BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGƠ BÌNH GIANG

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA NỀN ĐƯỜNG ĐẦU CẦU
TRÊN NỀN ĐẤT YẾU GIA CƯỜNG TRỤ XI MĂNG ĐẤT
KẾT HỢP LƯỚI ĐỊA KỸ THUẬT

Ngành: Địa kỹ thuật xây dựng
Mã số ngành: 9580211

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2024


Cơng trình được hồn thành tại Trường Đại học Thủy lợi

Người hướng dẫn khoa học 1: PGS. TS. MAI DI TÁM
Người hướng dẫn khoa học 2: GS. TS. TRỊNH MINH THỤ

Phản biện 1: TS. Nguyễn Tiếp Tân - Viện Khoa học Thuỷ Lợi
Phản biện 2: PGS. TS. Lê Văn Hùng - Hội Thuỷ lợi Việt Nam
Phản biện 3: PGS. TS. Ngơ Trí Thường - Đại học Thuỷ Lợi

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp tại
Trường Đại học Thuỷ Lợi, 175 Tây Sơn, Đống Đa, Hà Nội; vào lúc

ngày
tháng
năm 2024

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
- Thư viện Quốc gia
- Thư viện Trường Đại học Thủy lợi.

giờ


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trước thực trạng nhiều tuyến đường xảy ra tình trạng lún lệch tại chỗ tiếp giáp
giữa đường và cầu, gây ra nguy cơ mất an tồn giao thơng. Giải pháp kỹ thuật
cơng nghệ cho đoạn đường chuyển tiếp giữa đường và cầu có thể là sàn giảm tải
(trên hệ móng cọc); hoặc kết hợp xử lý nền đất yếu với các phương án trên. Trụ
xi măng đất (XMĐ) là một giải pháp gia cường nền đất yếu, để tăng hiệu quả,
đỉnh trụ XMĐ thường bố trí lớp truyền tải nhằm tăng tải trọng truyền vào trụ và
giảm tải trọng truyền xuống đất yếu giữa các cọc.
Trên thế giới, các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm hệ nền cọc đã được tiêu
chuẩn hóa để áp dụng như BS 8006-1:2010, EBGEO:1995 … Tại Việt Nam, các
kết quả nghiên cứu mới dừng ở nghiên cứu lý thuyết, hoặc mơ hình vật lý thu
nhỏ trong phịng thí nghiệm. Trụ xi măng đất trong các mơ hình số và mơ hình
vật lý mới chỉ xét ở dạng cọc chống (mũi cọc nằm tại tầng đất tốt), chưa xét tới
bài tốn với mơ hình cọc treo/ ma sát (mũi cọc vẫn nằm trong tầng đất yếu có
chiều dày lớn). Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu ứng xử của nền đường đầu trên nền
đất yếu gia cường trụ xi măng đất kết hợp lưới địa kỹ thuật” thông qua phân tích
số với mơ hình cọc treo và kiểm chứng với kết quả thí nghiệm hiện trường là cần
thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.

2. Mục tiêu nghiên cứu
- Xây dựng mơ hình số nghiên cứu sự phân bố ứng suất và độ lún của trụ xi măng
đất (dạng cọc treo) và đất nền xung quanh trụ trên đoạn đường đầu cầu xây
dựng trên nền đất yếu được gia cường bằng trụ xi măng đất kết hợp với lưới
địa kỹ thuật (ĐKT).
- Thơng qua thí nghiệm hiện trường kiểm chứng lại mơ hình số, phân tích hiệu
quả của giải pháp xử lý, độ tin cậy kết quả tính tốn lý thuyết và mơ hình số.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: đường đầu cầu xây dựng trên nền đất yếu có chiều dày
lớn (≈30m) được gia cường bằng trụ xi măng đất kết hợp lưới địa kỹ thuật.

1


- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu phân bố ứng suất, độ lún của trụ xi măng đất
và nền đất yếu xung quanh trụ, lực kéo lưới địa kỹ thuật thơng qua mơ hình số
và thí nghiệm hiện trường.
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp thống kê: thu thập và phân tích các tài liệu cũng như các kết quả
nghiên cứu đã có liên quan đến vấn đề nền đường đầu cầu được gia cường bằng
trụ xi măng đất kết hợp với lưới địa kỹ thuật.
- Phương pháp sử dụng mơ hình số: sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn
(thông qua phần mềm Plaxis) để thiết lập mơ hình vật liệu cho nền đắp, trụ xi
măng đất, nền đất yếu, lưới địa kỹ thuật để xác định trạng thái ứng suất, biến
dạng của nền đường gia cường.
- Phương pháp thí nghiệm hiện trường: quan trắc áp lực đất, biến dạng của lưới
ĐKT, áp lực nước lỗ rỗng và độ lún theo chiều sâu để đánh giá hiệu quả của
giải pháp xử lý, độ tin cậy của kết quả tính tốn lý thuyết và mơ hình số.
- Phương pháp chuyên gia: thông qua các hội thảo để lấy ý kiến đóng góp của
các chuyên gia trong và ngoài nước về cách tiếp cận, nghiên cứu, các luận cứ

