Tài liệu Luận văn nghiên cứu ứng xử của nền đất yếu được gia cố bằng trụ đất xi măng kết hợp vải địa kỹ thuật dưới nền đường đắp cao tại huyện cai lậy, tỉnh tiền giang

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN BÙI HỮU HIỆP NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA NỀN ĐẤT YẾU ĐƯỢC GIA CỐ BẰNG TRỤ ĐẤT XI MĂNG KẾT HỢP VẢI ĐỊA KỸ THUẬT DƯỚI NỀN ĐƯỜNG ĐẮP CAO TẠI HUYỆN CAI LẬY - TỈNH TIỀN GIANG RESEARCH ON THE BEHAVIOR OF SOFT GROUND REINFORCED BY CEMENT SOIL PILLARS COMBINED WITH GEOTEXTILE UNDER HIGH FOUNDATION IN CAI LAY DISTRICT - TIEN GIANG PROVINCE LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG LONG AN, NĂM 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN BÙI HỮU HIỆP NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA NỀN ĐẤT YẾU ĐƯỢC GIA CỐ BẰNG TRỤ ĐẤT XI MĂNG KẾT HỢP VẢI ĐỊA KỸ THUẬT DƯỚI NỀN ĐƯỜNG ĐẮP CAO TẠI HUYỆN CAI LẬY - TỈNH TIỀN GIANG RESEARCH ON THE BEHAVIOR OF SOFT GROUND REINFORCED BY CEMENT SOIL PILLARS COMBINED WITH GEOTEXTILE UNDER HIGH FOUNDATION IN CAI LAY DISTRICT - TIEN GIANG PROVINCE LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN NGỌC PHÚC LONG AN, NĂM 2020 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, và kết quả trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong các tạp chí khoa học và công trình nào khác. Các thông tin số liệu trong luận văn này đều có nguồn gốc và được ghi chú rõ ràng./. Tác giả Bùi Hữu Hiệp ii LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập, nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu ứng xử của nền đất yếu được gia cố bằng trụ đất xi măng kết hợp vải địa kỹ thuật dưới nền đường đắp cao tại huyện Cai Lậy, tỉnh Tiền Giang” tôi đã nhận được sự giúp đỡ, chỉ bảo nhiệt tình của thầy, cô giáo Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An và các bạn học viên Cao học để hoàn thành luận văn này. Trước tiên, tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành đến thầy Tiến sĩ Nguyễn Ngọc Phúc, người thầy đã nhiệt tình hướng dẫn, tận tâm giúp đỡ tôi về các kiến thức, tài liệu, phương pháp trong suốt quá trình thực hiện luận văn thạc sĩ này. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng QLĐT-Tuyển sinh, Phòng Sau đại học và Quan hệ quốc tế, quý thầy cô giáo đã tham gia quản lý, giảng dạy tại trường Đại học Kinh tế và Công nghiệp Long An đã quan tâm và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành khóa học. Sau cùng, tôi xin gửi lời tri ân đến gia đình, các bạn học viên Cao học Khóa 8 và tất cả những người thân, bạn bè, đồng nghiệp đã động viên, khích lệ và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Mặc dù đã có nhiều cố gắng trong suốt quá trình thực hiện đề tài, song có thể còn có những mặt hạn chế, thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được ý kiến đóng góp và sự chỉ dẫn của các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp. Tác giả Bùi Hữu Hiệp iii NỘI DUNG TÓM TẮT Công trình trên nền đất yếu thường phải đối mặt với nhiều vấn đề như lún ổn định, bù lún. Việc xử lý nền đất yếu nhằm mục đích làm tăng độ ổn định, giảm độ lún nền đường; giảm độ lún lệch giữa nền đường và mố cầu; đảm bảo yêu cầu sử dụng bình thường trong quá trình khai thác. Trong nhiều giải pháp xử lý nền đất yếu phổ biến như: trụ đất xi măng; giếng cát hoặc bấc thấm kết hợp gia tải trước; bơm hút chân không.v.v.. thì giải pháp xử lý nền đất yếu bằng trụ đất xi măng đã được nghiên cứu ứng dụng nhiều do giải pháp xử lý nền này có thời gian thi công nhanh, mặt bằng thi công nhỏ, thiết bị thi công đơn giản, tiết kiệm vật liệu san lấp ngày càng khan hiếm ở địa phương. Việc xây dựng công trình đắp trên nền đất yếu thường sử dụng phương pháp đào bỏ thay thế đất nền hoặc xử lý gia cố nền đất yếu bằng nhiều giải pháp trong đó có gia cố bằng trụ đất xi măng kết hợp với vải địa kỹ thuật. Luận văn nghiên cứu giải pháp gia cố nền đất yếu để rút ngắn thời gian thi công và hạn chế lượng tài nguyên đắp bù lún rất cần thiết. Thực hiện đề tài này còn nhằm tìm ra giải pháp gia cố nền đất yếu nêu trên trong điều kiện địa chất tỉnh Tiền Giang nói chung và của huyện Cai Lậy, tỉnh Tiền Giang nói riêng. iv ABSTRACT RESEARCH ON THE BEHAVIOR OF SOFT GROUND REINFORCED BY