Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 11820-4-2:2020 về Công trình cảng biển - Yêu cầu thiết kế - Phần 4-2: Cải tạo đất

TIÊU CHUẨN QUỐC GIA

TCVN 11820-4-2:2020

CÔNG TRÌNH CẢNG BIỂN - YÊU CẦU THIẾT KẾ - PHẦN 4-2: CẢI TẠO ĐẤT

Marine Port Facilities - Design Requirements - Part 4-2: Soil Improvement

Lời nói đầu

TCVN 11820-4-2:2020 biên soạn trên cơ sở tham khảo OCDI: Tiêu chuẩn kỹ thuật công trình cảng và bể cảng Nhật Bàn.

TCVN 11820-4-2:2020 do Viện Khoa học và Công nghệ Giao thông Vận tải biên soạn, Bộ Giao thông Vận tải đề nghị, Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng thẩm định, Bộ Khoa học và Công nghệ công bố.

Bộ tiêu chuẩn TCVN 11820, Công trình Cảng biển - Yêu cầu thiết kế dự kiến bao gồm các phần sau:

Phần 1: Nguyên tắc chung;

Phần 2: Tải trọng và tác động;

Phần 3: Yêu cầu về vật liệu;

Phần 4: Nền móng và cải tạo đất

- Phần 4-1: Nền móng;

- Phần 4-2: Cải tạo đất;

Phần 5: Công trình bến;

Phần 6: Đê chắn sóng;

Phần 7: Luồng tàu và bể cảng;

Phần 8: Ụ khô, âu tàu, triền và bến nhà máy đóng tàu;

Phần 9: Nạo vét và tôn tạo đất;

Phần 10: Công trình cảng khác.

Lời giới thiệu

Tiêu chuẩn này chỉ trình bày các phương pháp cải tạo đất thường được sử dụng trong các công trình cảng biển, các phương pháp cải tạo đất khác như: phương pháp đất gia cố nhẹ; phương pháp thay thế bằng xỉ lò cao dạng hạt; phương pháp trộn trước; phương pháp thoát nước cưỡng bức; phương pháp gia cố nông; phương pháp phụt hóa chất; phương pháp sử dụng chất ổn định có thể tham khảo tiêu chuẩn OCDI 2002 & 2009.

CÔNG TRÌNH CẢNG BIỂN - YÊU CẦU THIẾT KẾ - PHẦN 4-2: CẢI TẠO ĐẤT

Mairine Port Facilities - Design Requirements - Part 4-2: Soil Improvement

1 Phạm vi áp dụng

Tiêu chuẩn này được áp dụng cho công tác thiết kế cải tạo đất (thiết kế mới, cải tạo và nâng cấp) đối với các công trình cảng biển.

Tiêu chuẩn này có thể áp dụng cho công tác thiết kế cải tạo đất đối với công trình khác có điều kiện làm việc và đặc tính kỹ thuật tương tự.

2 Tài liệu viện dẫn

Các tài liệu viện dẫn sau đây rất cần thiết cho việc áp dụng tiêu chuẩn này. Đối với các tài liệu viện dẫn ghi năm công bố thì áp dụng phiên bản được nêu. Đối với tài liệu viện dẫn không ghi năm công bố thì áp dụng phiên bản mới nhất, bao gồm cả các sửa đổi, bổ sung (nếu có):

TCVN 2737: 1995, Tải trọng và tác động - Tiêu chuẩn thiết kế;

TCVN 9355: 2013, Cải tạo đất bằng thoát nước thẳng đứng (PVD) - Thiết kế, Thi công và Nghiệm thu;

TCVN 9403: 2012, Gia cố đất yếu - Phương pháp trụ đất xi măng;

TCVN 9844: 2013, Yêu cầu thiết kế, thi công và nghiệm thu vải địa kỹ thuật trong thi công khối đắp trên đất yếu;

TCVN 11713: 2017, Gia cố nền đất yếu bằng giếng cát - Thi công và nghiệm thu;

TCVN 11820-1: 2017, Công trình cảng biển - Yêu cầu thiết kế - Phần 1: Nguyên tắc chung;

TCVN 11820-2: 2017, Công trình Cảng biển - Yêu cầu thiết kế - Phần 2: Tải trọng và tác động;

TCVN 11820-3: 2019, Công trình Cảng biển - Yêu cầu thiết kế - Phần 3: Yêu cầu vật liệu;

BS EN 15237: 2007, Execution of special geotechnical works - vertical drainage (Thi công công tác địa kỹ thuật đặc biệt - thoát nước đứng).

3 Thuật ngữ, định nghĩa và từ viết tắt

3.1 Thuật ngữ, định nghĩa

Tiêu chuẩn này sử dụng các thuật ngữ và định nghĩa nêu trong TCVN 11820-1: 2017, TCVN 11820-2: 2017, TCVN 11820-3: 2019 và các thuật ngữ và định nghĩa sau:

3.1.1

Chất gia cố (Binder)

Vật liệu hoạt tính hóa học có thể sử dụng để trộn với đất để cải thiện các đặc trưng kỹ thuật xây dựng của đất như vôi, xi măng, các chất gia cố dựa trên nền tảng vôi và xi măng.

3.1.2

Hàm lượng chất gia cố (Binder content)

Tỷ lệ theo trọng lượng của chất gia cố khô đối với trọng lượng khô của đất cần cải tạo (%).

3.1.3

Cọc cát (Sand compacted Pile)

Cọc cát tiết diện tròn tạo bởi vật liệu hạt đầm chặt có tính thấm cao.

3.1.4

Máy trộn sâu (DM machine)

Máy có thể sử dụng để chế tạo các cột đất cải tạo.

3.1.5

Ổn định ngoài (External stability)

Kiểm tra ổn định của khối đồng nhất bao gồm đất đã cải tạo và kết cấu bên trên như một vật cứng trong quá trình tiến đến phá hoại.

3.1.6

Phá hoại do ép chặt (Extrusion failure)

Kiểu phá hoại khi đất không cải tạo giữa các tường dài bị ép chặt.

3.1.7

Cường độ hiện trường (Field strength)

Cường độ của đất cải tạo chế tạo tại hiện trường.

3.1.8

Nền đất cải tạo (Improved ground)

Vùng đất đã được cải tạo và đất chung quanh.

3.1.9

Cường độ trong phòng (Laboratory strength)

Cường độ của đất cải tạo chế tạo trong phòng thí nghiệm.

3.1.10

Đất cải tạo (Stabilized soil)

Đất đã cải tạo bằng cách trộn với chất gia cố.

3.1.11

Cải tạo kiểu chống (Fixed type improvement)

Một kiểu cải tạo trong đó cột đất cải tạo đạt đến lớp chịu tải.

3.1.12

Cải tạo kiểu treo (floating type improvement)

Một kiểu cải tạo trong đó cột đất cải tạo kết thúc trong một lớp đất yếu.

3.1.13

Ổn định trong (internal stability)

Kiểm tra phá hoại bên trong khối đất đã cải tạo.

3.1.14

Tỷ lệ diện tích thay thế (Replacement area ratio):

Tỷ lệ diện tích mặt cắt ngang của cọc cát đối với diện tích hình trụ giả thiết.

3.1.15

Đất nguyên thủy (Original soil)

Đất không cải tạo.

3.1.16

Khối đất cải tạo (Stabilized soil body)

Một loại kết cấu hình thành dưới đất với các cột đất cải tạo.

3.1.17

Tỷ lệ tập trung ứng suất (Stress concentration ratio)

Tỷ lệ ứng suất đứng tác động lên cột đất cải tạo (trong phương pháp trộn sâu) hay lên cọc cát (trong phương pháp cọc cát) so với của đất chung quanh.

3.1.18

Khả năng thoát nước (Discharge capacity)

Khả năng thoát nước của một bấc thấm bằng với diện tích mặt cắt ngang của bấc nhân với tính thấm chung theo phương dọc (thể tích nước đi qua phương đứng của của bấc trên đơn vị thời gian dưới gradient thủy lực bằng một đơn vị).

3.1.19

Đệm thoát nước (Drainage blanket)

Lớp thoát nước có tính thấm cao, tiếp xúc tốt với các bấc thấm và ngăn ngừa sự hình thành áp lực ngược lại trong các bấc thấm.

3.2 Từ viết tắt

SCP: Sand compacted Pile - Cọc cát

SPT: Standard Penetration test - Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn.

4 Nguyên tắc chung

Trình tự và phương pháp tính toán thiết kế trình bày trong tiêu chuẩn này dựa trên triết lý thiết kế theo phương pháp hệ số thành phần cho tải trọng và sức kháng theo kinh nghiệm của Nhật Bản.

5 Phương pháp thay đất

5.1 Khái quát

Phần này trình bày về phương pháp thay đất thường được sử dụng trong công trình cảng biển.

