1
LỜI CẢM ƠN
Luận văn thạc sĩ với đề tài: “Nghiên cứu ứng suất, biến dạng nền Cọc Xi măng
- đất Công trình Cống Hói Đại tỉnh Quảng Bình” được hoàn thành với sự nỗ lực
của bản thân tác giả, sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô, bạn bè đồng nghiệp,
phòng Đào tạo Đại học và sau Đại học, khoa công trình, bộ môn Sức bền - kết cấu,
bộ môn Địa Kỹ thuật - Trường Đại học Thuỷ lợi.
Lời đầu tiên, tác giả đặc biệt xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy
giáo: PGS.TS Trịnh Minh Thụ và thầy giáo TS. Đào Văn Hưng đã nhiệt tình hướng
dẫn tác giả hoàn thành luận văn này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô đã giảng dạy, giúp đỡ tác giả trong
quá trình học tập cũng như trong quá trình thực hiện luận văn.
Cuối cùng tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, đồng
nghiệp đã động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn.
Đề tài mà tác giả nghiên cứu là một vấn đề khó, do trình độ và thời gian có
hạn nên luận văn này không thể tránh khỏi những tồn tại, hạn chế, tác giả rất mong
nhận được sự chỉ bảo của các thầy cũng như sự đóng góp và trao đổi chân thành của
bạn bè, đồng nghiệp. Tác giả rất mong những vấn đề còn tồn tại sẽ được phát triển ở
mức độ nghiên cứu sâu hơn, góp phần đưa những kiến thức khoa học vào phục vụ
sản xuất.
Hà nội, ngày….tháng…năm 2012
Tác giả
Phạm Xuân Tiến
2
BẢN CAM ĐOAN
Tên tôi là Phạm Xuân Tiến. Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu
67T1.3.4.2. Các công trình thực tế đã áp dụng67T Error! Bookmark not defined.
67T1.4. Kết luận67T Error! Bookmark not defined.
67TCHƯƠNG 267T ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
67TCƠ SỞ KHOA HỌC CỦA BÀI TOÁN ỨNG SUẤT, BIẾN DẠNG NỀN CỌC
XIMĂNG-ĐẤT
67T ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
67T2.1. Các mô hình dùng để phân tích ứng suất, biến dạng67T Error! Bookmark not defined.
67T2.1.1. Mô hình biến dạng tuyến tính67T Error! Bookmark not defined.
67T2.1.2. Mô hình lý thuyết cân bằng giới hạn67T Error! Bookmark not defined.
67T2.1.3. Mô hình đàn hồi - cân bằng giới hạn67T Error! Bookmark not defined.
67T2.1.4. Mô hình đàn hồi phi tuyến67T Error! Bookmark not defined.
67T2.1.5. Mô hình đàn - dẻo67T Error! Bookmark not defined.
4
67T2.1.6. Một số mô hình khác67T Error! Bookmark not defined.
67T2.2. Cơ sở lý thuyết của các phương pháp tính toán67TError! Bookmark not defined.
67T2.2.1. Phương pháp sai phân hữu hạn67T Error! Bookmark not defined.
67T2.2.2. Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH)67T Error! Bookmark not defined.
67T2.2.2.1. Nội dung cơ bản của Phương pháp PTHH67TError! Bookmark not defined.
67T2.2.2.2. Phương trình cơ bản của phương pháp PTHH67TError! Bookmark not defined.
67T2.2.3. Phương pháp biến phân cục bộ (BPCB)67T . Error! Bookmark not defined.
67T2.3. Kết luận67T Error! Bookmark not defined.
67TCHƯƠNG 367T ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
67TCÔNG NGHỆ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CỌC XI
MĂNG ĐẤT
67T ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
67T3.1. Công nghệ và các phương pháp tính toán thiết kế cọc Ximăng-đất67TError! Bookmark no
67T3.1.1. Công nghệ về cọc xi măng đất67T Error! Bookmark not defined.
67T3.1.2. Các phương pháp tính toán thiết kế cọc ximăng-đất67TError! Bookmark not defined.