CEMENT SOIL PILLARS COMBINED WITH GEOTEXTILE UNDER HIGH FOUNDATION IN CAI LAY DISTRICT - TIEN GIANG PROVINCE Buildings on soft ground face problems such as stable settlement and soil compensation. Soil improvement aims at increasing the stability and reducing the settlement of the roadbed, reducing the settlement deviation between the roadbed and bridge abutment and ensuring the normal usage requirements. Among popular solutions for soil improvement such as: cement pillars, sand wells or absorbent wicks combined with preloading, vacuum pump, etc., the solution to treat soft ground with cement pillars has been studied and applied a lot because this ground treatment solution can shorten the construction time, apply for small construction sites, with simple construction equipment and save filling construction materials. Structures on soft soil are built by excavation method to replace the ground or improve the ground by different solutions including reinforcement with cement pillars combining with geotextiles. The thesis researches the solutions to reinforce soft soil in order to shorten construction time and limit the amount of filling materials for settlement compensation. This research also aims to find out the solutions in geological conditions of Tien Giang province in general and Cai Lay district, Tien Giang province in particular. v MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH, ĐỒ THỊ VÀ HÌNH VẼ .......................................................... viii DANH MỤC BẢNG BIỂU .......................................................................................... xi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT ................................................... xii PHẦN MỞ ĐẨU ............................................................................................................ 1 1. Sự cần thiết của đề tài ............................................................................................. 1 2. Mục đích nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ............................. 2 3. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................ 2 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .......................................................................... 2 5. Cấu trúc của luận văn.............................................................................................. 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ GIA CỐ ĐẤT YẾU BẰNG TRỤ ĐẤT XIMĂNG .......................................................................................................... 4 1.1. Khái niệm ............................................................................................................ 4 1.1.1. Sơ lược về lịch sử phát triển của trụ đất xi măng ......................................... 4 1.1.2. Nguyên tắc gia cố đất nền bằng trụ đất xi măng .......................................... 7 1.1.3. Công nghệ thi công....................................................................................... 8 1.2. Giải pháp gia cố đất yếu nền đường .................................................................. 11 1.2.1. Đặc điểm chung của nền đường ................................................................. 11 1.2.2. Giải pháp gia cố nền đất yếu ...................................................................... 12 1.3. Các dạng bố trí trụ đất xi măng ......................................................................... 13 1.4. Ứng dụng của trụ đất xi măng ........................................................................... 14 1.5 Nhận xét chương ................................................................................................. 15 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TÍNH TOÁN TRỤ ĐẤT XI MĂNG TRONG XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU .............................................................................. 16 2.1. Các quan điểm và cơ sở tính toán ...................................................................... 16 2.1.1. Hiệu ứng vòm trong đất .............................................................................. 