5.2 Phân tích ổn định

Ổn định của cát đắp cần được đánh giá bằng phân tích trượt cung tròn.

Phương pháp tính ổn định đối với phân tích trượt cung tròn cần tuân theo TCVN 11820-4-1: 2019.

Áp lực đất trên cọc cừ hay neo chôn trong khối đắp có thể đánh giá bằng lý thuyết áp lực đất truyền thống.

5.3 Phân tích lún

Khi đất dính còn lại bên dưới khối đắp (trong các trường hợp thay đất từng phần hay mái dốc đào), biên độ và tốc độ lún cố kết của đất dính cần được tính và khẳng định để đảm bảo các tiêu chí thiết kế.

5.4 Phân tích hóa lỏng

Khả năng hóa lỏng trong cát đắp cần được đánh giá tương ứng.

Nếu đánh giá khả năng hóa lỏng theo thí nghiệm nén ba trục (xem TCVN 11820-2: 2017, Điều 9. Hóa lỏng). Nhưng khả năng hóa lỏng có thể sơ bộ đánh giá dựa trên phân bố cỡ hạt và trị số N - SPT của cát thay thế.

Trong trường hợp hóa lỏng được dự tính xảy ra, vật liệu đắp cần được đầm chặt để có đủ cường độ.

5.5 Vật liệu đắp

Vật liệu đắp có phân bố cỡ hạt thích hợp với hàm lượng hạt mịn thấp, tốt nhất thấp hơn 15%.

Trị số N - SPT của cát đắp phụ thuộc vào nhiều yếu tố như phân bố cỡ hạt, trình tự thi công và thứ tự thay thế, thời gian giãn cách, gia tải và khác nữa.

Trị số N - SPT của cát đắp có thể ước tính khoảng 10 trong trường hợp đỗ từ các xà lan mở bụng công suất lớn có các cửa đáy, khoảng 5 trong trường hợp đổ từ các ben xe chở cát và nhỏ hơn 5 trong trường hợp phun từ máy bơm nạo vét.

Trị số N - SPT của cát đắp có thể tăng nhờ gia tải trong lịch sử một số trường hợp.

Góc ma sát trong của cát đắp phụ thuộc vào nhiều yếu tố như cỡ hạt, phân bố cỡ hạt, trình tự đắp và thứ tự thay thế, thời gian giãn cách và gia tải. Tuy nhiên thường có thể giả thiết khoảng 30 độ.

6 Phương pháp trộn sâu

6.1 Khái quát

Tiêu chuẩn này thiết lập nguyên tắc chung cho thiết kế đất cải tạo kiểu khối và kiểu tường theo phương pháp trộn sâu. Phương pháp trộn sâu được xem xét trong tiêu chuẩn này giới hạn trong các phương pháp như sau:

- Trộn bằng các thiết bị trộn cơ học khi không lấy đi sức chống đỡ ngang của đất chung quanh;

- Xử lý đất từ chiều sâu nhỏ nhất 3m;

- Xử lý đất tự nhiên, đất đắp, đất bãi thải và than bùn,...

Chỉ dẫn về những vấn đề thực tế của phương pháp trộn sâu, như trình tự và thiết bị thực hiện đã cho trong TCVN 9403:2012

6.2 Bố trí cải tạo điển hình

Mọi hình dạng đất cải tạo có thể tạo ra trong đất nền bằng các cách cải tạo kiểu: các cột đơn bố trí độc lập; các cột đơn chồng lên nhau; kiểu nhóm cột, kiểu tường, kiểu mạng lưới và kiều khối, như Hình 1.

1) Cải tạo kiểu cột đơn bố trí độc lập

Trong cải tạo kiểu cột đơn bố trí độc lập, thường sử dụng kiểu bố trí lưới ô vuông hay bố trí lưới tam giác như trên Hình 1 (a).

2) Cải tạo kiểu nhóm cột

Trong cải tạo kiểu nhóm cột, các bộ phận hay cột đất cải tạo độc lập được thi công theo các hàng bố trí kiểu chữ nhật hay tam giác trong đất như trên Hình 1 (b). Công tác thi công cần thời gian tương đối ngắn và khối lượng cải tạo nhỏ.

3) Cải tạo kiểu khối

Trong cải tạo kiểu khối, một khối đất cải tạo rất lớn được hình thành trong đất nền bằng cách chồng lấn các cột đất cải tạo như trên Hình 1 (c), Cách cải tạo này có thể đạt được khối cải tạo ổn định nhất, nhưng chi phí cao hơn và thời gian thi công dài hơn so với các kiểu cải tạo khác.

4) Cải tạo kiểu tường

Cải tạo kiểu tường bao gồm các tường dài và tường ngắn như trên Hình 1 (d). Ý tưởng cơ bản của thiết kế kiểu này là các tường dài có chức năng truyền các tác động bên ngoài đến đất nền mỏng, trong khi các tường ngắn có chức năng tăng tính nguyên vẹn của đất cải tạo.

5) Cải tạo kiểu mạng lưới

Cải tạo kiểu mạng lưới là kiểu trung gian giữa cải tạo kiểu khối và cải tạo kiểu tường. Các cột đất cải tạo được thi công bằng cách chồng lấn để tạo ra các khối cải tạo kiểu mạng lưới trong đất nền như trên Hình 1(e).

Hình 1 - Các kiểu cải tạo điển hình

(c) Cải tạo kiểu khối

(e) Cải tạo kiểu mạng lưới

Hình 1 - Các kiểu cải tạo điển hình (tiếp theo)

6.3 Thiết kế

Cần chọn kiểu cải tạo thích hợp tùy theo loại và quy mô công trình bên trên và các đặc trưng của đất nền để đảm bảo các yêu cầu thiết kế.

Cải tạo kiểu khối và cải tạo kiểu tường là các bố trí cải tạo điển hình trong công trình xây dựng cảng và bể cảng.

6.3.1 Khái quát

Khối đất cải tạo trong các kiểu cải tạo kiểu tường và kiểu khối bao gồm đất không cải tạo và các phần chồng lấn là không đồng nhất. Tuy nhiên trong thiết kế giả thiết khối đất cải tạo là vật liệu đồng nhất có cường độ đều.

Thiết kế phương pháp trộn sâu phải được thực hiện một cách thích hợp để đảm bảo yêu cầu thiết kế.

6.3.2 Trình tự thiết kế

Thiết kế cải tạo kiểu tường và kiểu khối cần được thực hiện theo trình tự thiết kế như trên Hình 2 bao gồm các nội dung: kiểm tra ổn định bên ngoài, ổn định bên trong, phân tích trượt cung tròn và dự báo lún.

Trong đất nền cải tạo kiểu tường, còn cần kiểm tra thêm phá hoại do ép chặt.

6.3.3 Tải trọng ngoài

Những tải trọng ngoài tác động lên khối cải tạo phải được xác định một cách thích hợp theo từng trường hợp kiểm tra.

Lực động đất cần được xác định thích hợp theo từng trường hợp kiểm tra khi có xét đến động đất trong thiết kế.

Hình 3 thể hiện sơ đồ các lực bên ngoài tác động lên khối đất cải tạo trong trường hợp một tường bến trọng lực.

Trong đất nền cải tạo kiểu tường bao gồm đất không cải tạo, các ngoại lực tác động lên đất không cải tạo và đất cải tạo cần được xác định riêng cho từng trường hợp kiểm tra.

Lực dính tác động lên các mặt đứng chủ động và bị động của khối cải tạo có thể lấy như đối với điều kiện tĩnh.

Trong điều kiện động đất, những lực dính này có thể giả thiết tác động theo các hướng có lợi.

Hình 2 - Trình tự thiết kế cải tạo kiểu khối và cải tạo kiểu tường

CHÚ DẪN:

P_a là tổng áp lực đất trên chiều dài đơn vị tác động lên mặt đứng của phía chủ động (kN/m);

P_ah là thành phần ngang của tổng áp lực đất trên chiều dài đơn vị tác động lên mặt đứng của phía chủ động (kN/m);

P_av là thành phần đứng của tổng áp lực đất trên chiều dài đơn vị tác động lên mặt đứng của phải chủ động (kN/m);

P_p là tổng áp lực đất trên chiều dài đơn vị tác động lên mặt đứng của phía bị động (kN/m);

P_ph là thành phần ngang của tổng áp lực đất trên chiều dài đơn vị tác động lên mặt đứng của phía bị động (kN/m);

P_pv là thành phần đứng của tổng áp lực đất trên chiều dài đơn vị tác động lên mặt đứng của phía bị động (kN/m);

P_w là tổng áp lực nước dư trên chiều dài đơn vị (kN/m);

P_dw là tổng áp lực nước động trên chiều dài đơn vị (kN/m);

W₁ ÷ W₉ là trọng lượng trên chiều dài đơn vị của từng phần (kN/m);

H₁ ÷ H₉ là lực quán tính trên chiều dài đơn vị của từng phần (kN/m);

C_ua là tổng lực dính trên chiều dài đơn vị tác động trên mặt đứng của phía chủ động (kN/m);

C_up là tổng lực dính trên chiều dài đơn vị tác động trên mặt đứng của phía bị động (kN/m);

R là sức kháng cắt trên chiều dài đơn vị tác động trên đáy của khối đất đã cải tạo (kN/m);

T là tổng phản lực nền trên chiều dài đơn vị tác động trên đáy của khối đã cải tạo (kN/m);

t₁, t₂ là cường độ phản lực nền tại các chân của khối đất đã cải tạo (kN/m²).