67T3.1.2.1. Phương pháp thí nghiệm67T Error! Bookmark not defined.
67T4.4.1.Phương pháp tính toán67T Error! Bookmark not defined.
67T4.4.2. Các bước tính toán67T Error! Bookmark not defined.
67T4.5. Tính toán và so sánh lựa chọn phương án tối ưu67TError! Bookmark not defined.
67T4.5.1. Phương án độ sâu khoan phụt cọc xi măng-đất 7m67TError! Bookmark not defined.
67T4.5.2. Phương án độ sâu thi công cọc 8.5m67T Error! Bookmark not defined.
67T4.5.3. Phương án độ sâu thi công cọc 10m67T Error! Bookmark not defined.
67T4.5.4. Nhận xét67T Error! Bookmark not defined.
67T4.6. Phân tích và đánh giá kết quả phương án chọn67TError! Bookmark not defined.
67T4.6.1. Mô hình nền cọc tương đương67T Error! Bookmark not defined.
67T4.6.2. Mô hình nền cọc XMĐ riêng rẽ67T Error! Bookmark not defined.
67T4.6.3. Nhận xét67T Error! Bookmark not defined.
67TKẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ67T ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
67TTÀI LIỆU THAM KHẢO67T ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
67TPHỤ LỤC TÍNH TOÁN67T ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
67TUHình 1.1 Bản đồ phân vùng Đê và Cống dưới đê tại Quảng BìnhU67T Error! Bookmark
not defined.
67TUHình 1.2 Cống Cửa Hác tại Km3+752.3 Đê Hữu Gianh tại xã Quảng LộcU67T Error!
Bookmark not defined.
67TUHình 1.3 Cống Trúc Ly tại Km3+450 Đê Hữu Nhật Lệ huyện Quảng NinhU67T Error!
Bookmark not defined.
67TUHình 1.4 Cống Lùng Tréo xã Cam Thuỷ, huyện Lệ ThuỷU67T Error! Bookmark not
defined.
67TUHình 1.5 Cống Hói Đại xã An Thủy, huyện Lệ ThủyU67TError! Bookmark not
defined.
67TUHình 1.6 Thi công cọc xi măng-đất kiểu trộn cơ khíU67TError! Bookmark not
67TUHình 3.7 Các hình thức bố trí cọc XMĐ với mục đích gia cố nềnU67T Error! Bookmark
not defined.
67TUHình 3.8 Bố trí gia cố kiểu khungU67T Error! Bookmark not defined.
67TUHình 4.1 Cống Hói ĐạiU67T Error! Bookmark not defined.
67TUHình 4.2 Bản vẽ cắt ngang Cống Hói ĐạiU67T Error! Bookmark not defined.
67TUHình 4.3 Cắt dọc cống Hói ĐạiU67T Error! Bookmark not defined.
67TUHình 4.4 Sơ đồ tính toán trường hợp không xử lýU67T Error! Bookmark not defined.
67TUHình 4.5 Chuyển vị tổng thể trường hợp không xử lýU67TError! Bookmark not
defined.
67TUHình 4.6 Chuyển vị theo phương yU67T Error! Bookmark not defined.
8
67TUHình 4.7 Biểu đồ chuyển vị phương thẳng đứng nền cống theo thời gianU67T Error!
Bookmark not defined.
67TUHình 4.8 Sơ đồ tính toán với độ sâu khoan phụt 7mU67T . Error! Bookmark not defined.
67TUHình 4.9 Sơ đồ chuyển vị phương y theo thời gianU67T Error! Bookmark not defined.
67TUHình 4.10 Sơ đồ tính toán với độ sâu khoan phụt 8,5mU67T Error! Bookmark not
defined.
67TUHình 4.11 Sơ đồ chuyển vị phương y theo thời gianU67T Error! Bookmark not defined.
67TUHình 4.12 Sơ đồ tính toán với độ sâu khoan phụt 10mU67T Error! Bookmark not
defined.
67TUHình 4.13 Sơ đồ chuyển vị phương y theo thời gianU67T Error! Bookmark not defined.
