọc cát, trụ đơn vị bao gồm hai phần cọc cát vá trụ đất bao quanh nằm trong đới ảnh h•ởng của nó (hình 4.5). Trụ đơn vị th•ờng đ•ợc xem xét là có tải trọng và mặt cắt ngang đối xứng, do đó cọc đ•ợc coi là lý t•ởng với các giải thiết - Cọc đơn vị không có biến dạng ngang - Lực cắt tại đ•ờng bao của cọc đơn vị không tồn tại. - Độ lún của cọc cát và độ lún của đất là nh• nhau trong quá trình cố kết. - Sử dụng đ•ợc kết quả thí nghiệm nén một chiều cho trụ lý t•ởng. 2. Đ•ờng kính t•ơng đ•ơng Là đ•ờng kính của đ•ờng tròng có diện tích t•ơng đ•ơng với diện tích mặt cắt ngang của trụ đơn vị, kí hiệu là De (xem hình 4.5) Với cách bố trí cọc cát theo l•ới tam giác đều : De = 1.05S (4.1) Với cách bố trí l•ới ô vông: De = 1.13S (4.2) Với cách bố trí l•ới lục giác đều: De = 1. 29S (4.3) Trong đó: S : là khoảng cách giữa các tâm cọc cát (Xem hình 4.6) 44
  44. 3. Tỷ số diện tích thay thế, as. as = As/A (4.4) Trong đó: As : là diện tích cọc cát chiếm chỗ, A : là diện tích của trụ đơn vị, T•ơng tự ta có tỷ số diện tích đất bằng: ac = 1 - as = As/A (4.5) Trong đó: Ac : là diện tích đất trong trụ đơn vị, 4. Tập trung ứng suất Khi tải trọng tác dụng lên trụ đơn vị, sẽ có một phần tải trọng tác dụng lên cọc cát, một phần tác dụng lên đất. Do cọc cát cứng hơn vật liệu đất xung quanh nên khi phân bố lực tác dụng, tải trọng tập trung vào cọc cát, làm giảm lực tác dụng cũng nh• ứng suất trong đất so với tr•ờng hợp không gia c•ờng bằng cọc cát. Gọi n hệ số tập trung ứng suất tính bằng tỷ số giữa ứng suất trong cọc cát và ứng suất trong đất xung quanh, ta có: n = s/ c (4.6) Trong đó: s: là ứng suất trong cọc cát, c: là ứng suất trong đất; Qua khái niệm trên ta có ứng suất trung bình trong trụ đơn vị có thể tính nh• sau: = s as + c (1- as) (4.7) Suy ra: c = /[1 + (n - 1)as] = c (4.8b) s = n /[1+(n-1)as] = s (4.8b) Trong đó: s: là hệ số tăng ứng suất của cọc cát, c: là hệ số giảm ứng suất của đất xung quanh, 4.3.2. Phân tích khả năng chịu tải tới hạn 1. Cọc cát đơn thẳng đứng 45
  45. a. Cọc đơn thông th•ờng Hầu hết cọc cát có chiều dài lớn hơn đ•ờng kính từ 4 - 6 lần đã đ•ợc xây dựng đều bị phình ngang, phá hoại này xẩy ra với cả cọc chống và cọc treo. Hiện t•ợng phình ngang phát triển ở độ sâu 2 đến 3 lần đ•ờng kính d•ới mặt đất. Moreau chỉ ra rằng rất ít tải trọng tác dụng truyền đ•ợc đến chân cọc khi chiều dài của cọc lớn hơn 2 lần đ•ờng kính của nó. Đó là do tải trọng truyền vào cọc đ•ợc truyền vào đất xung quanh của cọc đó. Khi cọc bị phình ngang và di chuyển xuống, cọc cát truyền áp lực vào đất xung quanh. Có một số lý thuyết tính toán khả năng chịu tải tới hạn của cọc cát đơn đẳng h•ớng đ•ợc bao quanh bằng đất rất yếu (Jones, J.S, và R.E. Brown 1978 và v.v ). Đại đa số các lời giải thích trước đây đều giả thiết tồn tại trạng thái ứng suất ba trục trong cọc cát và cả cọc cát lẫn đất bao quanh nó đều bị phá hoại (Datye, k.R, và S.S Nagaraju, 1975; Datye, N.P, 1981). ứng suất nén ngang ( 3) có vai trò hỗ trợ cọc cát chống phình ngang th•ờng đ•ợc lấy giá trị bằng áp lực bị động tới hạn mà đất xung quanh cọc cát có thể tạo ra khi cọc cát bị biến dạng phình ngang. Khi cọc ở trạng thái phá hoại, ứng suất tới hạn theo ph•ơng đứng ( 1) bằng hệ số áp lực bị động trong cọc cát Kp nhân với ứng suất giới hạn bên ( 3) và thể hiện qua công thức sau: 1 1 sin s 2 0 s K p tg (45 ) (4.9) 3 1 sin 2 Trong đó: s: là góc nội ma sát của cọc cát Tỷ số 1/ 3: là hệ số áp lực bị động của cọc cát (Kp). Theo lý thuyết của Vesic có thể tính 3 theo công thức: 3 = cF’e + qF’q (4.10) Trong đó: c: là lực dính của đất q: là ứng suất trung bình bằng ( 1 + 2 + 3)/ 3 tại chiều sâu phá hoại. F’c, F’q: là hệ số tra theo toán đồ hình 4.7 là hàm số của góc nội ma sát của đất và chỉ só độ cứng Ir. 46
  46. 40 40 30 30 Ir=500 Ir=500 250 20 250 20 100 100 50 10 50 10 F'q F'c 8 25 8 25 6 6 10 10 4 Ir=5 4 Ir=5 2 2 1 1 0 10 20 30 40 50 0 10 20 30 40 50 - độ - độ Hình 4.7. Toán đồ tra các hệ số F’c và F’q của Vesic Chỉ số độ cứng (Ir) đ•ợc xác định theo công thức: E Ir (4.11) 2(1 v)(c qtg c) Trong đó: E: là modun đàn hồi của đất xung quanh, c: là lực dính của đất, v: là hệ số Poision, q: là ứng suất trung bình tại chiều sâu phá hoại; Sau khi thay ph•ơng trình (4.10) vào ph•ơng trình (4.9) và đặt qult bằng 1, khi đó ứng suất tới hạn tác dụng lên cọc cát đ•ợc viết: 1 sin s qult (cF 'c qF') (4.12) 1 sin s b. Cọc ngắn Cọc ngắn có thể bị phá hoại cắt tổng thể và cục bộ hoặc chọc thủng vào đất yếu. Khả năng chịu tải tới hạn do chọc thủng có thể xác định bằng tính lực chống đầu mũi. Phá hoại tổng thể xẩy ra ngay trên bề mặt do áp lực tầng phủ là nhỏ nhất. Madhav và Vitkar đã giới thiệu bài toán ứng suất phẳng để tính khả năng chịu tải tới hạn này. 47
