(Luận Văn Thạc Sĩ) Nghiên Cứu Xử Lý Nền Đất Yếu Bằng Cọc Pcc Cho Đường Thử Tàu, Depot Hà Đông.pdf

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và kết quả

trong luận văn là hoàn toàn đúng với thực tế và chưa được công bố trong các công

trình trước đây. Tất cả các trích dẫn đã được ghi rõ nguồn gốc.

Hà Nội, ngày tháng năm 2017

Người cam đoan

ii

LỜI CẢM ƠN

Luận văn Thạc sĩ chuyên ngành xây dựng công trình thủy với đề tài “Nghiên cứu

xử lý nền đất yếu bằng cọc PCC cho đường thử tàu, Depot Hà Đông” được hoàn thành

dưới sự cố gắng nỗ lực của tác giả, cùng sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của thầy giáo

hướng dẫn khoa học, các thầy cô giáo trong bộ môn Địa kỹ thuật và Khoa Công Trình,

cùng các đồng nghiệp, bạn bè và người thân.

Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Quý cơ quan, Quý thầy cô, đồng nghiệp

đã tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn

này.

Đặc biệt tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo, Tiến Sĩ Phạm Quang

Tú đã hết sức tận tình chỉ bảo, giúp đỡ, hướng dẫn, tạo điều kiện quan trọng để tác giả

hoàn thành luận văn này.

Xin bày tỏ lòng biết ơn đối với gia đình và bạn bè đã luôn động viên tác giả về mọi

mặt trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu vừa qua.

Tuy đã có những cố gắng nhất định xong do thời gian có hạn, trình độ bản thân

còn hạn chế, luận văn này không thể tránh khỏi thiếu sót. Tác giả kính mong quý thầy cô,

quý đồng nghiệp và bạn bè chỉ dẫn và góp ý xây dựng, tạo thêm thuận lợi để tác giả có thể

tiếp tục học tập và hoàn thiện về đề tài nghiên cứu của mình.

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2017

Tác giả luận văn

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................i

LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. ii

MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii

DANH MỤC HÌNH ẢNH ........................................................................................... viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................ix

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC BIỆN PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU HIỆN

NAY ................................................................................................................................. 1

1.1. Các biện pháp xử lý nền đất yếu ............................................................................. 1

1.1.1. Đặc tính của đất yếu ............................................................................................. 1

1.1.2. Các biện pháp xây dựng công trình trên nền đất yếu ........................................... 2

1.1.3. Các biện pháp xử lý kết cấu công trình ................................................................ 3

1.1.4. Các biện pháp xử lý về móng ............................................................................... 4

1.1.5. Các biện pháp xử lý nền đất yếu ........................................................................... 4

1.1.5.1. Các biện pháp cơ học; vật lý ............................................................................ 5

1.1.5.2. Các biện pháp hóa học ..................................................................................... 5

1.1.5.3. Phương pháp sinh học ...................................................................................... 5

1.1.5.4. Các phương pháp thủy lực ............................................................................... 5

1.1.6. Một số phương pháp được ứng dụng nhiều trong thực tế .................................... 6

1.1.6.1. Phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc cứng. .............................................. 6

1.1.6.2. Phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc cát ................................................... 6

1.1.6.3. Phương pháp xử lý nền bằng cọc đất – ximăng ............................................... 7

1.1.6.4. Phương pháp gia tải nén trước ......................................................................... 7

1.1.6.5. Phương pháp xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm ............................................... 8

1.2. Xử lý nền bằng cọc PCC ......................................................................................... 8

1.2.1. Tổng quan về xử lý nền bằng cọc PCC ................................................................ 8

1.2.2. Các công trình trong nước và trên thế giới sử dụng cọc PCC để xử lý nền ......... 9

1.2.3. Quá trình thi công cọc PCC ................................................................................ 10

1.2.4. Ưu nhược điểm của phương pháp ...................................................................... 10

