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

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