Ths. Nguyễn Tăng Thanh Bình, Tomohide Takeyama, Masaki Kitazume

THÍ NGHIỆM LY TÂM CHO PHÁ HOẠI NGOÀI CỦA CỌC ĐẤT TRỘN SÂU GIA CƯỜNG BẰNG TRỘN NÔNG CENTRIFUGE MODEL TEST ON EFFECT OF SHALLOW MIXING REINFORCING DEEP MIXING COLUMNS: EXTERNAL FAILURE Ths. Nguyễn Tăng Thanh Bình, Tomohide Takeyama, Masaki Kitazume TÓM TẮT Cọc đất trộn xi măng ngày càng được sử dụng rộng rãi trong gia cố nền đường trong quá trình thi công đường trên đất yếu. Nhiều nghiên cứu trong phá hoại của cọc đất xi măng bên dưới nền đường đã chỉ ra rằng, các cọc bị phá hoại nhanh chóng và rời rạc do khả năng chịu tải ngang kém của nhóm cọc. Nhằm gia tăng khả năng chịu tải cho nhóm cọc tự do, công nghệ trộn nông được đề xuất để kết nối các đầu cọc lại với nhau. Trong nghiên cứu này tác giả sử dụng thí nghiệm mô hình sử dụng máy ly tâm để khảo sát cơ chế phá hoại của nhóm cọc được gia cường bằng công nghệ trộn nông. Bốn thí nghiệm được thực hiện trong điều kiện sử dụng và không sử dụng lớp trộn nông đồng thời khảo sát sự ảnh hưởng của cường độ lớp đất bên dưới nhóm cọc. Nghiên cứu chỉ tập trung khảo sát cơ chế phá hoại ngoài (external failure) của nhóm cọc có cường độ rất cao so với đất nền. Để tránh các phá hoại bên trong (internal failure) xảy ra trong quá trình thí nghiệm, các ống acrylic được sử dụng như các cọc đất trộn xi măng. Kết quả thí nghiệm chỉ ra rằng, chuyển vị nghiêng (tilting) và chuyển vị trượt (sliding) được tìm thấy như là 2 cơ chế phá hoại chính của nhóm cọc. Chuyển vị trượt dễ dàng xảy ra trong điều kiện lớp đất nền bên dưới nhóm cọc có cường độ nhỏ. Trong khi đó, chuyển vị nghiêng của nhóm cọc được hạn chế bằng cách sử dụng lớp trộn nông để gia cường nhóm cọc. Mức độ ảnh hưởng của lớp trộn nông đến độ ổn định của đất nền cũng được thảo luận trong nghiên cứu này. ABSTRACT Recently, the deep mixing (DM) columns are widely used to support embankment constructed on soft ground areas in the world. Researches on the stability of deep mixing columns confirmed that the isolated columns in group have a small horizontal resistance and fail individually at different times under embankment pressure. A cement stabilized shallow mixing layer is proposed to reinforce the isolated columns in order to increase the stability and loading capacity of improved ground. In this study, four centrifuge model tests were conducted to observe the effects of the shallow layer and the bottom strength beneath columned improved area on the failure pattern of deep mixing columns. In term of the external stability, acrylic pipe and acrylic block were used to simulate the deep mixing columns and the stabilized shallow layer respectively in order to avoid the internal failure of improved area. Results from the model tests show that the tilting and sliding failures were observed as two main external failure patterns. While the sliding displacement of improved area is considerably influenced by the bottom strength, the tilting displacement is significantly decreased by using the stabilized shallow mixing layer. The effect of shallow layer on the stability of improved ground is also discussed in this study. ThS. Nguyễn Tăng Thanh Bình Giảng