khoa học và các giải pháp.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Thông qua việc tổng kết tình hình nghiên cứu và ứng dụng giải pháp trụ XMĐ
kết hợp với lưới ĐKT, luận án phân tích ưu điểm và chỉ ra các điểm cịn tồn tại
của các phương pháp thiết kế được áp dụng phổ biến hiện nay.
- Xây dựng mơ hình số theo phương pháp phần tử hữu hạn 3D nghiên cứu sự
phân bố ứng suất và độ lún của trụ xi măng đất và đất nền xung quanh trụ trên
đoạn đường dẫn đầu cầu trên nền yếu được gia cường trụ xi măng đất kết hợp
lưới địa kỹ thuật.
- Thiết lập hệ thống quan trắc và quy trình quan trắc hiện trường, kết quả quan
trắc khẳng định được việc sử dụng trụ XMĐ dạng cọc treo kết hợp lưới ĐKT
là giải pháp xử lý nền đất yếu hiệu quả, phù hợp với đoạn đường đầu cầu, đồng
thời bổ sung các đánh giá phân tích, so sánh giữa mơ hình số và thực tế cơng
trình.
2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Tổng quan về đất yếu
1.1.1. Khái niệm về đất yếu
Theo tiêu chuẩn khảo sát, thiết kế nền đường ôtô trên nền đất yếu TCCS
41:2022/TCĐBVN và 22TCN 262 – 2000, đất yếu là đất có sức kháng cắt nhỏ
và tính biến dạng (nén lún) lớn.
1.1.2. Cách nhận biết đất yếu
1.1.2.1. Nhận biết đất yếu theo hệ số rỗng và cường độ kháng cắt
Đất sét hoặc sét pha, được xem là đất yếu nếu ở trạng thái tự nhiên, độ ẩm gần
bằng hoặc cao hơn giới hạn chảy, hệ số rỗng lớn (sét có e ≥ 1,5, sét pha có e ≥
1,0), sức kháng cắt ≤ 15 kPa, góc nội ma sát φ < 10° hoặc Su ≤ 35 kPa; có sức
kháng mũi xuyên tĩnh qc ≤ 0,1 MPa; có chỉ số xuyên tiêu chuẩn Nspt < 5.
1.1.2.2. Nhận dạng đất yếu theo trạng thái tự nhiên

Đất yếu được nhận dạng theo độ sệt (B), đất có nguồn gốc hữu cơ thường hình
thành từ đầm lầy, có hàm lượng hữu cơ chiếm tới (20 ÷ 80)%.
1.1.3. Cơng nghệ xử lý nền đất yếu cho đường giao thông
1.1.3.1. Phân loại các công nghệ xây dựng nền đắp trên đất yếu
a. Loại chỉ tác động đến bản thân nền đắp
Các giải pháp công nghệ này chỉ tác động đến cấu tạo và quá trình xây dựng nền
đắp phía trên: xây dựng nền đắp theo giai đoạn, bệ phản áp …
b. Giải pháp tác động đến nền đất yếu phía dưới nền đắp
Thay tồn bộ hay một phần đất yếu bằng vật liệu đắp tốt, bố trí các phương tiện
thốt nước thẳng đứng: giếng cát, bấc thấm, hút chân không …
c. Các nguyên tắc lựa chọn công nghệ xây dựng nền đắp trên đất yếu
Khả năng thực hiện tại chỗ như điều kiện về vật liệu, thiết bị, tay nghề; tác động
của q trình thi cơng đến môi trường xung quanh; thời hạn thi công tối đa; đáp
ứng các yêu cầu khai thác sử dụng lâu dài hay khơng; chi phí.
1.1.3.2. Phạm vi sử dụng giải pháp công nghệ xây dựng nền đắp trên đất yếu
Theo kinh nghiệm trên thế giới, thường kết hợp sử dụng 2, 3 giải pháp công nghệ
để đạt được mục tiêu xử lý: gia tải trước kết hợp với thoát nước đứng; cọc cứng
kết hợp lưới ĐKT …
3


1.2. Tổng quan về đường đầu cầu
1.2.1. Khái niệm về đường đầu cầu
Đoạn đường yêu cầu sự chuyển tiếp một cách hài hịa, êm thuận trên tồn bộ mặt
cắt ngang từ đường đến vị trí tiếp giáp cơng trình cầu trên đường ô tô.
1.2.2. Yêu cầu kỹ thuật
1.2.2.1. Yêu cầu về độ bằng phẳng theo phương dọc tim đường
Nhằm đảm bảo sự chuyển tiếp êm thuận, độ bằng phẳng theo phương dọc tim
đường (i) của đoạn chuyển tiếp giữa đường và cầu được quy định trong TCVN
5729 và TCVN 4054.

1.2.2.2. Xác định chiều dài đoạn chuyển tiếp giữa đường và cầu
a. Trường hợp xây dựng ở nơi đất yếu
Chiều dài đoạn chuyển tiếp giữa đường và cầu được xác định từ mép về phía
đường của tường đỉnh mố cầu về mỗi phía nền đường tính theo cơng thức:
𝐿𝑐𝑡 ≥ 𝐿1 + 𝐿2

(1.1)

Hình 1.2. Phạm vi đường đầu cầu
1.2.3. Giải pháp công nghệ đảm bảo êm thuận đoạn chuyển tiếp
1.2.3.1. Tăng chiều dài cầu để hạ thấp chiều cao đất đắp sau mố cầu
Chiều cao đất đắp sau mố cầu nên chọn nhỏ hơn 6m đối với vị trí khơng có đất
yếu và nhỏ hơn 4m tại vị trí đất yếu.
1.2.3.2. Xử lý nền đất yếu dưới nền đắp trong phạm vi đoạn chuyển tiếp
Khi xây dựng đường đầu cầu trên nền đất yếu, thường xem xét đến giải pháp:
thay đất, làm chặt hoặc xử lý nền đất yếu bằng các phương pháp gia cường như:
cọc đất gia cố chất liên kết vô cơ (xi măng hoặc vôi), cọc vật liệu hạt (cát …).
4