67TUHình 4.14 Biểu đồ quan hệ ứng suất hiệu quả σ’yy các điểm theo thời gianU67T Error!
Bookmark not defined.
67TUHình 4.15 Mô hình cọc XMĐ và nền làm việc riêng rẽU67TError! Bookmark not
defined.
67TUHình 4.16 Biểu đồ quan hệ chuyển vị các điểm đặc biệt theo thời gianU67T Error!
Bookmark not defined.
67TUHình 4.17 Biểu đồ quan hệ ứng suất các điểm đặc biệt theo thời gianU67T Error!
gắn liền với sự an toàn của đê. Trong lịch sử đã xảy ra nhiều sự cố cống dưới đê dẫn
đến vỡ đê, đe dọa an toàn về tính mạng và tài sản của nhân dân.
Trong các hư hỏng như lún, nứt, chuyển vị mất ổn định của tường cống, thân
cống, thấm qua nền cống…đều có liên quan đến địa chất nền đê. Do cấu tạo địa chất
nền đê khá phức tạp nên nhiều cống dưới đê vốn đã xây dựng đã lâu nay bị xuống
cấp hư hỏng. Các giải pháp trước đây hay được các kỹ sư thiết kế áp dụng bao gồm:
thay thế đất, đắp theo thời gian chờ cố kết, đắp phản áp, cố kết nền bằng bấc thấm,
cọc cát, cọc đá, hút chân không Tuy nhiên, các giải pháp trên tồn tại những nhược
điểm sau: không tận dụng được nguồn vật liệu tại chỗ, quá trình thi công phụ thuộc
rất nhiều vào thời tiết, thời gian xây dựng kéo dài, giá thành xây dựng cao, không
đảm bảo yêu cầu đặt ra cả về ổn định và tiến độ
Ngày nay, công nghệ trộn sâu (Deep Mixing) đã được ứng dụng ở nhiều nước
trên Thế giới trong việc xử lý nền đất yếu. Công nghệ trộn sâu tạo ra cột xi măng-
đất đáp ứng được yêu cầu về ổn định, với chiều sâu xử lý nền lớn và hiệu quả, rút
ngắn thời gian thi công, không sinh ra chất thải, mặt bằng thi công hẹp và quá trình
thi công không phụ thuộc vào thời tiết. Với những tính năng ưu việt trên, việc áp
dụng công nghệ trộn sâu vào điều kiện Việt Nam bước đầu đạt được những kết quả
rất khả quan cho việc xử lý nền các công trình dân dụng, giao thông, thủy lợi… Tuy
nhiên công nghệ này chưa được áp dụng rộng rãi trong việc xử lý nền đê biển, đê
sông và đặc biệt là vùng đất ở Quảng Bình. Giải pháp công nghệ cọc xi măng - đất
vào xây dựng đê biển, đê sông sẽ tận dụng được nguồn vật liệu tại chỗ, tăng cường
sự ổn định cho công trình, đáp ứng được yêu cầu đặt ra.
2. Mục đích của đề tài
Nghiên cứu phương pháp tính toán ứng suất, biến dạng phẳng của đất nền 2
dưới đáy cống gia cố bằng cọc xi măng-đất thi công bằng công nghệ Jet-grouting.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1 Đối tượng nghiên cứu
- Điều tra, thống kế và tổng hợp tài liệu nghiên cứu trong và ngoài nước có
liên quan đến đề tài;
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của công nghệ.
b. Phương pháp lấy ý kiến chuyên gia:
Song song với việc thu thập và tổng hợp thông tin, lấy ý kiến các chuyên gia
để bổ sung cho quá trình nghiên cứu.
c. Phương pháp nghiên cứu trên mô hình tính toán:
- Lựa chọn phần mềm tính toán;
- Chọn công trình cụ thể để thiết lập mô hình.