viên, Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Trường Đại Học Bách Khoa Đại Học Quốc Gia Tp.HCM Email: nttbinh@hcmut.edu.vn Điện thoại: 08.3863-7003 Associate Prof. Tomohide Takeyama PGS, Khoa kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại Học Kobe Nhật Bản Email: takeyama@people.kobe-u.ac.jp Prof. Masaki Kitazume GS, Khoa kỹ thuật Xây dựng, Học viện Công nghệ Tokyo Nhật Bản Email: kitazume@cv.titech.ac.jp 1. Giới thiệu Công nghệ trộn sâu là công nghệ xử lý đất yếu bằng cách trộn tại hiện trường đất yếu với các phụ gia như là xi măng, vôi hay hóa chất nhằm tăng cường độ chịu tải của đất yếu (Kitazume & Terashi, 2013). Trong khi nhiều nghiên cứu tập trung vào khảo sát đánh giá độ thay đổi cường độ của soilcrete do ảnh hưởng của nhiều nguyên nhân như là loại phụ gia, điều kiện đất nền, điều kiện trộn và điều kiện bảo quản mẫu, (Terashi, 1997), các nghiên cứu khác lại tập trung vào khảo sát khả năng ứng dụng của công nghệ trộn sâu này vào thực tế công trình như là gia cường nền móng cho nền đường, công trình cầu, đường hầm và kể cả trong môi trường ngập nước như bến cảng, cũng như dùng làm nền móng cho các nhà dân dụng (Kitazume & Terashi, 2013). Ở Việt Nam, công nghệ này cũng đã được đưa vào nghiên cứu và ứng dụng đặc biệt cho các công trình cầu đường và bến cảng thông qua các kết quả của nhiều nghiên cứu (Đậu Văn Ngọ, 2008; Mai Anh Phương, 2014; Lê Khắc Bảo, 2014). Một trong các ứng dụng phổ biến là gia cố nền trong xây dựng đường trên đất yếu. Tuy nhiên, dưới tác dụng của tải trọng nền đường, các cọc gần chân ta luy dễ dàng phá hoại do khả năng chịu tải ngang kém của nhóm cọc. (Kitazume & Maruyama, 2007). Một giải pháp được đề xuất nhằm gia tăng cường độ và khả năng chịu tải ngang của nhóm cọc là sử dụng một lớp trộn nông để gắn kết các cọc lại với nhau. Giải pháp này đã được nghiên cứu gần đây bởi một số tác giả ((Ishikura et al., 2009) (Kitazume, 2011). Tuy nhiên, cơ chế phá hoại của nhóm cọc được gia cường chưa được nghiên cứu trọn vẹn. Trong nghiên cứu này, mô hình thí nghiệm sử dụng máy ly tâm được thực hiện nhằm khảo sát cơ chế phá hoại của nhóm cọc được gia cường so với sự phá hoại của nhóm cọc không được gia cường. Nội dung nghiên cứu chỉ tập trung vào cơ chế phá hoại bên ngoài, tức là phá hoại không xảy ra bên trong cọc (như là phá hoại do cắt, do uốn thường xảy ra với cọc có cường độ nhỏ) mà là phá hoại do sự chuyển vị lớn của nhóm cọc thường xảy ra cho các cọc có cường độ rất lớn so với đất nền xung quanh. Để tránh các phá hoại bên trong xảy ra trong quá trình thí nghiệm, ảnh hưởng đến việc khảo sát cơ chế phá hoại ngoài, ống acrylic và tấm acrylic được sử dụng để mô phỏng cọc đất trộn sâu và lớp trộn nông. Cơ chế phá hoại của nhóm cọc cũng như độ ổn đinh của nền đường khi sử dụng lớp trộn nông cũng được thảo luận trong nghiên cứu này. 2. Điều kiện thí nghiệm Mô hình thí nghiệm ly tâm được thể hiện trong Hình 1 với 2 trường loại cọc là fixed type (chân cọc chạm lớp cát cứng) và loại floating type (chân cọc cách nền cát cứng 1 cm). Kích thước mô hình được thể hiện bên trên trong khi kích Trang 1

