LỜI TÁC GIẢ

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật chuyên ngành Xây dựng công trình thuỷ với đề
tài: " Nghiên cứu ứng suất và biến dạng của nền đê, đập gia cố bằng cọc xi
măng đất " được hoàn thành với sự giúp đỡ tận tình của Khoa sau đại học,
Khoa Công trình, bộ môn Thuỷ công Trường đại học Thuỷ lợi cùng các thầy
cô, các chuyên gia, bạn bè và đồng nghiệp.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Thuỷ công
và phòng Đào tạo Đại học và Sau đại học, trường Đại học Thủy lợi.
Xin chân thành cảm ơn Tổng công ty tư vấn xây dựng thủy lợi Việt Nam,
Công ty CPTVXDTLTĐ Thăng Long, bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã tạo
mọi điều kiện và động viên về nhiều mặt để tác giả hoàn thành luận văn.
Đặc biệt tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn
Quốc Dũng, NCS.ThS Phùng Vĩnh An - những người đã tận tình hướng dẫn
tác giả trong quá trình thực hiện luận văn.
Tuy nhiên, do thời gian có hạn và trình độ còn nhiều hạn chế nên luận
văn không thể tránh được các thiếu sót, rất mong các thầy cô, bạn bè và
đồng nghiệp quan tâm góp ý để tác giả có thêm kiến thức và kinh nghiệm
trong lĩnh vực này.
Luận văn được hoàn thành tại phòng Đào tạo Đại học và Sau đại học
trường Đại học Thủy lợi tháng 11 năm 2010.

Hà Nội, 30 tháng 11 năm 2010 Hồ Sỹ Hùng
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài………………………………………
0B1

2.2 Sự làm việc của cọc đơn và nhóm cọc xi măng - đất…………… 26
2.2.1 Phương pháp tính toán theo quan điểm cọc làm việc như cọc… 27
2.2.2 Phương pháp tính toán theo quan điểm nền tương đương……… 29
2.2.3 Phương pháp tính toán theo quan điểm hỗn hợp……………… 30
2.3 Bố trí cọc xi măng - đất để xử lý nền đê, đập…………………… 42
2.3.1 Dạng cách đều………………………………………………… 42
2.3.2 Dạng khung…………………………………………………… 43
2.4 Kết luận …………………………………….…………………… 44
CHƯƠNG 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ
LỰA CHỌN PHẦN MỀM TÍNH TOÁN
3.1 Cơ sở lý thuyết và các phương pháp tính toán…………………… 45
3.1.1 Phương pháp sai phân hữu hạn …………………………………. 47
3.1.2 Phương pháp phần tử hữu hạn………………………………… 47
3.1.3 Phương pháp biến phân cục bộ………………………………… 59
3.2 Lựa chọn phần mềm tính toán ………………………………… 60
3.2.1 Giới thiệu về phần mềm Plaxis ……………………………… 60
3.2.2 Cơ sở lý thuyết phần mềm Plaxis ………………………………. 61
3.2.3 mô hình hoá trong phần mềm Plaxis ………………………… 67
3.3 Kết luận …………………………………….…………………… 70
CHƯƠNG 4. ỨNG DỤNG CỦA CỌC XI MĂNG - ĐẤT ĐỂ XỬ LÝ
NỀN ĐẬP KHE NGANG – TỈNH THỪA THIÊN HUẾ

4.1 Giới thiệu công trình…………………………………………… 71
4.1.1 Nhiệm vụ của dự án…………………………………………… 71
4.1.2 Phương án thiết kế xử lý nền đập……………………………… 73
4.2 Lựa chọn các thông số đầu vào…………………………………. 77
4.2.1 Các thông số của đập thiết kế…………………………………… 77
4.2.2 Các chỉ tiêu cơ lý của đất nền…………………………………… 77
4.2.3 Các chỉ tiêu cơ lý của cọc XMĐ dự kiến ………………………. 78
4.2.4 Các chỉ tiêu cơ lý của nền tương đương………………………… 79