Hình 3 - Các lực bên ngoài tác động lên khối đất đã cải tạo

6.3.4 Hệ số động đất

Thiết kế động đất cho đất cải tạo trộn sâu nên được đánh giá trong trường hợp động đất.

Hệ số động đất cho kết cấu bên trên (k_h1k) lấy bằng k_h1 theo điều 7.4, 2) của TCVN 11820-2: 2017.

Những hệ số động đất cho đất cải tạo (k_h2k) và đối với áp lực đất động tác động lên kết cấu bên trên (k’_h2k) có thể nhận được theo biểu thức (1).

trong đó:

k_h1k là hệ số động đất cho kết cấu bên trên;

k_h2k là hệ số động đất cho các lực động tác động trên đất cải tạo trộn sâu;

k’_h2k là hệ số động đất cho các lực động tác động trên kết cấu bên trên.

6.3.5 Phân tích ổn định ngoài

1) Ổn định ngoài của đất nền đã cải tạo cần được đánh giá theo phá hoại trượt, lật và sức chịu tải.

2) Phá hoại trượt của đất cải tạo nên được đánh giá theo biểu thức (2) khi giả thiết rằng đất cải tạo và kết cấu bên trên cùng dịch chuyển ngang dọc theo đáy của đất cải tạo.

a) Đối với trường hợp thường xuyên

b) Đối với trường hợp động đất

Trong đó:

- Đối với cải tạo kiểu khối

- Đối với cải tạo kiểu tường

Phá hoại trượt nên được đánh giá theo các biểu thức (2c) và (2d) đối với hai kiểu phá hoại, được gọi là kiểu phá hoại I và II, (Hình 4).

+ Đối với kiểu trượt 1 (phá hoại trượt xảy ra chỉ trong lớp nền)

+ Đối với kiểu trượt 2 (phá hoại trượt xảy ra trong lớp nền và lớp đất không cải tạo bên trong giữa các tường dài)

trong đó:

C_ua, C_up như chú thích Hình 3;

F_i là lực cắt trên đơn vị chiều dài huy động được trên đáy của đất cải tạo (kN/m);

B_i là chiều rộng của đất cải tạo (m);

L_i là chiều dài của tường dài (m);

L_s là chiều dài của tường ngắn (m);

μ là hệ số ma sát của lớp nền.

Hình 4 - Minh họa các kiểu phá hoại trượt

- Các hệ số thành phần và hệ số điều chỉnh trong Bảng 1 nên được sử dụng để kiểm tra phá hoại trượt, biểu thức (2).

Bảng 1 - Các hệ số thành phần và hệ số điều chỉnh để kiểm tra phá hoại trượt

3) Phá hoại lật của đất cải tạo nên được đánh giá theo biểu thức (3) khi giả thiết rằng đất cải tạo và kết cấu bên trên quay quanh mép đáy phía trước của đất cải tạo.

a) Đối với trường hợp thường xuyên

b) Đối với trường hợp động đất

trong đó:

B_i là chiều rộng của đất cải tạo (m);

C_ua là tổng cường độ chịu cắt không thoát nước của đất yếu phía chủ động (kN/m);

C_up là tổng cường độ chịu cắt không thoát nước của đất yếu phía bị động (kN/m);

F_i là lực cắt trên đơn vị chiều dài huy động được trên đáy của đất cải tạo (kN/m);

R_d là giá trị sức kháng thiết kế (kN/m);

R_k là giá trị đặc trưng của sức kháng (kN/m);

S_d là giá trị thiết kế của tác động (kN/m);

S_k là giá trị đặc trưng của tác động (kN/m);

γ_R là hệ số thành phần của sức kháng;

γ_S là hệ số thành phần của tác động;

m là hệ số điều chỉnh.

- Đối với cải tạo kiểu khối nằm trên lớp đất cát (cải tạo kiểu chống)

F_Ri = F_Rs

- Đối với cải tạo kiểu tường nằm trên lớp đất cát (cải tạo kiểu chống)

F_Ri = F_Rs + F_Ru

- Đối với cải tạo kiểu khối và kiểu tường nằm trên lớp sét (cải tạo kiểu treo)

F_Ri = C_uc. B_i

Trong đó:

F_Rs là tổng lực cắt trên đơn vị chiều dài huy động được trên đáy của đất cải tạo (kN/m)

F_Ru là tổng lực cắt trên đơn vị chiều dài huy động được của đất không cải tạo giữa các tường dài tại đáy của đất cải tạo (kN/m)

C_uc là cường độ cắt không thoát nước của đất yếu (kN/m²);

L_l là chiều dầy của tường dài (m);

L_s là chiều dầy của tường ngắn (m);

P_PAHc là thành phần ngang của tổng lực chủ động tĩnh trên đơn vị chiều dài của nền đất chung quanh (kN/m);

P_AVc là thành phần đứng của tổng lực chủ động tĩnh trên đơn vị chiều dài của nền đất chung quanh (kN/m);

P_DAHc là thành phần ngang của tổng lực chủ động động trên đơn vị chiều dài của nền đất chung quanh (kN/m);

P_DAVc là thành phần đứng của tổng lực chủ động động trên đơn vị chiều dài của nền đất chung quanh (kN/m);

P_DPHc là thành phần ngang của tổng lực bị động động trên đơn vị chiều dài của nền đất chung quanh (kN/m);

P_Dw là tổng lực nước động trên đơn vị chiều dài (kN/m);

P_PHc là thành phần ngang của tổng lực bị động tĩnh trên đơn vị chiều dài của nền đất chung quanh (kN/m);

P_PVc là thành phần đứng của tổng lực bị động tĩnh trên đơn vị chiều dài của nền đất chung quanh (kN/m);

P_Rw là tổng lực nước dư trên đơn vị chiều dài (kN/m);

P_SU là tổng lực do gia tải trên đơn vị chiều dài (kN/m);

W_bf là trọng lượng trên đơn vị chiều dài của đất đắp phía sau (kN/m);

W_f là trọng lượng trên đơn vị chiều dài của đất đắp (kN/m);

W_l là trọng lượng trên đơn vị chiều dài của nền đất cải tạo (kN/m);

W_m là trọng lượng trên đơn vị chiều dài của móng đá đổ (kN/m);

W_s là trọng lượng trên đơn vị chiều dài của đất cải tạo (kN/m);

W_sp là trọng lượng trên đơn vị chiều dài của kết cấu bên trên (kN/m);

W_u là trọng lượng trên đơn vị chiều dài của đất không cải tạo (trong trường hợp cải tạo kiểu tường) (kN/m);

X_AVc là khoảng cách ngang của thành phần đứng của tổng lực chủ động tĩnh tính từ mép phía trước của đất cải tạo (m);

X_bf là khoảng cách ngang của trọng lượng đất đắp phía sau tính từ mép phía trước của đất cải tạo (m);

X_DAVc là khoảng cách ngang của thành phần đứng của tổng lực chủ động động tính từ mép phía trước của đất cải tạo (m);

X_f là khoảng cách ngang của trọng lượng đất đắp tính từ mép phía trước của đất cải tạo (m);

X_i là khoảng cách ngang của trọng lượng đất cải tạo tính từ mép phía trước của nó (m);

X_m là khoảng cách ngang của trọng lượng đê đá đổ tính từ mép phía trước của đất cải tạo (m);

X_sp là khoảng cách ngang của trọng lượng kết cấu bên trên tính từ mép phía trước của đất cải tạo (m);

X_su là khoảng cách ngang của tổng các lực gia tải tính từ mép phía trước của đất cải tạo (m);

y_AHc là khoảng cách đứng của thành phần ngang của tổng lực chủ động tĩnh tính từ mép phía trước của đất cải tạo (m);

y_bf là khoảng cách đứng của tổng lực quán tính do động đất của đất đắp phía sau tính từ đáy của đất cải tạo (m);

y_DAHc là khoảng cách đứng của thành phần ngang của tổng lực chủ động động tính từ đáy của đất cải tạo (m);

y_DPHc là khoảng cách đứng của thành phần ngang của tổng lực bị động động tính từ đáy của đất cải tạo (m);

y_Dw là khoảng cách đứng của tổng lực nước động tính từ đáy của đất cải tạo (m);

y_f là khoảng cách đứng của tổng lực quán tính do động đất của đất đắp tính từ đáy của đất cải tạo (m);

y_i là khoảng cách đứng của tổng lực quán tính do động đất của đất cải tạo tính từ đáy của nó (m);

y_m là khoảng cách đứng của tổng lực quán tính do động đất của đê đá đổ tính từ đáy của đất cải tạo (m);

y_PHc là khoảng cách đứng của thành phần ngang của tổng lực bị động tĩnh tính từ đáy của đất cải tạo (m);

y_Rw là khoảng cách đứng của tổng lực nước dư tính từ đáy của đất cải tạo (m);

y_sp là khoảng cách đứng của tổng lực quán tính do động đất của kết cấu bên trên tính từ đáy của đất cải tạo (m);

ɸ’_b là góc ma sát trong của đất bên dưới đất cải tạo.