1.2.4.1. Ưu điểm ............................................................................................................ 10

iv

1.2.4.2. Nhược điểm ...................................................................................................... 11

1.3. So sánh lựa chọn phương án xử lý nền đất yếu cho khu vực đường thử tàu, Depot

– Hà Đông. .................................................................................................................... 11

1.4. Kết luận chương 1 ................................................................................................ 12

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

THIẾT KẾ HỢP LÝ CỦA CỌC PCC .......................................................................... 14

2.1. Mở đầu: ................................................................................................................. 14

2.2. Cơ sở tính toán. ..................................................................................................... 14

2.2.1. Sức chịu tải dọc trục của cọc đơn ....................................................................... 14

2.1.1.1. Sức chịu tải của cọc theo đất nền. .................................................................. 14

2.1.1.2. Sức chịu tải của cọc theo vật liệu:.................................................................. 15

2.2.2. Sức chịu tải của nền phức hợp............................................................................ 15

2.2.2.1. Tỷ lệ thay thế cọc đất – khoảng cách cọc ...................................................... 16

2.2.2.2. Sức chịu tải của nền phức hợp: ...................................................................... 16

2.2.3. Thiết kế tầng đệm ............................................................................................... 17

2.2.3.1. Lựa chọn kích thước mũ cọc: ......................................................................... 17

2.2.3.2. Thiết kế lưới địa kỹ thuật: .............................................................................. 18

2.2.4. Độ lún của nền .................................................................................................... 19

2.2.4.1. Độ lún trong phạm vi gia cố cọc S1 ............................................................... 20

2.2.4.2. Độ lún của các lớp đất phía dưới mũi cọc S2................................................. 20

2.3. Trình tự thi công ................................................................................................... 21

2.3.1. Chuẩn bị mặt bằng thi công ................................................................................ 22

2.3.2. Định vị máy thi công .......................................................................................... 23

2.3.3. Quá trình rung hạ ống vách ................................................................................ 23

2.3.4. Công tác bê tông và đổ bê tông vào thành rỗng của ống vách ........................... 24

2.3.4.1. Công tác bê tông: ........................................................................................... 24

2.3.4.2. Công tác đổ bê tông ....................................................................................... 25

2.3.5. Rung và rút ống vách .......................................................................................... 25

2.3.6. Làm sạch và đổ bê tông bịt đầu cọc và thi công lớp mũ mở rộng ..................... 25

2.3.7. Thi công lớp đệm đá dăm đầu cọc...................................................................... 25

2.3.8. Thi công các lớp đất đắp bên trên đến cao độ bàn giao ..................................... 26

v

2.4. Kiểm tra và nghiệm thu vật liệu xây dựng ........................................................... 27

2.5. Kiểm soát chất lượng cọc trong quá trình thi công............................................... 27

2.6. Kiểm soát chất lượng cọc sau thi công ................................................................. 28

2.6.1. Giới thiệu chung ................................................................................................. 28

2.6.1.1. Mục đích thí nghiệm ...................................................................................... 29

2.6.1.2. Số lượng cọc thí nghiệm ................................................................................ 29

2.6.1.3. Trình tự thí nghiệm ........................................................................................ 29

2.7. Mô phỏng bài toán xử lý nền bằng các phần mềm chuyên dụng. ........................ 30

2.7.1. Giới thiệu chung về các phần mềm phổ biến hiện nay ....................................... 30

2.7.2. Giới thiệu về bộ phần mềm Plaxis ...................................................................... 30

2.8. Kết luận chương 2. ................................................................................................ 31

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC PCC CHO ĐƯỜNG

THỬ TÀU, DEPOT – HÀ ĐÔNG ................................................................................ 33

3.1. Giới thiệu công trình đường thử tàu tàu, Depot Hà Đông .................................... 33

3.1.1. Khái quát chung dự án ........................................................................................ 33

3.1.2. Địa lý và môi trường ........................................................................................... 34

3.1.2.1. Vị trí địa lý tự nhiên ....................................................................................... 34

3.1.2.2. Điều kiện khí hậu ........................................................................................... 35

3.1.2.3. Hệ thống nước mặt và môi trường xây dựng. ................................................ 36

3.1.2.4. Điều kiện địa chất thủy văn. ........................................................................... 37

3.1.2.5. Điều kiện địa chất công trình ......................................................................... 38

3.1.3. Yêu cầu kỹ thuật thiết kế xử lý nền đất yếu ....................................................... 42

3.1.3.1. Cao độ khu vực xử lý nền .............................................................................. 42

3.1.3.2. Yêu cầu về sức chịu tải, độ lún và tính ổn định ............................................. 42

3.1.3.3. Yêu cầu về độ chặt san nền ............................................................................ 43

3.2. Tính toán, phân tích chọn giải pháp thiết kế ......................................................... 43

3.2.1. Phương án móng nông trên nền thiên nhiên ....................................................... 43

3.2.1.1. Kiểm tra sức chịu tải của nền ......................................................................... 43

3.3. Thiết kế kỹ thuật phương án xử lý bằng cọc PCC ................................................ 44

3.3.1. Lựa chọn các thông số tính toán so sánh ............................................................ 44

3.3.2. Trình tự tính toán thiết kế kỹ thuật phương án xử lý nền bằng cọc PCC ........... 45

vi

3.4. Trình tự tính toán chi tiết của một phương án từ bước một đến bước bốn. ......... 46

3.4.1. Trường hợp tính 1 ............................................................................................... 46

3.4.1.1. Số liệu đầu vào trường hợp tính toán 1 .......................................................... 46

3.4.1.2. Tính toán sức chịu tải của cọc ........................................................................ 47

3.4.1.3. Kiểm tra khả năng chịu tải của cọc ................................................................ 48

3.4.1.4. Kiểm tra sức chịu tải của nền liên hiệp giữa đất gia cố cọc ........................... 50

3.4.1.5. Độ lún của nền sau khi gia cố cọc .................................................................. 51

3.4.2. Trường hợp tính 2 ............................................................................................... 54

3.4.2.1. Số liệu đầu vào trường hợp tính toán 2 .......................................................... 54

3.4.2.2. Tính toán sức chịu tải của cọc ........................................................................ 55

3.4.2.3. Kiểm tra khả năng chịu tải của cọc ................................................................ 56

3.4.2.4. Kiểm tra sức chịu tải của nền liên hiệp giữa đất gia cố cọc ........................... 58

3.4.2.5. Độ lún của nền sau khi gia cố cọc .................................................................. 59

3.4.3. Kết quả tính các phương án kỹ thuật .................................................................. 61

3.4.4. Phân tích chọn phương án hợp lý ....................................................................... 63

3.5. Mô phỏng bài toán bằng phần mềm Plaxis 2D v8.2 ............................................ 65

3.5.1. Số liệu đầu vào: .................................................................................................. 65

3.5.2. Mô phỏng cho trường hợp tính toán 01. ............................................................. 66

3.5.2.1. Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn .............................................................. 66

3.5.2.2. Chương trình tính Plaxis Caculation .............................................................. 69

3.5.2.3. Chương trình Plaxis Output ........................................................................... 70

3.5.3. Mô phỏng cho trường hợp tính toán 02. ............................................................. 72

3.6. Kiểm tra sức chịu tải của cọc thực tế sau thi công bằng thí nghiệm nén tĩnh ...... 75

3.6.1. Những vấn đề chung ........................................................................................... 75

3.6.2. Mục đích thí nghiệm ........................................................................................... 75

3.6.3. Đặc điểm cọc thí nghiệm .................................................................................... 75

3.6.3.1. Số hiệu cọc thí nghiệm: .................................................................................. 75

3.6.3.2. Loại cọc thí nghiệm........................................................................................ 75

3.6.3.3. Tải trọng thiết kế, tải trọng thí nghiệm .......................................................... 75

3.6.4. Phương pháp và thiết bị thí nghiệm ................................................................... 75

3.6.4.1. Phương pháp thí nghiệm ................................................................................ 75

vii

3.6.4.2. Thiết bị thí nghiệm ......................................................................................... 76