1.2.3.3. Sử dụng các giải pháp kỹ thuật khác
Sử dụng vật liệu nhẹ để đắp nền đường đầu cầu; hoặc kết cấu đất có cốt và tường
chắn đất có cốt. Hệ thống cốt trong kết cấu đất có cốt chủ yếu bao gồm cốt thép
(thép nhẹ, thép mạ hay epoxy) và cốt vải, lưới ĐKT (vật liệu polypropylen …).
1.3. Tổng quan về trụ xi măng đất và lưới địa kỹ thuật
1.3.1. Trụ xi măng đất
1.3.1.1. Khái niệm
Trụ xi măng đất có dạng hình trụ được chế tạo bằng cách trộn xi măng hoặc vữa
xi măng với đất tại chỗ (có thể kèm thêm phụ gia) nhằm cải thiện các đặc trưng
của đất, như tăng cường độ kháng cắt, giảm tính nén lún, bằng cách trộn xi măng

(vữa xi măng) với đất nền để chúng tương tác với nhau.
1.3.1.2. Phương pháp tính tốn trụ xi măng đất
Hiện nay có nhiều phương pháp tính tốn trụ xi măng đất, tuy nhiên có thể xếp
chúng vào một trong ba quan điểm sau: coi trụ XMĐ là cọc cứng (TTGH1,
TTGH2); nền tương đương; hoặc hỗn hợp (hệ nền cọc).
1.3.2. Lưới địa kỹ thuật
Lưới địa kỹ thuật (ĐKT) là một loại cốt địa kỹ thuật, dạng tấm phẳng có lỗ hình
vng, chữ nhật hoặc oval, kích thước lỗ thay đổi tuỳ theo loại lưới, có tác dụng
cài chặt với đá, đất … được sử dụng trong gia cố cơ bản, ổn định nền …
1.3.3. Giải pháp trụ XMĐ và lưới ĐKT trong xử lý nền đất yếu
1.3.3.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Giải pháp trụ XMĐ kết hợp lưới ĐKT để xử lý nền đất yếu ngày càng được áp
dụng rộng rãi trên thế giới. Các nghiên cứu hệ trụ XMĐ kết hợp lưới ĐKT để xử
lý nền đất yếu có thể chia làm ba nhóm chính: nhóm phương pháp giải tích, nhóm
phương pháp mơ hình thực nghiệm và nhóm phương pháp số.
1.3.3.2. Phương pháp giải tích
Đối với hiệu ứng vịm, rất nhiều các nghiên cứu đã công bố: Terzaghi (1943),
Hewlett và Randolph (1988), tiêu chuẩn BS 8006-1:2010 (Anh), quy chuẩn
EBGEO (Đức) ... Hạn chế của phương pháp lý thuyết là đưa ra nhiều giả thiết để
đơn giản hóa bài tốn (bỏ qua sự làm việc của đất nền), phân tích các thành phần
trụ, tải trọng và vật liệu ĐKT riêng rẽ, khơng có sự tương tác …
5


1.3.3.3. Nhóm nghiên cứu mơ hình thực nghiệm
Tiêu biểu như Hewlett và Randolph (1988); Bergado (2002); King (2017) ... Các
nghiên cứu đã tiến hành trên các mơ hình vật lý tỷ lệ thực và mơ hình vật lý tỷ lệ
thu nhỏ nhưng gặp hạn chế về loại vật liệu và kết cấu. Việc mô phỏng được
nguyên lý làm việc hệ nền cọc và là cơ sở tin cậy cho việc đối chiếu các tính tốn
giải tích theo phương pháp lý thuyết hay phương pháp số.

1.3.3.4. Phương pháp số
Những năm gần đây, phần mềm Plaxis 3D thường được dùng trong mô tả, phân
tích hiệu ứng màng và hiệu ứng vịm khi trụ XMĐ kết hợp lưới ĐKT để xử lý
nền đất yếu như trong các nghiên cứu của Chai và cộng sự (2017), Kitazume
(2017), Manasi Wijerathna (2019), Sujata Fulambarkar (2021) …
1.3.3.5. Tình hình nghiên cứu giải pháp trụ XMĐ kết hợp lưới ĐKT ở Việt Nam
Một số nghiên cứu tiêu biểu trong nước về giải pháp hệ nền cọc của các tác giả
như Phạm Anh Tuấn và Đỗ Hữu Đạo (2015), Nguyễn Thị Loan (2016), Nguyễn
Thái Linh (2021) … Các nghiên cứu về vấn đề sử dụng hệ nền cọc trên còn hạn
chế, chủ yếu dựa vào các phương pháp lý thuyết.
1.4. Những vấn đề còn tồn tại và các vấn đề luận án tiếp tục giải quyết
Qua tổng hợp các nghiên cứu công bố trong nước và trên thế giới cho thấy:
- Giải pháp sử dụng trụ XMĐ kết hợp lưới ĐKT để xử lý nền đất yếu dưới nền
đắp dù đã có nhiều nghiên cứu tuy nhiên chưa có sự thống nhất về kết quả cũng
như nguyên lý tính tốn. Phần lớn các tính tốn thường đưa ra các giả thiết đơn
giản hóa tham số sử dụng, chưa phản ánh sát thực tế làm việc. Điều này dẫn
đến việc phần trụ và lưới chịu tải trọng nhiều hơn thực tế, gây lãng phí trong
thiết kế.
- Do có các quan điểm khác nhau về vòm đất dẫn tới sự sai khác khá lớn trong
cách tính tải trọng truyền xuống trụ, lưới ĐKT và đất yếu giữa các phương
pháp, kích thước vịm đất chỉ phụ thuộc vào kích thước mũ trụ, chiều cao đất
đắp mà bỏ qua loại đất đắp cũng như tải trọng, độ cứng trụ, phản lực của đất
nền giữa trụ. Hiệu ứng màng của lớp lưới ĐKT cũng mới được phân tích chủ
yếu qua phương pháp số mà chưa có nhiều đánh giá thực tế và thực nghiệm.
6


