Nghiên cứu sử dụng cọc đất gia cố xi măng xử lý nền đất yếu hạng mục đường đầu cầu mỏ cày tuyến quốc lộ 60 nối cầu rạch miễu đến cầu cổ chiên, tỉnh bến tre

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN BẢO NGỌC NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CỌC ĐẤT GIA CỐ XI MĂNG XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU HẠNG MỤC ĐƯỜNG ĐẦU CẦU MỎ CÀY TUYẾN QUỐC LỘ 60 NỐI CẦU RẠCH MIỄU ĐẾN CẦU CỔ CHIÊN, TỈNH BẾN TRE 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 BẢO NGỌC NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CỌC ĐẤT GIA CỐ XI MĂNG XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU HẠNG MỤC ĐƯỜNG ĐẦU CẦU MỎ CÀY TUYẾN QUỐC LỘ 60 NỐI CẦU RẠCH MIỄU ĐẾN CẦU CỔ CHIÊN, TỈNH BẾN TRE NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH GIAO THƠNG CHUN SÂU: KỸ THUẬT XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ VÀ ĐƯỜNG THÀNH PHỐ Mã số: 60.58.02.05.01 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS: LÊ VĂN BÁCH TP HỒ CHÍ MINH – 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận văn Nguyễn Bảo Ngọc ii LỜI CẢM ƠN Sau khoảng thời gian 1,5 năm học tập, nghiên cứu, giảng dạy tận tình q Thầy Cơ Em cảm thấy trưởng thành kiến thức khoa học chuyên môn lĩnh vực chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng hồn thành luận án Trước tiên, tác giả xin kính trọng cảm ơn sâu sắc đến Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Lê Văn Bách - Bộ môn đường Trường Đại học Giao thông Vận tải - sở thành phố Hồ Chí Minh tận tình hướng dẫn suốt q trình nghiên cứu hồn thành luận văn Tác giả xin bày tỏ lịng biết ơn đến tồn thể Thầy cô Trường Đại học Giao thông Vận tải, tận tình truyền đạt kiến thức quý báu suốt trình học tập, làm sở tảng cho trình nghiên cứu vấn đề khoa học hoàn thiện luận văn thạc sĩ Mặc dù cố gắng hoàn thành luận văn, khuôn khổ luận án Thạc sĩ Khoa học Kỹ thuật với thời gian hạn chế kiến thức thân nhiều hạn chế, nên chắn nhiều sai sót định, chưa đáp ứng cách đầy đủ vấn đề đặt Tác giả, xin chân thành cảm ơn q Thầy Cơ, q Anh Chị bạn đồng nghiệp đóng góp ý kiến tác giả nghiêm túc tiếp thu ý kiến đóng góp q báu Xin chân thành cảm ơn! iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DAH MỤC HÌNH VẼ vi PHẦN MỞ ĐẦU CHƯƠNG ĐẶC ĐIỂM KHAI THÁC CỦA TUYẾN QUỐC LỘ 60 Km3+343,96-Km41+347 (QUA TỈNH BẾN TRE) 1.1 Đặc điểm điều kiện tự nhiên khu vực dự án 1.1.1 Vị trí địa lý: 1.1.3 Địa chất: 1.1.4 Khí tượng, thuỷ văn: 12 1.2 Quy mô - tiêu chuẩn kỹ thuật: 12 1.2.1 Quy mô tuyến tránh thị trấn Mỏ Cày: 12 1.2.2 Tiêu chuẩn thiết kế: 13 1.3 Các giải pháp thiết kế đường: 14 1.3.1 Thiết kế đường đắp thông thường: 14 1.3.2 Các giải pháp thiết kế đường: 16 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CỌC ĐẤT GIA CỐ XI MĂNG 20 2.1 Giới thiệu