  47. B q c N cN D N (4.13) ult 2 c f c q Trong đó: N , Nc, Nq: là các hệ số khả năng chịu tải xác định theo hình 4.8. 2. Nhóm các cọc cát Với nhóm cọc cát, các giả thiết để xác định khả năng chịu tải tới hạn của nó là: - Tải trọng tác dụng nhanh lên nền đất sao cho sức kháng cắt không thoát n•ớc trong đất dính có góc nội ma sát là không đáng kể. - Bỏ qua lực dính trong cọc cát. - Độ bền cắt của nền là tổng độ bền của cọc cát và đất bao quanh nó. Phân tích khả năng chịu tải của nhóm cọc cát gia c•ờng nền đất yếu nh• hình 4.9. Theo các giả thiết trên công thức tính góc nội lực ma sát và lực dính trung bình của đất hỗn hợp nh• sau: [tg ]avg sastg s (4.14) cavg = (1- as)c (4.15) -1 Suy ra: avg = tg ( sastg s) (4.16) Góc tạo bởi mặt tr•ợt và ph•ơng nằm ngang của đáy móng (góc tr•ợt) của đất hỗn hợp đ•ợc xác định theo công thức: = 45 + avg (4.17) 2 Khả năng chịu tải tới hạn của nhóm cọc cát gia c•ờng nền đất dính (qult) đ•ợc xác định nh• sau: 2 qult = 3 tg + 2cavgtg (4.19) 48
  48. Mặt bằng Mặt bằng B B B q q th th Btg Mặt cắt Mặt cắt Mặt trựơt (a) (b) Hình 4.9. Khả năng chịu tải tới hạn của nhóm cọc cát: a: nhóm cọc cát bố trí hình vuông, b: nhóm cọc cát bố trí băng dài vô han. Trong đó: Btg = c 2C 3 2 ở đây: 3: áp lực nén ngang trung bình; yc : là trọng l•ợng đơn vị bão hoà hay ẩm của đất dính. B : là chiều rộng của móng băng dài vô hạn; : là góc nghiêng của mặt tr•ợt với đáy móng (ph•ơng trình 4.17); C : là độ bền cắt không thoát n•ớc của đất dính ch•a gia c•ờng, Ph•ơng pháp trình bầy trên đây ch•a xét tới khả năng phá hoại phình ra bên cục bộ của các cọc cát đơn. Chính vì vậy, ph•ơng pháp này chỉ áp dụng 49
  49. cho các loại đất rắn chắc và có độ bền không thoát n•ớc cao (Cu 30 40 KN/ m2). Đối với tr•ờng hợp là các loại đất sét yếu, khả năng chịu tải của nhóm cọc cát đ•ợc tính bằng khả năng chịu tải của từng cọc làm việc độc lập rồi nhân với tổng số l•ợng cọc nằm trong nhóm (Barksdale & Bachus, 1983). Khả năng chịu tải của cọc cát đơn trong tr•ờng hợp này, đ•ợc xác định: * qth = C.N c Trong đó: * * N c: là hệ số khả năng chịu tải của đất hỗn hợp, trị số N c = 18 20 khi đất nền là sét yếu hay rất yếu sau khi đ•ợc gia c•ờng bằng các cọc cát. 4.3.3. Các ph•ơng pháp tính lún Hiện nay trên thế giới đang tồn tại nhiều ph•ơng pháp tính lún, ví dụ: ph•ơng pháp cân bằng của Aboshi và cộng sự (1987) và Barksdale ( 1981), ph•ơng pháp Priebe (1974), ph•ơng pháp Greenwood ( 1975), ph•ơng pháp phần từ hữu hạn của Balaam, Brown và Poulos (1978), ph•ơng pháp số gia của Goughnour và Bayuk (1979). Trong số những ph•ơng pháp tính lún nêu trên, tác giả thấy có hai ph•ơng pháp tính lún thông dụng đ•ợc sử dụng nhiều trên thế giới đó là ph•ơng pháp cân bằng và ph•ơng pháp phần từ hữu hạn có máy tính điện tử hỗ trợ. D•ới đây chúng tôi xin trình bày những nội dung chính của hai ph•ơng pháp đã lựa chọn. 1. Ph•ơng pháp cân bằng Đ•ợc Aboshi và Barksdale đ•a ra. Đây là một ph•ơng pháp kết hợp giữa các tính toán lý thuyết và các kết qủa thực nghiệm mang tính kinh nghiệm, ph•ơng pháp đ•ợc sử dụng để tính toán khả năng giảm độ lún của đất sau khi gia c•ờng bằng cọc cát đ•ợc áp dụng rỗng rãi tại Nhật. a. Các giải thiết tính toán - Trụ đơn vị là lý t•ởng - Tải trọng tác dụng lên trụ đơn vị bằng tổng tải trọng tác dụng lên đất và cọc cát. 50
  50. - ứng suất thẳng đứng phân bố đều do tải trọng ngoài gây ra duy trì suốt chiều dài cọc cát, hay nói cách khác có thể dùng ph•ơng pháp tính tổng độ lún của từng lớp đất phân bố đã chia. b. Ph•ơng pháp tính Công thức tính độ lún cố kết cuối cùng của đất sét theo thí nghiệm nén một chiều là: Cc 0 c St ( )log10 ( )H (4.20) 1 e0 0 Trong đó: St: là độ lún cố kết ban đầu của lớp đất (sơ cấp) trong phạm vi chiều dày H đ•ợc xử lý bằng cọc cát gia c•ờng nền đất sét. H: là chiều dày của lớp đất đ•ợc xử lý bằng cọc cát. 0 : là ứng suất hữu hiệu trung bình ban đầu trong lớp đất sét. c : là số gia tăng ứng suất do tải trọng ngoài gây ra trong đất sét. Cc: là chỉ số nén lún của đất sét trong thí nghiệm nén một chiều, e0: hệ số rỗng ban đầu của đất, Từ ph•ơng trình (4.20) ta có tỉ số giữa các độ lún của nền đ•ợc gia c•ờng cọc cát (St) với nền ch•a đ•ợc gia c•ờng (S) nh• sau: 0 c c log10 S 0 t (4.21) S 0 c log10 0 S Qua công thức (4.21), tỉ số t phụ thuộc vào ba yếu tố là , , . S 0 c c Trong tr•ờng hợp 0 vô cùng lớn so với c , hay cọc cát có chiều dài lớn và ứng suất do tải trọng ngoài rất nhỏ khi đó công thức (4.21) đ•ợc viết lại thành: St 1 c (4.22) S 1 n 1 as Ph•ơng trình (4.22) có thể đ•ợc biểu diễn d•ới dạng đồ thị nh• chỉ ra trên hình 4.10, sơ đồ này làm giảm nhẹ đáng kể cũng nh• giúp chúng ta tính toán nhanh chóng độ lún của nền đất sau khi đ•ợc gia c•ờng bằng cọc cát. 51