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Sửa chữa chống thấm cống D10-Hà Nam ………… … 6
Hình 1.2: Thi công tường chống thấm nền đập Đá Bạc- Hà Tĩnh .……7
Hình 1.3: Hình ảnh chống thấm cho đê quai công trình Sơn La …… 7
Hình 1.4: Quan hệ ứng suất-biến dạng mô hình biến dạng tuyến tính 9
Hình 1.5: Quan hệ ứng suất- biến dạng trong mô hình lý thuyết cân
bằng giới hạn ………………………………………………11
Hình 1.6: Quan hệ ứng suất- biến dạng trong mô hình đàn hồi- cân
bằng giới hạn ………………………………………………12
Hình 1.7: Quan hệ ứng suất - biến dạng mô hình đàn hồi phi tuyến 13
Hình 1.8: Quan hệ ứng suất - biến dạng mô hình đàn dẻo lý tưởng 15
Hình 1.9: Quan hệ ứng suất - biến dạng mô hình đàn dẻo tăng bền….16
Hình 1.10: Lý thuyết phá hoại Mohr - Coulomb ……………… 18
Hình 1.11: Áp lực đất tĩnh Lý thuyết phá hoại Mohr - Coulomb … 19
Hình 1.12: Các trạng thái cân bằng dẻo của Rankine ….………… 20
Hình 2.1: Sơ đồ phá hoại của đất dính gia cố bằng cọc XMĐ …… 31
Hình 2.2: Quan hệ ứng suất - biến dạng của vật liệu XMĐ … …… 33
Hình 2.3: Phá hoại khối ………… … …………………………… 33
Hình 2.4: Phá hoại cắt cục bộ …… … …………………………… 33
Hình 2.5: Sơ đồ tính toán biến dạng … …………………………… 35
Hình 2.6: Sơ đồ tải trọng truyền cho cọc … …………….…… 37
Hỡnh 2.7: S ti trng truyn cho t khụng n nh gia cỏc cc khi
ti trng vt quỏ bn róo .38
Hỡnh 2.8: Cỏc hỡnh thc b trớ cc XM vi mc ớch gia c nn 43
Hỡnh 2.9: B trớ gia c kiu khung . 43
Hỡnh 3.1: S tớnh toỏn theo Phng phỏp PTHH 50
Hỡnh 4.1: Phng ỏn búc b tng t yu nn p Khe Ngang 74

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 4.1:
Các thông số của đập thiết kế ……………………………….77
Bảng 4.2:
Các chỉ tiêu cơ lý dùng trong tính toán ……………………77
Bảng 4.3:
Các chỉ tiêu cơ lý của cọc xi măng đất dự kiến ……… 78
Bảng 4.4:
Các chỉ tiêu cơ lý tương đương của khối hỗn hợp ………… 79 1
MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Khi xây dựng đê, đập trên nền đất yếu nếu không được quan tâm xử lý
đúng mức thì có thể dẫn đến hư hỏng công trình. Trong thực tế, một số dạng
hư hỏng thường gặp là: (1) Biến dạng nền dẫn đến lún sụt đê, đập - Dạng này
thường gặp ngay trong quá trình thi công. Nứt ngang và dọc cục bộ đê, đập -

của giải xử lý nền bằng cọc XMĐ là yêu cầu đặt ra của thực tiễn sản xuất.
Trong đó, việc nghiên cứu ứng suất và biến dạng là một nội dung quan trọng
của vấn đề này.
2. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI
Nghiên cứu phương pháp tính toán ứng suất, biến dạng phẳng của nền
đê, đập gia cố bằng cọc XMĐ thi công bằng công nghệ Jet – Grouting.
3. CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1. Phương pháp tiếp cận:
3.1.1. Tiếp cận trên cơ sở đánh giá nhu cầu:
Nhu cầu trong vấn đề xử lý nền đất yếu khi xây dựng đê, đập.
3.1.2. Tiếp cận với thực tiễn công trình:
Khi tính toán ứng suất, biến dạng cho đập chính Hồ chứa nước Khe
Ngang- Tỉnh Thừa Thiên Huế, hội đồng khoa học đã đặt vấn đề cho Tư vấn
thiết kế phải làm rõ các nội dung như sau:
- Cơ chế hoạt động của cọc XMĐ.

3
- Sau khi cọc XMĐ làm việc có nứt tách cục bộ nền hay không?
- Cọc XMĐ hoạt động như các nệm lò xo hay theo một cơ chế khác?
3.2. Phương pháp nghiên cứu:
3.2.1. Phương pháp thu thập thông tin:
- Điều tra, thống kê 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.
3.2.2. 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.
3.2.3. Phương pháp nghiên cứu trên mô hình toán:
- Lựa chọn phần mềm tính toán.
- Chọn công trình cụ thể để thiết lập mô hình.