thước thực tế được thể hiện trong dấu ngoặc đơn bên dưới. Theo kích thước mô hình, lớp sét yếu dày 20 cm được sử dụng như lớp đất yếu, bên dưới là một lớp cát cứng có chiều dày là 3 cm. Nước mặt được giữ tại bề mặt lớp đất sét trong suốt quá trình thí nghiệm. Một nền đường được xây dựng bên phải của mô hình trong quá trình chạy máy ly tâm bằng giải pháp phun cát (rain-fall). Trước thí nghiệm, tại vị trí ta luy của nền đường, nhóm 12 cọc acrylic được sử dụng để gia cường nền đất sét yếu với tỷ lệ gia cố là 22.3 %. Cọc có đường kính 20 cm trong khi lớp trộn nông được mô phỏng bằng tấm acrylic có chiều dày là 4 cm. Thí nghiệm ly tâm được thực hiện ở gia tốc 50G tương đương 50 lần gia tốc trọng trường g = 9.81 m/s 2. Cọc dạng floating type được sử dụng để mô phỏng điều kiện lớp đất nền bên dưới nhóm cọc là yếu so với trường hợp cọc fixe-type dùng mô phỏng trường hợp cọc được thi công đến tầng lớp đất cứng. Hình 2. Sét Kaolin sau cố kết (Ống Acrylic) (Tấm Acrylic) Hình 1. Mô hình thí nghiệm 3. Mô hình thí nghiệm và vật liệu Quá trình chuẩn bị thí nghiệm được bắt đầu bằng việc cố kết hỗn hợp bột Kaolin với 100% độ ẩm ở ứng suất cố kết 200 kpa. Trong điều kiện cố kết 2 phương, việc cố kết sét Kaolin được thực hiện trong 10 ngày. Độ đồng nhất của lớp sét được khẳng định sau khi cố kết bằng việc khảo sát độ ẩm và sức kháng cắt của mẫu sét ở các chiều sâu khác nhau, kết quả được thể hiện trong Hình 2. Từ hình này ta thấy, độ ẩm của mẫu sét sau khi cố kết là khoảng 60% và hầu như đồng đều với chiều sâu, trong khi đó sức kháng cắt được khảo sát vào khoảng 30 kpa và gần như bằng nhau trong cả 4 thí nghiệm. (Cát Silica số 3) (Cát Zircon) Hình 3. Các vật liệu khác trong thí nghiệm Các vật liệu khác sử dụng trong thí nghiệm được thể hiện trong Hình 3. Ống acrylic được sử dụng như cọc đất trộn sâu trong khi tấm acrylic được dùng mô hình lớp trộn nông. Để điều chỉnh trọng lượng bản thân của ống acrylic cho tương đương với cọc đất trộn thực sự, một thanh kim loại và sáp được cho vào bên trong ống. Tương tự cho tấm acrylic, một tấm mỏng nhôm được sử dụng để điều chỉnh trọng lượng bản thân cho lớp trộn nông. Để đặt được các cọc acrylic vào bên trong lớp sét, một ống thép được cắm vào bên trong lớp sét đồng thời sử dụng một cái gàu nhỏ để đào đất bên trong ống. Sau khi đào hết đất bên trong ống, ống thép được rút ra tạo lổ trống để lắp Trang 2

đặt các cọc vào. Lặp lại quá trình trên để lắp đặt tất cả 12 cọc cho mỗi thí nghiệm. Trong trường hợp có sử dụng lớp trộn nông, vị trí đặt lớp trộn nông được đào trước khi lắp đặt cọc. Cọc và tấm acrylic được liên kết với nhau bằng vít tại đỉnh của các cọc nhằm mô phỏng sự liên kết cứng giữa cọc và lớp trộn nông. Những cái đinh nhỏ được gắn vào mặt trước của lớp sét để khảo sát sự chuyển vị của những vị trí nhất định trong quá trình thí nghiệm. Bên dưới lớp sét là lớp cát cứng được làm bằng cát Silica số 3, trong khi vật liệu sử dụng cho tải trọng nền đường là cát Zircon. Cát Zircon có tải trọng bản thân cao khoảng 33 kn/m 3 nhằm làm tăng tải trọng trong quá trình thí nghiệm. Tại tim của nền đường, một áp kế được lắp đặt để đo tải trọng của đường đắp trong quá trình thí nghiệm thi công đường. 