Một số vấn đề kỹ thuật trong thiết kế khối đắp trên nền cọc

Nhu cầu xây dựng hạ tầng ngày càng tăng dẫn đến có những công trình phải xây dựng trên nền đất yếu, chính vì vậy, cần phải có các giải pháp xử lý. Một trong các phương pháp xử lý nền đất yếu là sử dụng cọc (piled embankment). Đây là phương pháp có nhiều ưu điểm và có giá thành ngày càng thấp. Bài viết này giới thiệu một số vấn đề chủ yếu liên quan đến kỹ thuật thiết kế khối đắp trên nền đất yếu nhằm cung cấp cho người đọc những khái niệm bước đầu khi tiếp cận với công nghệ này.

I. TỔNG QUAN

Ngay từ thời cổ đại, con người đã sử dụng cọc cây để đóng vào đất như một hình thức gia cường đất. Từ thế kỷ XII, người Đức đã dùng các cọc cây đóng ken sít vào nhau để gia cố nền pháo đài Gifhorn được gọi là phương pháp Spickpfahle. Tại Indonesia, phương pháp đóng cọc cây có tên gọi là phương pháp Cerucuk đã được dùng từ lâu [2]. Ở Việt Nam, sử dụng cọc tre, cọc tràm để gia cố nền móng công trình khá phổ biến. Trong những năm gần đây cũng có nhiều dự án sử dụng cọc ống ứng suất trước để gia cố nền khối đắp.

Hình 1: Khối đắp bằng nền cọc

Trên Thế giới,1kỹ thuật gia cố đất bằng cọc (thường sử dụng cọc bê tông cốt thép (BTCT), cọc ống BTCT) được ứng dụng nhiều trong xây dựng nền đường sắt, đường bộ. Vải địa kỹ thuật (ĐKT) được lắp đặt trên mũ cọc như là một lớp đệm gia cố. Do có sự biến dạng khác nhau giữa các cọc nên có sự phân bố lại ứng suất trong khối đắp theo cơ chế hiệu ứng vòm, vải ĐKT sẽ gánh chịu một phần tải trọng thông qua sức chịu kéo. Phần còn lại sẽ truyền vào cọc và chuyển lên tầng đất sâu hơn hoặc lớp đất cứng phía dưới. Khi đóng cọc treo, việc giảm lún sẽ không đạt được như cọc chống. Tuy nhiên nó lại tạo ra được sự đồng nhất về lún tốt hơn so với cọc chống.

Hiện tồn tại nhiều quy trình hướng dẫn thiết kế khối đắp trên nền cọc như BS 8006 (Anh), EBGEO 2004 (Đức)... Trong đó BS 8006 là thông dụng nhất vì tiện lợi cho các kỹ sư trong thực hành. EBGEO 2004 là phương pháp mới, đi sâu vào cách

tiếp cận hiệu ứng vòm. BS 8006 nghiên cứu cơ chế làm việc của khối đắp trên nền cọc với các điều kiện sau:

− Cọc làm việc theo sơ đồ cọc chống. Sơ đồ cọc treo còn ít được nghiên cứu. Các tài liệu trên thế giới chỉ đề cập: nếu là cọc treo thì phải nhân với một hệ số chiết giảm.

− Trên đầu cọc có cấu tạo một mũ cọc (pilled caps); trên mũ cọc có một lớp đệm gia cố dày 25 ~ 30cm gồm vải ĐKT loại dệt đặt xen kẹp trong cát. Lớp này có tác dụng phân bố lại tải trọng thẳng đứng do khối đắp thành 2 thành phần, thành phần nằm ngang chuyển thành lực kéo trong vải ĐKT và thành phần thẳng đứng truyền vào cọc theo cơ chế hiệu ứng vòm.

− Đất đắp trên đầu cọc yêu cầu có góc ma sát trong ϕ ≥ 30 độ. Mặc dù trong thực tế đã sử dụng cọc để gia cố nền khối đắp, tuy nhiên hiểu biết về vấn đề này vẫn còn chưa đầy đủ. Bài báo này trình bày một số vấn đề có liên quan khi nghiên cứu sử dụng cọc cây để gia cố nền khối đắp nhằm cung cấp cho người đọc những vấn đề mới có liên quan đến ứng xử của khối đắp trên nền cọc.