- Ở Việt Nam, các kết quả nghiên cứu mới dừng lại ở nghiên cứu lý thuyết, hoặc
mơ hình vật lý thu nhỏ trong phịng thí nghiệm. Trụ XMĐ trong các mơ hình
số và mơ hình vật lý mới chỉ xét ở dạng cọc chống, chưa xét tới bài toán với

mơ hình cọc treo (cọc ma sát).
Từ những tồn tại của các nghiên cứu và lý thuyết tính tốn hệ trụ XMĐ kết hợp
với lưới ĐKT, tác giả luận án lựa chọn các vấn đề nghiên cứu như sau:
- Sử dụng phương pháp số để nghiên cứu ứng xử của nền đường đầu cầu được
gia cường trụ XMĐ kết hợp với lưới ĐKT với mơ hình cọc treo.
- Thí nghiệm hiện trường trụ XMĐ kết hợp lưới ĐKT để đánh giá lý thuyết tính
tốn của phương pháp giải tích, kiểm chứng mơ hình số và hiệu chỉnh số liệu
đầu vào.
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN VỀ PHÂN BỐ ỨNG
SUẤT TRONG HỆ NỀN CỌC GIA CƯỜNG LƯỚI ĐỊA KỸ THUẬT
2.1. Giới thiệu chung
Terzaghi là người đưa ra quan điểm hiệu ứng vịm năm 1943, sau đó các tác giả
khác cũng lần lượt đánh giá việc phân bố ứng suất dựa trên lý thuyết này như:
Duncan (1970), Kramer (1980), Croce (1990), Sampaio (2000) …

Hình 2.2. Cơ chế truyền tải hệ GRPS theo Han và Gabr (2002)

7


2.2. Lý thuyết tính tốn hệ trụ xi măng đất kết hợp lưới địa kỹ thuật
2.2.1. Lý thuyết của Terzaghi (1943)
Dựa trên các thí nghiệm màn trập, Terzaghi (1936) đề xuất mơ hình lý thuyết dựa
trên điều kiện biến dạng phẳng hai chiều để mô tả hiện tượng hiệu ứng vịm.
2.2.2. Tính theo tiêu chuẩn BS 8006-1:2010
Tiêu chuẩn Anh BS 8006-1:2010 sử dụng 2 phương pháp để tính cơ chế truyền
tải của nền. Các phương pháp này được đề xuất bởi Jones (1990) và Hewlett và
Randolph (1988). Những tải trọng khơng tập trung theo hiệu ứng vịm sẽ được
phân bố trên lưới ĐKT tại vị trí giữa các trụ xi măng đất, WT. Tải trọng này được
sử dụng để tính toán cường độ chịu kéo của lưới địa kỹ thuật.

2.2.3. Lý thuyết của Guido et al. (1987)
Theo Guido, tải trọng lan ra theo một góc tương ứng với đất rời gia cố lưới địa
kỹ thuật là 450 theo phương đứng. Bell và cộng sự (1994) sử dụng những nghiên
cứu của Guido và cộng sự (1987) cho việc thiết kế nền đường gia cố bằng trụ đá
xi măng kết hợp 2 lớp lưới địa kỹ thuật.
2.2.4. Lý thuyết theo tiêu chuẩn Thụy Sĩ
Trong phương pháp này, nêm 2 chiều hình tam giác của đất dưới hiệu ứng vòm
giữa 2 trụ với góc nội ma sát bằng 300, cơ bản bằng với khoảng cách trụ (s-a), đã
được xem xét để xác định ứng suất đứng trên lưới địa kỹ thuật.
2.2.5. Lý thuyết của Collin (2004, 2007)
Trong phương pháp này, lưới ĐKT gánh lượng lớn đất có hình dạng như kim tự
tháp với góc nghiêng 450, thay vì hình chóp được sử dụng trong mơ hình của
Guido. Phương pháp này sử dụng tối thiểu 3 lớp lưới ĐKT trong nền đất đắp.
2.2.6. Lý thuyết theo phương pháp phần tử hữu hạn
2.2.6.1. Lý thuyết về chuyển vị
Lý thuyết chuyển vị được nêu trong luận án là lý thuyết chuyển vị của khối đất
trong cơ học liên tục, tính liên tục được mơ tả theo phương pháp PTHH.
Phương trình cân bằng tĩnh học liên tục có dạng như sau:
𝐿𝑇 𝜎 + 𝑝 = 0

(2.18)