P. Đến năm 1994, hãng SWS
Seiko của Nhật Bản đã thi công 4000 dự án trên toàn thế giới. Ngoài ra, cọc
XMĐ được sử dụng để tránh sạt lở bờ sông như trong trường hợp của bờ sông
Kumatomoken- đảo Kyushu- Nhật Bản.
Tại Trung Quốc, công tác nghiên cứu được bắt đầu từ năm 1970. Đến
năm 1990 tổng cộng đã có trên 500.000 m
P
3
P đất được gia cố.
Tại Mỹ, việc xử lý và nâng cấp các đập đất nhằm đáp ứng các mục tiêu
an toàn trong vận hành rất được quan tâm. DM đã được ứng dụng để nâng cấp
các đập đất, tạo ra các tường chống thấm nhằm làm tăng cường độ, khống chế
biến dạng và kiểm soát các dòng thấm.

5
Tại Bungaria, nền các công trình thường được xây dựng bằng sét macma,
người ta đã sử dụng các cột XMĐ đường kính 0,25m, khoảng cách 2,5m để
gia cố. Kết quả sau khi xử lý không có dấu hiện nền bị lún.
Xu hướng phát triển của công nghệ DM trên Thế giới hiện nay hướng
vào khai thác mặt mạnh của DM đó là khả năng gia cố nhanh, có thể cố định
tại chỗ các nguồn ô nhiễm không cho chúng thoát lên khỏi mặt đất. Khi mới
phát minh, yêu cầu đối với DM chỉ là nhằm đạt được cường độ cao và chi phí
thấp. Nhưng gần đây do những nan giải trong vấn đề xây dựng đã đặt yêu cầu
cao về sự tin cậy và hoàn chỉnh của công nghệ. Ưu thế của DM hứa hẹn cho
những nghiên cứu tiếp tục.
1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CỌC XI MĂNG ĐẤT ĐỂ
GIA CỐ NỀN ĐÊ, ĐẬP TẠI VIỆT NAM
Công nghệ DM đã được miêu tả trong “Xử lý sự cố nền móng công
trình” của GS Nguyễn Bá Kế xuất bản năm 2000. Năm 2002, Viện KHCN
Xây dựng đã có đề tài nghiên cứu về cọc Xi măng - Vôi. Bộ Xây dựng đang

hào chống thấm cắt qua lớp đất (4) là lớp cát bụi - cắm vào lớp 5 là lớp sét
nhẹ màu nâu xám. Qua đợt lũ lớn năm 2005, qua theo dõi các trận lũ nhỏ cho
thấy không còn hiện tượng đùn sủi như trước, việc sửa chữa đã thành công.

Hình 1.1: Phương án sửa chữa chống thấm cống D10 - Hà Nam

7
cắt ngang
giớ i hạn t - ờng chố ng thấm
T- ờng ch ống thấm
Đ- ờng phân giớ i lớ p 7 và l ớ p 8
Đỉnh t -ờ ng chống t hấm +7.00m
cắt dọc tim t- ờng chống thấm
sơ đồ thi công
1 24 5 43 1 2 5
3
p ỏ Bc tnh H Tnh: nn ca p ỏ Bc l cỏt thm nc, chiu
dy thay i t 3-18m, lũng sui xut hin nc ngm cú ỏp, trong nn ln
cỏc tng ỏ m cụi. Phng ỏn DM a ra khc phỳc

c nhng tr ngi m cụng ngh tng ho Bentonie gp khú khn v tit kim
20% kinh phớ.
a.Mt ct thit k
b.Cụng trỡnh ang thi cụng
Hỡnh 1.2: Thi cụng tng chng thm nn p ỏ Bc - H Tnh
Chng thm cho ờ quai Giai on II nh mỏy thu in Sn La: cu
to a tng ca ờ quai l lp bi tớch lũng sụng dy, lp ỏ gục nm di

9
e) Mô hình đàn - dẻo
f) Mô hình biến dạng phi tuyến
Trong đó, mô hình đàn dẻo là mô hình kết hợp giữa lý thuyết đàn hồi và
lý thuyết đàn dẻo mô tả khá đúng sự làm việc của đất nền.
1.3.1.1. Mô hình biến dạng tuyến tính
Cơ sở của mô hình lý thuyết đàn hồi là định luật Hooke:
Trong điều kiện nén hoặc kéo đơn một trục, sẽ có quan hệ tuyến tính:
σ = E ε (1.1)
Trong đó:
ε - biến dạng dọc trục
E - môđun đàn hồi Hình 1.4: Quan hệ ứng suất - biến
dạng trong mô hình biến dạng
tuyến tính
Đối với đất: đặc trưng lại là sự tồn tại chủ yếu của biến dạng dư vì thế
mô hình môi trường lý thuyết đàn hồi chỉ có thể áp dụng ở giai đoạn gia tải
một lần lên môi trường đất mà không có sự dỡ tải tiếp theo.
Hệ phương trình bao gồm:
- Các phương trình tĩnh (các phương trình cân bằng tĩnh)
- Các quan hệ hình học
- Các phương trình vật lý
Xét chủ yếu bài toán phẳng (biến dạng phẳng, ứng suất phẳng)
a) Dạng các phương trình cân bằng Navier : Phân tố nhỏ vô hạn