  51. 0.17 6 0.20 5 0.25 4 0.33 3 Tỉ số lún (St/S) lún số Tỉ Hệ số cải cải số Hệ (S/St) tạo n = 10 0.50 2 n = 5 n = 3 1.00 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Diện tích đựơc gia cừơng(1/as ) 1.00 0.50 0.33 0.25 0.20 0.17 0.14 0.13 0.11 0.10 Tỉ số diện tích thay thế (as) Hình 4.10. Độ giảm lún lớn nhất khi gia c•ờng bằng cọc cát sử dụng ph•ơng pháp phân tích cân bằng. 2. Ph•ơng pháp phần tử hữu hạn Mô hình tính toán bằng ph•ơng pháp phần tử hữu hạn đ•ợc phát triển bởi Balaam, Poulos và Brown (1978) và Balaam và Poulos (1983) Trong đó các vấn đề hạn chế trong các tính toán lý thuyết nh• modul đàn hồi dẻo, tính biến dạng không tuyến tính của vật liệu đ•ợc khắc phục trong từng mô hình riêng biệt. Theo nghiên cứu thì bài toán này có thể sử dụng hai mô hình cơ bản tuỳ thuộc theo loại đất đ•ợc cải tạo. a. Mô hình thứ nhất áp dụng dựa trên giả thiết đàn hồi tuyến tính (hình 4.11). Các loại đất áp dụng cho mô hình này nhìn chung có tỷ số modul đàn hồi Es Es với trụ đá < 10 với dạng cát và < 30 với dạng sét, trong đó Es là modul Ec Ec đàn hồi của cọc cát, Ec là modul đàn hồi của đất. Hệ số poisson của cát là 0.3, của đất là 0.35. Các kết quả tính lún đ•ợc lập thành các toán đồ từ hình 4.12 52
  52. đến hình 4.14. Mỗi toán đồ đ•ợc lập t•ơng ứng với một tỉ số thay thế diện tích as lần l•ợt bằng 0.1, 0.15 và 0.25 và các tỉ số L/D bằng 5, 10, 15, 20. E Với mô hình đàn hồi, hệ số tập trung ứng suất n tỉ lệ thuận với tỉ số s Ec đem lại kết quả khá chính xác (xem hình 4.14 và hình 4.15). Qua các công E trình thực tế, quan hệ giữa n và tỉ số s đ•ợc xây dựng thành biểu đồ hình Ec 4.17. De Lớp đệm hạt thô 1m Đất Ec L Trụ đá D D Es Biên không có ma sát ma có không Biên Nền cứng Hình 4.11. Mô hình đàn hồi tuyến tính cho trụ cát đơn vị b. Mô hình thứ hai Mô hình này chỉ áp dụng cho các loại đất sét, mô hình coi đất là vật liệu đàn hồi không tuyến tính hay nói cách khác là đàn hồi dẻo. Mô hình này mang lại kết quả đàn hồi khi có hệ số lớn (khoảng từ 20 lần trở đi). Trong mô hình này, đất khá yếu nên đất cũng không có vai trò hỗ trợ cho cọc cát chống lại biến dạng ngang, do đó đất đ•ợc coi là đàn hồi dẻo, tính chất của cát phụ thuộc vào ứng suất có trong cọc cát. 53
  53. 400 40 as=0.25 vs=0.35 vc=0.30 S=ls.P/(Es.L) 300 30 L/D=20 200 20 L/D=15 Hệ số ảnh hửơng lún ,ls lún hửơng ảnh số Hệ Hệ số ảnh hửơng lún ,ls lún hửơng ảnh số Hệ L/D=5 đứt) nét cong (đừơng 100 L/D=10 10 L/D=5 0 0 0 10 20 30 40 Tỉ số mô đun Es/Ec Hình 4.12. Hệ số ảnh h•ởng lún đàn hồi tuyến tính với as = 0,15 – Mô hình trụ đơn vị. 400 40 as=0.25 vs=0.35 L/D=20 vc=0.30 S=ls.P/(Es.L) 300 30 L/D=15 200 20 L/D=5 Hệ số ảnh ảnh số Hệ hửơng,ls lún Hệ số ảnh ảnh số Hệ hửơng,ls lún L/D=10 đứt) nét cong (đừơng 100 10 L/D=5 0 0 0 10 20 30 40 Tỉ số mô đun Es/Ec Hình 4.13. Hệ số ảnh h•ởng lún đàn hồi tuyến tính với as = 0,25 – Mô hình trụ đơn vị. 54
  54. 10 9 8 7 6 5 4 Hệ số tập trung ứng sất ,n sất ứng trung tập số Hệ 3 as=0.25 as=0.15 2 as=0.10 4.5<=L/D<=19.5 1 00 4 8 12 16 20 24 28 30 32 36 40 Tỉ số mô đun Es/Ec Hình 4.14. Quan hệ giữa hệ số tập trung ứng suất và tỷ số Modul đàn hồi tuyến tính. Trong phần đất yếu bao quanh cọc cát nằm phía d•ới khối đất đắp, hiện t•ợng phình ngang của cọc cát có thể làm tăng tổng độ lún thẳng đứng có khi lên trên 50% (Schwab, E.F, 1963). Bằng mô hình lý thuyết, hiện t•ợng phình ngang của cọc cát còn làm giảm khả năng chống ngang do biên của trụ đơn vị tạo ra. Để có đ•ợc những ảnh h•ởng phình ngang giống nhau, phải tạo ra biên mềm xung quanh trụ đơn vị sao cho có biến dạng ngang chấp nhận đ•ợc. Sau khi sử dụng ô phần tử hữu hạn, một mô hình với biên dày 25mm có môđun đàn hồi bằng 83KN/m2 thì biến dạng ngang lớn nhất gây nên bởi khả năng phình ngang mà tại đó có thể xảy ra cắt trụ đơn vị (xem hình 4.16). De Lớp đệm cát 1m Đuờng biên mềm hay cứng Đất Ec (MĐ ĐH dẻo) (c=0, =0 Kv=0,75 v=0,35) L Cọc cát có Es D D Biên không có ma sát sát ma có không Biên không tuyến tính c=0, =31 Kv=0,75 v=0,35 Nền cứng Hình 4.15. Mô hình không tuyến tính cho trụ đơn vị 55