4. Kết quả và Thảo luận Tất cả kết quả thí nghiệm bên dưới được thể hiện trong kích thước thực tế giúp người đọc dễ theo dõi và so sánh với các công trình thực tế. Và để dễ dàng thể hiện tên các trường hợp trong các bảng kết quả thí nghiệm, tác giả sẽ sử dụng các thuật ngữ fixed-type và floating-type để chỉ 2 loại cọc trong điều kiện thí nghiệm có sử dụng gia cường (có GC) và không sử dụng gia cường (không GC). 4.1 Biến dạng của đất nền sau chất tải sự biến dạng của đất nền giữa cọc fixed-type và cọc floatingtype, trong trường hợp sử dụng cọc floating type, sự chuyển vị của nhóm cọc không chỉ phần bên trên mà cả phần bên dưới của nhóm cọc cũng di chuyển. So với trường hợp cọc fixedtype, chỉ phần trên của nhóm cọc có sự di chuyển rõ ràng, trong khi chân cọc hầu như không có chuyển vị nào được tìm thấy. 4.3 Chuyển vị của nền đường Chuyển vị ngang của chân ta luy và lún gần tim nền đường được khảo sát và thể hiện trong Hình 6 cho cả 4 thí nghiệm. Biến dạng nền đường gia tăng khi tải trọng đất đắp nền đường gia tăng. Chuyển vị ngang của chân ta luy giảm rõ rệt khi sử dụng lớp trộn nông để gia cường cho nhóm cọc, kể cả cọc floating-type và cọc fixed-type (Hình 6a). (a) Chuyển vị ngang tại chân ta luy nền đường Trước chất tải Sau chất tải Hình 4. Biến dạng đất nền trước và sau chất tải cho cọc loại fixed-type Hình 4 thể hiện các biến dạng của đất nền sử dụng cọc fixed-type trong khi Hình 5 thể hiện kết quả cho cọc floatingtype trong 2 trường hợp không (2 hình trên) và có lớp trộn nông (2 hình dưới). (b) Độ lún bên dưới nền đường tại tim đường Hình 6. Biến dạng của nền đường Hơn nữa, chuyển vị ngang của chân ta luy nền đường hầu như bằng nhau trong trường hợp sử dụng lớp trộn nông cho cả 2 loại cọc. Trong trường hợp không sử dụng lớp trộn nông, biến dạng ngang của ta luy hầu như bằng nhau cho 2 loại cọc khi tải trọng nền đường tương đối nhỏ. Tuy nhiên, khi tải trọng gia tăng, khoảng 150 kpa, nền đường với cọc floating-type có xu hướng tăng nhanh hơn trường hợp cọc fixed-type mặc dù sự khác biệt là không quá đáng kế trong khuôn khổ của mô hình thí nghiệm. Trước chất tải Sau chất tải Hình 5. Biến dạng đất nền trước và sau chất tải cho cọc loại floating-type Đất nền được gia cường chỉ với cọc không có lớp trộn nông cho biến dạng lớn hơn trường hợp có sử dụng lớp gia cường bất kể loại cọc fixed hoặc floating-type. Tuy nhiên, nếu so sánh Hình 6b thể hiện độ lún tại gần tim đường khảo sát tại vị trí bề mặt lớp sét. Khi tải trọng nền đường dưới 100 kpa, lún tại vị trí khảo sát cho cả 4 thí nghiệm gần như bằng nhau. Tuy nhiên, với tải trọng lớn hơn, sự khác biệt thể hiện rõ ràng rằng nền đường được gia cường chỉ với cọc không có lớp trộn nông sẽ lún nhiều hơn đặc biệt là với cọc floating-type. Trang 3

Độ ổn định của nền đường có thể đánh giá sơ bộ qua việc khảo sát giá trị tải trọng phá hoại của nền đường cũng như so sánh chuyển vị của nền đường trong các trường hợp thí nghiệm. Ứng suất bắt đầu phá hoại (yield pressure) của nền đường được xác định là ứng suất của nền đường tại điểm uốn của đường cong ứng suất-biến dạng xét cho biến dạng ngang tại chân ta luy. Bằng cách vẽ lại đường cong của hình 6a, trong hệ trục lograrit cho ứng suất nền đường, giá trị ứng suất tại thời điểm phá hoại được tìm thấy và thể hiện