Đánh giá ảnh hưởng của mực nước ngầm gia tăng đến hệ số tập trung ứng suất đầu cọc trong giải pháp xử lý nền bằng cọc bê tông cốt thép kết hợp với vải địa kỹ thuật

ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA MỰC NƯỚC NGẦM GIA TĂNG<br /> ĐẾN HỆ SỐ TẬP TRUNG ỨNG SUẤT ĐẦU CỌC TRONG<br /> GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN BẰNG CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP<br /> KẾT HỢP VỚI VẢI ĐỊA KỸ THUẬT<br /> <br /> NGUYỄN TUẤN PHƢƠNG *,<br /> CHÂU NGỌC ẨN **, VÕ PHÁN ***<br /> <br /> <br /> Rating affection’ of the groundwater increase to the stress concentration<br /> ratio on the top piles in the soft ground treatment solution by concrete<br /> pile systems combine geotextle.<br /> Abstract: Soft soil improvement by geosynthetic and concrete pile systems<br /> is an interesting and more popular technique on condition that this<br /> solution is practical. However, today some works are constructed and used<br /> to appearing some problems such as subsidence displacement or cracked<br /> structure surface caused by the groundwater increase combine with heavy<br /> rains caused local flooding. The content of paper concentrates on rating<br /> affection’s the groundwater increase caused by the groundwater increase<br /> combine with heavy rains caused local flooding to the stress concentration<br /> ratio on the top piles in the soft ground treatment solution by concrete pile<br /> systems combine geotextile.<br /> <br /> 1. GIỚI THIỆU vào lớp nền cứng dƣới mũi cọc và ma sát cọc với<br /> Trong những năm gần đây một công nghệ nền đất yếu xung quanh.<br /> móng mới hình thành có tên “ Vải địa kỹ thuật kết Terzaghi (1943) đã đƣa ra kết quả nghiên cứu<br /> hợp phần tử cọc đỡ công trình đất đắp trên nền đất ảnh hƣởng của hiệu ứng vòm thông qua giải<br /> yếu”. Những “phần tử cọc” (cọc bê tông cốt thép, phƣơng trình cân bằng ứng suất dựa trên mô<br /> cột đá, cọc gỗ, cột cát có bao, cột đất trộn xi hình cửa sập, đồng thời đã vẽ đƣờng ứng suất<br /> măng, tƣờng trong đất…) đƣợc phân bố đều trong đứng trong cát đắp trong trƣờng hợp có hiệu<br /> nền đất yếu đến tận lớp chịu lực bên dƣới, “phần ứng vòm và không có hiệu ứng vòm dựa trên<br /> tử cọc” đƣợc sắp xếp theo lƣới tam giác hoặc ô quan hệ giữa hệ số tải trọng (P/γH) và tỷ số hình<br /> vuông là một giải pháp hy vọng giải quyết đƣợc dạng (H/B đƣợc thể hiện trong hình 1.<br /> vấn đề vừa nêu. Trọng lƣợng của khối đất đắp có<br /> thể truyền trực tiếp lên đầu cọc bởi hiệu ứng vòm<br /> hoặc gián tiếp qua các hiệu ứng màng của lớp vải<br /> địa kỹ thuật. Tải mà “phần tử cọc” gánh đỡ truyền<br /> *, **, ***<br /> Trường Đại học Bách Khoa Tp. HCM<br /> số 268 Lý Thường Kiệt, quận 10, TP. Hồ Chí Minh,<br /> ĐT: 083 8636822<br /> *<br /> ĐT: 0919 070096,<br /> Email: tuanphuongvk@gmail.com<br /> **<br /> ĐT: 0908 299105, Email:cnan@yahoo.com<br /> Hình 1. Ảnh hưởng của hiệu ứng cung vòm<br /> ***<br /> ĐT: 0913 867008, Email: vphan54@yahoo.com đến đường ứng suất tĩnh<br /> <br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2015 59<br />  Hình 2: Ảnh hưởng của hiệu ứng cung vòm Hình 4: Bán cầu theo Tiêu chuẩn Anh BS 8006<br /> đến đường ứng suất theo phương pháp<br /> Terzaghi và đường ứng suất tĩnh 2. THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH TỶ LỆ<br /> THỰC 1:1<br /> Dựa trên lý thuyết cung vòm của Hewlett và Xây dựng mô hình thí nghiệm thực tế với 16<br /> Randolph (1988) Tiêu