  55. Các kết quả tính toán của mô hình này đ•ợc diễn giải bằng các toán đồ từ hình 4.16. đến hình 4.18 trong tính toán cho mô hình này môđun đàn hồi của đất đ•ợc xác định từ kết quả thí nghiệm nén cố kết một trục: 1 v 1 2v 1 e . E 0 va (4.23) 0.435. 1 v Cc Trong đó: Cc: là chỉ số nén lún của đất sét trong thí nghiệm nén một chiều e0: là hệ số rỗng ban đầu v: là hệ số Poisson của đất va: là ứng suất thẳng đứng trung bình Theo Baleam và Pouslos (1983) bằng ph•ơng pháp phân tử hạn, các ông đã đ•a ra ph•ơng trình tính lún của nền đất hỗn hợp nh• sau: m 1 m m m KE . FE Kc . FDN (4.24) Trong đó: [KE] : là ma trận độ cứng đàn hồi { (m+1)}: là véctơ số gia độ uốn; { FE}: là véctơ số gia các lực tại nút do lực kéo tạo ra; (m) (m) [KC ]( ): là véctơ hiệu chỉnh lún của cọc cát hay đất; (m) { FDN }: là véctơ số gia các lực tại nút kép dọc ranh giới tiếp xúc giữa cọc cát và đất sét. Ph•ơng trình (4.24) đ•ợc giải nhờ hỗ trợ của máy tính điện tử (xem ch•ơng 5) Các toán đồ kết quả trên sử dụng số hiệu đầu vào nh• sau: 0 - Góc nội ma sát của cát S = 31 - Hệ số áp lực tĩnh của đất và cát K0 = 0.75 56
  56. 2 2 - Đất có EC < 1100 kN/m , sức bền chống cắt bằng 19kN/m - Không xảy ra phá hoại đất do trồi, do đó sức bền chống cắt của đất không ảnh h•ởng đến kết quả tính lún. Hệ số tập trung ứng suất lấy theo toán đồ hình 4.16. 12 10 L/D=20 8 6 L/D=10 L/D=5 4 Hệ số tập trung ứng suất suất trung tập số Hệ ứng ,n Ghi chú : as=0.25, =100KN/m2 2 0 0 700 1400 2100 2800 3500 2 Mô đun đàn hồi của đất sét Ec (KN/m ) Hình 4.16. Quan hệ giữa modul đàn hồi của đất và n trong mô hình không tuyến tính. 4.3.4. Tốc độ lún cố kết ban đầu Trong đất dính đ•ợc gia c•ờng bằng các cọc cát, dòng ngầm vận động đến cọc cát thoát n•ớc d•ới dạng các đ•ờng cong nh• chỉ ra trên hình 4.18. 57
  57. De D Đuờng đẳng thế H Đuờng dòng r Cọc cát thoát nứơc w v r kr k e Hình 4.17. Đ•ờng thấm của n•ớc trong trụ đơn vị đến cọc cát thoát n•ớc thẳng đứng (Richart, F.E, 1959) Richart (1959) đã chỉ ra rằng, lời giải biến dạng đều (móng cứng) và lời giải biến dạng tự do (móng mềm) ứng với mức độ cố kết lớn hơn 50% là hoàn toàn giống nhau, hai lời giải này chỉ khác nhau khi mức độ cố kết nhỏ hơn 50%. Mặt khác Vautrain (1977) bằng ph•ơng pháp phần tử hữu hạn đã chỉ ra rằng, độ lún cố kết xẩy ra trong nền đất yếu đ•ợc gia c•ờng bằng các cọc cát cho cả móng mềm và móng cứng là xấp xỉ nhau. Do vậy, việc dùng lời giải biến dạng đều nhau (móng cứng) để tính toán độ lún cố kết ban đầu của nền đất yếu gia c•ờng bằng cọc cát là hoàn toàn chấp nhận đ•ợc. Thật vậy, tốc độ lún cố kết ban đầu tại thời gian t của lớp đất dính đ•ợc gia c•ờng bằng các cọc cát là: t Sc = U. St (4.25) Trong đó: t Sc : là độ lún cố kết ban đầu tại thời gian t. St: là độ lún cố kết ban đầu tới hạn của nền đất đã đ•ợc gia c•ờng. 58
  58. U: là tổng mức độ cố kết trung bình đ•ợc xác định theo ph•ơng trình (3.11). 4.3.5. Độ nén lún thứ cấp Vì n•ớc thoát rất chậm chạp ra khỏi các lỗ rỗng của đất dính d•ới tác dụng của tải trọng nén. Khi đó ứng suất hữu hiệu tăng lên và cố kết ban đầu (sơ cấp) xảy ra. Sau khi áp lực n•ớc lỗ rỗng d• thừa sinh ra bởi tải trọng ngoài dần dần bị tiêu tan, sẽ dẫn đến độ lún của đất dính d•ới ứng suất hữu hiệu không đổi (Leonards, 1962). Kiểu thay đổi thể tích đất này xảy ra d•ới ứng suất hữu hiệu không đổi, đ•ợc gọi là nén lún thứ cấp (hay còn gọi là cố kết thứ cấp). Nén lún thứ cấp thực chất đ•ợc bắt đầu ngay trong quá trình của pha lún cố kết ban đầu. Dựa trên kết quả nghiên cứu của Mesri (1973) độ lún thứ cấp (Ss) có thể xác định bằng công thức: t2 SS = C . H . log (4.25) t1 Trong đó: C : là hằng số vật lý đ•ợc xác định bằng thí nghiệm cố kết một chiều tiếp ngay sau khi kết thúc cố kết ban đầu với số gia tải trọng thích hợp. H : là chiều dày lớp đất bị nén bắt đầu quá trình cố kết thứ cấp = Ht - SC t1: là thời gian bắt đầu xuất hiện cố kết thứ cấp, thời gian t•ơng ứng với 90% cố kết ban đầu. 4.3.6. Khả năng tăng độ bền cắt của đất do cố kết Độ bền cắt của đất dính yếu đ•ợc tăng trong và sau khi thi công khối đất đắp, bể chứa hay móng công trình trên đất này. Độ chênh ứng suất do tải trọng ngoài sẽ làm gia tăng áp lực n•ớc lỗ rỗng, tiếp đó quá trình cố kết thoát n•ớc sẽ kéo theo khả năng gia tăng độ bền kháng cắt của đất nền. Tốc độ thi công nền đất đắp th•ờng đ•ợc kiểm tra để cho phép độ bền cắt của nền đất yếu tăng lên sao cho bảo đảm đ•ợc hệ số an toàn cho công trình trên nó ổn định (Xem ch•ơng 5) 59