17 2.1.2. Các thông số diễn tả sự phân bố ứng suất .................................................. 20 2.1.3. Các phương pháp giải tích tính hệ số SRR ................................................ 23 2.1.4. Đánh giá các phương pháp ......................................................................... 26 2.2. Sự lún giữa trụ và đất yếu trong nền đất gia cố trụ đất xi măng ........................ 27 vi 2.2.1. Phương pháp tính toán theo quan điểm trụ đất xi măng làm việc như trụ cứng ...................................................................................................................... 28 2.2.2. Phương pháp tính toán theo tiêu chuẩn gia cố trụ đất xi măng Việt Nam...29 2.2.3. Phương pháp tính toán theo quan điểm hỗn hợp của viện kỹ thuật Châu Á (AIT) ................................................................................................................. 34 2.2.4. Phương pháp tính toán theo tiêu chuẩn Châu Âu ....................................... 37 2.2.5. Phương pháp tính theo tiêu chuẩn Thượng Hải – Trung Quốc .................. 39 2.2.6. Phương pháp tính theo tiêu chuẩn Nhật Bản .............................................. 40 2.3. Nhận xét chương ................................................................................................ 41 CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN ........................................................................................................ 43 3.1. Giới thiệu phương pháp phần tử hữu hạn .......................................................... 43 3.1.1. Phương pháp vi phân .................................................................................. 43 3.1.2. Phương pháp tích phân ............................................................................... 43 3.1.3. Phương pháp phần tử rời rạc ...................................................................... 43 3.1.4. Trình tự phân tích bài toán theo phương pháp Phần tử hữu hạn ................ 44 3.2. Giới thiệu phần mềm Plaxis thường dùng để giải các bài toán địa kỹ thuật hiện nay ..................................................................................................................... 45 3.3. Các mô hình đất nền trong Plaxis ...................................................................... 51 3.3.1. Mô hình Mohr-Coulomb ............................................................................ 51 3.3.2. Mô hình Hardening Soil ............................................................................. 55 3.4. Phân tích và tính toán đối với nền dưới công trình đắp cao .............................. 58 3.4.1. Điều kiện địa chất huyện Cai Lậy – tỉnh Tiền Giang ................................. 58 3.4.2. Cấu tạo địa chất .......................................................................................... 58 3.4.3. Mô hình tính toán trong Plaxis ................................................................... 61 3.4.4. Trường hợp nền đất chưa có giải pháp gia cố ............................................ 62 3.4.5. Trường hợp nền đất được gia cố bằng hệ trụ đất xi măng kết hợp với vải địa kỹ thuật ........................................................................................................... 68 3.5. Nhận xét chương ................................................................................................ 79 PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................ 80 vii 1. Kết luận ................................................................................................................. 80 2. Kiến nghị............................................................................................................... 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 81 viii DANH MỤC HÌNH, ĐỒ THỊ VÀ HÌNH VẼ Hình 1.1 Công nghệ thi công trụ đất xi măng ................................................................. 7 Hình 1.2 Máy trộn khô dưới sâu ..................................................................................... 9 Hình 1.3 Cánh trộn theo phương pháp trộn khô (SGF 2000) ......................................... 9 Hình 1.4 Thiết bị khoan ................................................................................................ 