Nghiên cứu hiệu quả giải pháp xử lý nền đất yếu đường đầu cầu bằng cọc đất gia cố xi măng dự án mở rộng quốc lộ 1 đoạn cần thơ phụng hiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI - - NGUYỄN CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU ĐƯỜNG ĐẦU CẦU BẰNG CỌC ĐẤT GIA CỐ XI MĂNG DỰ ÁN MỞ RỘNG QUỐC LỘ ĐOẠN CẦN THƠ – PHỤNG HIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH - 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI - - NGUYỄN CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU ĐƯỜNG ĐẦU CẦU BẰNG CỌC ĐẤT GIA CỐ XI MĂNG DỰ ÁN MỞ RỘNG QUỐC LỘ ĐOẠN CẦN THƠ – PHỤNG HIỆP NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH GIAO THÔNG MÃ SỐ: 60.58.02.05 CHUYÊN SÂU: KTXD ĐƯỜNG Ô TÔ VÀ ĐƯỜNG THÀNH PHỐ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN PHƯỚC MINH TP HỒ CHÍ MINH - 2017 i LỜI CAM ĐOAN Đây luận văn thạc sĩ học viên Nguyễn Công Trình báo cáo kết nghiên cứu Thầy TS Nguyễn Phước Minh môn Đường Bộ phân hiệu trường Đại Học Giao Thơng Vận Tải thành phố Hồ Chí Minh hướng dẫn Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu tơi thực chưa công bố nơi Những kết nghiên cứu phát sở phân tích số liệu tham khảo tư liệu, dự án, giáo trình đề tài nghiên cứu công bố nhà khoa học nước Để hoàn thiện luận văn này, số kết trích dẫn tham khảo tác giả liên quan Học viên Nguyễn Cơng Trình ii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luân văn với đề tài “Nghiên cứu hiệu giải pháp xử lý đất yếu đường đầu cầu cọc đất gia cố xi măng dự án mở rộng quốc lộ đoạn Cần Thơ – Phụng Hiệp” học viên nhận giúp đỡ nhiều vô quý báu thầy cô Khoa giảng dạy, trang bị hướng dẫn tận tình cho học viên Học viên xin chân thành cảm ơn : Thầy TS Nguyễn Phước Minh môn Đường Bộ phân hiệu trường Đại Học Giao Thơng Vận Tải thành phố Hồ Chí Minh tận tình hướng dẫn, động viên cung cấp cho học viên kiến thức vô ý nghĩa để học hoàn thành luận văn Ban giám hiệu Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải, thầy cô gảng dạy lớp kỹ thuật xây dựng đường ô tô đường thành phố tạo điều kiện cho học viên suốt q trình học tập Xí nghiệp Đường Cao Tốc Sân Bay công ty cổ phần Tư vấn Thiết kế Giao Thơng Vận tải phía nam cung cấp tài liệu tham khảo q trình học viên hồn thành luận văn Cảm ơn bạn đồng nghiệp giúp học viên có thêm kiến thức kinh nghiệm quý báu để học viên thực luận văn Mặc dù cố gắng để hoàn thành luận văn với kết tốt thời gian, hiểu biết kinh nghiệm chưa có nhiều nên khơng tránh khỏi khiếm khuyết Rất mong nhận đóng góp thầy cô bạn bè đồng nghiệp Một lần học viên xin chân thành cảm ơn! Học Viên Nguyễn Cơng Trình iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN İ LỜI CẢM ƠN .