8


Theo phương trình cân bằng được xây dựng, ta suy ra được phương trình vi phân
khơng gian bậc hai trong chuyển vị u.
Phương trình được xem xét cho một trạng thái thực tế i, ứng suất chưa biết có thể
loại bỏ, ta có:
∫ 𝛿𝜀 𝑇 ∆𝜎𝑑𝑉 = ∫ 𝛿𝑢𝑇 𝑝𝑖 𝑑𝑉 + ∫ 𝛿𝑢𝑇 𝑡 𝑖 𝑑𝑆 − ∫ 𝛿𝜀 𝑇 𝜎 𝑖−1 𝑑𝑉


(2.27)

2.2.6.2. Sự rời rạc hóa phần tử hữu hạn
Chuyển vị u phần tử thu được từ chuyển vị tại các nút rời rạc trong véc tơ v kết
hợp với hàm nội suy trong ma trận N:
𝑢 =𝑁𝑣

(2.28)

Mối quan hệ giữa sự gia tăng ứng suất và gia tăng biến dạng ln ln khơng
tuyến tính. Do đó sự gia tăng ứng suất khơng thể tính tốn trực tiếp và sẽ dùng
phương pháp tính lặp được trình bày trong phần dưới “Quy tắc tính lặp” để tính
cho tất cả các điểm.
2.2.6.3. Hàm ẩn tích hợp của mơ hình vi phân dẻo
Ứng suất gia tăng ∆𝜎 đạt được bởi phép lấy tích phân của ứng suất. Đối với mơ
hình vi phân dẻo, sự gia tăng ứng suất có thể được viết theo công thức:
∆𝜀 𝑝 ∆𝜎 = 𝐷 𝑒 (∆𝜀 − ∆𝜀 𝑝 )

(2.38)

Đối với mơ hình hồn tồn dẻo hoặc mơ hình tuyến tính, sự gia tăng của số nhân
dẻo có thể viết như sau:
𝑓(𝜎 𝑡𝑟 )
𝜕𝑓
∆𝜆 =
=0; 𝑑 =( )
𝑑+ℎ
𝜕𝜎


𝜎 𝑡𝑟

𝜕𝑔
𝐷 ( )
𝜕𝜎
𝑒

𝑖

(2.43)

trong đó: h là một tham số độ cứng, tham số này sẽ bằng 0 cho mơ hình hồn
tồn dẻo và khơng đổi cho mơ hình cứng tuyến tính. Trong trường hợp cuối cùng,
các trạng thái ứng suất mới có thể viết như sau:
𝑖

𝜎 =𝜎

𝑡𝑟

〈𝑓(𝜎 𝑡𝑟 )〉 𝑒 𝜕𝑔
−
𝐷 ( )
𝑑+ℎ
𝜕𝜎

𝑖

(2.44)


Dấu ngoặc <> có thể tham khảo Mccauley như sau:
〈𝑥〉 = 0 𝑣ớ𝑖 𝑥 ≤ 0 𝑣à 〈𝑥〉 𝑣ớ𝑖 𝑥 > 0
9

(2.45)


2.2.6.4. Quy tắc tính lặp
Thay thế quan hệ giữa gia tăng ứng suất và gia tăng biến dạng ∆𝜎 = 𝑀∆𝜀 vào
phương trình cân bằng sẽ có dạng:
𝐾 𝑖 ∆𝜈 𝑖 = 𝑓 𝑖 − 𝑓 𝑖
𝑒𝑥

𝑖𝑛

Quy tắc tính lặp có thể được viết như sau:
𝐾𝑗 ∆𝜈 𝑗 = 𝑓 𝑖 − 𝑓 𝑗
𝑒𝑥

𝑖𝑛

(2.46)

(2.47)

Số liệu j tham khảo từ số lặp 𝛿𝜈 là vec tơ chứa chuyển vị gia tăng phụ, đóng góp
vào sự gia tăng chuyển vị của bước i:
𝑛

𝑗


∆𝜈 = ∑ 𝛿𝜈 𝑖

(2.48)

𝑗=1

Ma trận độ cứng 𝐾 được sử dụng trong phương trình () đại diện cho ứng xử của
vật liệu trong phương pháp gần đúng. Trong trường hợp này ma trận độ
𝐾 = ∫ 𝐵𝑇 𝐷 𝑒 𝐵𝑑𝑉

(2.49)

2.3. Kết luận chương 2
Giải pháp sử dụng trụ XMĐ kết hợp lưới ĐKT để xử lý nền đất yếu dưới nền đắp
dù đã có nhiều nghiên cứu từ thực nghiệm đến lý thuyết, và có một số tiêu chuẩn
thiết kế bằng phương pháp tính tốn giải tích. Tuy nhiên, chưa có sự thống nhất
về kết quả cũng như nguyên lý tính tốn. Hạn chế của phương pháp giải tích là
đưa ra nhiều giả thiết để đơn giản hóa bài toán (đặc biệt bỏ qua sự làm việc của
đất nền), phân tích các thành phần trụ, tải trọng và vật liệu ĐKT riêng rẽ nên
khơng có sự tương tác trong q trình chịu lực. Để khắc phục các nhược điểm
đó, phương pháp số được kiến nghị áp dụng.
Phương pháp số chủ yếu là phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) được sử dụng
khi nghiên cứu hệ trụ XMĐ kết hợp lưới ĐKT phức tạp. Các nghiên cứu bằng
phương pháp số đã kể tới được sự làm việc của lớp đất yếu và mối tương tác của
đất với các loại kết cấu trong đất, ảnh hưởng này vốn bị bỏ qua trong các phương
10