- Các hệ số thành phần và hệ số điều chỉnh trong Bảng 2 nên được sử dụng để kiểm tra phá hoại lật, biểu thức (3).

Bảng 2 - Các hệ số thành phần và hệ số điều chỉnh để kiểm tra phá hoại lật

4) Phá hoại sức chịu tải của đất cải tạo nên được đánh giá theo biểu thức (4).

trong đó:

R_d là giá trị thiết kế của sức kháng (kN/m²);

R_k là giá trị đặc trưng của sức kháng (kN/m²);

S_d là giá trị thiết kế của tác động (kN/m²);

S_k là giá trị đặc trưng của tác động (kN/m²);

γ_R là hệ số thành phần của sức kháng;

γ_s là hệ số thành phần của tác động;

m là hệ số điều chỉnh;

C_ub là cường độ chịu cắt không thoát nước của đất bên dưới đất cải tạo (kN/m²);

N_c, N_q, N_γ là các hệ số sức chịu tài của đất bên dưới đất cải tạo;

q₀ là áp lực chất bên trên có hiệu tại đáy của đất cải tạo (kN/m²);

q_f là sức chịu tải của đất bên dưới đất cải tạo (kN/m²);

t₁, t₂ là cường độ phản lực nền tại các chân của khối đất đã cải tạo (kN/m²);

w là trọng lượng trên đơn vị chiều dài của đất bên dưới đất cải tạo (kN/m³).

- Đối với trường hợp thường xuyên

- Đối với trường hợp động đất

- Trong trường hợp e ≤ B_i/6

- Trong trường hợp e ≥ B_i/6

Trong đó:

e là độ lệch tâm (m);

L_l là chiều dầy của tường dài của đất cải tạo (m);

L_s là chiều dầy của tường ngắn của đất cải tạo (m);

t₁ là cường độ phản lực nền tại mép phía trước của khối đất đã cải tạo (kN/m²);

t₂ là cường độ phản lực nền tại mép phía sau của khối đất đã cải tạo (kN/m²).

- Phá hoại sức chịu tải của đất cải tạo kiểu tường nên được tính theo Hình 5 và biểu thức (5), trong trường hợp cải tạo đất kiểu chống.

Hình 5 - Thiết kế giản ước sức chịu tải của cải tạo kiểu tường

Trong đó:

L_l là chiều dầy tường dài của đất cải tạo (m);

q_f(_LI) là sức chịu tải của móng băng có chiều dầy tường dài, L_l (kN/m²);

q_f(Bi) là sức chịu tải của móng băng có chiều rộng của đất cải tạo, B_i (kN/m²);

S_l là khoảng cách từ tâm đến tâm của các tường dài của đất cải tạo (m);

- Các hệ số thành phần và hệ số điều chỉnh trong Bảng 3 nên được sử dụng để kiểm tra phá hoại sức chịu tải, biểu thức (5).

Bàng 3 - Các hệ số thành phần và hệ số điều chỉnh để kiểm tra phá hoại sức chịu tải

6.3.6 Phân tích ổn định trong

Ổn định trong của đất cải tạo cần được đánh giá một cách đúng đắn để cho ứng suất sinh ra trong khối đất cải tạo không được vượt quá các cường độ cho phép.

Ứng suất sinh ra trong đất cải tạo có thể được tính toán dựa trên lý thuyết đàn hồi.

Điều kiện tải trọng ngoài áp dụng đối với phân tích ổn định trong nói chung được giả thiết giống như đối với của phân tích ổn định ngoài, ngoại trừ việc áp lực đất tại phía bị động có thể chọn một cách thích hợp giữa các áp lực bị động và trạng thái nghỉ.

Đánh giá ổn định trong đối với hai phần tới hạn như trên Hình 6 được xem như đủ dài khi hình dạng của đất cải tạo nằm trong phạm vi theo kinh nghiệm: (a) các phản lực nền tại mép phía trước và mép phía sau của đất nền đã cải tạo, và (b) ứng suất cắt trung bình dọc theo mặt chịu cắt đứng tại mép phía trước của đất nền đã cải tạo.

Hình 6 - Ổn định trong của đất cải tạo

1) Phản lực nền tại mép phía trước và mép phía sau của đất cải tạo

Các phản lực nền tại mép phía trước và mép phía sau của đất cải tạo được tính theo các biểu thức (4c) và (4d), cần thỏa mãn các tiêu chí như nêu trong biểu thức (6).

Trong đó:

R_d là giá trị thiết kế của sức kháng (kN/m²);

R_k là giá trị đặc trưng của sức kháng (kN/m²);

S_d là giá trị thiết kế của tác động (kN/m);

S_k là giá trị đặc trưng của tác động (kN/m);

γ_R là hệ số thành phần của sức kháng;

γ_s là hệ số thành phần của tác động;

m là hệ số điều chỉnh;

f_c là cường độ chịu nén thiết kế (kN/m²);

k là hệ số áp lực đất;

W_i là trọng lượng trên đơn vị chiều dài có hiệu của đất không cải tạo (kN/m³);

h_i là chiều dầy của lớp đất không cải tạo (m);

t₁ là cường độ phản lực nền tại mép phía trước của khối đất đã cải tạo (kN/m²);

t₂ là cường độ phản lực nền tại mép phía sau của khối đất đã cải tạo (kN/m²).

Các hệ số thành phần và hệ số điều chỉnh trong Bảng 4 nên được sử dụng để kiểm tra áp suất tại chân, biểu thức (6).

Bảng 4 - Các hệ số thành phần và hệ số điều chỉnh để kiểm tra áp suất tại chân

2) Ứng suất cắt trung bình dọc theo mặt đứng

Ứng suất cắt trung bình hình thành dọc theo mặt chịu cắt đứng tại mặt phía trước của kết cấu bên trên được tính theo biểu thức (7) nên thỏa mãn các tiêu chí của biểu thức (7).

Trong trường hợp đê đá đổ nằm bên dưới kết cấu bên trên, phân bố ứng suất với góc khoảng 30° có thể xét đến để tìm mặt chịu cắt đứng (Hình 6).

a) Tường dài

Trong đó:

R_k là giá trị đặc trưng của sức kháng (kN/m);

S_k là giá trị đặc trưng của tác động (kN/m);

α là hệ số diện tích mặt cắt ngang có hiệu;

β là chỉ số tin cậy về chồng lấn giữa các cột cải tạo;

T_l là tổng hợp phản lực nền tác động từ chân phía trước của đất cải tạo đến vị trí Bλ.

q_uc là cường độ thiết kế tiêu chuẩn (kN/m²);

W_l là trọng lượng có hiệu của khối đất cải tạo từ chân phía trước của đất cải tạo đến vị trí của Bλ. (kN);

A là diện tích tiết diện ngang của khối đất cải tạo, trong trường hợp của tường dài A = D_lL_l + D_sL_s (m²) (xem Hình 7);

D_l, D_s là chiều dài đứng của tường dài và chiều dài đứng của tường ngắn (m);

L_l, L_s là chiều dài của tường dài và tường ngắn theo phương của của tuyến bề mặt (m);

γ_R là hệ số thành phần của sức kháng;

γ_s là hệ số thành phần của tác động;

m là hệ số điều chỉnh.

Các hệ số thành phần và hệ số điều chỉnh trong Bảng 5 nên được sử dụng để kiểm tra phá hoại chịu cắt đứng của tường dài, biểu thức (7).