chuẩn Đức đã xây dựng cọc bê tông cốt thép có B.20 (M.250), chiều dài<br /> kết quả trên giả thuyết cung vòm trong đất có cọc L = 14m gồm 02 mô đun mỗi mô đun<br /> dạng hình vòm. Chiều dày của cung vòm là b 7m.Vải địa kỹ thuật loại dệt cƣờng độ cao khả<br /> 2 năng chịu kéo đạt 100 kN/m, độ giãn dài tối đa<br /> (với b: cạnh của cọc). đạt 10%. Cát đắp trên đầu cọc là cát hạt to có γtn<br /> = 19 kN/m3. Cát đắp gia tải là cát mịn γtn = 16<br /> kN/m3 với chiều cao đắp hđ = 4m trên tắm bê<br /> tông cốt thép B.20 dày 200mm có tác dụng phân<br /> bố đều tải trọng.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3: Phân tích lực tác dụng trên phần tử<br /> cung vòm theo Tiêu chuẩn Đức<br /> <br /> Tiêu chuẩn Anh BS 8006 (1995) Anh đã<br /> hoàn chỉnh phƣơng pháp tính của Jones (1990)<br /> dựa nghiên cứu của Marston và Anderson<br /> (1913) về cung vòm trong đỉnh của nhóm cọc.<br /> Phƣơng pháp tính trong Tiêu chuẩn này đƣợc<br /> giả thuyết cung vòm nhƣ một bán cầu vòm phụ Hình 5: Mặt bằng mô hình thí nghiệm<br /> thuộc vào lực kéo căng bề mặt của khối cát đắp. thực tỷ lệ 1:1<br /> <br /> <br /> 60 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2015<br />  Hình 9: Lực phân bố lên tấm mỏng<br /> <br /> Dƣới tác dụng của áp lực, tấm kim loại mỏng<br /> biến dạng đàn hồi, làm thay đổi điện trở của<br /> cảm biến dán dính trên tấm kim loại. Từ sự biến<br /> đổi điện trở của cảm biến, cƣờng độ dòng điện<br /> qua cảm biến cũng thay đổi. Bằng thiết bị đo, có<br /> Hình 6: Mặt cắt mô hình thí nghiệm thực tỷ lệ 1:1<br /> thể ghi nhận sự biến đổi của dòng điện theo<br /> từng áp lực tác dụng lên tấm mỏng.<br /> 3. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA THIẾT<br /> Vật liệu dùng chế tạo cảm biến là vật liệu dẫn<br /> BỊ ĐO ỨNG SUẤT<br /> điện, có quan hệ giữa biến dạng và điện trở biểu<br /> Cảm biến là thiết bị đo biến dạng (ε) dƣới<br /> hiện qua tỷ số giữa biến thiên tƣơng đối của<br /> tác dụng của ngoại lực tác dụng. Biến dạng (ε)<br /> điện trở với biến thiên tƣơng đối của chiều dài<br /> là sự thay đổi về kích thƣớc hình học của vật<br /> cảm biến gọi là hệ số cảm biến (Gauge factor).<br /> liệu nhƣ hình 7<br /> rl<br /> R=<br /> A<br /> Với R: Điện trở ( )<br /> ρ: Điện trở suất ( mm)<br /> l: Chiều dài vật dẫn điện (mm)<br /> A: Diện tích tiết diện dẫn điện (mm2)<br /> dR / R<br /> ε = ΔL/L GF =<br /> dL / L<br /> Với GF: Hệ số cảm biến<br /> Hình 7. Biến dạng kích thước của vật liệu dR : Độ biến thiên cảm biến<br /> R: Điện trở ( )<br /> dL : Độ biến thiên chiều dài<br /> L: Chiều dài (mm)<br /> Nguyên lý của hệ thống đo: Ứng dụng mạch<br /> cầu Wheatstone.<br /> Hệ thống sẽ đƣợc cấp nguồn điện không đổi<br /> VS. Khi cảm biến không bị biến dạng (ΔR=0 và<br /> Hình 8. Hình dạng cảm biến Rx= R1 = R2 = R3 =R0) thì VG=0. Khi cảm biến<br /> bị biến dạng làm thay đổi giá trị RX và giá trị VG<br /> Ứng dụng lý thuyết biến dạng tấm mỏng chịu theo công thức bên dƣới. Đo giá trị điện áp VG<br /> áp lực phân bố nhƣ hình 9. ta sẽ suy ra đƣợc giá trị biến dạng.<br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2015 61<br />  VG  (<br /> Rx<br /> <br /> R2<br /> )Vs (1) Ps11 là đầu đo ứng suất đặt trong lớp cát đắp<br /> R3  Rx R1  R2<br /> cách đầu cọc 0.8m theo phƣơng đứng.<br />  <br /> VG GF    1  (2) Ps6 là đầu đo ứng suất đặt trong lớp cát đắp<br />   <br /> VS 4  1  GF    cách đầu cọc 1.2m theo phƣơng đứng.