3.6.4.3. Chế độ quan trắc. ............................................................................................ 77

3.6.5. Quy trình thí nghiệm ........................................................................................... 77

3.6.6. Báo cáo kết quả thí nghiệm ................................................................................ 79

3.6.6.1. Kết quả thí nghiệm ......................................................................................... 79

3.6.6.2. Đánh giá chung về sự làm việc của cọc trong quá trình thí nghiệm .............. 80

3.6.6.3. Kết luận .......................................................................................................... 80

3.7. Kết luận chương 3 ................................................................................................. 80

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 82

1. Kết luận ................................................................................................................. 82

2. Kiến nghị ............................................................................................................... 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 83

PHỤ LỤC A: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CỌC PCC CHO HỐ KHOAN ĐỊA

CHẤT CLDX - 01 ......................................................................................................... 84

PHỤ LỤC B: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CỌC PCC CHO HỐ KHOAN ĐỊA

CHẤT CLDX - 11 ......................................................................................................... 99

viii

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Tổng quát các phương án xây dựng công trình trên nền đất yếu ..................... 3

Hình 1.2: Cọc PCC thi công cho dự án đường sắt đô thị Cát Linh – Hà Đông ............ 10

Hình 2.1. Sơ đồ tính lực kéo trong lưới địa kỹ thuật..................................................... 18

Hình 2.2. Máy thi công cọc PCC .................................................................................. 21

Hình 2.3: Cọc PCC sau khi thi công. ............................................................................ 21

Hình 2.4: Trình tự công nghệ thi công cọc PCC ........................................................... 22

Hình 2.5. Hình ảnh minh họa thi công lớp đệm đá dăm và lưới Địa kỹ thuật. ............. 26

Hình 3.1. Bản đồ vị trí khu Depot ................................................................................. 34

Hình 3.2 Mương tưới trong Depot ................................................................................ 36

Hình 3.3 Hiện trạng khu Depot chưa thi công .............................................................. 37

Hình 3.4 Sơ đồ mặt cắt dọc địa chất điển hình ............................................................. 39

Hình 3.5 Sơ đồ cao trình tự nhiên, san lấp và hoàn thiện tại khu vực .......................... 42

Hình 3.6. Sơ đồ nguyên lý hiệu ứng vòm ..................................................................... 49

Hình 3.7. Mặt cắt ngang điển hình loại 1 ...................................................................... 65

Hình 3.8. Mặt cắt ngang điển hình loại 2 ...................................................................... 65

Hình 3.9. Mô hình hình học của trường hợp tính toán 1 ............................................... 66

Hình 3.10. Khai báo vật liệu và gán vật liệu vào mô hình ............................................ 67

Hình 3.11. Tạo lưới phần tử hữu hạn ........................................................................... 67

Hình 3.12. Thiết lập áp suất lỗ rộng .............................................................................. 68

Hình 3.13. Thiết lập cấu hình hình học ban đầu và tạo ứng suất ban đầu .................... 68

Hình 3.14. Các giai đoạn tính toán ................................................................................ 69

Hình 3.15 Lưới chuyển vị ............................................................................................. 70

Hình 3.16 Chuyển vị theo phương thẳng đứng ............................................................. 70

Hình 3.17. Kết quả ứng suất tổng .................................................................................. 71

Hình 3.18. Kết quả ứng suất tại mũi cọc ....................................................................... 71

Hình 3.19 Lưới chuyển vị chuyển vị ............................................................................. 72

Hình 3.20 Lưới chuyển vị chuyển vị ............................................................................. 73

Hình 3.21. Kết quả ứng suất tổng .................................................................................. 74