Bảng 5 - Các hệ số thành phần và hệ số điều chỉnh để kiểm tra phá hoại chịu cắt đứng của tường dài

b) Tường ngắn

Trong đó:

R_k là giá trị đặc trưng của sức kháng (kN/m);

S_k là giá trị đặc trưng của tác động (kN/m);

α là hệ số diện tích mặt cắt ngang có hiệu;

β là chỉ số tin cậy về chồng lấn giữa các cột cải tạo;

T’_l là áp lực chân phân tán trong đê không bao gồm tự trọng của đê (kN/m²) (xem Hình 7);

q_uc là cường độ thiết kế tiêu chuẩn (kN/m²);

w_m là trọng lượng đơn vị của đê (Nếu bị ngập, sử dụng trọng lượng đơn vị trong nước) (kN/m³);

h_m là chiều dầy của đê (m);

W_i là trọng lượng trên đơn vị chiều dài của khối đất cải tạo (Nếu bị ngập, sử dụng trọng lượng đơn vị trong nước) (kN/m³);

D_s là chiều dài đứng của tường ngắn (m);

L_s là chiều dài của tường ngắn trong phương tuyến bề mặt (m);

γ_R là hệ số thành phần của sức kháng;

γ_s là hệ số thành phần của tác động;

m là hệ số điều chỉnh.

Hình 7 - Sơ đồ tính ứng suất cắt đứng (tường ngắn)

Các hệ số thành phần và hệ số điều Chỉnh trong Bảng 6 nên được sử dụng để kiểm tra phá hoại chịu cắt đứng của tường ngắn, biểu thức (8).

Bảng 6 - Các hệ số thành phần và hệ số điều chỉnh để kiểm tra phá hoại chịu cắt đứng của tường ngắn

6.3.7 Các giá trị đặc trưng của đất cải tạo

6.3.7.1 Cường độ vật liệu của khối đất cải tạo

Sơ đồ quan hệ giữa cường độ tiêu chuẩn thiết kế q_uck, và cường độ chịu nén có nở hông trung bình của đất cải tạo trong phòng thí nghiệm q_ul và cường độ chịu nén có nở hông trung bình của đất cải tạo hiện trường q_uf thể hiện trên Hình 8 và biểu thức (9).

Trong đó:

Biên độ của CV thường được chấp nhận 33% ở Nhật bản theo các số liệu thực tế tích lũy được.

Biên độ của K nên được xác định theo loại và kích cỡ của kết cấu bên trên.

Biên độ của K thường được giả thiết bằng 1,0 ở Nhật bản theo các số liệu thực tế tích lũy được.

Biên độ của λ nên được xác định bằng các thử nghiệm hiện trường hay theo các số liệu thực tế tích lũy được.

Biên độ của λ chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố, bao gồm máy trộn và điều kiện thi công, loại đất, loại chất gia cố, môi trường và thời gian đông kết.

Biên độ của λ thường được xác định bằng 1,0 và 0,5 cho các công trình ngoài khơi ở Nhật bản tương ứng với thi công bởi các tàu DM cỡ lớn hay trung bình.

Tỷ số cường độ hiện trường và cường độ trong phòng, q_uf/q_ul, λ: Số liệu thực tế tích lũy được cho thấy cường độ chịu nén có nở hông trung bình của đất cải tạo hiện trường, q_uf thấp hơn rất rõ so với của đất cải tạo trong phòng, q_ul trong công trình trên đất liền nhưng hầu như tương đương trong các công trình ngoài biển. Giá trị của λ có thể lấy bằng 1,0 trong thiết kế các công trình ngoài biển.

6.3.7.2 Cường độ của khối đất cải tạo

Cường độ của khối đất cải tạo được xác định theo biểu thức (10).

Trong đó:

f_c là cường độ chịu nén của đất cải tạo (kN/m²);

q_uck là cường độ thiết kế tiêu chuẩn (kN/m²);

α là hệ số chiều rộng có hiệu của cột đất cải tạo;

β là hệ số tin cậy chồng lấn;

f_sh là cường độ chịu kéo của đất cải tạo (kN/m²);

f_t là cường độ chịu cắt của đất cải tạo (kN/m²).

Hệ số chiều rộng có hiệu của cột đất cải tạo, α: Đất cải tạo kiểu khối và kiểu tường nói chung bao gồm các cột đất cải tạo và đất không cải tạo giữa các cột, như thể hiện trên Hình 9 đối với trường hợp máy hai trục trộn. Hệ số chiều rộng có hiệu của cột đất cải tạo, α được tính theo biểu thức (11) để bù cho phần không được cải tạo. Do chấp nhận sai số chồng lấn khoảng 200 mm trong nhiều trường hợp, giá trị a thường lấy 0,8 đến 0,9.

Hình 9 - Chiều rộng có hiệu tạo bởi thiết bị cải tạo đất

Hệ số tin cậy chồng lấn, β: Khi thi công chồng lấn, cột đất cải tạo khi đã đông kết bị cột tiếp theo chồng lấn một phần như trên Hình 10 đối với trường hợp thiết bị hai trục trộn. Cường độ trong phần chồng lấn sẽ bị thấp hơn so với của các phần khác của cột. Hệ số tin cậy chồng lấn là tỷ số cường độ của các vùng chồng lấn và không chồng lấn. Biên độ của nó chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố, như thời gian giãn cách đến khi chồng lấn, khả năng thi công của máy DM, và loại chất gia cố. Giá trị β bằng 0,8 đến 0,9 trước đây đã được chấp nhận. Tuy nhiên khi các áp dụng thực tế ngày càng thành công hơn, ảnh hưởng chồng lấn đã được giải thích trong b) và c) hiện nay đã được xem xét cùng với nhau bằng cách sử dụng, α * β = 0,8 đến 0,9.

Hình 10 - Các bề mặt nối tiếp của các cột đất cải tạo

6.3.8 Phá hoại do ép chặt

Đối với đất cải tạo kiểu tường, phá hoại do ép chặt nên được kiểm tra như trên Hình 11.

Kiểm tra theo biểu thức (12) được thỏa mãn bằng cách thay đổi chiều cao của lăng trụ, H_pr.

Hình 11 - Sơ đồ khái niệm ép chặt của đất không cải tạo

Trong đó:

R_k là giá trị đặc trưng của sức kháng (kN/m);

S_k là giá trị đặc trưng của tác động (kN/m);

L_s là chiều dài tường ngắn trong phương tuyến bề mặt (m);

D_i là chiều sâu từ mép đáy của tường ngắn đến mặt cắt ngang cần xác minh (m);

C_u là cường độ chịu cắt trung bình của đất không cải tạo tại chiều sâu ở giữa mép đáy của tường ngắn và mặt cắt ngang cần xác minh (kN/m²);

B là chiều rộng của khối cải tạo (m);

P_ah', P_ph’ là thành phần ngang tương ứng của tổng áp lực đất chủ động và tổng áp lực đất bị động tác động lên đất không cải tạo giữa các tường dài, xuống đến chiều sâu của D_i kể từ đáy của tường ngắn (kN);

k_h2 là hệ số động đất để kiểm tra khi tính lực thế năng do động đất tác động lên đất cải tạo;

h_w là độ chênh giữa mực nước dư và mực nước phía trước công trình (m);

w_i là trọng lượng trên đơn vị chiều dài trong không khí của đất không cải tạo khi bão hòa nước (kN/m³);

ρ_w là trọng lượng đơn vị của nước biển (kN/m³);

γ_R là hệ số thành phần của sức kháng;

γ_s là hệ số thành phần của tác động;

m là hệ số điều chỉnh;

B_i là chiều rộng của đất cải tạo (m);

c_uc là cường độ chịu cắt không thoát nước của đất không cải tạo tại lăng thể giả thiết (kN/m²);

H_pr là chiều cao của lăng thể giả thiết (m);

H_Kpr là tổng lực quán tính do động đất trên chiều dài đơn vị của lăng thể đất (kN);

L_s là chiều dầy tường ngắn của đất cải tạo (m);

P_AHc là thành phần ngang của tổng lực chủ động tĩnh trên chiều dài đơn vị tác động trên lăng thể (kN/m);

P_DAHc là thành phần ngang của tổng lực chủ động động trên chiều dài đơn vị tác động trên lăng thể (kN/m);

P_DPHc là thành phần ngang của tổng lực bị động động trên chiều dài đơn vị tác động trên lăng thể (kN/m);

P_PHc là thành phần ngang của tổng lực bị động tĩnh trên chiều dài đơn vị tác động trên lăng thể (kN/m);

P_Rw là tổng lực nước dư trên chiều dài đơn vị tác động trên lăng thể (kN/m).

Các hệ số thành phần và hệ số điều chỉnh trong Bảng 7 nên được sử dụng để kiểm tra phá hoại ổn định trong, biểu thức (12).

Bảng 7 - Các hệ số thành phần và hệ số điều chỉnh để kiểm tra phá hoại ổn định trong sử dụng cho biểu thức (12)

6.3.9 Phân tích trượt cung tròn

Ổn định tổng thể của đất cải tạo, kết cấu bên trên và đất chung quanh nên được đánh giá bằng phân tích trượt cung tròn theo Hình 12 và biểu thức (13).

