Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu về ứng suất giới hạn và chuyển vị của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng

1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Equation Chapter 1 Section 1Gia cố nền đất yếu bằng cọc đất xi măng đã được nghiên cứu áp dụng ở nhiều nước trên thế giới. Tại Việt Nam, công nghệ này cũng được nghiên cứu áp dụng ngày càng phổ biến, song chúng ta còn gặp những khó khăn nhất định: ­ Các tiêu chuẩn áp dụng trong nước còn thiếu (đặc biệt cho xử lý đất yếu nền đường ô tô, sân bay) hoặc có nhưng ở mức chỉ dẫn cơ bản và chủ yếu vẫn dựa vào các nguồn tài liệu nước ngoài như của các nước Châu Âu, Nhật Bản, Trung Quốc, ...v.v; ­ Mặc dù công nghệ gia cố ngày càng phát triển, nhưng do phụ thuộc nhiều yếu tố, nên cường độ cọc thi công vẫn rất phân tán, do đó các nước thường đưa ra chỉ dẫn áp dụng cho công trình gia cố cụ thể và thông qua thí nghiệm, các công thức thực nghiệm để xác định các giá trị giới hạn mà chưa phân tích kỹ cơ chế biến đổi ứng suất và độ bền dẫn đến phá hoại ­ biến dạng, đồng thời hình thành nhiều quan điểm tính khác nhau khó áp dụng. Mặt khác, khi áp dụng các công thức thực nghiệm này trong điều kiện Việt Nam thì vẫn có những sai khác lớn. Từ thực trạng gia cố nền đất yếu bằng cọc đất xi măng và trên cơ sở đi sâu tìm hiểu lý thuyết cơ học đất, luận án NC về ứng suất, ứng suất giới hạn và chuyển vị của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng. Thông qua đó đánh giá được diễn biến thay đổi trạng thái ứng suất ­ chuyển vị bề mặt của nền đất trước và sau khi gia cố, góp phần bổ sung vào các tài liệu, các tiêu chuẩn hiện hành để thuận lợi hơn trong NC tính toán gia cố nền đất yếu bằng cọc đất xi măng. 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án 2 Xây dựng mô hình bài toán xác định trạng thái ứng suất, ứng suất giới hạn và chuyển vị của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng. Vận dụng NC, đánh giá sự thay đổi trạng thái ứng suất ­ biến dạng khi gia cố, đồng thời giúp người kỹ sư dễ dàng thiết kế xử lý đất yếu nền đường bằng cọc đất xi măng đảm bảo yêu cầu độ bền trượt và độ lún cho phép. 3. Đối tượng nghiên cứu của luận án Nghiên cứu nền đất yếu gia cố bằng cọc đất xi măng chịu tác dụng của tải trọng thẳng đứng công trình giao thông. 4. Phạm vi nghiên cứu của luận án Nghiên cứu trạng thái ứng suất, ứng suất giới hạn và biến dạng (chuyển vị bề mặt) của nền hỗn hợp dưới nền đường đắp. 5. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu thực tiễn gia cố kết hợp với lý thuyết cơ học đất để xây dựng mô hình bài toán lý thuyết, sử dụng các phương pháp SPHH và phương pháp PTHH để giải, lập trình bằng ngôn ngữ Matlab. Kết quả bài toán được kiểm chứng độ tin cậy theo bài toán lý thuyết và kết quả thí nghiệm hiện trường. Vận dụng khảo sát BT. 6. Nội dung bố cục của luận án Phần mở đầu Chương 1: Tổng quan về gia cố nền đất yếu bằng cọc đất xi măng Chương 2: Nghiên cứu trạng thái ứng suất của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng Chương 3: Nghiên cứu cường độ giới hạn của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng Chương 4: Nghiên cứu chuyển vị của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng Kết luận và kiến nghị Danh mục các công trình khoa học đã công bố: Liệt kê 6 bài báo được đăng trên Tạp chí Cầu đường Việt Nam và Tạp chí GTVT. 3 Tài liệu tham khảo: Liệt kê 54 tài liệu tiếng Việt, 10 tài liệu tiếng Anh, 1 tài liệu tiếng Nga để hoàn thành luận án. Phụ lục: Gồm 14 phụ lục trình bày các chương trình tính toán, các bảng biểu tính chất cơ học của đất và các số liệu kết quả thí nghiệm hiện trường trong khuôn khổ luận án. Chương 1 TỔNG QUAN VỀ GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC ĐẤT XI MĂNG Equation Chapter 1 Section 1Equation Chapter 1 Section 1 Luận án trình bày đặc điểm và phân bố đất yếu nói chung ở Việt Nam, các biện pháp chung xử lý đất yếu hiện nay. Trình bày phương pháp gia cố nền đất yếu bằng cọc đất xi măng: phân tích công nghệ trộn sâu, tình hình nghiên cứu cũng như ứng dụng phát triển công nghệ này trên thế giới và tại Việt Nam, quá trình hình thành cọc đất xi măng. Đặc biệt, luận án đi sâu tìm hiểu các nghiên cứu tính toán về cọc đất xi măng trong và ngoài nước, như các nước Châu Âu, Nhật Bản, Trung Quốc, ...v.v từ đó rút ra các kết luận: ­ Trải dài từ Bắc vào Nam, tại các khu vực xây dựng hạ tầng có nhiều loại đất yếu khác nhau. Trong đó, tồn tại khá phổ biến loại đất yếu là bùn sét, sét yếu, …v.v có tầng đất yếu nằm sâu, khả năng thấm