İİ MỤC LỤC İİİ DANH MỤC BẢNG BIỂU V PHẦN MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ DỰ ÁN XÂY DỰNG MỞ RỘNG QUỐC LỘ ĐOẠN CẦN THƠ – PHỤNG HIỆP VÀ CÁC GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU 1.1 Tổng quan dự án nâng cấp mở rộng QL 1A đoạn Cần Thơ-Phụng Hiệp .3 1.1.1 Giới thiệu chung dự án 1.1.2 Điều kiện địa hình tự nhiên phạm vi cơng trình .4 1.1.3 Quy mô – tiêu chuẩn kỹ thuật .15 1.1.4 Cầu Đất Sét – Km2084+021.21 18 1.2 Các giải pháp xử lý 27 1.2.1 Thoát nước thẳng đứng kết hợp gia tải trước .27 1.2.2 Cọc xi măng đất 29 1.2.3 Hệ thống móng cọc - sàn BTCT (giải pháp sàn giảm tải) 29 1.2.4 Giải pháp thay đất 30 1.3 Nhận xét chương 30 CHƯƠNG 2: GIẢI PHÁP XỬ LÍ NỀN ĐẾN YẾU BẰNG CỌC ĐẤT GIA CỐ XI MĂNG ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED 2.1 Đặc điểm 31 2.2 Ngun lý thiết kế trình tự phân tích tính toán – cọc đất gia cố xi măng xử lý đường đầu cầu 35 2.2.1 Cơ sở lý thuyết 36 2.2.2 Phương pháp tính tốn thiết kế .38 2.3 Công nghệ thi công cọc đất gia cố xi măng 48 2.3.1 Công nghệ thi công trộn khô (Dry Mixing) 50 2.3.2 Công nghệ thi công trộn ướt (Wet Mixing, Jet-grounting) .51 2.4 Một số vấn đề lưu ý tính tốn thiết kế 53 iv 2.4.1 Công tác chế bị mẫu thử nghiệm mẫu phòng 53 2.4.2 Thí nghiệm nén nở hơng tự 54 2.4.3 Thí nghiệm nén lún cố kết .58 2.4.4 Ảnh hưởng đường kính khoảng cách cọc đất gia cố Xi măng đến độ lún hệ đất yếu sau gia cố 59 2.4.5 Ảnh hưởng hàm lượng Xi măng, tỉ lệ N/XM đến cọc đất gia cố Xi măng 59 2.5 Nhận xét chương 60 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ VIỆC XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU ĐƯỜNG ĐẦU CẦU BẰNG CỌC ĐẤT GIA CỐ XI MĂNG DỰ ÁN MỞ RỘNG QUỐC LỘ 1A ĐOẠN CẦN THƠ – PHỤNG HIỆP .61 3.1 Nghiên cứu giải pháp thiết kế xử lý đất yếu đường đầu cầu dự án .61 3.1.1 Lựa chọn hàm lượng xi măng cơng trình 61 3.1.2 Tính tốn khoảng cách bố trí cọc đất xi măng 64 3.2 Kiểm tra kết thí nghiệm thực tế công trường 68 3.2.1 Công tác khoan lấy mẫu kiểm tra cường độ nén nở hông 68 3.2.2 Kiểm tra sức chịu tải cọc đơn trường 70 3.3 Kiểm tra độ lún đường sau xử lý cọc đất gia cố xi măng sở kết thí nghiệm trường 75 3.4 Đánh giá hiệu kinh tế 76 3.4.1 Phương án giữ nguyên đường kính cọc, chiều dài cọc so với thiết kế, tăng khoảng cách cọc 76 3.4.2 Phương án giữ nguyên chiều dài cọc so với thiết kế, thay đổi đường kính cọc, khoảng cách cọc 77 3.5 Nhận xét chương 79 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .80 TÀI LIỆU THAM KHẢO 82 PHỤ LỤC .83 v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-1: Số liệu mực