trong Hình 7a. Kết quả cho thấy, giá trị tải trọng lúc phá hoại phụ thuộc rất nhiều vào việc sử dụng lớp trộn nông. Cụ thể, ứng suất này tăng từ 90 kpa lên 140 kpa khi gia cường nhóm cọc bằng lớp trộn nông. Kết quả như nhau cho cả loại cọc fixed-type và floating-type. 4.4 Cơ chế phá hoại của cọc đất (a) Cọc loại fixed-type (b) Cọc loại floating-type Hình 8. Chuyển vị của cọc sau thí nghiệm (a) Tải trọng nền đường lúc phá hoại (b) Tỷ lệ chuyển vị ngang Hình 7. Đánh giá độ ổn định nền đường Bằng cách sử dụng lớp trộn nông, chuyển vị ngang của chân ta luy được giảm rõ rệt như trong Hình 6a. Để đánh giá mức độ giảm này, một tỉ lệ giữa chuyển vị ngang này trong 2 trường hợp có và không có lớp trộn nông được tính toán và thể hiện trong Hình 7b. Cụ thể, chuyển vị tại chân ta luy trong trường hợp không có gia cường lớp trộn nông được xem là 100%, giá trị chuyển vị này trong trường hợp được gia cường sẽ được so sánh với giá trị này để khảo sát mức độ giảm của chuyển vị này. Kết quả từ hình 7b cho thấy, dù với cọc fixed-type hay floating-type, biến dạng ngang tại chân ta luy nền đường giảm gần 50% trong phạm vi của thí nghiệm. Từ việc gia tăng tải trọng phá hoại của đất nền, đến việc giảm hơn 50% chuyển vị ngang của chân ta luy, có thể nói rằng, bằng việc sử dụng lớp trộn nông để gia cường nhóm cọc, độ ổn định của đất nền được gia tăng đáng kể. Hình 9. Chuyển vị của cọc tại ứng suất đất nền 150 kpa Chuyển vị của cọc được khảo sát từ sự chuyển vị của các đinh neo được gắn trên bề mặt trước của lớp sét ứng với từng cấp tải. Đồng thời, chuyển vị của cọc sau khi thí nghiệm cũng được khảo sát bằng cách đào đất sét xung quanh cọc để thể hiện chuyển vị cuối cùng của cọc. Chuyển vị của cọc sau thí nghiệm được thể hiện trong Hình 8. Hình 8a thể hiện chuyển vị của cọc fixed-type trong 2 trường hợp có và không sử dụng lớp trộn nông, trong khi Hình 8b thể hiện chuyển vị của cọc floating-type. Kết quả từ cả 2 loại cọc cho thấy, cọc không có lớp trộn nông có chuyển vị lớn hơn so với cọc có sử dung lớp trộn nông gia cường. Để so sánh chuyển vị của các cọc với nhau tại cùng một giá trị tải trọng, chuyển vị của cọc được khảo sát bằng các đinh neo được chọn tại thời điểm tải trọng bằng 150 kpa được thể hiện trong Hình 9 cho cả 4 thí nghiệm. Từ kết quả ở Hình 9 cho thấy, cọc không được gia cường bởi lớp trộn nông chuyển vị lớn hơn trong cả 2 trường hợp fixed-type và floating-type so với trường hợp sử dụng gia cường. Kết quả từ hình này cũng cho thấy, chân cọc chuyển vị lớn hơn trong trường hợp floating-type so với trường hợp Trang 4

fixed-type kể cả có hay không có lớp trộn nông. Nghĩa là, khi cường độ lớp đất bên dưới nhóm cọc yếu, chuyển vị trượt ngang của nhóm cọc được tăng lên. Kết quả khảo sát từ thí nghiệm cho thấy, chuyển vị thẳng đứng của nhóm cọc là rất nhỏ và không đáng kể. Do đó, chuyển vị của nhóm cọc có thể được chia ra thành 2 thành phần chuyển vị: chuyển vị nghiêng (tilting) và chuyển vị trượt (sliding) (Hình 10). Độ lớn của chuyển vị trượt được tính cho độ di chuyển tại chân cọc, trong khi chuyển vị nghiêng được định nghĩa là sự khác nhau giữa chuyển vị tại đỉnh và chuyển vị tại chân cọc. Hình 10. Định nghĩa 2 thành