pháp phân tích giải tích. Plaxis là một trong số phần mềm ĐKT có khả năng phân

tích số trên hầu hết các dạng mơ hình hình học, kết cấu vật liệu và đất nên được
sử dụng phổ biến trong sản xuất và nghiên cứu. Tuy nhiên, độ chính xác của
phương pháp số phụ thuộc rất lớn vào việc lựa chọn mơ hình phân tích, mơ phỏng
số mơ hình bài tốn, các điều kiện biên, mô phỏng sự tiếp xúc của vật liệu với
kết cấu và đặc biệt là mơ hình vật liệu lựa chọn.
CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA NỀN ĐƯỜNG ĐẦU CẦU
TRÊN ĐẤT YẾU GIA CƯỜNG BẰNG TRỤ XMĐ KẾT HỢP LƯỚI ĐKT
3.1. Giới thiệu chung
Ttác giả phân tích ứng xử của nền đường đầu cầu được gia cường bằng hệ trụ
XMĐ kết hợp với lưới ĐKT bằng phương pháp giải tích BS 8006-1:2010 và
phương pháp số. Mặt khác để quan trắc ngồi hiện trường được chính xác hiệu
quả, phương pháp số sử dụng phần mềm Plaxis 3D được dùng để xây dựng mơ
hình tính tốn.
Cơng trình nghiên cứu: tuyến đường chính D1, kết nối đường Nguyễn Văn Linh
phía Bắc, lộ giới 25m (lịng đường 14m, vỉa hè 4,5mx2 và dải phân cách 2m) tại
khu đô thị Mizuki Park tại xã Bình Hưng, huyện Bình Chánh, Tp. Hồ Chí Minh
quy mơ 37,4 ha, bao gồm 2 khu, tiếp giáp xung quanh là các kênh, rạch.
3.2. Điều kiện về địa hình, thủy văn
Trước đây là vùng đầm lầy và ao hồ, có nhiều rạch xen kẽ, tồn bộ mặt bằng đã
được san lấp đến cao độ +2,64m, cao độ mực nước ngầm từ 1,9 – 2,5m.
3.3. Điều kiện về địa chất
Chiều sâu hố khoan: 57m. Các thí nghiệm thực hiện: thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn
(SPT), thí nghiệm cắt cánh (VST); thí nghiệm trong phịng. Mặt cắt địa chất được
thể hiện trên hình 3.4.
Địa tầng khu vực nghiên cứu được phân chia thành các lớp đất mô tả theo thứ tự
từ trên xuống dưới như sau:
- Lớp 1: Đất san lấp, chiều dày 3,3m, SPT từ 6 - 7;
- Lớp 2: Bùn sét, màu xám xanh, trạng thái chảy, độ sâu từ 3,3m - 31,5m, chiều
dày trung bình 29,05m, SPT từ 1 - 6;
11



- Lớp 3: Sét, sét pha, màu xám xanh, xám nâu, trạng thái dẻo mềm đến dẻo cứng,
độ sâu từ 31,5 - 39,0m, chiều dày 7,5m; SPT từ 4 - 12;
- Lớp 4: Sét pha kẹp cát, màu xám xanh, trạng thái dẻo cứng, độ sâu từ 39,0m 43,6m, chiều dày 4,6m, SPT là 9;
- Lớp 5: không xuất hiện trong hố khoan tại vị trí khảo sát;
- Lớp 6: Sét, sét pha, màu nâu đỏ loang xám trắng, trạng thái nửa cứng đến cứng,
độ sâu từ 43,6m – 56,6m, chiều dày 13,0m, STP từ 15 – 43.

Hình 3.4 Mặt cắt địa chất
3.4. Giải pháp thiết kế
Phạm vi xem xét ứng xử của nền đường trên nền gia cường trụ xi măng đất và
lưới ĐKT cường độ cao tập trung tại đường đầu cầu số 2. Gia cường nền đất yếu
đường đầu cầu bằng trụ XMĐ đường kính D1000, dài 25m, khoảng cách giữa
các trụ bằng 2m. Chiều sâu xử lý chưa hết chiều dày lớp đất yếu (lớp 2 - bùn sét),
chân trụ còn cách lớp 3 một khoảng bằng 4m. Đỉnh trụ rải 2 lớp lưới ĐKT cường
độ cao Paralink loại 600L (Rk=600kN/m) trực giao. Chiều cao đắp tính từ mặt
lớp lưới ĐKT khoảng 3,5 - 4m.
3.5. Tính tốn theo phương pháp giải tích
Sử dụng phương pháp tính tốn theo BS8006-1:2010, tính tốn tải trọng bản thân
của đất nền không truyền lên cọc.
- Kiểm tra điều kiện xuất hiện vòm giữa chiều cao nền đắp và khoảng cách trụ:
12


𝐻 = 4,0𝑚 > 0,7(𝑠 − 𝑎) = 0,78𝑚

(3.1)

- Hệ số vòm 𝐶𝑐


𝐻
− 0,07 = 7,38
𝑎
- Tải trọng phân bố lên lưới ĐKT (giữa 2 trụ XMĐ)
Với 𝐻 = 4,0𝑚 > 1,4(𝑠 − 𝑎) = 1,56 (𝑚)
𝑊𝑇 = 44,64 (𝐾𝑁/𝑚)
𝐶𝑐 = 1,5

(3.5)

(3.6)
(3.7)