Do cường độ của đất cải tạo có giá trị cao hơn đất nguyên thủy chung quanh nên thường không cần phân tích trượt cung tròn đi qua đất cải tạo.

Trong trường hợp đã đảm bảo đủ sức chịu tải, phân tích trượt cung tròn không cần thiết trong trường hợp xét đến động đất.

Hình 12 - Phân tích trượt cung tròn

Trong đó:

R_k là giá trị đặc trưng của sức kháng (kN/m);

S_k là giá trị đặc trưng của tác động (kN/m);

γ_R là hệ số thành phần của sức kháng;

γ_s là hệ số thành phần của tác động;

m là hệ số điều chỉnh;

là tổng mô men sức kháng (kN.m);

r là bán kính cung trượt (m);

s là chiều rộng phân mảnh (m);

θ là góc đáy phân mảnh so với phương ngang (°);

là cường độ chịu cắt của đất nền (kN/m²);

là tổng mô men tác động (kN.m).

Các hệ số thành phần và hệ số điều chỉnh trong Bảng 8 nên được sử dụng để kiểm tra phá hoại trượt cung tròn, biểu thức (13).

Bảng 8 - Các hệ số thành phần và hệ số điều chỉnh để kiểm tra phá hoại trượt cung tròn

6.3.10 Độ lún của đất cải tạo

Độ lún tức thời và lâu dài của đất cải tạo nên được đánh giá để đảm bảo các độ lún này thấp hơn các giá trị cho phép.

Trong cải tạo kiểu treo, độ lún cố kết bên dưới đất cải tạo được tính theo lý thuyết cố kết một chiều của Terzaghi, theo biểu thức (14) (xem Hình 13).

Trong đó:

B_i là chiều rộng của đất cải tạo (m);

C_c là chỉ số chịu nén của đất bên dưới đất cải tạo;

H_cb là chiều dầy đất bên dưới đất cải tạo (m);

m_vc là hệ số chịu nén theo thể tích của đất bên dưới đất cải tạo (m²/kN);

p là phản lực đất nền tại đáy của đất cải tạo (kN/m²);

p₀ là ứng suất đứng ban đầu tại đáy của đất cải tạo (kN/m²);

S là độ lún (m);

e₀ là tỷ số rỗng ban đầu của đất bên dưới đất cải tạo;

Δ_e là gia số tỷ số rỗng của đất bên dưới đất cải tạo.

Hình 13 - Độ lún nền đất của đất cải tạo kiểu treo

6.4 Thiết kế trộn đất cải tạo

Thiết kế trộn đất cải tạo nên được xác định bằng cách thực hiện các thí nghiệm trộn trong phòng và thí nghiệm hiện trường trong cùng một điều kiện như thi công thực tế (Tham khảo TCVN 9403: 2012).

7 Phương pháp cọc cát

7.1 Khái quát

Phần này thiết lập nguyên tắc chung để thiết kế cải tạo nền đất sét và nền đất cát bằng phương pháp cọc cát (SCP).

Phương pháp cọc cát dùng được trong xây dựng cả trên đất liền cũng như trên biển cho các mục đích sau:

- Tăng sức chịu tải và ổn định;

- Giảm lún đất nền;

- Tăng áp lực đất bị động và giảm áp lực đất chủ động;

- Giảm nhẹ hóa lỏng;

- Giảm và triệt tiêu chuyển vị ngang mái dốc.

7.2 Trình tự thiết kế cho nền đất sét

7.2.1 Khái quát

Trong phương pháp SCP, các cọc cát được thi công cách đều nhau trong đất sét và tạo nên nền đất hỗn hợp.

Ứng xử của nền đất đã cải tạo bằng SCP chịu ảnh hưởng bởi cường độ của các cọc cát và tỷ số diện tích thay thế.

Do nền đất bị xáo trộn bởi thi công nhiều cọc cát, cường độ của nền đất sét bị giảm, đặc biệt bên trong các cọc cát, nhưng cường độ được khôi phục đến cường độ nguyên thủy do hiện tượng tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng bị vượt quá.

Đất nền có thể bị trồi lên và dịch chuyển ngang do thi công nhiều cọc cát.

7.2.2 Mục đích cải tạo và ứng dụng

Phương pháp cọc cát đã được áp dụng cho nền đất sét để tăng sức chịu tải và ổn định, để giảm lún của nền đất và giảm áp lực đất chủ động và tăng áp lực đất bị động.

Phương pháp thiết kế được trình bầy ở đây được áp dụng để cải tạo đất sét bên dưới các công trình kiểu trọng lực như đê chắn sóng, tường bến, kè và các công trình tương tự.

7.2.3 Trình tự thiết kế để tăng sức chịu tải và ổn định

7.2.3.1 Khái quát

Tiêu chuẩn này quy định trình tự thiết kế để tăng sức chịu tải và ổn định trong trường hợp thường xuyên.

Tỷ số diện tích thay thế và phạm vi nền đất cải tạo SCP phải được thiết kế để đảm bảo yêu cầu và đặc trưng kỹ thuật thiết kế.

Tỷ số diện tích thay thế đối với áp dụng này thường từ 0,3 đến 0,8.

7.2.3.2 Phân tích trượt tròn

Ổn định của nền đất cải tạo SCP cần được đánh giá bằng phân tích trượt cung tròn theo phương pháp Fellenius cải biên.

Trong đó:

γ_R là hệ số thành phần của sức kháng;

γ_S là hệ số thành phần của tác động;

m là hệ số điều chỉnh;

là tổng mô men sức kháng (kN.m);

r là bán kính cung trượt (m);

s là chiều rộng phân mảnh (m);

θ là góc đáy phân mảnh so với phương ngang (°);

là cường độ chịu cắt của đất nền (kN/m²);

là tổng mô men tác động (kN.m).

Trong trường hợp tường bến:

Trong đó:

w’ là chiều rộng có hiệu của phân mảnh (kN/m);

q là gia tải trên phân mảnh (kN/m);

q_RWL là lực đẩy nổi của phân mảnh do chênh lệch mực nước khi mực nước dư, RWL, của công trình bến cao hơn mực nước, LWL, phía trước công trình bến = ρ_w.g.(RWL - LWL) (kN/m);

X là khoảng cách ngang giữa trọng tâm của phân mảnh và tâm cung phá hoại trượt (m).

Trong trường hợp đê chắn sóng:

Trong đó:

W' là chiều rộng có hiệu của phân mảnh (kN/m);

q là tải trọng phân bố không gian của đê chắn sóng tác động trên phân mảnh khi chiều rộng có hiệu của đê chắn sóng chia cho chiều rộng của nó (kN/m);

x là khoảng cách ngang giữa trọng tâm của phân mảnh và tâm cung phá hoại trượt (m).

Các hệ số thành phần và hệ số điều chỉnh trong Bảng 9 nên được sử dụng để kiểm tra trong phân tích trượt cung tròn của đất cải tạo bằng phương pháp cọc cát với các tỷ lệ thay thế từ 50 % đến 80 %, biểu thức (15).

Bảng 9 - Các hệ số thành phần và hệ số điều chỉnh

7.2.3.3 Biểu thức cường độ chịu cắt của nền đất cải tạo bằng SCP

Cường độ chịu cắt của nền đất hỗn hợp trong phân tích trượt cung tròn cần được đánh giá bằng hoặc một trong bốn biểu thức sau đây (các biểu thức (16) đến (19) (xem Hình 14).

Biên độ của tỷ số tập trung ứng suất được chấp nhận trong biểu thức cường độ chịu cắt nên sử dụng như trong Bảng 10, mà đã được đúc kết theo kinh nghiệm tích lũy được của Nhật Bản.

Hình 14 - Minh họa cường độ chịu cắt của đất cải tạo đối với biểu thức (16)

Trong đó:

a_s là tỷ lệ diện tích thay thế;

c₀ là cường độ chịu cắt của sét tại bề mặt đất nền (kN/m²);

c_u/p là tỷ lệ gia số cường độ chịu cắt;

k là tỷ lệ gia số cường độ chịu cắt của sét theo chiều sâu (kN/m³);

n là tỷ lệ tập trung ứng suất;

U là độ cố kết trung bình;

z là chiều sâu (m);

Δσ_z là gia số cường độ tải trọng đứng (kN/m²);

γ_s là trọng lượng đơn vị cọc cát (kN/m³);

γ_M là trọng lượng đơn vị trung bình của đất nền cải tạo (kN/m³);

γ_M = γ_s. a_s + γ_c .(1 - a_s)

θ là độ nghiêng của cung trượt;

μ_c là hệ số tập trung ứng suất của đất nền sét đối với tải trọng ngoài;

μ_s là hệ số tập trung ứng suất của cọc cát đối với tải trọng ngoài;

σ_c là ứng suất đứng trên đất nền sét (kN/m²);

σ_s là ứng suất đứng trên cọc cát (kN/m²);

T là cường độ chịu cắt của đất cải tạo (kN/m²);

ɸ là góc ma sát trong của cát;

ɸ_m là góc ma sát trong của cọc cát;

ɸ_m = tan^-1(μ_s.a_s. tan ɸ_s)

ɸ_s là góc ma sát trong của cọc cát.