Hình 3.22. Kết quả ứng suất tại mũi cọc ....................................................................... 74

ix

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Hệ số triết giảm sức chịu tải của đất giữa các cọc ......................................... 17

Bảng 2.2: Các yêu cầu kiểm tra chất lượng cọc PCC trong quá trình thi công ............. 28

Bảng 3.1: Các chỉ tiêu cơ lý của mặt cắt ngang địa chất 01 số hiệu hố khoan CLDX –

01 ................................................................................................................................... 40

Bảng 3.2: Các chỉ tiêu cơ lý của mặt cắt ngang địa chất 02 CLDX – 11 ...................... 41

Bảng 3.3. Các thông số thiết kế cọc PCC ...................................................................... 44

Bảng 3.4. Các phương án so sánh đối với hố khoan CLDX – 01 ................................. 45

Bảng 3.5. Các phương án so sánh đối với hố khoan CLDX – 11 ................................. 45

Bảng 3.6 Chiều dài cọc và khoảng cách cọc tính toán điển hình .................................. 46

Bảng 3.7. Số liệu tải trọng ............................................................................................. 46

Bảng 3.8. Vật liệu cọc và lưới Địa kỹ thuật .................................................................. 46

Bảng 3.9 Thông số chung cọc ....................................................................................... 47

Bảng 3.10. Bảng tra qsik và qpk theo độ sâu của lớp đất tại hố khoan CLDX-01 .......... 47

Bảng 3.11 Sức chịu tải của nền sau khi gia cố cọc........................................................ 51

Bảng 3.12. Độ lún của nền liên hợp cọc và đất ............................................................. 53

Bảng 3.13 Kết quả tính lún của nền đất dưới mũi cọc .................................................. 53

Bảng 3.14. Số liệu tải trọng ........................................................................................... 54

Bảng 3.15 Thông số thiết kế cọc ................................................................................... 54

Bảng 3.16. Vật liệu cọc và lưới Địa kỹ thuật ................................................................ 54

Bảng 3.17. Bảng tra qsik và qpk theo độ sâu của lớp đất tại hố khoan CLDX-11 .......... 55

Bảng 3.18 Sức chịu tải của nền sau khi gia cố cọc........................................................ 59

Bảng 3.19. Độ lún của nền liên hợp cọc và đất ............................................................. 60

Bảng 3.20 Kết quả tính lún của nền đất dưới mũi cọc .................................................. 60

Bảng 3.21. Thống kê các phương án thỏa mãn yêu cầu dự án ...................................... 62

Bảng 3.22. Thống kê khối lượng của các phương án .................................................... 63

Bảng 3.23. Bảng kê khai phương án chọn ..................................................................... 66

Bảng 3.24. Quy trình thí nghiệm nén tĩnh cọc PCC ..................................................... 79

1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC BIỆN PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU

HIỆN NAY

1.1. Các biện pháp xử lý nền đất yếu

Khi xây dựng công trình, chúng ta đều phải đặt nó lên nền chịu lực phía bên dưới. Nền

đó có thể là đá hoặc đất; cát... Đối với từng loại nền chúng ta đều có những biện pháp

xây dựng sao cho phù hợp với đặc tính của loại nền đó sao cho công trình phía trên và

nền làm việc ổn định.

Đối với nền công trình là đất, chúng ta cần phải chú ý nhiều đến nền đất yếu bởi vì nền

đất yếu là nền đất không đủ sức chịu tải, không đủ độ bền và biến dạng nhiều, do vậy

không thể xây dựng các công trình, vì thế nó bị lún tuỳ thuộc vào quy mô tải trọng và

đặc điểm kết cấu công trình bên trên.

Khi thi công các công trình xây dựng gặp các loại nền đất yếu, tùy thuộc vào tính chất

của lớp đất yếu, đặc điểm cấu tạo của công trình mà người ta dùng phương pháp xử lý

nền móng cho phù hợp để tăng sức chịu tải của nền đất, giảm độ lún, đảm bảo điều

kiện khai thác bình thường cho công trình.