Kiểm tra cường độ chịu kéo và độ giãn dài của lưới ĐKT
- Chiều cao nền 𝐻 = 4,0𝑚 > 3,0𝑚, do đó được phép sử dụng lưới ĐKT có độ
giãn dài tối đa 5%
𝑇𝑟𝑝 = 58,43 (𝐾𝑁/𝑚)

(3.9)

- Chọn lưới ĐKT Paralink 600L có cường độ tương ứng với độ biến dạng 5%:
𝑇 ′ = 305,0 (𝐾𝑁/𝑚)
- Cường độ lưới ĐKT thỏa mãn điền kiện thi công và sử dụng 𝑇 ′ > 𝑇𝑟𝑝
- Kiểm tra ứng suất thẳng đứng trên đỉnh trụ sau khi lắp đặt Paralink:
𝑃𝑐′ = 307,61 (𝐾𝑁/𝑚2 )

(3.13)

𝐹𝑠 = 1,6 > [𝐹𝑠 ] = 1,2


(3.14)

Bảng 3.1 Bảng tính tốn độ lún tổng thể sau khi xử lý nền (BS8006-1:2010)
Thông số
Cầu số 1
Cầu số 2
Chiều cao đắp nền (m)
4,34
6,11
Tải trọng do nền đắp (kPa)
89,1
124,1
Lớp truyền tải (lớp đệm đầu cọc)
- Chiều dày (m)
0,4
0,4
- Cường độ (kPa)
 2.000
 2.000
Trụ XMĐ
- Chiều dài (m)
23,0
25,0
- Bố trí cọc

- Tỷ lệ gia cố (%)
19,63%
- Cường độ cọc (kPa)
𝑞𝑢𝑐𝑘 = 500

- Mô đun biến dạng (kPa)
𝐸 = 250. 𝑞𝑢𝑐𝑘
Tổng độ lún S trong vòng 20 năm (cm)
14,35
18,37
13


3.6. Tính tốn theo phương pháp số
3.6.1. Các phần mềm hiện nay sử dụng để nghiên cứu ứng xử hệ GRPS
3.6.1.1. Phần mềm Plaxis 3D
Được sử dụng rộng rãi cho nghiên cứu hệ nền cọc GRPS, cho phép tạo các mơ
hình ba chiều, thể hiện chính xác kích thước hình học hệ GRPS phức tạp.
3.6.1.2. Các phần mềm khác: Sigma/W, Abaqus, FLAC3D, MIDAS GTS
Các phần mềm này cung cấp các khả năng nâng cao để mơ hình hóa tương tác
cấu trúc đất phức tạp, ứng xử vật liệu phi tuyến, và điều kiện biên.
3.6.2. Lựa chọn phần mềm để nghiên cứu bài tốn
Luận án này tập trung nghiên cứu mơ hình ĐKT tổng hợp và phân tích tương tác
trụ XMĐ và đất nền xung quanh trụ nên ưu tiên lựa chọn Plaxis 3D.
3.6.2.1. Mơ hình hố và điều kiện biên
Khi phân tích các bài tốn địa kỹ thuật hiện nay với lớp 2 (bùn sét) là đất yếu
thông thường sử dụng mơ hình Soft Soil. Tuy nhiên với hệ GRPS, độ lún tổng
thể nhỏ, tức là biến dạng của nền đất nhỏ nên sử dụng mơ hình vật liệu Mohr –
Coulomb (đàn hồi - dẻo lý tưởng) cho đất đắp và các lớp đất nền tự nhiên là phù
hợp. Trụ XMĐ sử dụng mơ hình đàn hồi tuyến tính. Lưới ĐKT được mô phỏng
bằng phần tử Geogrid.
Tương tác bề mặt giữa trụ XMĐ và đất yếu được mô phỏng thông qua vật liệu
tiếp xúc với hệ số suy giảm cường độ Rinter (< 1). Do đó, vật liệu tiếp xúc có cùng
mơ hình vật liệu với đất – mơ hình Mohr – Coulomb. Tuy nhiên, các chỉ tiêu cơ
lý bị giảm đi một lượng là Rinter như sau:

𝑡𝑎𝑛𝜑𝑖 = 𝑅𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟 𝑡𝑎𝑛𝜑
𝑐𝑖 = 𝑅𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟 𝑐

(3.15)
(3.16)

Mơ hình nền đường đầu có chiều rộng hai bên tính từ mép cọc ngồi cùng lớn
hơn 3 lần bề rộng xử lý nền bằng trụ XMĐ, chiều sâu đảm bảo lớn hơn phạm vi
tính lún đảm bảo điều kiện biên không làm ảnh hưởng đến trạng thái ứng suất
biến dạng của hệ GRPS. Gia tải từng bước tương ứng với chiều cao đắp mỗi giai
đoạn là 1m để khảo sát sự thay đổi trạng thái ứng suất biến biến dạng của nền
đường được gia cường bằng hệ GRPS.
14


3.6.2.2. Kết quả tính tốn

Hình 3.9 Chuyển vị nền đường đầu cầu

Hình 3.10 Phân bố ứng suất thẳng đứng

Hình 3.11 Biểu đồ phân bố ứng suất đỉnh trụ XMĐ và nền
15


Hình 3.12 Lưới phân bố biến dạng của lưới ĐKT
Bảng 3.4 Hệ số tập trung ứng suất và lực kéo lưới ĐKT
Chiều cao Ứng suất đỉnh Ứng suất đất
Hệ số tập Lực kéo trong
đắp

trụ XMĐ p’c nền giữa các trụ trung ứng suất lưới ĐKT
(m)
(kPa)
(kN/m)
XMĐ ’s (kPa) (n=p’c/’s)
1
2
3
4
4+q