<br />  2 Ps2 là đầu đo ứng suất đặt trong lớp cát<br /> 4VG<br />  (3) đắp cách đầu cọc 1.6m theo phƣơng đứng.<br /> GF (2VG  VS )<br /> 4. Kết quả thí nghiệm mô hình tỷ lệ thực 1:1<br /> Kết quả thu đƣợc từ các thiết bị đo đƣợc<br /> thông qua biểu đồ sau.<br /> Ứng suất tại đầu cọc có giá trị lớn hơn nhiều lần<br /> V so với ứng suất tại vị trí đất nền xung quanh cọc.<br /> VS<br /> G<br /> <br /> <br /> RX= R0 +<br /> ΔR<br /> <br /> <br /> Hình 10. Sơ đồ mắc nối tiếp Strain gauge<br /> và các điện trở.<br /> <br /> Các đầu đo ứng suất trong mô hình thí<br /> nghiệm đƣợc đặt tại các vị trí nhằm thu thập các<br /> giá trị ứng suất tại các điểm để phân tích ảnh<br /> hƣởng của hiệu ứng vòm trong giải pháp thiết<br /> kế xử lý nền bằng cọc bê tông cốt thép kết hợp<br /> với vải địa kỹ thuật. Các thiết bị đƣợc đặt trên Biểu đồ 1: Ứng suất tại các thiết bị đo khi mực<br /> tắm đệm phẳng nhằm tránh lệch thiết bị trong nước ngầm ở trạng thái tự nhiên<br /> quá trình thí nghiệm.<br /> Ps7 là đầu đo áp lực nƣớc lỗ rỗng đặt tại giữa Độ dốc của đƣờng ứng suất tại đầu cọc lớn<br /> khoảng cách 02 cọc. hơn nhiều so với độ dốc đƣờng ứng suất tại vị<br /> Ps3 là đầu đo áp lực nƣớc lỗ rỗng đặt tại giữa trí đất nền giữa khoảng cách 02 cọc.<br /> tâm 04 cọc.<br /> Ps9 là đầu đo ứng suất đặt trên đầu cọc<br /> nhƣng dƣới lớp vải địa kỹ thuật.<br /> Ps1 là đầu đo ứng suất đặt giữa 02 cọc nhƣng<br /> trên lớp vải địa kỹ thuật.<br /> Ps4 là đầu đo ứng suất đặt trên đầu cọc đo<br /> ứng suất đứng theo phƣơng ngang.<br /> Ps8 là đầu đo ứng suất đặt cách cọc ¼ khoảng cách<br /> cọc nhƣng trên lớp vải địa kỹ thuật.<br /> Ps10 là đầu đo ứng suất đặt trên đầu cọc<br /> nhƣng trên lớp vải địa kỹ thuật.<br /> Ps14 là đầu đo ứng suất đặt trong lớp cát đắp Biểu đồ 2: Ứng suất thiết bị đo Ps9 và Ps1 khi<br /> cách đầu cọc 0.4m theo phƣơng đứng. mực nước ngầm ở trạng thái tự nhiên<br /> <br /> 62 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2015<br />  Ứng suất tính theo phƣơng pháp giải tích là trí đất nền giữa khoảng cách 02 cọc khi mực<br /> đƣờng tuyến tính phát triển theo chiều sâu. Ứng nƣớc ngầm tăng thêm 50cm.<br /> suất theo mô hình thí nghiệm là đƣờng phi tuyến<br /> không phát triển theo chiều sâu, cho thấy khi<br /> xuất hiện hiện tƣợng tập trung ứng suất một<br /> phần ứng suất đã chuyển tập trung lên đầu cọc<br /> nên không còn tuyến tính.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Biểu đồ 5: Ứng suất thiết bị đo Ps9 và Ps1 khi<br /> mực nước ngầm tăng thêm 50cm<br /> <br /> Ứng suất tính theo phƣơng pháp giải tích là<br /> đƣờng tuyến tính phát triển theo chiều sâu. Ứng<br /> suất theo mô hình thí nghiệm là đƣờng phi tuyến<br /> không phát triển theo chiều sâu, cho thấy khi<br /> Biểu đồ 3: Ứng suất theo phương pháp giải tích xuất hiện hiện tƣợng tập trung ứng suất một<br /> và đo từ mô hình thí nghiệm khi mực nước phần ứng suất đã chuyển tập trung lên đầu cọc<br /> ngầm ở trạng thái tự nhiên. nên không còn tuyến tính khi mực nƣớc ngầm<br /> tăng thêm 50cm.<br /> Ứng suất tại đầu cọc có giá trị lớn hơn so với<br /> ứng suất tại vị trí đất nền xung quanh cọc khi<br /> mực nƣớc ngầm tăng thêm 50cm.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Biểu đồ 6 ứng suất theo phƣơng pháp giải<br /> tích và đo từ mô hình thí nghiệm khi khi mực<br /> nƣớc ngầm tăng thêm 50cm.<br /> Hệ số tập trung ứng suất đầu cọc n =  c<br /> s<br /> <br /> Biểu đồ 4: Ứng suất tại các thiết bị đo khi mực Với бc : ứng suất tập trung đầu cọc;<br /> nước ngầm tăng thêm 50cm бs : ứng suất phân bố trên nền đất yếu gữa<br /> các cọc.