  59. Độ bền cắt không thoát n•ớc của đất sét cố kết bình th•ờng có thể tăng lên một cách tuyến tính với áp lực hữu hiệu tầng phủ (Leonards, G.A 1962) nh• chỉ ra trên hình 4.19. Đối với loại đất mềm dính, độ bền cắt không thoát n•ớc có thể đ•ợc biểu diễn nh• sau: C = K1. '0 (4.26) Trong đó: C : là độ bền cắt không thoát n•ớc; '0: là áp lực hữu hiệu tầng phủ; C K1: là hằng số tỷ lệ: K1 = . 0 Một loại đất dính có trị số gia tăng độ bền cắt một cách tuyến tính theo '0 thì số gia tăng độ bền cắt không thoát n•ớc theo thời gian ( Ct) do quá trình cố kết của nền đất đ•ợc gia c•ờng bằng cọc cát có thể đ•ợc biểu diễn d•ới dạng: C Ct = Kt.( . c). (U) = .( . c).(U) (4.27) 0 Trong đó: Ct: là số gia độ bền cắt tại thời điểm t của đất sét do cố kết sinh ra. : là số gia ứng suất thẳng đứng trung bình trong một trụ đơn vị tại vị trí bề mặt tr•ợt do tải trọng ngoài gây ra. c: là hệ số tập trung ứng suất trong đất sét tại thời điểm t. U: là mức độ cố kết của đất sét tại thời điểm t. Ph•ơng trình (4.27) là một biểu thức rất thuận tiện cho việc xác định trị số gia tăng độ bền cắt của đất dính tại thời gian bất kỳ sau khi có đ•ợc K1 từ thí nghiệm hiện tr•ờng. Ph•ơng trình thực nghiệm xác định độ bền cắt của đất mềm dính tăng lên do cố kết đ•ợc viết: t = Cu + 0,22. ( ). (U) (4.28) Trong đó: 0,22 là hệ số thực nghiệm. 60
  60. Đối với các trầm tích sét tự nhiên cố kết bình th•ờng, Skempton (1957) đã đ•a ra t•ơng qua giữa độ bền cắt không thoát n•ớc với áp lực hữu hiệu tầng phủ d•ới dạng biểu thức sau: Cu 0,11 0,0037. I P (4.29) 0 Trong đó: Cu : là lực dính không thoát n•ớc của đất '0 : là áp lực hữu hiệu tầng phủ IP : là chỉ số dẻo Cu Biến thiên của hệ số độ bền cắt ( ) theo chỉ số dẻo (IP) của đất sét cố '0 kết bình th•ờng đ•ợc giới thiệu trên hình 4.18 (Slempton, A. W. 1957). 0.6 0.4 Ip 0.2 0 Cu/ 0 20 40 60 80 100 120 Cu Hình 4.18. Biến thiên của hệ số độ bền cắt ( ) theo chỉ số dẻo IP o - Đất sét cố kết bình th•ờng (Skempton, AW, 1957). 4.4. kết luận Ph•ơng pháp cọc cát là một ph•ơng pháp gia c•ờng nền đất yếu mang lại nhiều hiệu quả kỹ thuật nh• tăng khả năng chịu tải của nền đất, giảm thời gian lún cố kết, giảm độ lún cuối cùng Các •u điểm này đã đ•ợc minh chứng trên các công tr•ờng của thế giới từ Mỹ, Nhật đến Châu Âu, cũng qua đó các lý thuyết tính toán đã đ•ợc xây dựng đầy đủ để đánh giá hiệu quả của ph•ơng pháp này. 61
  61. Tuy vậy, các ph•ơng pháp đánh giá ch•a mang lại kết quả đầy đủ do ch•a đánh giá đ•ợc hết phạm vi áp dụng của ph•ơng pháp này. Ví dụ nh• khi tính khả năng giảm độ lún, ph•ơng pháp phần tử hữu hạn là ph•ơng pháp tiên tiến nhất hiện nay đã đề cập đến vấn đề mô hình đàn hồi tuyến tính phù hợp với đất không quá yếu tuy nhiên vẫn đ•a ra biểu đồ tính cho những nền đất có E tỉ số S là rất lớn lên đến 40. Nh• vậy là trái ng•ợc với ngay lý thuyết do EC ph•ơng pháp đó đề ra. Ch•ơng 5: ph•ơng pháp tính toán - thiết kế và các kết quả nghiên cứu thực tế 5.1. Giới thiệu chung Với đặc điểm điều kiện địa chất công trình ở Hải Phòng tạo bởi các lớp đất yếu có tính thấm nhỏ, bề dầy lớn nh• ở ch•ơng 2 đã đề cập đến thì các ph•ơng pháp cải tạo sâu nh• bấc thấm, giếng cát, cọc cát, trụ đá, là thích hợp. Trong số các ph•ơng pháp này thì ph•ơng pháp xử lý bằng cọc cát có thể rút ngắn đ•ợc thời gian thi công, công trình nhanh đ•ợc xây dựng và đ•a vào sử dụng . Hiệu quả của nó cũng đã đ•ợc minh chứng ở nhiều n•ớc trên thế giới nh• Nhật, Pháp, Mỹ, Thái Lan vv. Nh•ng ở khu vực Hải Phòng cũng nh• ở Việt Nam cho đến nay thì việc áp dụng ph•ơng pháp cọc cát trong gia cố nền đất yếu còn hạn chế. Có nhiều nguyên nhân, một trong số nguyên nhân chủ yếu đó là: - Thứ nhất là ch•a có những h•ớng dẫn và ph•ơng pháp tính toán cụ thể làm dẫn chứng cho công tác tính toán, thiết kế của ph•ơng pháp gia cố trong điều kiện nền đất yếu ở Hải Phòng, và ch•a có sự vận dụng đa dạng hoá các ph•ơng pháp tính toán đặc biệt là ch•a có sử dụng công nghệ phần mềm tin học vào trong tính toán thiết kế. - Thứ hai là ch•a có những kết quả minh chứng cho hiệu quả của công việc gia c•ờng nền đất yếu ở khu vực Hải Phòng bằng giải pháp cọc cát và các kết quả tính toán ch•a có dẫn liệu để đối sánh. Để góp phần từng b•ớc hiện đại hoá ph•ơng pháp tính toán thiết kế nhằm nâng cao hiệu quả của công việc, và độ chính xác của kết quả, trong ch•ơng này tác giả tập trung vào việc làm sáng tỏ một số ph•ơng pháp tính toán thiết kế gia cố nền đất yếu, đó là ph•ơng pháp tính tay và ph•ơng pháp tính có sự hỗ trợ của phần mềm tin học, kết quả tính toán của 2 ph•ơng pháp có thể dùng so sách với nhau. 62