phần chuyển vị Hình 11. Chuyển vị nghiêng và chuyển vị trượt của nhóm cọc Chi tiết kết quả 2 thành phần chuyển vị được thể hiện trong Hình 11 với sự gia tăng tải trọng nền đường. Kết quả từ hình này cho thấy, chuyển vị nghiêng được xem như cơ chế phá hoại chính của nhóm học tự do không được gia cường bằng lớp trộn nông. Kết quả này đúng cho cả cọc fixed-type và cọc floating-type. Tuy nhiên, bằng việc sử dụng lớp trộn nông gia cường, chuyển vị nghiêng của nhóm cọc được giảm đi đáng kể bất kể điều kiện đất nền bên dưới nhóm cọc. Cũng từ hình này cho thấy, cọc fixed-type có chuyển vị nghiêng lớn hơn cọc floating-type bất kể có hay không có lớp gia cường. Ngược lại, chuyển vị trượt của cọc floating-type lớn hơn rất nhiều so với trường hợp cọc fixed-type. Cụ thể, sự khác biệt này lên đến 4 lần tại thời điểm tải trọng nền đường khoảng 150 kpa. Hơn nữa, không phụ thuộc vào việc sử dụng lớp gia cường, độ lớn chuyển vị trượt của cọc floating-type hầu như bằng nhau. 8. Kết luận Trong cơ chế phá hoại ngoài của nhóm cọc, cọc không có gia cường phá hoại theo có chế chuyển vị nghiêng bất kể điều kiện đất nền bên dưới nhóm cọc. Chuyển vị nghiêng của nhóm cọc được giảm đáng kể khi sử dụng lớp trộn nông gia cường nhóm cọc. Tuy nhiên, lớp trộn nông này hầu như không ảnh hưởng đến phá hoại trượt cả nhóm cọc. Khi cường độ đất nền bên dưới nhóm cọc cao, chuyển vị trượt của nhóm cọc bị hạn chế. Tuy nhiên, phá hoại trượt ngang được tìm thấy tương đối lớn trong trường hợp đất nền bên dưới nhóm cọc có cường độ nhỏ, đặc biệt là khi sử dụng thêm lớp trộn nông gia cường để nhóm các cọc lại. Việc sử dụng lớp trộn sâu để gia cường nhóm cọc cho độ ổn định nền đường lớn hơn. Cụ thể, tải trọng nền đường lúc phá hoại tăng lên đáng kể đồng thời giảm gần 50% chuyển vị tại chân ta luy nền đường trong khuôn khổ của thí nghiệm. Tài liệu tham khảo 1. Đậu Văn Ngọ (2008) Giải pháp xử lí đất yếu bằng đất trộn xi măng, Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ, Vol 11, trang 57-64. 2. Ishikura, et al. (2009). Evaluation of the settlement of insitu improved ground using shallow stabilization and floating-type cement-treated columns. Doboku Gakkai Ronbunshuu C, 65(3), page 745 755. doi:10.2208/jscejc.65.745 (in Japanese) 3. Kitazume, M. (2011) Effect of surface improvement layer on internal stability of group type deep mixing improved ground under embankment loading, Report of the Port and Airport Research Institute, Vol.50, No.1, 20p., Japan. 4. Kitazume, M., & Maruyama, K. (2007), Internal stability of group column type deep mixing im-proved ground under embankment loading. Soils and Foundations, Vol 47(3), pp 437 455. 5. Kitazume, M., & Terashi, M. (2013), The deep mixing method, CRC Press, 410 pp. 6. Lê Khắc Bảo (2014) Nghiên cứu ứng xử đất Đồng Tháp trộn xi măng- trộn ướt ứng dụng gia cố đê bao chống lũ ở Đồng Tháp, Tạp chí Xây dựng số 4/2014, trang 60-66. 7. Mai Anh Phương (2014) Nghiên cứu ứng đất ở An Giang trộn xi măng bằng công nghệ trộn ướt và trộn sâu, Tạp chí Địa kỹ thuật, số 2/2014, trang 34-43. 8. Terashi, M., (1997) Theme lecture: Deep mixing method - Brief state of the art. Proc. 14th ICSMFE, Vol 4, 2475 24 Trang 5

Trang 6