10 Hình 1.5 Cánh trộn theo phương pháp trộn ướt ............................................................ 11 Hình 1.6 Bố trí trụ trộn khô ........................................................................................... 13 Hình 1.7 Bố trí trụ trùng nhau theo khối ....................................................................... 13 Hình 1.8 Bố trí trụ trộn ướt trên cạn ............................................................................. 13 Hình 1.9 Bố trí trụ trên biển .......................................................................................... 14 Hình 1.10 Bố trí trùng nhau trộn ướt ............................................................................ 14 Hình 1.11 Các ứng dụng trộn sâu (Terashi, 1997) ...................................................... 14 Hình 2.1 Mô hình nền đất yếu được gia cố trụ đất xi măng ......................................... 18 Hình 2.2a Bản chất của hiệu ứng vòm .......................................................................... 19 Hình 2.2b Kết quả của hiệu ứng vòm ........................................................................... 19 Hình 2.3 Sự phân bố ứng suất trong nền được gia cố trụ đất xi măng ......................... 20 Hình 2.4 Mô hình hiệu quả vòm của Kempfert (2003) ................................................. 22 Hình 2.5 Biểu đồ thể hiện kết quả tính toán SRR của các phương pháp ...................... 26 Hình 2.6 Biểu đồ thể hiện các phương pháp có kết quả xấp xỉ nhau ........................... 26 Hình 2.7 Kết quả nghiên cứu về SRR của Naughton (2007) ........................................ 27 Hình 2.8 Lún giữa trụ và đất xung quanh ..................................................................... 27 Hình 2.9 Mô hình quy đổi nền tương đương ................................................................ 29 Hình 2.10 . Lực dọc trục của trụ trong vùng chủ động tăng sức kháng cắt và kháng uốn, Trong vùng bị động trụ có thể bị nứt do chịu kéo......................................................... 30 Hình 2.11 Tính lún nền gia cố khi tải trọng tác dụng chưa vượt quá sức chịu tải cho phép của vật liệu trụ ...................................................................................................... 33 Hình 2.12 Sơ đồ bố trí trụ đất xi măng ......................................................................... 36 Hình 3.1 Các phương pháp giải gần đúng các phương trình vi phân và các chương trình tính số tương ứng .................................................................................................. 44 Hình 3.2 Quan hệ cơ bản giữa ứng suất và biến dạng .................................................. 45 Hình 3.3 Lưới biến dạng của mô hình 3-D trong PLAXIS FOUNDATION ............... 47 ix Hình 3.4 Mô hình chia lưới phần tử và bố trí cột trong Plaxis FOUNDATION .......... 48 Hình 3.5 Mô hình bố trí các cột đất xi măng và mũ cột trong Plaxis FOUNDATION 48 Hình 3.6 Biểu đồ so sánh SRR cho 2 trường hợp có và không có mũ ......................... 49 Hình 3.7 Quan hệ giữa bề rộng mũ d và SRR ............................................................... 49 Hình 3.8 Ảnh hưởng của modul đàn hồi đất đắp đến SRR ........................................... 50 Hình 3.9 Ảnh hưởng của modul đàn hồi cột đến SRR.................................................. 50 Hình 3.10 Quan hệ cơ bản giữa ứng suất và biến dạng ................................................ 52 Hình 3.11 Xác dịnh Eref từ thí nghiệm 3 trục cố kết thoát nước ................................... 54 Hình 3.12 Xác định Eoed từ thí nghiệm nén cố kết ........................................................ 54 Hình 3.13 Xác định Erefoed từ thí nghiệm nén cố ........................................................... 56 Hình 3.14 Mối quan hệ Hyperpolic giữa biến dạng và ứng suất dọc trọc trong thí nghiệm nén ba trục thoát nước ...................................................................................... 57 Hình 3.15 Vùng đàn hồi của mô hình Hardening Soil trong không gian ứng suất chính .............................................................................................................................. 