  62. Bảng 5.1. Bảng tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý của đất yếu thuộc cấu trúc nền đất (dạng I, II, III) Tên đất Bùn sét Sét sét pha Sét pha sét Cát đệm Đơn vị Ghi 3 3 1-2 1-2 chú Tham số (am Q 2tb1) (amb Q 2tb2) (bm Q 2 hh1) (m Q 2 hh2) Mô hình vật liệu MC MC MC MC MC 3 Trọng l•ợng đơn vị khô ( đ) 10,72 13,7 12,3 13,8 18,0 KN/m 3 Trọng l•ợng đơn vị ẩm ( w) 16,3 18,1 17,4 18,5 21,0 KN/m -4 -4 -4 -4 Hệ số thấm ngang (Kx) 1,38*10 0,7*10 2,0*10 3,4*10 1m/ngày m/ngày đêm -4 -4 -4 -4 Hệ số thấm đứng (Ky) 0,69*10 0,35*10 1,0*10 1,7*10 1m/ngày m/ngày đêm 2 Môđun đàn hồi (Eo) 1960 2714 2148 1656 20000 KN/m Hệ số Poisson ( ) 0,33 0,35 0,33 0,35 0,3 Lực dính đơn vị (c) 6 6 5,4 13 1 KN/m2 Góc ma sát trong ( ) 3 8 39,3 9 31 độ Chỉ số nén lún (Cc) 0,33 0,0715 0,19 0,33 Hệ số rỗng ban đầu (eo) 1,518 0,95 0,09 0,95 2 Hệ số cố kết (Ch = 2Cv) 0,01 0,016 0,017 0,0178 m /ngày đêm 63
  63. 5.2. Phạm vi nghiên cứu của bài toán gia cố nền đất yếu bằng cọc cát ở khu vực Hải Phòng. Đối t•ợng nghiên cứu là khu vực có nền đầt yếu khá phức tạp và chịu tác dụng của các dạng tải trọng khác nhau. Do vậy việc nghiên cứu giải pháp cọc cát trong việc xử lý nền đất yếu của khu vực Hải Phòng để đáp ứng đ•ợc đầy đủ các yêu cầu thực tế là khó thực hiện đ•ợc, nên trong phạm vị nội dung đề tài luận văn chỉ tập trung vào bài toán nghiên cứu đánh giá khả năng xử lý nền đầt yếu của giải pháp cọc cát đối với 3 dạng nền tiêu biểu có đặc điểm địa chất nh• bảng 5.1. và hình 5.1, trong tr•ờng hợp điển hình nhất và phổ biến nhất là nền đất chịu tải trọng phân bố điều trên diện tích chịu tải. 0m 0m 0m Sét pha, mầu xám, 1 xám nâu, xám đen. 3 (ambQ 2 tb2) 2,5m Bùn sét pha, mầu xám, Bùn sét pha, mầu xám, Bùn sét pha, mầu xám, 3 2 (amQ tb1) 2 3 2 (amQ2 tb1) 2 3 (amQ tb1) 2 7,5m 8m 11m Sét pha, mầu xám, Sét pha, mầu xám, 4 xám nâu, xám đen. xám nâu, xám đen. Sét pha, mầu xám, 1-2 4 (bmQ hh1) 1-2 3 xám nâu, xám vàng. 2 (bmQ2 hh1) 1-2 (mQ 2 hh2) 18m 20m 17m Cấu trúc Dạng I Cấu trúc Dạng II Cấu trúc Dạng III Hình 5.1. Các mặt căt địa chất tiêu biểu cho dạng nền I, II, III ở khu vực Hải Phòng. Tải trọng phân bố đều trong bài toán đ•ợc mô hình hoá bởi một khối đất đắp cao 5 m cộng với 1m đệm công tác hạt thô là P = 6 m x 20 KN/m3 = 120 KN/m3 nh• chỉ ra trên hình 5.2. 64
  64. Đất đắp, KN/m2 6m 1m Đệm công tác hạt thô , KN/m2 MNN 2,5m 1 Bùn sét 5m 2 Sét pha 8,5m 4 Sét pha Hình 5.2. Mô hình nền đất yếu dạng II ch•a gia c•ờng chịu tác dụng của tải trọng. 5.3. Ph•ơng pháp tính tay 5.3.1. Tính tổng độ lún 1. Nền đất yếu nhiều lớp ch•a đ•ợc gia cố bằng cọc cát d•ới tác dụng của tải trọng công trình. Tiêu biểu cho việc tính toán thiết kế giải pháp gia cố của ba dạng nền phân bố phổ biến nhất ở khu vực Hải Phòng đó là dạng nền II với cấu trúc nền đất tạo bởi ba lớp yếu khác nh• hình 5.2, chịu tải trọng của khối đất đắp. Tổng độ lún cuối cùng của nền đất yếu d•ới tải trọng phân bố đều của khối đất đắp phía trên đ•ợc xác định theo công thức S = Si + Sc + Ss (5.1) Trong đó: S : tổng độ lún ổn định cuối cùng, m,( mm). Si: độ lún tức thời, m, (mm). Sc: độ lún cố kết ban đầu, m, (mm). 65
  65. Ss: độ lún thứ cấp; m, (mm). Hiện nay có nhiều ph•ơng pháp tính tổng độ lún S cũng nh• các trị số độ lún thành phần (S , Sc, Ss) nh• ph•ơng pháp cộng lớp, ph•ơng pháp lớp đất t•ơng đ•ơng, ph•ơng pháp cân bằng, ph•ơng pháp phần từ hữu hạn. D•ới đây tác giả luận văn xin trình bầy một trong số ph•ơng pháp tính toán nói trên đó là ph•ơng pháp cộng lớp t•ơng đ•ơng và ph•ơng pháp cân bằng để xác định tổng độ lún cuối cùng của nền đất yếu d•ới tải trọng khối đất đắp phía trên. Để thuận lợi cho việc kiểm chứng các kết quả giữa hai ph•ơng pháp tính tay và tính máy có sự hỗ trợ của phần mềm Plaxis tác giả luận văn sử dung mô hính hoá trụ tròn đơn vị đất để tính. Giả thiết trụ tròn có đ•ờng kính B = 2b = 1,9m. Chịu tải trọng phân bố đều là p = 120 KN/ m2. Khi đó ta có sơ đồ ứng suất nh• hình 5.3. Tổng độ lún của nền ba lớp đ•ợc tính toán theo công thức (5.1) các trị số độ lún thành phần đ•ợc xác định nh• sau: a. Độ lún tức thời Theo ph•ơng pháp gần đúng của Janbu cải tiến, ta có : P * B Si = 0* 1 * (5.2) Es Trong đó: 0: là hệ số ảnh h•ởng đối với độ sâu chôn móng so với bề dày mặt đất (D); ở đây: D/B = 0 nên ta có 0 = 1,0. 1: là hệ số ảnh h•ởng đối với hình dạng móng, bài toán đang xét có tiết diện móng hình tròn, và H/B = 16/1,9 = 8,4 nên ta đ•ợc 1 = 0,57. n Eoi hi * n E S = n hi 1 2714*2,5 1622*5 2148*2,5 E * = = 2027 KN/m2 S 2,5 5 2,5 66