5. Kết quả đạt được
- Đề xuất được phương pháp và mô hình tính toán ứng suất, biến dạng của nền
gia cố bằng cọc xi măng-đất;
- Thiết lập quan hệ làm việc giữa nền-cọc-công trình với tải trọng tác dụng
theo thời gian có liên quan tới sự ổn định công trình, phục vụ tới công tác tư vấn
thiết kế và quản lý vận hành;
- Ví dụ điển hình xử lý nền cống Hói Đại – tỉnh Quảng Bình.
4
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CỐNG DƯỚI ĐÊ
TỈNH QUẢNG BÌNH
1.1. Tổng quan về tình hình xây dựng Đê và Cống dưới Đê tỉnh Quảng Bình
Hình 1.1 Bản đồ phân vùng Đê và Cống dưới đê tại Quảng Bình
Hiện nay, trên toàn tỉnh Quảng Bình có rất nhiều loại Cống dưới đê, các Cống
thường tập trung ở các Đê chủ yếu như Đê Tả Gianh, Đê Hữu Gianh, Đê Vân Lôi -
xã Quảng Hải, Đê Văn Phú - xã Quảng Văn, Đê Tả Roòn, Đê Tả Lý Hòa, Đê Hữu
Vị trí: tại xã Cam Thủy, huyện Lệ Thủy.
Kết cấu: bằng bê tông cốt thép gồm 4 cửa khẩu độ 4x(2.0x3.0)m; cao trình đáy
(-1.2). Cống được xây dựng từ năm 2009 theo nguồn vốn WB, Chủ đầu tư Chi Cục
Thủy lợi & PCLB Quảng Bình.
Hình 1.4 Cống Lùng Tréo xã Cam Thuỷ, huyện Lệ Thuỷ
d) Cống Hói Đại:
Vị trí: tại xã An Thủy, huyện Lệ Thủy.
Kết cấu: bằng bê tông cốt thép gồm 5 cửa khẩu độ 5x(4.0x3.3)m; cao trình đáy 7
(-1.7). Cống được xây dựng từ năm 2009 theo nguồn vốn vay ADB, Chủ đầu tư
Công ty TNHHKT1TV Công trình Thủy lợi;
Hình 1.5 Cống Hói Đại xã An Thủy, huyện Lệ Thủy
• Nhận xét:
- Những cống được đánh giá ở tình trạng tốt đều là những cống mới được xây
dựng lại trong 5 năm gần đây.
- Hầu hết các cống xây dựng (nếu chưa được làm lại) đều có hiện tượng hư
hỏng, lún, sạt lở, thấm, xói nền…Có những hư hỏng nghiêm trọng, có nguy cơ xảy
ra sự cố vỡ đê.
1.2. Tổng hợp các loại hư hỏng cống dưới để tỉnh Quảng Bình và đánh giá
nguyên nhân
1.2.1. Tổng hợp các hư hỏng xảy ra ở các cống dưới đê
Từ kết quả điều tra cũng như quá trình theo dõi sự cố các cống dưới đê trong
mùa mưa lũ ở tỉnh Quảng Bình cho thấy các hư hỏng phổ biến như sau:
+ Lún, sạt mái thượng, hạ lưu cống xảy ra trong mùa mưa lũ;
+ Thấm dọc thân cống trong mùa lũ khi chênh lệch mực nước;
+ Xuất hiện mạch sủi phía hạ lưu cống, sau bể tiêu năng vào mùa lũ;
nhau tương đối lớn, hoặc chiều dầy các lớp đất nền không như nhau, chênh lệch
biến dạng nén lớn; 9
- Tải trọng của kết cấu bên trên công trình chênh lệch nhau làm cho lún không
đều;
- Độ cứng toàn khối của công trình kém, nhậy cảm với lún không đều của nền;
- Thiết kế rập khuôn, không dựa vào điều kiện thực tế: vì điều kiện địa chất
công trình ở các nơi khác nhau rất xa, rất phức tạp, dù ở cùng một địa điểm cũng
không giống nhau. Vì vậy rất khó tìm được một ví dụ hoàn toàn giống nhau, cũng
không thể làm được một bản vẽ điển hình cho tất cả các hiện tượng. Chính vì thế,
nếu tiến hành thiết kế nền móng một cách cẩu thả, hoặc sao chép một cách cứng
nhắc sẽ không tránh khỏi thất bại;
- Tính toán thiết kế sai, tải trọng không chính xác, kết cấu chống thấm chưa
đạt yêu cầu, không phù hợp với điều kiện địa chất: loại sự cố này phần lớn do người
thiết kế không đủ trình độ thiết kế tương ứng, thiết kế lại không được qua kiểm tra
thẩm định tương ứng.