nước sử dụng thiết kế thi công .15 Bảng 1-2: Tổng hợp kết giải pháp xử lý đất yếu 26 Bảng 2-1: Điều kiện thí nghiệm trộn thử phòng 54 Bảng 2-2: Quy trình chế bị thử nghiệm mẫu .54 Bảng 2-3: Xác định hàm lượng xi măng theo qu(28) 57 Bảng 3-1: Kết tổng hợp cường độ chịu nén phịng thí nghiệm 61 Bảng 3-2: Kết tổng hợp cường độ chịu nén mô đun biến dạng 28 ngày trường 62 Bảng 3-3: Thơng số kỹ thuật cọc thí nghiệm 72 Bảng 3-4: Tổng hợp số liệu thí nghiệm cọc DSM2-3 .73 Bảng 3-5: Bảng tổng hợp so sánh kết tính tốn 78 vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1 Hệ ổn định đường xử lý giếng cát 21 Hình 1-2: Hệ ổn định đường xử lý cọc đất gia cố xi măng .24 Hình 1.3: Mơ hình toán theo lưới Plaxis 24 Hình 1.4: Trường chuyển vị theo chiều sâu đất đường theo Plaxis 25 Hình 1.5: Chuyển vị mặt thân khối gia cố theo Plaxis .25 Hình 1.6: Chuyển vị đáy thân khối gia cố theo Plaxis 25 Hình 1.7: Kết cấu mặt đường BTnhựa .27 Hình 1.8: Mặt cắt ngang điển hình xử lí cọc đất gia cố Xi măng Error! Bookmark not defined Hình 2.1: Sơ đồ bố trí cọc đất gia cố xi măng 38 Hình 2.2: Phân chia tải trọng tác dụng lên cọc đất .41 Hình 2.3: Sơ đồ mơ tả trình khoan phun 49 Hình 2.4: Sơ đồ thi cơng trộn khô 50 Hình 2.5: Thiết bị thi cơng theo cơng nghệ trộn khô .51 Hình 2.6: sơ đồ thi cơng trộn ướt .52 Hình 2.7: Thiết bị thi công theo công nghệ trộn ướt 52 Hình 2.8: So sánh kết nén điều kiện gia công mặt mẫu khác hiệu chuẩn kết cho mẫu có mặt chuẩn bị khơng tốt .55 Hình 2-9: Tỷ số qu/qu(7) 56 Hình 2.10: Đường cong trung bình mối quan hệ qu(28) hàm lượng xi măng 56 Hình 3.1: Quá trình khoan lõi lấy mẫu cọc đât gia cố xi măng cơng trường 69 Hình 3.2: Hình ảnh mẫu đất gia cố xi măng khoan trường .69 Hình 3.3: Hình ảnh mẫu khoan gia cơng thí nghiệm nén nở hơng .70 Hình 3.4: Cơng tác làm đầu cọc trước thí nghiệm .71 Hình 3.5: Kích thủy lực thí nghiệm trường 72 Hình 3.6: Biểu đồ quan hệ tải trọng chuyển vị cọc DSM2-3 74 Hình 3.7: Mơ hình tính tốn PA1 76 Hình 3.8: Mơ hình tính tốn PA2 77 vii PHẦN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Hiện với phát triển kinh tế đất nước, nhu cầu phất triển sở hạ tầng lớn cấp thiết Phần lớn cơng trình xây dựng đất hình thành tự nhiên mơi trường khác Do đất tự nhiên nhiều không đáp ứng khả chịu tải trọng cơng trình nhà cửa, cầu cống, đê đập xây dựng chúng, hay nói cách khác khả chịu tải chúng so với tải trọng dự kiến Vì phải cải thiện tính chất đất yếu phạm vi đới ảnh hưởng để chúng đủ sức chịu tải trọng thiết kế Đất mềm yếu Việt Nam chủ yếu tầng trầm tích hình thành kỷ thứ tư, chủ yếu trầm tích tam giác châu, thường gặp miền đồng Bắc