  66. B = 2Re =1,9m 2 P = 120 KN/m MNN , 2 1m o(1) c(o) = 120 KN/m 2,5m , 1m o(2) , 1m o(3) , 1m o(4) , 1m o(5) 5m , 1m o(6) C , 1m o(7) , 1m o(8) 1m o(9) C(i) 2,5m , 1m o(10) o C Hình 5.3. Sơ đố tính toán tổng độ lún của nền đất yếu nhiều lớp theo ph•ơng pháp cân bằng. Thay các trị số tìm đ•ợc vào ph•ơng trình (5.2) ta nhận đ•ợc : 120*1,9 S = 1,0 * 0,57 * = 0,064m 1 2027 Vậy Si = 0,063m b. Độ lún cố kết ban đầu (Sc) Theo ph•ơng pháp cân bằng, ta có: n Si = ei * H i ( 5.3) 1 Trong đó: * Cci oi ci ei = log (5.4) 1 eoi oi 67
  67. Hi: chiều dày từng lớp đất phân tố, trong tr•ờng hợp bài toán này lấy Hi = 1m. 'oi: ứng suất hữu hiệu tầng phủ ở giữa từng lớp đất phân tố đã chia; Kết qủa tính độ lún cố kết ban đầu (Sc) đ•ợc lập thành bảng d•ới đây (xem bảng 5.2) Ghi chú: n Cci * hi Cc n = 0,24 1 hi 1 n e0i *hi 1 e0 n = 1,25 hi 1 C 0,24 c = = 0,129 1 eo 1 1,25 Kết qủa tính toán độ lún cố kết ban đầu trình bày trong bảng sau: Bảng 5.2. Kết qủa tính toán độ lún cố kết ban đầu của nền có cấu trúc dạng II ch•a đ•ợc gia cố bằng cọc cát. 2 2 * n Lớp thứ (i) H (m) oi (KN/m ) ci(KN/ m ) ei * Sc = ei H i 1 1 1 4 107,9 0,187 0,187 2 1 12 47,6 0,090 0,090 3 1 20 22,0 0,042 0,042 4 1 26 12,1 0,021 0,021 5 1 32 7,6 0,012 0,012 6 1 38 5,2 0,007 0,007 7 1 44 3,7 0,005 0,005 8 1 50 2,8 0,003 0,003 9 1 57 2,2 0,002 0,002 10 1 64 1,8 0,002 0,002 Tổng cộng : Sc = 0,37m 68
  68. c. Độ lún thứ cấp (Ss) Giả sử Ss = 0,25 x Sc = 0,25 x 0,37 = 0,093 m. Vậy độ lún của nền tạo bởi 3 lớp đất yếu d•ới tác dụng của tải trọng 120 KN/ m2 do khối đất đắp phía trên gây ra là: S = 0,064 + 0,37 + 0,093 = 0,52m Vậy tổng độ lún là: S = 520 mm 2. Nến đất yếu nhiều lớp đ•ợc gia cố bằng cọc cát Giả thiết các cọc cát gia c•ờng nền đất yếu đ•ợc bố trí theo sơ đồ tam giác đều, tỉ số diện tích thay thế as = 0,1 0,45, tỉ số giữa chiều dài cọc cát với đ•ờng kính của nó L/D = 5 20. 2 Vật liệu cát làm cọc có tính chất nh• bảng 5.1. Với E0 = 20000 KN/m Do khối l•ợng tính toán lớn, nên trong luận văn này, tác giả đi vào tính toán cụ thể tr•ờng hợp gia c•ờng ba dạng nền đất yếu (dạng I, dạng II, dạng III), bằng giải pháp cọc cát với giá trị as = 0,1, L = 10m, L/D = 20 Trong đó chỉ trình bày chi tiết các b•ớc tính toán cho tr•ờng hợp nền không đồng nhất 3 lớp (dạng II). 2 Ta có: as = 0,907(D/S) 2 as = 0,907(0,6/1,8) = 0,1 De = 1,05.S = 1,05 x1,8m = 1,9m Rê = 0,95m Sơ đồ trụ đơn vị và mặt bằng bố trí ba cọc cát theo hình tam giác đều nh• chỉ ra trên hình 5.4. 69
  69. S Khớp giả định C Cọc cát L Đất 0,866S Nền cứng S D De (a) Mặt cắt trụ đơn vị (b) Mặt bằng ba cọc cát bố trí theo tam giác đều Hình 5.4. Sơ đồ trụ đơn vị (a) và mặt bằng bố trí ba cọc cát theo tam giác đều (b). a. Tính hệ số tập trung ứng suất Ta có Môđun đàn hồi E C của nền đất là: n Ei 1 2 E C 2274KN/m n E 20000 Vậy có tỷ số S = = 9 EC 2274 E Theo mối t•ơng quan giữa n và tỉ số S ở hình 4.15 ta tìm đ•ợc n = 2,4 EC Hệ số giảm ứng suất trong đất sét yếu bao quanh cọc cát ( C) đ•ợc tính 1 1 C 0,87 1 n 1 aS 1 2,4 1 0,1 b. Tính độ lún cố kết ban đầu Độ lún cố kết ban đầu của nền đất yếu đã gia c•ờng bằng cọc cát d•ới tác dụng của khối đắp bên trên có giá trị P = 120 KN/m2 đ•ợc tính theo công thức (4.21) hoặc (4.22), kết quả đ•ợc lập thành bảng sau: 70
  70. Bảng 5.3. Kết quả tính toán độ lún cố kết ban đầu cho nền có cấu trúc dạng II đã gia cố bằng cọc cát n Lớp thứ o(i) c(i) C * c(i) * Hi(m) 2 2 2 ei SC = ei * H i i (KN/m ) (KN/m ) (KN/m ) 1 1. 1 4 107,9 94,6 0,18 0,18 2. 1 12 47,6 41,8 0,084 0,084 3. 1 20 22,0 19,3 0,038 0,038 4. 1 26 12,1 14,6 0,019 0,019 5. 1 32 7,6 6,7 0,011 0,011 6. 1 38 5,2 4,5 0,006 0,006 7. 1 44 3,7 3,3 0,004 0,004 8. 1 50 2,8 2,5 0,003 0,003 9. 1 57 2,2 1,9 0,002 0,002 10. 1 64 1,8 1,6 0,001 0,001 t Tổng cộng : S c = 0,35m 5.3.2. Tính toán tốc độ lún cố kết ban đầu theo thời gian 1. Tính toán hệ số cố kết ngang và đứng - Tính toán hệ số cố kết trung bình theo ph•ơng ngang (Ch ) n 2 hi * Ch i 1 C h n (5.5) 2 hi 1 2 2 2 2,5 0,016 5 0,01 2,5 0,017 Hay: C h 2,5 2 5 2 2,5 2 2 C h = 0,014 (m /ngày đêm) - Tính toán hệ số cố kết trung bình theo ph•ơng đứng C V n 2 h i 1 = 2 (5.6) n h i 1 Cvi 71