• Do thi công:
- Do đất đắp mang cống không đạt dung trọng, độ dính bám giữa đất đắp và bề
mặt bê tông không đảm bảo;
- Thi công thiết bị chống thấm không đảm bảo sự làm việc như mong muốn
của thiết kế. Ví dụ: sự kín nước của các me cừ với nhau, me cừ với bản đáy;
- Khi thi công làm xáo trộn hoặc phá hoại kết cấu đất của nền đỡ móng, làm
giảm cường độ chống cắt;
- Các ngoại lực trong thi công do máy đóng cọc, máy thi công, vật liệu…
- Không thi công đầy đủ như bản vẽ, không thi công đúng theo yêu cầu của
quy trình thao tác kỹ thuật, quản lý thi công không tốt.
• Những nguyên nhân khác:
- Do hỏng khớp nối, dòng nước có áp trong cống đi vào vùng đất xung quanh
P. Tuy vậy, nên dự tính sức chịu tải và độ lún của móng cọc tre hoặc tràm bằng
các phương pháp tính toán theo thông lệ. Tuy nhiên đối với công trình có tải trọng
trung bình đến lớn giải pháp này có hiệu quả thấp.
1.3.2. Gia cường đất yếu bằng cọc tiết diện nhỏ
Cọc tiết diện nhỏ được hiểu là các lọai cọc có đường kính hoặc cạnh từ 10 đến
25cm. Cọc nhỏ là giải pháp tốt để xử lý đất yếu vì mang lại hiệu quả kinh tế và kỹ 11
thuật. Công nghệ cọc nhỏ cho phép giảm chi phí vật liệu, thi công đơn giản, đồng
thời truyền tải trọng công trình xuống các lớp đất sâu hơn, giảm độ lún tổng cộng và
lún lệch công trình. Cọc nhỏ có ưu điểm sau:
- Tiết kiệm vật liệu và thiết kế tối ưu nhờ diện tiếp xúc với nền lớn.
- Thi công nhanh và đơn giản bằng các thiết bị búa nhẹ
- Là giải pháp hữu ích để gia cố sâu nền đến trên 20m thay cho cọc tràm
- Là công nghệ thích hợp để làm sàn vượt lũ
- Đã có quy trình quy phạm về thiết kế và thi công do Bộ Xây dựng ban hành
1.3.3. Gia tải trước
Phương pháp gia tải trước thường là giải pháp công nghệ kinh tế nhất để xử lý
nền đất yếu. Trong một số trường hợp phương pháp chất tải trước không dùng giếng
thoát nước thẳng đứng vẫn thành công nếu điều kiện thời gian và đất nền cho phép.
Tải trọng gia tải trước có thể bằng hoặc lớn hơn tải trọng công trình trong tương lai.
Trong thời gian chất tải độ lún và áp lực nước được quan trắc. Lớp đất đắp để gia tải
được dỡ khi độ lún kết thúc hoặc đã cơ bản xảy ra.
1.3.4. Giải pháp công nghệ cọc ximăng-đất để xử lý nền đất yếu của Cống dưới Đê
1.3.4.1. Giới thiệu công nghệ Cọc ximăng-đất
Ý tưởng cải tạo đất nền tại chỗ bằng cách đưa một lượng vật liệu vào đất nền
đã có từ rất lâu. Song do gặp khó khăn vì lúc đó công nghệ còn lạc hậu. Năm 1960,
Nhật Bản bắt đầu trong việc nghiên cứu công nghệ đưa vật liệu gia cố vào đất nền.