Bảng 10 - Biên độ tỷ lệ tập trung ứng suất được chấp nhận trong biểu thức cường độ chịu cắt, biểu thức (16)

Bảng 11 - Biên độ tỷ lệ tập trung ứng suất và góc ma sát trong được chấp nhận trong biểu thức cường độ chịu cắt

CHÚ THÍCH: Các góc ma sát trong trong bảng được ước tính theo giá trị N - SPT tuân theo biểu thức của Dunham, , ở đây ɸ_s = 33,4 và 34 đối với giá trị N - SPT tương ứng bằng 15 và 16.

Cường độ đất nền giảm và hiệu ứng phục hồi do thi công cọc cát nên được phối hợp một cách thích hợp trong thiết kế.

7.2.4 Trình tự thiết kế để giảm lún nền đất

7.2.4.1 Khái quát

Tỷ số diện tích thay thế và phạm vi cải tạo nền đất bằng SCP phải được thiết kế để đảm bảo yêu cầu và quy định kỹ thuật thiết kế.

Tỷ số diện tích thay thế của áp dụng này thường khoảng 0,3.

7.2.4.2 Biên độ lún nền đất

Lún cố kết của nền đất cải tạo SCP kiểu chống có thể tính theo các biểu thức (20) và (21) khi giả thiết lún đều của các cọc cát và đất sét chung quanh như trên Hình 15.

Lún cố kết và lún dư phải đảm bảo yêu cầu và quy định kỹ thuật thiết kế.

Hình 15 - Minh họa lún đều của nền đất đã cải tạo

Trong đó:

C_c là hệ số chịu nén của sét;

e₀ là tỷ lệ độ rỗng ban đầu của đất sét;

H là chiều dầy đất nền (m);

m_v là hệ số thể tích của sét (m²/kN);

S là độ lún của đất cải tạo (m);

S₀ là độ lún của đất không cải tạo (m);

β là hệ số giảm lún;

σ là ứng suất đứng (kN/m²);

σ₀ là ứng suất đứng ban đầu (kN/m²);

Δe là gia số tỷ lệ độ rỗng của đất sét.

Hệ số giảm lún, β, có thể nhận được từ Hình 16 (lchimoto, 1981).

Hình 16 - Quan hệ giữa tỷ lệ diện tích thay thế và hệ số giảm lún (lchimoto, 1981)

7.2.4.3 Tốc độ lún nền đất

Do cố kết của nền đất cải tạo bằng SCP chịu ảnh hưởng bởi sự xáo trộn đất khi thi công cọc cát và ảnh hưởng tập trung ứng suất trên các cọc cát đầm.

Tốc độ cố kết cần được tính toán theo cách tương tự đối với phương pháp thoát nước đứng theo lý thuyết của Barron cùng với tỷ lệ hệ số cố kết α, phối hợp ảnh hưởng xáo trộn đất và ảnh hưởng tập trung ứng suất.

Tỷ lệ hệ số cố kết, α, được định nghĩa như tỷ lệ của hệ số cố kết của nền đất cải tạo bằng SCP tính theo số liệu đo đạc hiện trường C_vp, đối với đo được trong thí nghiệm oedometer trong phòng C_v0.

Biên độ tỷ lệ hệ số cố kết a có thể xác định theo các Hình 17 và 18.

Hình 17 - Quan hệ giữa tỷ số hệ số cố kết và tỷ số diện tích thay thế

Hình 18 - Quan hệ giữa tỷ số hệ số cố kết và tỷ số diện tích thay thế (Kanda và các cộng sự, 1990)

7.2.5 Trình tự thiết kế để tăng cường độ đất nền

7.2.5.1 Khái quát

Tỷ lệ diện tích thay thế và phạm vi đất cải tạo bằng SCP cần được thiết kế để đảm bảo các yêu cầu thiết kế và quy định kỹ thuật.

Tỷ lệ diện tích thay thế đối với áp dụng này thường khoảng 0,3.

7.2.5.2 Gia số cường độ

Gia số cường độ của sét giữa các cọc cát Δ_c có thể tính theo biểu thức (22) với giả thiết n = 3 đến 4.

Trong đó:

μ_c là hệ số giảm ứng suất của phần đất dính;

Δσ_z là giá trị trung bình của gia số ứng suất đứng do tác động tại chiều sâu của vật thể (kN/m²);

c_u/p là tốc độ gia tăng cường độ của đất dính nguyên thủy;

U là mức độ cố kết trung bình.

Hình 19 - Gia tăng cường độ của đất dính giữa các cọc cát trong nền đất đã cải tạo

7.2.5.3 Tốc độ gia tăng cường độ

Tốc độ gia tăng cường độ nên được tính theo cách tương tự đối với phương pháp thoát nước đứng theo lý thuyết của Barron cùng với tỷ lệ hệ số cố kết a và phối hợp ảnh hưởng xáo trộn đất và ảnh hưởng tập trung ứng suất.

Tỷ lệ hệ số cố kết a được định nghĩa như tỷ lệ hệ số cố kết của nền đất cải tạo bằng SCP tính theo số liệu đo đạc hiện trường C_vp, đối với đo được trong thí nghiệm oedometer trong phòng C_v0.

Biên độ tỷ lệ hệ số cố kết a có thể xác định theo các Hình 17 và 18.

7.2.6 Trình tự thiết kế để giảm áp lực đất chủ động và tăng áp lực đất bị động

7.2.5.1 Khái quát

Tỷ số diện tích thay thế và phạm vi nền đất cải tạo SCP phải được thiết kế để đảm bảo yêu cầu và quy định kỹ thuật thiết kế.

Tỷ lệ diện tích thay thế đối với áp dụng này thường khoảng 0,3.

7.2.6.2 Áp lực đất chủ động và bị động

Áp lực đất chủ động và bị động của đất nền cải tạo bằng SCP có thể tính với giả thiết các cọc cát và đất sét chung quanh như một nền đất hỗn hợp.

Áp lực đất chủ động và bị động của đất nền cải tạo bằng SCP có thể được đánh giá theo các biểu thức (23) đến (25)) để đánh giá các áp lực đất tĩnh và động của đất nền cải tạo bằng SCP có chiều rộng vô hạn (các Hình 20a và 20b)

Do các áp lực đất chủ động và bị động của đất nền cải tạo bằng SCP không hoàn toàn rõ ràng nên kiến nghị một thiết kế thiên về an toàn trong thực tế là chọn tỷ lệ diện tích thay thế vượt quá 0,4 và tỷ lệ tập trung ứng suất giả thiết bằng đơn vị trong thiết kế.

Hình 20a - Minh họa áp lực đất chủ động trong nền đất cải tạo

Hình 20b - Minh họa áp lực đất bị động trong nền đất cải tạo

Trong đó:

a_s là tỷ lệ diện tích thay thế;

P_A là áp lực đất chủ động của nền đất cải tạo (kN/m²);

P_p là áp lực đất bị động của nền đất cải tạo (kN/m²);

P_CA là áp lực đất chủ động trong đất nền sét đồng nhất (kN/m²);

P_CA = σ - 2C_u

P_CP là áp lực đất bị động trong nền đất sét đồng nhất (kN/m²);

P_CP = σ +2C_u

P_SA là áp lực đất chủ động trong nền đất cát đồng nhất (kN/m²);

P_SP là áp lực đất bị động trong nền đất cát đồng nhất (kN/m²);

z là chiều sâu (m);

γ_s là trọng lượng đơn vị của cọc cát (kN/m³);

ɸ_s là góc ma sát trong của cọc cát;

σ là áp lực đất bên trên (kN/m²).

Trong đó:

a_s là tỷ lệ diện tích thay thế;

P_A là áp lực đất chủ động trong đất cải tạo (kN/m²);

P_P là áp lực đất bị động trong đất cải tạo (kN/m²);

z là chiều sâu (m);

γ_M là trọng lượng đơn vị của đất cải tạo (kN/m³);

γ_M = a_s . γ_s + (1 - a_s).γ_c

ɸ_m là góc ma sát trong của đất cải tạo;

γ_M = tan^-1 (a_s. tanɸ_s)

σ là áp lực đất bên trên (kN/m²).