tổng quan ứng dụng công nghệ cọc đất gia cố xi măng 20 2.1.1 Khái niệm đất yếu: 20 2.1.2 Nguyên nhân làm đất yếu: 21 2.1.3 Các phương pháp sử lý đất yếu thường sử dụng: 23 2.1.4 Lịch sử phát triển ứng dụng công nghệ cọc đất gia cố xi măng giới 27 2.1.5 Ứng dụng công nghệ cọc đất gia cố xi măng Việt Nam 31 2.2 Công nghệ thi công cọc đất gia cố xi măng 33 2.2.1 Giới thiệu công nghệ thi công trộn khô (Dry Mixing) 35 2.2.2 Công nghệ thi công trộn ướt (Wet Mixing, Jet-grounting) 38 iv 2.3 Cơ sở lý thuyết phương pháp cọc đất gia cố xi măng 41 2.4 Phạm vi áp dụng 42 2.5 Phương pháp tính tốn cọc đất gia cố xi măng 43 2.5.1 Phương pháp tính tốn theo tiêu chuẩn Châu Âu (design guide soft soil stabilistation CT97-0301) tiêu chuẩn khoan cao áp (EN 12716:2001 - Execution of special geotechnical works —Jet grouting) 43 2.5.2 Phương pháp tính tốn theo quy trình Nhật Bản (Guideline for Design and Quality Control of Soil Improvement for Buildings - Deep and Shallow Cement Mixing Methods, 2004) 47 2.5.3 Phương pháp tính tốn theo quy trình Trung Quốc (DBJ08-40-94) 49 2.5.4 Phương pháp tính tốn theo tiêu chuẩn Việt TCVN-9403 “Gia cố đất yếu - phương pháp trụ đất xi măng 51 2.6 Nhận xét 52 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CỌC ĐẤT GIA CỐ XI MĂNG XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU HẠNG MỤC ĐƯỜNG ĐẦU CẦU MỎ CÀY TUYẾN QUỐC LỘ 60 NỐI CẦU RẠCH MIỄU ĐẾN CẦU CỔ CHIÊN, TỈNH BẾN TRE 53 3.1 Tổng quan phương pháp tính tốn lún, ổn định đường: 53 3.1.1 Phương pháp giải tích: 53 3.1.2 Tổng quan Phương pháp phần tử hữu hạn: 54 3.1.3 Giới thiệu phần mềm Plaxis ứng dụng tính tốn cơng trình 56 3.2 Lựa chọn thơng số đầu vào tính tốn: 60 3.2.1 Lựa chọn thống số đâu vào tính tốn: 60 3.2.2 Tải trọng xe tính tốn: 62 3.2.3 Tính tốn lượng lún dư sau thời hạn 15 năm khai thác đường đầu cầu Mỏ Cày (đắp thông thường) để làm sở cho giải pháp sử lý: 64 3.3 Tính tốn đường đắp cao 6m để lựa chọn phương án sử lý 67 3.3.1 Tính tốn phương án cọc cát 67 v 3.3.2 Xử lý đất yếu đường phương pháp đóng cọc ống D400 kết hợp sàn giảm tải 71 3.3.3 Xử lý đất yếu đường phương án thiết kế cọc đất gia cố xi măng 73 3.3.4 Tổng hợp so sánh lựa chọn giải pháp xử lý đất yếu đường 76 3.4 Tính tốn cọc đất gia cố xi măng: 81 3.5 Thí nghiệm đúc mẫu xi măng đất để chọn hàm lượng xi măng hợp lý: 82 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO 87 vi DAH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1: Bản đồ phân vùng đất yếu đồng Nam Bộ 21 Hình 2.2: Cấu tạo bệ phản áp 24 Hình 2.3: Thi cơng cọc cát bấc thấm 25 Hình 2.4: Thi công vải địa kỹ thuật lưới địa kỹ thuật 25 Hình 2.5: Thi cơng sàn giảm tải 26 Hình 2.6: Thi cơng cọc đất – xi măng 27 Hình 2.7: Một máy thi công cọc đất đại Mỹ 28 Hình 2.8: Một số hình ảnh thi cơng cọc xi măng