Những nghiên cứu đầu tiên bắt đầu từ Viện nghiên cứu Cảng và Đường thủy với đề
Hồ Chất (Viện Kỹ thuật Giao thông) đã có báo cáo kết qủa nghiên cứu “Về khả
năng gia cố đất bằng chất kết dính vô cơ trong điều kiện Việt Nam”. Báo cáo này
chủ yếu phân tích khả năng áp dụng phương pháp trộn sâu cho nhiều loại đất khác
nhau dựa vào thành phần hạt và nêu ra một số ảnh hưởng khi áp dụng phương pháp 13
như: loại đất, tỷ lệ kết dính, nhân tố thời gian đến khả năng biến cứng và ổn định
đất gia cố.
Năm 2004, Viện Khoa học Thuỷ lợi đã tiếp nhận chuyển giao công nghệ
khoan phụt cao áp (Jet-grouting) từ Nhật bản. Đề tài đã bước đầu có những nghiên
cứu thực nghiệm về sức chịu tải của cọc đơn và nhóm cọc, khả năng chịu lực ngang,
ảnh hưởng của hàm lượng XM đến tính chất của XMĐ, nhằm ứng dụng cột XMĐ
vào xử lý đất yếu.
Năm 2007 nhóm nghiên cứu của NCS. Phùng Vĩnh An đã tiếp tục triển khai
đề tài cấp bộ “ Nghiên cứu đề xuất phương pháp tính toán sức chịu tải của cột xi
măng-đất”. Đề tài đã công bố được nhiều thông tin có giá trị về việc ứng dụng các
kết quả mới trong tính toán xử lý nền bằng cọc xi măng – đất.
Mặc dù hiện nay ở trong nước việc ứng dụng giải pháp này ngày càng nhiều.
Tuy nhiên, nhiều chuyên gia trong lĩnh vực này khẳng định rằng để đạt được hiệu
quả cao trong việc xử lý nền móng công trình cần phải có những nghiên cứu sâu
hơn về vật liệu, phương pháp tính toán và công nghệ thi công.
1.3.4.2. Các công trình thực tế đã áp dụng
Đây là công nghệ mới, các tài liệu có liên quan đến việc đánh giá chất lượng
cọc XMĐ hiện nay rất phong phú, tuy nhiên việc áp dụng công nghệ vào các điều
kiện cụ thể cần phải được tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện. Ở nuớc ta việc sử dụng
công nghệ này để xử lý thấm cho một số công trình: Hồ Đá Bạc - Hà Tĩnh, cống
Trại - Nghệ An
1. Xử lý chống thấm Cống Cầu Bùng
Công trình: Xử lý chống thấm Cống Cầu Bùng;
tỉnh Hà Nam được xây dựng năm 2002.
Hiện trạng hư hỏng: Mùa lũ năm 2002 , khi đi vào vận hành xảy ra sự số mạch
sủi phía đồng, sau bể tiêu năng.
Giải pháp kỹ thuật: Thi công hàng tường cọc Xi măng đất dưới đáy cống bằng
công nghệ Khoan phụt áp lực cao.
Kết quả đạt được: Tạo hàng tường cọc XMĐ có hệ số thấm K< = 10-5cm/s.
Sau khi thi công, không còn hiện tượng thẩm lậu từ thượng lưu về nữa .Cống hoạt
động bình thường.
1.4. Kết luận
Việc ứng dụng các công nghệ tiên tiến để xử lý nền cho các cống dưới đê, các
cống Thủy lợi nói chung là rất cần thiết, có ý nghĩa kinh tế kỹ thuật cao.
Công nghệ xử lý nền cống dưới đê phải đảm bảo các tiêu chí sau:
+ Tạo được tường chống thấm dạng cọc dưới đáy cống và hai bên mang cống;
+ Vừa có tác dụng chống thấm và tác dụng chịu lực;
+ Phù hợp với các loại đất ở tỉnh Quảng Bình; 16
+ Thi công được dưới mực nước ngầm;
+ Thiết bị thi công phù hợp với điều kiện cống dưới đê, không gây chấn động
làm ảnh hưởng đến đất nền và bản thân công trình.
Copyright: Tài liệu đại học ©