II. HIỆU ỨNG VÒM

2.1 Định nghĩa về hiệu ứng vòm

Terzaghi là người đưa ra quan điểm hiệu ứng vòm trong quyển lý thuyết cơ học đất năm 1943. Ban đầu, áp suất thẳng đứng lên nền đất tự nhiên là bằng khả năng chịu tải của nền. Sau đó do việc lún dần dần vùng đất xung quanh các cọc sẽ làm võng vật liệu đắp phía trên, sự chuyển động đó làm xuất hiện sức kháng cắt ở mặt bên giữa một khối bị lún xuống và khối trên cọc đứng yên. Hậu quả là áp lực tổng cộng lên vùng bị võng sẽ giảm, trong khi vùng đứng yên trên đỉnh cọc làm tăng tải trọng lên cọc với cùng một giá trị tương ứng. Khi độ võng đã đặt đến giới hạn sẽ sinh ra mặt phá hoại giữa 2 mặt trượt lên nhau hình thành theo dạng vòm, bắt đầu từ đỉnh cọc lan dần lên bề mặt. Phương pháp thiết kế được giới thiệu ở Anh (như BS8006, 1995; Hewlett & Randolph,1988; Guio, 1987) đều xem ứng suất tại vòm lõm nằm giữa hai cọc phụ thuộc hoàn toàn vào khoảng cách giữa các cọc. Trị số ứng suất này cũng được sử dụng để tính toán lớp lưới Địa kỹ thuật rải trên đầu cọc. Tuy nhiên, cách xác định tải trọng có sự khác nhau giữa các tác giả. Công trình này nghiên cứu và mô hình hóa hiệu ứng vòm sử dụng các mô hình toán 2D và 3D trong đất đắp hạt thô. Kết quả chỉ ra rằng tỷ lệ giữa chiều cao khối đắp và khoảng cách giữa các cọc là một thông số hết sức quan trọng  

Xu hướng lún không đều xuất hiện giữa các cọc cứng và đất nền, gây ra hiện tượng đất đắp ngay phía trên nền đất trong khoảng giữa 2 cọc sẽ lún nhiều hơn là đất đắp trên mũi cọc. Hiện tượng này gây ra biến dạng và một mặt phẳng cắt, sau đó ứng suất cắt sẽ được phân bố lại trong khối đất đắp để truyền xuống cọc và giảm tải cho nền đất yếu giữa 2 cọc. Sơ đồ truyền tải trọng khối đắp lền nền - cọc như hình 2. Các khối đắp được đầm nện tốt sẽ phát huy tốt nhất hiệu ứng này.

Hình 2: Mô phỏng hiệu ứng vòm, a) Mô hình 2D, b) Mô hình 3D

Có rất nhiều quan điểm và mô hình về hiệu ứng vòm đã được đề xuất, kể cả về lý thuyết chung đến xem xét cụ thể trong một bài toán cọc gia cố nền khối đắp. Terzaghi (1943) là người đầu tiên đề nghị mô hình mặt phẳng cắt thẳng đứng. Hewlett & Randalph (1988) đề xuất mô hình vòm bán tròn và giả thuyết này được sử dụng trong BS 8006 (1995)… Tuy nhiên, cho đến nay chưa có mô hình nào đạt được sự thống nhất hoàn toàn trong giới địa kỹ thuật quốc tế.

Dưới đây sẽ giới thiệu một số mô hình nói trên, với các giả thiết sau:

- Vật liệu khối đắp là đồng nhất.

- Ứng suất tổng và ứng suất hiệu quả trong đất đắp là bằng nhau.

Chi tiết bài báo xem tại đây: MỘT SỐ VẤN ĐỀ KỸ THUẬT TRONG THIẾT KẾ KHỐI ĐẮP TRÊN NỀN CỌC

Tác giả: PGS.TS. Nguyễn Quốc Dũng
Viện Thủy công

Tạp chí KH&CN Thủy lợi