Trong thực tế xây dựng, có rất nhiều công trình bị lún, sập khi xây dựng trên nền đất

yếu do không có những biện pháp xử lý hợp lý, không đánh giá chính xác được các

tính chất cơ lý của nền đất để làm cơ sở và đề ra các giải pháp xử lý nền móng phù

hợp. Đây là một vấn đề hết sức khó khăn, đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa kiến thức

khoa học và kinh nghiệm thực tế để giải quyết, giảm được tối đa các sự cố, hư hỏng

của công trình khi xây dựng trên nền đất yếu.

1.1.1. Đặc tính của đất yếu

Đất mềm yếu là những đất có khả năng chịu tải nhỏ (vào khoảng 0,5 – 1,0 daN/cm2

);

có tính nén lún lớn hầu như bão hòa nước (a > 0,1 cm2

/kg); có hệ số rỗng lớn (e>1);

mô đun biến dạng bé (E<50kG/cm2

); độ sệt lớn (B>1); khả năng chống cắt (C) bé; khả

năng thấm nước bé; hàm lượng nước trong đất cao; độ bão hòa nước G>0,8; khối

lượng riêng nhỏ và lẫn nhiều chất hữu cơ.[1].

2

Các loại nền đất yếu chủ yếu và thường gặp:

Trong thực tế xây dựng thường gặp nhất là đất sét yếu bão hòa nước. Loại đất này có

những tính chất đặc biệt, đồng thời cũng có những tính chất tiêu biểu cho các loại đất

yếu nói chung

- Đất sét mềm: Gồm các loại đất sét hoặc sét pha tương đối chặt, ở trạng thái bão

hòa nước, có cường độ thấp;

- Đất bùn: Các loại đất mới được tạo thành trong môi trường nước, thành phần hạt

rất mịn, ở trạng thái luôn no nước, hệ số rỗng lớn, rất yếu về mặt chịu lực;

- Đất than bùn: Là loại đất yếu có nguồn gốc hữu cơ, được hình thành do kết quả

phân hủy các chất hữu cơ có ở các đầm lầy (hàm lượng hữu cơ từ 20-80%);

- Cát chảy: Gồm các loại cát mịn, kết cấu hạt rời rạc, có thể bị nén chặt hoặc pha

loãng đáng kể. Loại đất này khi chịu tải trọng động thì chuyển sang trạng thái chảy gọi

là cát chảy;

- Đất bazan: Là loại đất yếu có độ rỗng lớn, dung trọng khô bé, khả năng thấm nước

cao, dễ bị lún sụt.

Với các đặc điểm của đất yếu như trên, muốn đặt móng xây dựng công trình trên nền

đất này thì phải có các biện pháp kỹ thuật để cải tạo tính năng xây dựng của nó. Nền

đất sau khi xử lý gọi là nền nhân tạo.

1.1.2. Các biện pháp xây dựng công trình trên nền đất yếu

Việc xử lý khi xây dựng công trình trên nền đất yếu phụ thuộc vào nhiều điều kiện

như: đặc điểm công trình, đặc điểm của nền đất...

Để có được một phương án tối ưu cả về mặt kinh tế kỹ thuật, người thiết kế cần nêu ra

những phương án khác nhau. Các phương án xây dựng khác nhau về cơ bản như xử lý

kết cấu phần trên; xử lý phần móng và xử lý phần nền. Các phương án nền móng khác

nhau về cơ bản như móng nông trên nền thiên nhiên, móng nông trên nền nhân tạo,

móng cọc cứng... Mỗi phương pháp như vậy lại có thể có nhiều phương án nhỏ do việc

chọn loại móng khác nhau hoặc vật liệu khác nhau... vì vậy với từng điều kiện cụ thể

mà người thiết kế đưa ra biện pháp xử lý hợp lý.

Hình 1.1 thể hiện tổng quát các phương án xây dựng công trình trên nền đất yếu hay

được sức dụng ở Việt Nam hiện nay [2],