  71. Theo điều kiện bài toán ta có: C C = 2C C = hi hi vi vi 2 C h 0,014 Thay số C = 0,007 (m2/ngày đêm) V 2 2 - Tổng mức độ cố kết trung bình theo ph•ơng ngang và ph•ơng đứng (U) đ•ợc xác định theo công thức (3.11) nh• sau: U = 1 - (1 - Uh)(1 - Uv) (5.7) Trong đó: Uh: mức độ cố kết theo ph•ơng ngang, đ•ợc xác định: 8T U = 1 - exp h (5.8) h F(n) Ch Th = 2 .t Dc Các cọc cát đ•ợc bố trí theo sơ đồ tam giác đều với khoảng cách cọc là: S = 1,9m Ta có De = 1,05 *S = 1,05 *1,8 = 1,9m Xét thời gian cố kết t = 90 ngày đêm khi đó ta có: 0,014 * 90 Th = 0,35 1,9 2 F(n): hệ số Barron n2 3n2 1 F(n) = ln(n) n2 1 4n2 32 3.32 1 F(3) ln(3) 32 1 4.32 F(3) = 0,51 Thay giá trị F(3) vừa tìm đ•ợc vào công thức (5.8) ta nhận đ•ợc: 8 0,35 U = 1 - exp h 0,51 Uh = 1 - exp (-55) = 0,99 Uh = 0,99 + Uv : là mức độ cố kết theo ph•ơng đứng 72
  72. 2 U = 1 - exp M2T v M2 v 2m 1 ở đây: M = (m là một số nguyên) 2 Tv : là hệ số không thứ nguyên theo ph•ơng đứng C v 0,007 Tv = t hay Tv = .90 0,0044 H 2 12 2 Với Tv= 0,0044 tra bảng ta đ•ợc Uv = 10% = 0,1 Thay các giá trị Uh = 0,99 và Uv = 0,1 vào công thức (5.7) ta đ•ợc: U = 1 - (1 - 0,99)(1 - 0,1) = 1 100% 2. Tính tốc độ lún cố kết ban đấu - Tốc độ lún cố kết ban đầu sau t = 90 ngày đêm của nền đất yếu tr•ớc khi gia c•ờng là: 0 St = SC* Uv = 0,37 * 0,1 = 0,037m - Tốc độ lún cố kết ban đầu sau t = 90 ngày đêm của nền đất yếu sau khi gia c•ờng là: t St = Sc * U = 0,35 * 1 = 0,35 (m) Nh• vậy qua tính toán cho thấy nền đất sau khi đ•ợc gia cố bằng cọc cát và có nén với tải trọng P = 120KN/m2 t•ơng ứng với một khối đất cao 6m với = 20KN/m3 thì trong khoảng thời gian 90 ngày đêm (3 tháng) đã cố kết xong với U = 100%. 5.3.3. Độ lún thứ cấp SS của nền đất đã gia c•ờng bằng cọc cát áp dụng công thức (4.25), ta có: t2 SS = C H . log10 t1 Trong đó: C = 0,005 t H = H - Sc = 10 - 0,35 = 9,65m t1: thời gian bắt đầu lún thứ cấp (thời gian đạt độ lún cố kết đ•ợc 90%), t1= 90 ngày đêm. 73
  73. t2: thời gian xảy ra độ lún thứ cấp, giả thiết kéo dài 10 năm. Vậy độ lún thứ cấp sau 10 năm (t2 = 10 x 365 ngày đêm) 10*365 SS = (0,005)*(9,65)*log10 = 0,093m 90 Vậy tổng độ lún của nền đã gia cố bằng cọc cát sau 10 năm là: t S = Ss + Sc = 0,093 + 0,35 = 0,43m 5.3.4. Trị số gia tăng độ bền của nền đất sau khi gia c•ờng bằng cọc cát Trị số gia c•ờng độ bền cắt theo thời gian ( Ct) do quá trình cố kết của đất nền sau khi đ•ợc gia c•ờng bằng cọc cát đ•ợc tính theo công thức: C Ct = K1 ( * c) (U) = * c (U) Kết qủa tính toán với từng lớp có chiều dầy 1m và lập thành bảng d•ới đây: Bảng 5.4. Kết quả đ•ợc tính toán trị số gia tăng độ bền cắt do quá trình cố kết của nền đất yếu có cấu trúc dạng II sau thời gian t = 90 ngày đêm. Lớp Hi C o(i) c(i) C * c(i) 2 2 2 2 U thứ i (m) (KN/m ) (KN/m ) (KN/m ) (KN/m ) C90 1. 1 6 4 107,9 94,6 0,95 134,8 2. 1 6 12 47,6 41,8 0,95 19,8 3. 1 6 20 22,0 19,3 0,95 5,5 4. 1 6 26 12,1 10,6 0,95 2,3 5. 1 6 32 7,6 6,7 0,95 1,2 6. 1 6 38 5,2 4,5 0,95 0,7 7. 1 6 44 3,7 3,3 0,95 0,4 8. 1 6 50 2,8 2,5 0,95 0,3 9. 1 5,4 57 2,2 1,9 0,95 0,2 10. 1 5,4 64 1,8 1,6 0,95 0,1 Qua tính toán trị số gia tăng độ bền cắt ta thấy độ bền cắt của nền đất chỉ tăng trong phạm vi tính từ mặt đất đến độ sâu 8,5m, đây cũng là độ sâu làm việc có hiệu quả của cọc cát. 74
  74. 5.3.5. Kết quả tính toán Qua quá trình tính toán đối với giải pháp cọc cát trong việc gia cố nền đất yếu có cấu trúc thuộc dạng II ở khu vực Hải Phòng cho các kết quả thể hiện trong bảng 5.5, nh• sau: Bảng 5.5. Tốc độ cố kết của nềncoc cấu trúc dạng II tr•ớc và sau khi gia cố bằng cọc cát. Thời gian cố kết Nền ch•a gia cố cọc cát Nền đã gia cố bằng cọc cát t (ngày đêm) Độ cố kết U% Độ cố kết U% 90 10 95 200 12 1000 25 2000 35 3650 48 7300 65 ( Bắt đầu từ t = 90 90 t = từ đầu Bắt ( 14600 85 cấp lúnthứ đọan Giai đến t = 3650 ngày đêm ) đêm ngày 3650 = t đến 18250 95 Độ lún cố kết ban đấu 0,37m 0,35m Tổng độ lún 0,53m 0,43m 5.4. Ph•ơng pháp tính có sự hỗ trợ phần mềm plaxis 5.4.1. Các b•ớc tiến hành của phần mềm plaxis Đây là phần mềm đ•ợc cung cấp bởi hãng phần mềm của Công ty Koxhiyoki Kabuto - Nhật Bản. Phần mềm này đã đ•ợc đánh giá có chất l•ợng qua rất nhiều công trình trên toàn thế giới. Các kết quả do phần mềm này tạo ra khá phù hợp với các kết quả kiểm nghiệm bằng mô hình thực tế. Những thông tin về phần mềm này có thể tham khảo trực tuyến tại trang web www.plaxis.com 75