58 Hình 3.16 Hình trụ hố khoan......................................................................................... 60 Hình 3.17 Mặt cắt ngang của nền đường đắp trên đất yếu ........................................... 61 Hình 3.18 Sơ đồ tính toán nền đất yếu chưa được gia cố ............................................. 62 Hình 3.19 Mô hình PTHH nền đất yếu chưa được gia cố ............................................. 62 Hình 3.20 Lưới phần tử hữu hạn ................................................................................... 66 Hình 3.21 Áp lực nước lỗ rỗng ban đầu ........................................................................ 66 Hình 3.22 Ứng suất hữu hiệu ban đầu trong nền đất .................................................... 67 Hình 3.23 Quá trình tính toán ....................................................................................... 67 Hình 3.24 Chuyển vị của nền đất yếu sau khi đắp lớp 3 ............................................... 68 Hình 3.25 Sơ đồ tính toán nền đất yếu được gia cố bằng trụ đất xi măng kết hợp vải địa kỹ thuật .................................................................................................................... 68 Hình 3.26 Mô hình PTHH nền đất yếu được gia cố bằng trụ đất xi măng kết hợp với vải địa kỹ thuật .............................................................................................................. 69 Hình 3.27 Mô hình PTHH nền đất yếu được gia cố - Phương án 1 .............................. 69 Hình 3.28 Mô hình PTHH nền đất yếu được gia cố - Phương án 2 .............................. 70 Hình 3.29 Mô hình PTHH nền đất yếu được gia cố - Phương án 3 .............................. 70 Hình 3.30 Lưới phần tử hữu hạn ................................................................................... 71 x Hình 3.31 Áp lực nước lỗ rỗng ban đầu ........................................................................ 72 Hình 3.31 Ứng suất hữu hiệu ban đầu trong nền đất khi chưa sử dụng trụ đất xi măng ............................................................................................................................. 72 Hình 3.33 Phase 1 - Thi công trụ đất xi măng .............................................................. 73 Hình 3.34 Phase 3 - Thi công nền đường lớp 1 ............................................................ 73 Hình 3.35 Phase 6 - Thi công nền đường lớp 2 ............................................................ 73 Hình 3.36 Phase 9 - Thi công nền đường lớp 3 ............................................................ 74 Hình 3.37 Phase 12 - Thi công nền đường lớp 4 .......................................................... 74 Hình 3.38 Phase 15 - Thi công nền đường lớp 5 .......................................................... 74 Hình 3.39 Phase 17 – Chất tải phân bố 20kN/m2.......................................................... 75 Hình 3.40 Quá trình tính toán ....................................................................................... 75 Hình 3.41 Chuyển vị của nền đất yếu được gia cố sau 140 ngày ................................. 76 Hình 3.42 Chuyển vị theo phương ngang của nền đất yếu được gia cố ....................... 76 Hình 3.43 Chuyển vị theo phương đứng của nền đất yếu được gia cố ......................... 77 Hình 3.44 Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư ...................................................................... 77 Hình 3.45 Sự phân bố ứng suất hữu hiệu trong nền đất yếu được gia cố ..................... 78 Hình 3.46 Sự phân bố ứng suất tổng trong nền đất yếu được gia cố ............................ 78 Hình 3.47 Hệ số ổn định của nền đất yếu được gia cố .................................................. 79 xi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Bảng tổng hợp kết quả tính toán của các phương pháp ................................. 25 Bảng 3.1 Thông số và mô hình vật liệu ........................................................................ 47 Bảng 3.2 Đặc trưng chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất ........................................................ 