33,06
64,60
90,22
116,27
183,49

15,29
26,08
34,87
43,80
66,82

2,16
2,48
2,59
2,65
2,75

0,75

1,47
2,07
2,65
3,99

(q là tải trọng xe quy đổi tính theo TCCS 41:2022, 𝑞 = 16 𝑘𝑃𝑎)
Bảng 3.4 cho thấy ứng suất tại phạm vi trụ XMĐ lớn hơn nhiều so với đất nền
xung quanh trụ, đặc biệt tại mép trụ. Hệ số tập trung ứng suất tăng dần theo từng
bước gia tải, tương ứng lực kéo trong lưới ĐKT cũng tăng lên.
3.7. Kết luận chương 3
Kết quả tính tốn cho thấy trụ XMĐ kết hợp lưới ĐKT là giải pháp khả thi để xử
lý nền đất yếu đường đầu cầu khi chân trụ nằm trong tầng đất yếu (cọc treo).
Kết quả tính tốn theo phương pháp giải tích lớn hơn so với phương pháp số do
đã sử dụng các giả thiết làm đơn giản hóa bài tốn (bỏ qua sự làm việc của đất
nền, tải trọng và vật liệu ĐKT riêng rẽ, khơng có sự tương tác …).
Kết quả phân tích số cho thấy có sự tập trung ứng suất tại phạm vi trụ XMĐ, hệ
số tập trung ứng suất tăng dần theo từng bước gia tải và tương ứng với sự gia
tăng lực kéo trong lưới ĐKT. Lớp lưới ĐKT có tác dụng phân bố áp lực lên đỉnh
trụ XMĐ, giảm áp lực truyền xuống đất nền dẫn đến giảm lún lệch trong phạm
vi nền gia cường.

16


CHƯƠNG 4. THÍ NGHIỆM HIỆN TRƯỜNG NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ
NỀN ĐƯỜNG ĐẦU TRÊN NỀN ĐẤT YẾU GIA CƯỜNG TRỤ XI MĂNG
ĐẤT KẾT HỢP LƯỚI ĐỊA KỸ THUẬT
4.1. Vị trí lắp đặt thiết bị quan trắc
Tiến hành lắp đặt thiết bị quan trắc áp lực đất, biến dạng của lưới địa kỹ thuật, áp
lực nước lỗ rỗng, quan trắc mực nước ngầm, quan trắc lún bề mặt và độ lún theo

chiều sâu tại đường đầu cầu bên mố M1 cầu số 2.
Thiết bị đo áp lực đất EA1 và EA8 đặt dưới lớp lưới ĐKT, các thiết bị đo áp lực
đất cịn lại đặt trên lưới.

Hình 4.2 Mặt bằng bố trí thiết bị quan trắc
4.2. Các thiết bị thí nghiệm
4.2.1. Thiết bị đo biến dạng lưới ĐKT (strain gage), đầu đo GeoSense
Mục đích xác định độ giãn dài của lưới địa kỹ thuật trong quá trình chất tải, kết
hợp với các biện pháp quan trắc khác để xác định hiệu ứng vịm do ảnh hưởng
của độ cứng lưới ĐKT.

Hình 4.5 Lắp đặt thiết bị đo biến dạng lưới ĐKT tại hiện trường
Sơ đồ quy trình lắp đặt: 12 cảm biến quan trắc cho 02 vùng, vị trí đo tại tim đường
và hàng trụ XMĐ thứ 5 (tính từ mố cầu).
17


4.2.2. Đo áp lực đất, đầu đo GeoSense (Earth Pressure)
Mục đích quan trắc tổng áp lực (áp lực đất hữu hiệu) tại vị trí đỉnh trụ xi măng
đất, giữa tâm 4 trụ xi măng đất (mơ hình 3 chiều), giữa tâm 2 trụ xi măng đất (mơ
hình 2 chiều) gây ra bởi tĩnh tải và hoạt tải nền đường. Để đảm bảo độ chính xác
và tránh rủi ro trong quá trình thi cơng, 08 thiết bị quan trắc áp lực đất đã được
sử dụng.

Hình 4.6 Thiết bị đo áp lực đất (Earth Pressure)
Sơ đồ quy trình lắp đặt: Vị trí đo tại tim đường và hàng trụ XMĐ thứ 5 (tính từ
mố cầu). Lắp đặt 04 cụm tại 02 vùng ở độ sâu 0,5m phía dưới lớp lưới ĐKT theo
trình tự.
4.2.3. Các thiết bị quan trắc khác
Quan trắc chuyển dịch ngang theo chiều sâu; áp lực nước lỗ rỗng; lún bề mặt; lún

sâu; mực nước ngầm.
Bảng 4.1 Tổng hợp khối lượng quan trắc
Stt

Thiết bị

Đơn vị

Khối lượng

Chu kỳ

1

Đo ứng suất lưới ĐKT

bộ

12

11

2

Đo áp lực đất

bộ

8


2 lần/ ngày

3

Đo áp lực nước lỗ rỗng

bộ

4

11

4

Đo lún sâu

nhện từ

10

11 chu kỳ

5

Đo lún mặt

bộ

12


2 lần/ ngày

6

Đo nghiêng

bộ

4

11 chu kỳ

7

Quan trắc mực nước ngầm

bộ

2

11 chu kỳ

18