đồng Nam Theo tài liệu báo cáo địa chất cơng trình với đặc điểm địa chất đoạn tuyến Tuyến đường thiết kế (Dự án mở rộng QL 1A-đoạn Cần Thơ-Phụng Hiệp) nằm hồn tồn lớp bùn yếu có chiều dày lớn, sức chống cắt nhỏ, tính biến dạng (ép lún) lớn Có số giải pháp xử lý nhằm nâng cao tiêu lý đất để giảm thiểu độ lún sau thi công tăng độ ổn định đường đầu cầu Nếu khơng gia cố, đường đắp có độ ổn định suốt q trình thi cơng có độ lún lớn cố kết đất trình vận hành đường đầu cầu Cần nhớ rằng, hầu hết giải pháp xử lý có giá thành cao so với cơng tác đất thơng thường, đó, việc sử dụng giải pháp xử lý phụ thuộc vào khía cạnh kỹ thuật tài Các giải pháp xử lý với ưu, khuyết, giới hạn giải pháp xem xét áp dụng cho đường đầu cầu, theo đường dẫn đầu cầu giải pháp Sàn giảm tải kết hợp giải pháp Cọc đất gia cố xi măng áp dụng Mặc dù việc thiết kế thi công theo giải pháp cọc xi măng đất có TCVN 9403:2012 “Gia cố yếu – phương pháp trụ đất xi măng” nhiên ảnh hưởng thông số như: chiều dài cọc, đường kính cọc, khoảng cách cọc, tỉ lệ N/X, hàm lượng Xi Mămg, công nghệ thi công chưa đề cập đến Khi thiết kế, đơn vị tư vấn tính tốn lựa chọn giá trị khác lớn dẫn đến việc bố trí 78 - Độ lún đất khối gia cố 4.66cm - Sau thời gian thi cơng tháng độ lún lại sau xử lý 9.71cm (< 10cm) (Kết tính tốn chi tiết thể phụ lục 5) - Hệ số ổn định đường tính phương pháp mặt trượt trụ trịn thơng qua phần mềm Plaxis 8.05 1,718 (Kết tính tốn chi tiết thể phụ lục 5) Bảng 3-5: Bảng tổng hợp so sánh kết tính tốn Thơng số Kết tính tốn Phương án tác giả Thiết kế Thực tế PA1 PA2 220 220 220 250 Đường kính cọc (m) 0.8 0.8 0.8 0.6 Khoảng cách bố trí (m) 1.6 1.6 2.0 1.0 Chiều sâu gia cố (m) 17.5 17.5 17.5 17.5 6.94 5.873 9.16 9.71 1.838 1.928 1.758 1.816 8145.5 8145.5 6516 13033 9.443 9.443 8.52 13.043 Hàm lượng xi măng (kg/m3) Độ lún dư lại sau xử lý (cm);Yêu cầu ≤ 10cm Hệ số ổn định Tổng khối lượng mét dài thi công (m) Tổng giá trị xây lắp (Tỷ đồng) Nhận xét: theo kết tính tốn lựa chọn lại thơng số thiết kế, tác giả có nhận xét sau:  Với PA1 tổng chiều dài gia cố giảm 1629m dài (giảm khoảng 0.92 tỷ đồng), điều làm giảm chi phí xây dựng cơng trình  Với PA2 tổng chiều dài gia cố tăng lên 13033m dài (tăng 3.60 tỷ đồng) làm tăng chi phí xây dựng cơng trình 79  Độ lún sau thời gian thi công phương án cọc đất đảm bảo yêu cầu cho phép nên thi cơng hạng mục móng, mặt đường sau gia cố xử lý 3.5 Nhận xét chương + Đã nghiên cứu giải pháp thiết kế xử lý đất yếu đường đầu cầu bao gồm nội dung chi tiết sau: - Việc nghiên cứu đánh giá hiệu giải pháp xử lý đất yếu đường đầu cầu cọc đất gia cố Xi măng dự án mở rộng quốc lộ đoạn Cần Thơ - Phụng Hiệp giải pháp hiệu quả, cho độ lún cịn lại thấp thích hợp phù với trạng cơng trường; - Lựa chọn hàm lượng xi măng phù hợp; - Kiểm tra kết công trường, kết nghiên cứu đạt quy trình; - Đã kiểm tra lún cọc thiết kế ngoại công trường; - Chương đề cập đến hiệu giải pháp xử lý đường đầu cầu phương pháp khác để đánh giá lựa chọn phương án 80 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận * Ý nghĩa đề tài mặt khoa học - Đã tổng quan tất vấn đề quy mô kỹ thuật, phạm vi nghiên cứu đặc điểm dự án; - Nghiên cứu giải pháp xử lý đất yếu; - Đã đề cập đến vấn lịch sử hình thành phát triển cọc xi măng đất giới Việt Nam; - Đã đề cập đến sở lý thuyết phươn pháp tính tốn thiết kế; - Đã nghiên cứu công nghệ thi công cọc đất gia cố xi măng; - Nội dung nghiên cứu số lưu ý thiết kế; * Ý nghĩa đề tài mặt thực tiễn Nội dung đề tài: - Nghiên cứu trình tự tính tốn thiết kế lựa chọn hàm lượng xi măng hợp lý cho cọc tính tốn bố trí cọc; - Kiểm tốn lún theo mơ phần mềm; - Đã kiểm tra thực tiễn ngồi trường cơng tác lấy mẫu, cường độ nén, đồng thời kiểm tra sức chịu tải; - Từ kết giúp kỹ sư giám sát trường nắm yêu cầu để đề xuất giải pháp thi công; -Đã đưa phương án đánh giá hiệu mặt kinh tế, lựa chọn phương án giúp cho nhà đầu tư xây dựng hiêu Những tồn định hướng nghiên cứu đề tài Trong tính tốn xử lý tác giả đưa nhiều phương pháp tính theo Châu Âu (CT97-0301); Nhật Bản; Trung Quốc; Việt Nam TCVN 9403-2012 tính tốn theo phần mềm Plaxis, tác giả không nêu ưu nhược điểm phương pháp tính để từ lựa chọn phương pháp tính tốn thích hợp Nghiên cứu xây dựng catolog cọc ximăng đất cho loại địa chất khác Nghiên cứu lý thuyết tính tốn phù hợp với điều kiện làm việc tương tác cọc xi măng đất đất 81 Kiến nghị Khi tính tốn thiết kế cọc ximăng đất đề nghị lưu ý đến vấn đề chế phá hoại cọc xi măng đất hiệu ứng vòm Mặc dù có TCVN 9403:2012 - “Gia cố đất yếu – phương pháp trụ đất xi măng”, nhiên tiêu chuẩn tương đối sơ sài, đặc biệt yêu cầu thiết kế Vì vậy, kiến nghị nghiên cứu tổng hợp kinh nghiệm cơng trình thực Việt Nam giới để bổ sung thêm cho quy trình phù hợp với thực tiễn Đánh giá thêm hiệu số dự án cọc đất gia cố xi, từ lý thuyết tính tốn thực tế để xây dựng công thức tính tốn cọc đất gia cố xi măng theo phương pháp thống nhất, để bổ sung thêm vào tiêu chuẩn quốc gia TCVN 9403:2012 Nhằm tránh lãng phí thiết kế hiểu mặt kinh tế dự án 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO Châu Ngọc Ẩn (2004), Cơ học đất, NXB Đại học quốc gia Hồ Chí Minh, Hồ Chí Minh, tr 33-67 Bộ giao thông vận tải (2000), TCVN 22 TCN 262, Quy trình khảo sát thiết kế đường ơtơ đắp đất Bộ giao thông vận tải (2012), TCVN 9403, Phương pháp gia cố đất yếu trụ đất xi măng Bergado DT, Chai J.C., M.C.Alfaro M.C, Balasubramaniam A.S (1993), Những biện pháp kỹ thuật mớicải tạo đất yếu xây dựng, NXB Giáo dục, Hà Nội Nguyễn Quang Chiêu, Pierre Lareral, Nguyễn Thành Long, Lê Bá Lương, Vũ Đức Lục (1998), Nền đường đắp đất yếu điều kiện Việt Nam, NXB Giao thông Vận tải, Hà Nội Nguyễn Quang Chiêu (2004), Thiết kế thi công đắp đất yếu, NXB Xây dựng, Hà Nội Nguyễn Quốc Dũng, Phùng Vĩnh An, Nguyễn Quốc Huy (2005), Công nghệ khoan cao áp xử lý đất yếu, NXB Nông nghiệp, Hà Nội Nguyễn Văn Đáng (1999), Một số giải pháp kỹ thuật móng hợp lý trầm tích yếu khu vực TP.Hồ Chí Minh, tuyển tập báo cáo khoa học, Hội nghị Khoa học Địa chất cơng trình Mơi trường Việt Nam, TP.Hồ Chí Minh Bùi Anh Định, Nguyễn Sỹ Ngọc (2005), Nền móng cơng trình cầu đường, NXB Xây dựng, Hà Nội 10 Nguyễn Đức Hạnh, Phạm Thanh Hà (2007), Một số chế phá hoại đắp đất yếu dùng cọc đất gia cố ximăng, tạp chí Cầu đường Việt Nam, số 05 11 Trần Quang Hộ (2008), Ứng xử đất học đất tới hạn, NXB Đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh, TP Hồ Chí Minh 12 Nguyễn Duy Hịa (2011), Nghiên cứu bố trí hợp lý cọc ximăng đất thi cơng đường đắp qua vùng đất yếu điều kiện thành phố Hồ Chí Minh, Luận văn thạc sỹ khoa học 13 Trần Văn Việt (2004), Cẩm nang dùng cho Kỹ sư Địa kỹ thuật, NXB Xây dựng, Hà Nội 14 Hồ sơ khảo sát địa chất, hồ sơ dự án, thiết kế kỹ thuật, thiết kế vẽ thi công 83 cầu Đất Sét 15 Đặng Quốc Việt (2011), Phân tích đánh giá hiệu giải pháp thiết kế xử lý đất yếu cọc xi măng đất cơng trình đường Liên cảng Cái Mép –Thị Vải, tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu, Luận văn thạc sỹ khoa học PHỤ LỤC PHỤ LỤC 1: TÍNH TỐN PHƯƠNG ÁN KHI CHƯA XỬ LÍ Mơ hình tính tốn phương án chưa xử lí Độ lún sau cố kết PHỤ LỤC 2: TÍNH TỐN PHƯƠNG ÁN XỬ LÍ BẰNG CỌC ĐẤT GIA CỐ XI MĂNG Mơ hình tính tốn phương án xử lí Chuyển vị mặt thân khối gia cố Chuyển vị đáy thân khối gia cố Độ lún lại sau xử lí Hình ảnh cung trượt PHỤ LỤC 3: TÍNH TỐN PHƯƠNG ÁN TRÊN CƠ SỞ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM HIỆN TRƯỜNG Mơ hình tính tốn phương án thí nghiệm trường Chuyển vị mặt thân khối gia cố Chuyển vị đáy thân khối gia cố Độ lún cịn lại sau xử lí Hình ảnh cung trượt PHỤ LỤC 4: TÍNH TỐN PHƯƠNG ÁN Mơ hình tính tốn PA1 Chuyển vị mặt thân khối gia cố Chuyển vị đáy thân khối gia cố Độ lún lại sau xử lí Hình ảnh cung trượt PHỤ LỤC 5: TÍNH TỐN PHƯƠNG ÁN Mơ hình tính tốn PA2 Chuyển vị mặt thân khối gia cố Chuyển vị đáy thân khối gia cố Độ lún cịn lại sau xử lí Hình ảnh cung trượt