59 Bảng 3.3 Thông số các lớp đất trong mô hình Plaxis ................................................... 63 Bảng 3.4 Thông số trụ đất xi măng trong mô hình Plaxis ............................................ 63 Bảng 3.5 Các giai đoạn tính toán .................................................................................. 65 Bảng 3.6 Các giai đoạn tính toán .................................................................................. 70 xii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT BEM Boundary Element Method BTCT Bê tông cốt thép DDA Discontinuos Deformation Analysis DEM Distinct Element Method DJM Dry Jet Mixing DMM Depp Mixing Method ĐBSCL Đồng bằng sông Cửu Long ĐKT Địa kỹ thuật FDM Finite Difference Method FEM Finite Element Method MIP Mixed in Place PTHH Phần tử hữu hạn PWRI Public Works Research Institute SRR Hệ số giảm ứng suất tác dụng lên đất yếu TP. HCM Thành Phố Hồ Chí Minh VĐKT Vải địa kỹ thuật XM Xi măng 1 PHẦN MỞ ĐẦU 1. Sự cần thiết của đề tài Cùng với sự phát triển của đất Nước, chúng ta xây dựng rất nhiều công trình ngày càng cao hơn, sâu hơn, lớn hơn và nặng hơn. Song song đó là nhu cầu xây dựng hệ thống đường giao thông nhằm phục vụ sự nghiệp phát triển kinh tế - xã hội, ngày càng cấp thiết và đặc điểm cấu tạo địa chất vùng Đồng Bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) nói chung, huyện Cai Lậy tỉnh Tiền giang nói riêng, việc xây dựng công trình đắp trên nền đất yếu là vấn đề thường xuyên gặp phải. Thực tế, do điều kiện địa chất cũng như diện tích lãnh thổ bắt buộc chúng ta phải xây dựng những công trình trên đất yếu, công trình lấn biển. Hàng loạt các phương thức xây dựng nền móng, xử lý đất yếu mới được đưa vào Việt Nam trong những thập niên vừa qua như: cọc Barrette, cọc nhồi đường kính lớn, gia tải kết hợp với bấc thấm - vải địa kỹ thuật, hút chân không, cọc cát, trụ đất xi măng…Tuy nhiên, việc xây dựng công trình trên nền đất yếu đã gặp không ít khó khăn trong công tác xử lý đất yếu. Một số biện pháp xử lý đất yếu truyền thống chưa mang lại hiệu quả như mong muốn, vẫn còn mặt hạn chế, chẳng hạn như: - Giải pháp móng cọc dễ gây ra hiện tượng nền nhà sau thời gian sử dụng sẽ bị vồng lên hay lõm xuống do đất nền cố kết; - Giải pháp gia tải kết hợp giếng cát, bấc thấm, hạn chế về thời gian thi công, hơn nữa trong thi công bấc thấm rất dễ gây gãy bấc thấm làm đất nền không cố kết được. - Giải pháp bơm hút chân không dễ gây ra hiện tượng nền đất yếu gần mặt đất bị nứt nẻ, hơn nữa chi phí khá đắt. Việc xử lý nền đất yếu nhằm mục đích làm tăng độ ổn định, giảm độ lún nền đường; giảm độ lún lệch giữa nền đường và mố cầu; đảm bảo yêu cầu sử dụng bình thường trong quá trình khai thác. Trong nhiều giải pháp xử lý nền đất yếu phổ biến như: trụ đất xi măng; giếng cát hoặc bấc thấm kết hợp gia tải trước; bơm hút chân không v.v... thì giải pháp xử lý nền đất yếu bằng trụ đất xi măng đã được nghiên cứu ứng dụng nhiều do giải pháp xử lý nền này có thời gian thi công nhanh, mặt bằng thi công nhỏ, thiết bị thi công đơn giản, tiết kiệm vật liệu san lấp ngày càng khan hiếm ở địa phương. 2 Do đó việc nghiên cứu giải pháp gia cố nền đất yếu rút ngắn thời gian thi công và hạn chế lượng tài nguyên đắp bù lún rất cần thiết. Thực hiện đề tài “Nghiên cứu ứng xử của nền đất yếu được gia cố bằng trụ đất xi măng kết hợp vải địa kỹ thuật dưới nền đường đắp cao tại huyện Cai Lậy, tỉnh Tiền Giang” để tìm ra giải pháp gia cố nền đất yếu nêu trên trong điều kiện địa chất tỉnh Tiền Giang nói chung và của huyện Cai Lậy, tỉnh Tiền Giang nói riêng là cần thiết và phù hợp với điều kiện thực tế. 2. Mục đích nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Tìm ra quy luật phân bố ứng suất lên trụ và đất nền xung quanh trụ của hệ trụ đất xi măng kết hợp với vải địa kỹ thuật trong gia cố nền đất yếu dưới công trình nền đường đắp cao. Phân tích hệ số tập trung ứng suất do hiệu ứng vòm trong nền đường đắp cao được gia cố bằng trụ đất xi măng gây ra. Nâng cao hiệu quả gia cố nền đất yếu bằng bằng trụ đất xi măng phù hợp với các điều kiện địa chất cụ thể: Thiết kế hợp lý cho nền đường đất yếu được gia cố bằng trụ đất xi măng kết hợp với vải địa kỹ thuật dưới công trình đắp cao trên địa bàn huyện Cai Lậy, tỉnh Tiền Giang. 3. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về sự phân bố ứng suất, biến dạng trong nền đất yếu được gia cố bằng trụ đất xi măng và các lớp gia cường. Dựa vào số liệu địa kỹ thuật, tải trọng, các cơ sở lý thuyết và các tài liệu tham khảo có liên quan. Phân tích, đánh giá cụ thể cho trường hợp nhóm trụ đất xi măng bị tác động bởi áp lực của nền đất đắp phía bên trên. Mô phỏng bằng phần mềm Plaxis 3D cho nền đất yếu dưới nền đường được gia cố bằng trụ đất xi măng kết hợp với vải địa kỹ thuật để kiểm tra ổn định và biến dạng trong nền đất được gia cố bằng trụ đất xi măng. 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận văn là sự phân bố ứng suất, biến dạng trong nền đất yếu được gia cố bằng trụ đất xi măng kết hợp với vải địa kỹ thuật. Phân tích tính toán đối với một số loại trụ đất xi măng có cùng đường kính nhưng thay đổi chiều dài và lưới bố trí. 3 Giới hạn phạm vi nghiên cứu: Luận văn thực hiện nghiên cứu với đất thu thập tại huyện Cai Lậy và giải pháp này dùng để gia cố đất yếu dưới nền đường tại huyện Cai Lậy – tỉnh Tiền Giang. 5. Cấu trúc của luận văn Nội dung luận văn gồm có phần mở đầu, 03 chương nội dung, phần kết luận và kiến nghị, trình bày các vấn đề sau: Phần mở đầu: Trình bày các vấn đề tổng quan về đề tài nghiên cứu giải pháp trụ đất xi măng kết hợp với vải địa kỹ thuật gia cố nền đất yếu dưới nền đường tại huyện Cai Lậy - tỉnh Tiền Giang như: Tính cấp thiết, mục tiêu, đối tượng và phương pháp nghiên cứu. Chương 1. Tổng quan về gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng: Trình bày sơ lược về lịch sử phát triển của trụ đất xi măng, sự phân bố ứng suất nền đất được gia cố trụ đất xi măng, độ lún ổn định của bản thân khối gia cố, các giải pháp gia cố đất yếu dưới nền đường. Chương 2. Cơ sở lý thuyết tính toán: Giới thiệu các phương pháp tính toán của các tác giả trong và ngoài nước: Phương pháp tính “Sự phân bố ứng suất và lún giữa trụ và đất yếu trong nền đất” được gia cố bằng trụ đất xi măng. Chương 3. Mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn: Mô hình tính toán có mặt cắt ngang nền đất yếu dưới nền đường tại huyện Cai Lậy - tỉnh Tiền Giang. Sử dụng phần mềm Plaxis để kiểm tra ổn định và biến dạng trong nền đất yếu được gia cố bằng hệ trụ đất xi măng. Phần kết luận và kiến nghị: Học viên trình bày các kết quả và kiến nghị của nghiên cứu. 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GIA CỐ ĐẤT YẾU BẰNG TRỤ ĐẤT XI MĂNG 1.1 Khái niệm Đất trộn xi măng là kỹ thuật gia cố xử lý nền đất yếu bằng cách trộn cơ học đất tại chỗ với xi măng để hình thành một loại vật liệu mới. Xi măng đất hay soilcrete có các đặc trưng cơ - lý - hóa tốt hơn đất tại chỗ hay đất tự nhiên trước khi trộn với xi măng. Các đặc trưng cơ lý cơ bản của soilcrete như cường độ (qu) và mô đun đàn hồi cát tuyến hay độ cứng (E50) cao hơn đất tự nhiên từ 5 – 1000 lần biến dạng lúc phá hoại (Ɛf) nhỏ, và hệ số thấm (Ks) thấp hơn đất tự nhiên từ 10-104 lần (Trần Nguyễn Việt Hùng 2106, Kitazume & Terashi 2013, FHWA 2013, EuroSoftStab 2002). Vì vậy, trụ đất trộn xi măng có thể được ứng dụng để tăng sức chịu tải của đất nền, giảm biến dạng lún và chuyển vị ngang, và ngăn thầm hay rò rỉ của các chất lỏng trong đất có nguy cơ gây ô nhiễm mực nước ngẩm. [14] 1.1.1 Sơ lược về lịch sử phát triển của trụ đất xi măng Theo 22TCN 262:2000 và TCXD 245:2000, đất yếu là đất ở trạng thái tự nhiên, độ ẩm của chúng gần bằng hoặc cao hơn giới hạn chảy, hệ số rỗng lớn, lực dính C theo cắt quả cắt nhanh không thoát nước từ 0,15 daN/cm2 trở xuống, góc nội ma sát từ 0o đến 10o hoặc lực dính từ kết quả cắt hiện trường Cu  0,35 daN/cm2. Nói chung đất sét yếu là loại đất có sức chịu tải thấp và tính nén lún cao. Phần lớn các nước trên thế giới định nghĩa đất yếu theo sức kháng cắt không thoát nước, Su và trị số xuyên tiêu chuẩn, N như sau: + Đất rất yếu: Su  12,5 kPa hoặc N  2. + Đất yếu: Su  25 kPa hoặc N  4. Ngoại trừ lớp trên bề mặt có bề dày khoảng 0,5 đến 3,0m đã được cải tạo, thổ nhưỡng hay thổ cư hóa v.v…[2] [4] [5] Trụ đất xi măng là kỹ thuật sử dụng xi măng làm chất kết dính, có hoặc không có chất phụ gia trộn với đất tại chỗ theo chiều sâu (chiều sâu xử lý  3m) để tạo ra vật liệu