<br /> Độ dốc của đƣờng ứng suất tại đầu cọc lớn Khoảng cách bố trí cọc S=1,0m, chiều cao<br /> hơn nhiều so với độ dốc đƣờng ứng suất tại vị cát đắp H = 1,6m.<br /> <br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2015 63<br />  Hệ số tập trung ứng suất đầu cọc từ mô hình Villard, Coupling finite elements and discrete<br /> thí nghiệm hiện trƣờng trong trƣờng hợp mực elements methods, application to reinforced<br /> nƣớc ngầm ở trạng thái tự nhiên n = 10,84 (ứng embankment by piles and geosynthetics.<br /> suất phân bố trên nền đất yếu đạt ζs = 5,95 [3]. BS 8006 (1995): British Standard, code<br /> kN/m2 trong khi ứng suất tập trung đầu cọc ζc = of practice of strengthened/ reinforced soils and<br /> 64,49 kN/m2). other fills, chapter 9.<br /> Hệ số tập trung ứng suất đầu cọc trong [4]. Bergado, D. T., Anderson, L. R, Miura,<br /> trƣờng hợp khi mực nƣớc ngầm tăng thêm N. and Balasubramaniam, A. S. (1996). Soft<br /> 50cm, n = 7,119 (ứng suất phân bố trên nền đất Ground Improvement in Lowland and Other<br /> yếu đạt ζs = 8,609 kN/m2 trong khi ứng suất tập Environments, ASCE.<br /> trung đầu cọc ζc = 61,293 kN/m2). [5]. Châu Ngọc Ẩn (2012): Nền Móng Nhà<br /> 5. KẾT LUẬN xuất bản Đại học Quốc gia Tp.HCM, pp<br /> Qua nội dung nghiên cứu hệ số tập trung ứng 453÷446.<br /> suất đầu cọc trong giải pháp xử lý nền bằng cọc [6]. Collin, J.G. / Watson, C.H. / Han, G.<br /> bê tông cốt thép kết hợp với vải địa kỹ thuật (2005): Column-Supported Embankments<br /> thông qua mô hình thí nghiệm có xét đến ảnh solves time constraint for new road<br /> hƣởng của mực nƣớc ngầm tăng thêm 50cm có construction; Proceedings of the Geo-Frontiers<br /> thể đƣợc rút ra đƣợc kết luận nhƣ sau: Congress, Austin, Texas, pp. 1-9.<br /> 1. Hệ số tập trung ứng suất đầu cọc giảm [7]. D.T. Bergado, J.C. Chai, Những biện<br /> 30% trong trƣờng hợp mực nƣớc ngầm tăng pháp kỹ thuật mới cải tạo đất yếu trong xây<br /> thêm 50cm. dựng, Nhà xuất bản giáo dục 1994, pp 58÷60.<br /> 2. Hệ số tập trung ứng suất đầu cọc giảm ảnh [8]. EBGEO (2007): Empfehlung for den<br /> hƣởng đến biến dạng của nền đất xung quanh Enwurf und die Berechnung von Erdkurpern mit<br /> cọc, làm gia tăng biến dạng lệch của khối đất Bewehrung aus Geokunststoffen; 2007. [9].<br /> trên đầu cọc và khối đất giữa 04 cọc, gây ra Goh, A.T.C. / The, C.I. / Wong, K.S. (1997):<br /> những vết nứt trên bề mặt nền công trình. Analysis of piles subjected to embankment<br /> induced lateral soil movements; Journal of<br /> Geotechnical and Geoenviromental<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO Engineering, Vol. 123, No. 9, pp. 792-801<br /> [10]. Gourge Samir Fahmi Farag, Leateral<br /> [1]. Aubeny, C.P./Li, Y./ Briaud, J.L. (2002): Spreading in basal reinforced embankments<br /> Geosynthetics reinforced pile supported supported by pile – like element, University<br /> embankments: numerical simulation and design Kassel, Germany 2008, pp 125<br /> needs; Geosynthetics- 7th ICG- Delmas, [11]. Hans-Georg Kempfert Berhane<br /> Gourc& Girard (eds), pp. 365-368. Gebreselassie, Excavations and Foundations in<br /> [2]. B. Le Hello, B. Chevalier, G. Combe, P. Soft Soils , University Kassel, Germany.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Người phản biện: GS.TS. VƢƠNG VĂN THÀNH<br /> <br /> <br /> 64 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2015<br />