Trong đó:

K là hệ số cường độ động đất;

P_A là áp lực đất chủ động trong đất cải tạo (kN/m²);

P_P là áp lực đất bị động trong đất cải tạo (kN/m²);

z là chiều sâu (m);

α là góc nghiêng của mặt đất (Hình 21);

γ_M là trọng lượng đơn vị của đất cải tạo (kN/m³);

γ_M = a_s.γ_s

δ là góc ma sát của áp lực đất trên tường chắn (Hình 21);

θ là góc nghiêng của tường chắn (Hình 21);

θ₀ là góc cường độ động đất;

θ₀ = tan^-1 k_h

ɸ_m là góc ma sát trong của đất cải tạo.

Cường độ đất nền giảm và hiệu ứng hồi phục do thi công cọc cát cần được xét đến một cách thích hợp trong thiết kế.

Hình 21 - Minh họa áp lực đất tác động trên tường chắn

7.2.6.3 Phạm vi nền đất cải tạo

Phạm vi nền đất cải tạo SCP có thể đánh giá theo ba tiêu chí sau đây.

(1) Phạm vi nhỏ nhất của nền đất cải tạo nên là phần chứa trong các đường phá hoại chủ động và bị động như trên Hình 22. Các góc nghiêng của các đường phá hoại chủ động và bị động α_A và α_P thường được giả thiết tương ứng là 30 và 45 độ.

Hình 22 - Phạm vi đất cải tạo theo tiêu chí (1)

(2) Phạm vi nhỏ nhất của nền đất cải tạo nên là phần mà áp lực đất chủ động và bị động thỏa mãn tương ứng các biểu thức (26a) và (26b) (Hình 23).

Đối với áp lực chủ động:

Đối với áp lực bị động:

Trong đó:

P_A là áp lực đất chủ động trong đất nền cải tạo (kN/m²);

P_AC là áp lực đất chủ động trong đất nền không cải tạo (kN/m²);

P_P là áp lực đất bị động trong đất nền cải tạo (kN/m²);

P_PC là áp lực đất bị động trong đất nền không cải tạo (kN/m²);

τ_A là cường độ chịu cắt trên đáy của đất nền cải tạo phía chủ động (kN/m²);

τ_P là cường độ chịu cắt trên đáy của đất nền cải tạo phía bị động (kN/m²).

Hình 23 - Phạm vi đất nền cải tạo theo tiêu chí (2)

(3) Phạm vi nhỏ nhất của nền đất cải tạo nên là phần mà cung trượt tròn đi qua với hệ số điều chỉnh

cao hơn 1,2 hay 1,3 (Hình 24).

Hình 24. Phạm vi đất nền cải tạo theo tiêu chí (3)

7.2.7 Vật liệu

Vật liệu cát cho phương pháp SCP cần có cỡ hạt và phân bố cỡ hạt phù hợp để dễ đầm và có tính thấm cao trong trường hợp dự kiến có chức năng thoát nước.

Không có yêu cầu kỹ thuật cụ thể về vật liệu sử dụng cho các cọc cát. Phân bố cỡ hạt của vật liệu sử dụng cho các cọc cát nên ưu tiên nằm trong các giới hạn cho trên Hình 25. Trên Hình này thể hiện các trường hợp 1+5 đã sử dụng cát trong thực tế. Hiện nay do nguồn cát khan hiếm nên có xu hướng sử dụng cát có hàm lượng hạt mịn cao hơn.

Hình 25 - Những ví dụ về phân bố cỡ hạt của cát đã sử dụng cho các cọc cát

7.2.8 Trồi đất khi thi công

Đất nền có thể bị trồi lên và dịch chuyển ngang khi thi công nhiều cọc cát.

Lượng đất trồi lên chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố, bao gồm đặc trưng của đất nguyên thủy, tỷ lệ diện tích thay thế và trình tự thi công các cọc cát.

Lượng đất trồi lên có thể ước tính theo biểu thức (27) trong trường hợp chiều dài trung bình của các cọc cát dao động trong khoảng từ 6 m đến 20 m.

Trong đó:

a_s là tỷ lệ diện tích thay thế;

L là chiều dài trung bình của các cọc cát (m);

V là thể tích đất trồi (m³);

V_s là thể tích cát cung cấp (m³);

μ là tỷ lệ trồi đất.

Đất trồi có thể được sử dụng hiệu quả như một phần của đất nền móng trong một số trường hợp sau khi khảo sát các đặc trưng vật lý và cơ học của chúng.

Các đặc trưng vật lý như trọng lượng đơn vị, hàm lượng ẩm và thành phần cỡ hạt của đất trồi không thay đổi nhiều so với của đất nền nguyên thủy cho đến chiều sâu tương đương với chiều cao đất trồi.

Bảng 12 thể hiện sự thay đổi cường độ của đất trồi, khi q_u0 là cường độ chịu nén có nở hông của đất nền nguyên thủy trước khi cải tạo. Trong bảng này cường độ đất trồi bên ngoài diện tích cải tạo được thể hiện riêng trong các trường hợp trong phạm vi 45° hay 60° tính từ đáy của các cọc cát.

Bàng 12 - Sự giảm và phục hồi cường độ trong đất trồi

7.3 Trình tự thiết kế cho nền đất cát

7.3.1 Khái quát

Trong phương pháp SCP, các cọc cát được thi công cách đều nhau trong nền đất cát.

Đất nền có thể trồi lên do thi công các cọc cát, đặc biệt khi đất nền có hàm lượng hạt mịn lớn.

7.3.2 Mục đích cải tạo và áp dụng

Phương pháp SCP đã được áp dụng cho nền đất cát để giảm nhẹ hóa lỏng và để tăng sức chịu tải và giảm lún cho đất nền.

7.3.3 Trình tự thiết kế để giảm hóa lỏng

7.3.3.1 Khái quát

Tỷ lệ diện tích thay thế và phạm vi nền đất cải tạo bằng SCP phải được thiết kế để đảm bảo yêu cầu và quy định kỹ thuật thiết kế.

Tỷ số diện tích thay thế để giảm nhẹ hóa lỏng thường khoảng từ 0,05 đến 0,2.

7.3.3.2 Đánh giá tiềm năng hóa lỏng

Khả năng hóa lỏng khi động đất cần được đánh giá theo phân bố cỡ hạt, trị số N của SPT hay thí nghiệm ba trục theo chu kỳ.

Trị số N của SPT được chấp nhận là một đặc tính kỹ thuật để đánh giá tính năng của đất nền cải tạo.

Trị số mục tiêu N của SPT cần được xác định phù hợp khi cần thiết cải tạo đất nền.

7.3.3.3 Trình tự thiết kế cơ sở

Tỷ lệ diện tích thay thế, cũng như khối lượng cát sẽ thi công, V, và cách bố trí các cọc cát phải được xác định phù hợp để đạt được giá trị N của SPT mục tiêu.

Đất nền cải tạo bao gồm các cọc cát và đất nguyên thủy được giả thiết có mật độ và các đặc trưng đều trong thiết kế.

Ảnh hưởng của đất trồi không xét đến trong thiết kế.

Tỷ lệ diện tích thay thế as cần được đánh giá theo biểu thức (28) bằng cách tính các tỷ lệ rỗng ban đầu và mục tiêu, e_i và e_t, đối với các giá trị N - SPT mục tiêu (Hình 26).

Tỷ lệ diện tích thay thế và khoảng cách giữa các cọc cát có thể tính theo biểu thức (28).

Tỷ lệ diện tích thay thế a_s, khối lượng cát sẽ thi công nên được đánh giá theo biểu thức (28) bằng cách tính các tỷ lệ rỗng nguyên thủy và mục tiêu, e_i và e_t, đối với các giá trị N - SPT mục tiêu (Hình 26).

Bố trí hình vuông

Bố trí tam giác đều

Trong đó:

a_s là tỷ lệ diện tích thay thế;

d là đường kính cọc cát (m);

D là khoảng cách giữa các cọc cát (m);

e_i là tỷ lệ rỗng của đất nguyên thủy;

e_t là tỷ lệ rỗng mục tiêu ;

V là khối lượng cát sẽ thi công (m³);

V₀ là khối lượng đất cần cải tạo (m³).

Hình 26 - Quan hệ giữa giá trị N của SPT và tỷ lệ rỗng

7.3.3.4 Trình tự thiết kế thực tế

Theo số liệu thực tế tích lũy được đã đưa đến một giả thiết là khái niệm thiết kế cơ sở đã trình bầy trong điều 7.3.3.3 không thỏa mãn trong nhiều trường hợp, và chúng cho thấy trị số N - SPT sau khi cải tạo chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố như hàm lượng hạt mịn của đất, trồi đất, áp lực đất bên trên và ứng suất ngang trong đất.

Có năm trình tự thiết kế mang tính thực nghiệm, được gọi là các phương pháp từ A đến D và K, để phối hợp một số các yếu tố ảnh hưởng, chúng đã được thiết lập theo cách thực nghiệm cùng với số liệu đo đạc hiện trường và trong phòng tích lũy được.

Hình 27 trình bầy trình tự thiết kế từ A đến D.