nước rất kém, có tính dẻo và tính dễ kết hợp với các loại vật liệu dính kết (xi măng, vôi) tạo ra vật liệu mới, thì trong nhiều trường hợp, gia cố bằng cọc đất xi măng được cho là kinh tế kỹ thuật hơn các giải pháp xử lý khác. ­ Mặc dù công nghệ gia cố nền đất bằng cọc đất xi măng ngày càng được hoàn thiện, nhưng quá trình hình thành cọc đất xi măng là quá trình lý hóa phức tạp và phụ thuộc vào nhiều yếu tố, nên cọc đất xi măng tạo ra có tính chất cơ lý và cường độ phân tán, do đó trong tính toán hiện nay thường phải làm thực nghiệm, hoặc áp dụng công thức kinh nghiệm đi kèm theo là nhiều quan điểm tính khác nhau. Qua phân tích, thấy rằng phương pháp tính kết hợp “nền cọc” phản ánh gần nhất tính chất chịu lực của hệ nền ­ cọc. Tuy nhiên, ở phương pháp chưa thấy rõ tính chất vật liệu phá hoại, chưa đánh giá sự phân bố ứng suất ­ độ bền khi đến giới hạn, mà chỉ giả định các mặt trượt đơn giản hóa (trượt đất xung 4 quanh cọc, trượt trụ tròn, ...v.v) để xác định sức chịu tải, dẫn đến có nhiều công thức thực nghiệm khác nhau khó áp dụng. Dự tính chuyển vị (lún) của hệ nền ­ cọc khi quy đổi về nền đồng nhất, tuy vậy các quan điểm cũng rất khác nhau khi xác định mô đun đàn hồi (biến dạng) của nền đất và của cọc. Từ các vấn đề nêu trên, hướng nghiên cứu của luận án là nghiên cứu về trạng thái ứng suất (chương 2), ứng suất giới hạn (chương 3) và chuyển vị (chương 4) của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng. Chương 2 NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT CỦA NỀN ĐẤT GIA CỐ BẰNG CỌC ĐẤT XI MĂNG 2.1. Cơ sở lý thuyết nghiên cứu ứng suất của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng Để xác định trạng thái ứng suất của nền đất trong bài toán phẳng, dựa vào 2 phương trình cân bằng tĩnh học: (2.1) (trong đó: , , ­ các thành phần ứng suất tại một điểm; ­ trọng lượng thể tích của đất) và phải giả thiết đất là vật liệu đàn hồi (thỏa mãn điều kiện liên tục biến dạng). Đối với phần lớn các bài toán thực tế là khá phức tạp, nên thường sử dụng phương pháp giải gần đúng ­ giảm nhẹ điều kiện liên tục biến dạng. Phương pháp này được xây dựng trực tiếp từ nguyên lý biến phân, theo nguyên lý này dạng cân bằng thực của vật thể khác với dạng khả dĩ của nó ở chỗ trong trường hợp thực, năng lượng của hệ có giá trị cực tiểu (nguyên lý Castigliano). (2.2) trong đó: E ­ mô đun đàn hồi; ­ hệ số Poisson; ­ miền lấy tích phân của nền đất. Thực tế, nền đất gia cố là vật liệu có cấu tạo rất phức tạp. Từ các nghiên cứu thực tiễn gia cố nền đất yếu bằng cọc đất xi măng tại Nhật Bản, Thụy Điển, Việt Nam …v.v, cho thấy nền gia cố tuy có cường độ cao hơn nhiều so với nền đất tự nhiên, nhưng nhìn chung cường độ thấp hơn nhiều so với “cọc cứng” (đặc biệt với lượng xi măng sử dụng dưới 300 kg/m3 đất), tính chất chịu lực của cọc khá tương đồng với nền đất. Do đó, trong nghiên cứu có 5 thể xem cọc chỉ chịu nén như nền đất dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng. Khi xem hệ nền ­ cọc là vật liệu chịu nén, áp lực do tải trọng bản thân trong nền phân bố dưới dạng thủy tĩnh, thì dạng dễ mất ổn định nhất là bị trượt do ứng suất cắt gây ra (thay đổi hình dạng mà không thay đổi thể tích khi phá hoại). Vì vậy, tác giả vận dụng phân tích ổn định trượt cắt theo cực tiểu của ứng suất tiếp lớn nhất của các điểm trong nền đất (viết tắt là min max), để nghiên cứu xác định trạng thái ứng suất của hệ nền gia cố bằng cọc đất xi măng (còn gọi là hệ nền ­ cọc). Từ điều kiện min max này, kết hợp với ràng buộc (2.1), có được hệ phương trình xác định trạng thái ứng suất của hệ nền gia cố (bài toán phẳng): (2.3) trong đó: ­ ký hiệu ngắn gọn của toán tử Laplace. 2.2. Xây dựng mô hình bài toán xác định trạng thái ứng suất của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng theo cực tiểu của ứng suất tiếp lớn nhất Bài toán nửa mặt phẳng vô hạn (hình 2.1) có mặt thoáng nằm ngang chứa hệ nền ­ cọc, trong đó: + Nền đất yếu có lực dính đơn vị cs, góc ma sát trong s và trọng lượng thể tích s. Gia cố bằng cọc đất xi măng đường kính Dc, chiều dài cọc Lc, lực dính đơn vị cc, góc ma sát trong c, trọng lượng thể tích c. Hình 2.1. Bài toán xác định trạng thái ứng suất của hệ nền gia cố cọc đơn + Tải trọng tác dụng xuống hệ nền ­ cọc thông qua lớp đất đệm trên đầu cọc là tải trọng thẳng đứng có cường độ p, phân bố trên bề rộng b (đất đắp công trình giao thông). Xem giới hạn bền khi trượt là độc lập và phụ thuộc chủ yếu vào ứng suất tiếp, trạng thái ứng suất của hệ nền ­ cọc được xác định từ hàm mục tiêu: ... - tailieumienphi.vn