10
b) Các phương trình hình học: Liên hệ các biến dạng thẳng và các biến dạng
góc với chuyển vị (U,W), trong trường hợp tổng quát là phi tuyến, đối với bài
toán phẳng có dạng :









∂
∂
+
∂
∂
=
∂
∂
=
∂
∂
=
x
W
z
U

ε
σνν
σνε
])
1()1
[(
])1
()1[(
2
2
(1.4)
Dạng ma trận của định luật Hooke:
{σ} = [D] {ε} (1.5)
Trong đó:
[D] là ma trận đàn hồi;
{σ}: Véctơ các ứng suất của phân tố đất;
{ε}: Véctơ các biến dạng của phân tố đất;
Như vậy, trong trường hợp tổng quát, đối với bài toán phẳng, từ các
phương trình trên sẽ xác định được các ẩn gồm ba thành phần ứng suất là
(σ
R
x
R, σR
z
R, τR
xz
R), ba thành phần biến dạng (εR
x
R, εR
z

11
Ngoài các phương trình đã nêu còn có các phương trình tương thích của
biến dạng, dùng thay thế các phương trình hình học, hoặc cho chúng giữ vai trò
các hệ thức kiểm tra điều kiện môi trường sau khi gia tải có còn liên tục hay
không. Nói cách khác, sau khi đặt tải trọng thì biến dạng của mỗi hình hộp
phân tố tưởng tượng tách ra của vật thể trớc khi đặt tải cần phải tương thích,
nghĩa là với biến dạng đó sẽ không phá hoại tính liên tục của môi trường
(không hình thành các khe hở giữa các mặt của các phân tố).
1.3.1.2. Mô hình lý thuyết cân bằng giới hạn
Mô hình này dựa trên giả thiết: ở tất cả mọi điểm của môi trường đất tồn
tại các mặt mà trên chúng điều kiện cân bằng giới hạn được thực hiện.

Hình 1.5: Quan hệ ứng suất - biến dạng trong
Mô hình lý thuyết cân bằng giới hạn
Hệ phương trình tương ứng với trường hợp bài toán phẳng có dạng:
Hai phương trình cân bằng tĩnh:







=+
∂
∂
+
∂
∂
=+

Phương trình thứ ba là điều kiện cân bằng giới hạn xác định tất cả các
đặc tính của mô hình. Phương trình là một trong các dạng của phương trình
Coulomb τ = σ tgϕ + c được biểu diễn qua các ứng suất chính. Chú ý rằng
trong mô hình môi trường lý thuyết cân bằng giới hạn chỉ nghiên cứu sự đạt
tới trạng thái giới hạn tại điểm bất kỳ, không có bất kỳ biến dạng trớc nào và

12
không xem xét sự chảy liên tục có thể của môi trường và các biến dạng của
nó, nghĩa là có thể nói rằng: mô hình này không biến dạng.
1.3.1.3. Mô hình đàn hồi - cân bằng giới hạn
Mô hình hỗn hợp lý thuyết môi trường biến dạng tuyến tính và môi
trường lý thuyết cân bằng giới hạn.
Giả thiết rằng trong môi trường đất tồn tại cả vùng môi trường lý thuyết
vật thể biến dạng tuyến tính cũng như vùng trạng thái cân bằng giới hạn

Hình 1.6: Quan hệ ứng suất - biến dạng trong mô hình
đàn hồi - cân bằng giới hạn
Hệ phương trình mô tả trạng thái ứng suất của môi trường sẽ có dạng:
- Hai phương trình cân bằng tĩnh







=+
∂
∂
+

2
2
x
2
2
x
2
∂∂
∂
=
∂
∂
+
∂
∂
(1.9)
- σ
R
1
R - σR
3
R = (σR
1
R + σR
3
R + 2σR
c
R) sinϕ (1.10)
Các phương trình cân bằng phải được thực hiện trên toàn bộ môi trường
đất; các phương trình tương thích - chỉ trong vùng đàn hồi; còn phương trình