đất xi măng (hay soicrete) có các tính chất kỹ thuật được cải thiện đáng kể so với đất nguyên dạng. 5 Đất trộn xi măng được nghiên cứu lần đầu ở Mỹ trong những năm 1950 bởi công ty Intrusion-Preakt với công nghệ trộn tại chỗ (MIP-Mixed in Place) (Broomhead and Jasperce 1999). Công nghệ này lại được ngiên cứu, phát triển mạnh mẽ ở Nhật Bản và Bắc Âu vào giữa những năm 1970 (Terzashi 1997, Bruce 2011). Cho đến cuối những năm 1980, công nghệ trộn sâu (DMM-Depp Mixing Method) chủ yếu chỉ mới được phát triển và ứng dụng ở Nhật Bản và các nước Bắc Âu. Đến những năm 1990, DMM trở nên phổ biến và lan rộng khắp các nước Châu Âu, Châu Á và Mỹ. [19] Cuối năm 1970 đến đầu năm 1980, viện nghiên cứu các công trình công cộng (PWRI-Public Works Research Institute) thuộc Bộ Xây dựng Nhật Bản bắt đầu phát triển thành công công nghệ DJM (Dry Jet Mixing) sử dụng bột xi măng hoặc bột vôi làm chất kết dính để gia cố nền (Public Works Research Center 2004 nguồn từ Kitazume & Terzashi 2013), Theo thống kê của Kitazume & Terzashi (2013) từ năm 1977 đến năm 2010, lượng đất gia cố xi măng ở Nhật bằng phương pháp trộn ướt khoảng 72,3 triệu m3 và phương pháp trộn khô khoảng 32,1 triệu m3, cho các dự án ngoài biển, cửa biển và cửa sông lớn với khoảng 300 dự án. Hiện nay hàng năm thi công khoảng 2 triệu m3. [16] Năm 1967 ở Bắc Âu, công nghệ SCM bắt đầu nghiên cứu lần đầu tiên, các nghiên cứu trong phòng và ngoài hiện trường được tiến hành nhằm phát triển công nghệ mới trong việc gia cố đất sét yếu bằng vôi sống (Topolnicki 2004). Năm 1975, công nghệ đất trộn vôi (Lime Column Method) được ứng dụng thực tế để gia cường hố đào và ổn định đường đắp cao cho một số công trình ở gần Stockholm, Thụy Điển. Năm 1990, Phần Lan phát triển thiết bị trộn mới có thể tạo được trụ đất trộn vôi hay xi măng đạt độ sâu hơn 20m với đường kính 0,8m (Bruce 2011) và được ứng dụng phổ biến để gia cố nền. Năm 1987, từ kết quả nghiên cứu của Cục đường Bộ và đường Sắt quốc gia Pháp tài trợ cho công ty Bachy (Pháp) ứng dụng và phát triển quy trình Colmix, trong đó việc thi công trộn và đầm chặt đất xi măng được thực hiện bằng cách đảo ngược chiều của máy khoan trong khi rút lên. 6 Năm 1970 đến 1978 tại Trung Quốc, thiết bị trộn sâu đất trộn xi măng được ứng dụng xử lý đất nền các khu công nghiệp ở Thượng Hải (Bruce 2011, Nguyễn Viết Trung và Vũ Minh Tuấn 2010) [7] Năm 1996, lần đầu tiên tại Mỹ công ty Stabilator-USA inc, New York đã sử dụng cọc đất - vôi - xi măng trong thực tiễn. Tại Việt Nam, công nghệ đất trộn xi măng được nghiên cứu lần đầu tiên dưới sự hỗ trợ của Viện Địa kỹ thuật Thụy Điển (SGI) từ những năm 1980. Đề tài kết thúc năm 1986 và thiết bị được chuyển giao cho Tổng Công ty Xây dựng và Phát triển hạ tầng LICOGI (Nguyễn Viết Trung và Vũ Minh Tuấn 2010) Năm 2000, SCM được áp dụng gia cố nền đất yếu cho công trình cảng Ba Ngòi (Khánh Hòa) và xử lý nền móng bể xăng dầu có đường kính 21m, cao 9m (dung tích 3000m3/bể) của công trình Tổng kho xăng dầu Cần Thơ bằng trụ đất xi măng. Trong đó dự án cảng Ba Ngòi đã xử lý bởi 4000m trụ đất xi măng có đường kính 0,6m, bằng phương pháp trộn khô (Nguyễn Viết Trung và Vũ Minh Tuấn 2010). Năm 2004, Viện Khoa học Thủy lợi đã tiếp nhận chuyển giao công nghệ khoan phụt cao áp (Jet-grouting) từ Nhật Bản (Nguyễn Viết Trung và Vũ Minh Tuấn 2010). Trụ đất xi măng được ứng dụng để gia cố bồn chứa xăng dầu ở Hải Phòng bằng công nghệ trộn sâu - khô với chiều sâu xử lý khoảng 20m. Công nghệ này cũng được các nhà thầu Nhật Bản ứng dụng thi công sửa chữa khuyết tật các cọc khoan nhồi dự án cầu Thanh Trì ở Hà Nội. Tại Tp. Hồ Chí Minh, trụ đất - xi măng đã được sử dụng trong dự án Đại lộ Đông Tây, Building Saigon Times Square. [14] Năm 2006, tiêu chuẩn TCXDVN 385:2006 – “Phương pháp gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng” được Bộ Xây dựng biên soạn và ban hành. Đến năm 2012, tiêu chuẩn TCVN 9403:2012 – “Gia cố đất nền yếu – phương pháp trụ đất xi măng” chuyển đổi từ TCXDVN 385:2006 được Bộ Khoa học và Công nghệ ban hành. TCVN 9403:2012 quy định những yêu cầu Kỹ thuật về khảo sát, thí nghiệm, thiết kế, thi công và thí nghiệm trụ đất xi măng dùng để xử lý gia cố nền đất yếu trong xây dựng và ổn định mái dốc. [1]