- Đặc trưng và ma trận liên hệ độ tăng ứng suất và biến dạng nhỏ ở mức các
ứng suất đã đạt được, gọi là đặc trưng và ma trận tiếp tuyến
{dσ} = [D
R
t
R] {dε} (1.12)
Dựa trên các quan hệ phi tuyến giữa ứng suất và biến dạng được tiếp
nhận là duy nhất ở mọi điểm của khối đất, cả khi tăng tải cũng như khi dỡ tải.
Biến dạng dẻo được tính gộp với biến dạng đàn hồi bằng cách áp dụng
các quan hệ thực nghiệm “ứng suất - biến dạng toàn phần (đàn hồi + dẻo)”.

Hình 1.7: Quan hệ ứng suất - biến dạng trong mô hình đàn hồi phi tuyến
Tính phi tuyến thể hiện bằng đặc trưng: Phi tuyến vật lý hoặc phi tuyến
hình học, hoặc trong trường hợp tổng quát có đồng thời cả hai.
- Tính phi tuyến vật lý: là tính phi tuyến của phương trình vật lý.

14
- Tính phi tuyến hình học: là tính phi tuyến của liên hệ biến dạng và
chuyển vị (hệ thức hình học).
Phần lớn các bài toán phi tuyến của cơ học đất là phi tuyến vật lý (mô hình
vật liệu). Các phương trình khởi điểm áp dụng trong lý thuyết đàn hồi phi
tuyến vật lý về thành phần cũng giống như trong lý thuyết đàn hồi tuyến tính.
Trong đó các phương trình cân bằng và các hệ thức hình học của cả hai lý
thuyết hoàn toàn đồng nhất, còn khác nhau chỉ là các phương trình vật lý.
Khi giải các bài toán phi tuyến, thông thường các phương trình vật lý tiếp
nhận dưới dạng các hệ thức của định luật Hooke tổng quát giống như trong lý
thuyết đàn hồi tuyến tính, nhưng với các giá trị Moduyl Young E và hệ số
Poisson ν (hoặc là các môđun tương ứng G và K) bị thay đổi tuỳ thuộc trạng
thái ứng suất.
1.3.1.5. Mô hình đàn - dẻo

kết hợp.
Hiện nay có nhiều giả thiết về tiêu chuẩn dẻo như của Tresca, Mises,
Coulomb, Coulomb-Mises tổng quát. Thông số chính để đánh giá mô hình
theo tiêu chuẩn dẻo là hàm số mô tả quỹ tích của điểm dẻo (còn gọi là hàm
dẻo F), trong đó có hàm biểu thị sự nới rộng mặt chảy dẻo theo mức độ tăng
thông số độ bền k. Hàm dẻo phụ thuộc vào trạng thái ứng suất của đất đá:
F = F ({σ}) - Hàm thế dẻo, phụ thuộc các thành phần tenxơ ứng suất
ij
d
ij
F
dd
σ
λε
∂
∂
=
(1.13)

16
Tuỳ theo tiêu chuẩn dẻo khác nhau, có thể thu được các lời giải khác
nhau cho bài toán ứng suất-biến dạng.
Mô hình đàn-dẻo lý tưởng là mô hình tương đối phù hợp với điều kiện
làm việc của đất nền, nó không đòi hỏi các thí nghiệm địa kỹ thuật trong
phòng quá phức tạp, có thể được đáp ứng ở các phòng thí nghiệm cơ đất
thông thường. Mô hình này có thể áp dụng phù hợp cho hầu hết các loại đất.
b) Mô hình môi trường đàn - dẻo tăng bền:

Hình 1.9: Quan hệ ứng suất - biến dạng trong mô hình đàn dẻo tăng bền
Các biến dạng đàn hồi hoàn toàn (thuận nghịch) và biến dạng dẻo ngay

- Trạng thái tĩnh : cân bằng đàn hồi không có biến dạng hông.
- Trạng thái chủ động: cân bằng dẻo kèm theo dãn nở hông.
- Trạng thái bị động: cân bằng dẻo kèm theo ép co hông.
Ứng suất thẳng đứng và nằm ngang có thể biểu diễn qua tỉ số:
h
v
K
σσ
=
(1.14)
Trong đó, K là hệ số áp lực đất.
Ba trạng thái kể trên liên hệ với Lý thuyết phá hoại Mohr – Coulomb:
trong trường hợp phá hoại trượt hoặc biến dạng dẻo liên tục, vòng Mohr biểu