đất nhà máy nhiệt 33 Hình 2.9: Sơ đồ mơ tả trình khoan phun 34 Hình 2.10: Phương pháp trộn khơ tia áp lực 36 Hình 2.11: Sơ đồ công nghệ trộn khô 36 Hình 2.12: Thi cơng cọc xi măng đất cơng nghệ trộn khơ 37 Hình 2.13: Giao hai tia phun áp lực cao 39 Hình 14: Sơ đồ thi công trộn ướt 40 Hình 2.15: Thi cơng cọc xi măng đất cơng nghệ trộn ướt 40 Hình 2.16: Sơ đồ bố trí cọc đất gia cố xi măng 42 Hình 2.17: Phân chia tải trọng tác dụng lên cọc đất 45 Hình 3.1: Phân tích toán hố đào Plaxis 2D V8.5 57 Hình 3.2: Phân tích tốn đóng cọc Plaxis 2D V8.5 Dynamics 57 Hình 3.3: Phân tích toán thấm qua đập đất Plaxis PlaxFlow 58 Hình 3.4: Phân tích tốn thi cơng hầm theo công nghệ NATM Plaxis 3D Tunnel 58 Hình 3.5: Phân tích tốn móng bè Plaxis 3D Foundation 59 Hình 3.6 Sơ đồ xếp xe để xác định tải trọng xe tác dụng lên đất yếu 63 Hình 3.7: Mặt cắt tính tốn 65 vii Hình 3.8: Kết tính tốn thi cơng hồn thiện, gia tải 65 Hình 3.9: Kết tính tốn thi cơng hồn thiện, gia tải tháng 66 Hình 3.10: Kết tính toán độ lún năm 66 Hình 3.11: Mặt cắt ngang phương pháp xử lý cọc cát 68 Hình 3.12 Đường dẫn đầu cầu Băng Cung xử lí, nhiên sau 1,5 khai thác, đường đầu cẩu sụt lún với biên độ lớn 70 Hình 3.13: Mặt cắt ngang tính tốn phương pháp cọc ống D400 71 Hình 3.14: Mặt cắt ngang tính tốn biện pháp cọc xi măng đất 74 Hình 3.15: Kết tính lún sau thi cơng hồn thiện 76 Hình 3.16: Kết tính lún sau 15 năm khai thác 76 Hình 3.17: Mặt cắt ngang tính tốn biện pháp cọc xi măng đất 78 Hình 3.18: Mặt cắt ngang tính tốn biện pháp cọc xi măng đất 79 Hình 3.19: Kết lún hoàn thiện 81 Hình 3.20: Kết lún sau 15 năm khai thác 81 Hình 3.21: Hình ảnh thí nghiệm đúc mẫu xi măng đất phịng thí nghiệm 83 PHẦN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Bến Tre tỉnh thuộc vùng đồng sông Cửu Long, nằm cuối nguồn sơng Cửu Long, phía Bắc giáp tỉnh Tiền Giang, phía Nam giáp tỉnh Trà Vinh, phía Tây giáp tỉnh Vĩnh Long, phía Đơng giáp với Biển Đông với chiều dài đường biển khoảng 65 km Tỉnh có tuyến Quốc lộ 60 qua nối từ Tiền Giang đến Trà Vinh, trục quốc lộ 57 nối từ Vĩnh Long đến phía biển Đơng Trong năm qua kinh tế nước ta có bước phát triển tích cực với đầu tư hỗ trợ Chính phủ, Bộ Giao Thơng Vận Tải quan ban ngành, tỉnh Bến Tre bước hồn thiện hệ thống hạ tầng giao thơng quan trọng Nhiều cơng trình trọng điểm tỉnh xây dựng đưa vào khai thác, góp phần đại hóa mạng lưới giao thơng địa phương Trong kể đến cơng trình cầu Rạch Miễu, cầu Hàm Luông, cầu Cổ Chiên Sau dự án cầu Cổ Chiên thông xe, mật độ phương tiện lưu thông Quốc lộ 60 qua địa bàn tỉnh Bến Tre tăng đột biến, tới cầu Đại Ngãi nối Sóc Trăng Trà Vinh hồn thành dự báo lưu lượng giao thông thời gian tới gia tăng đáng kể, tiềm ẩn nguy an tồn gây ùn tắc giao thơng, đặc biệt vào ngày lễ, Tết Trong số đoạn tuyến xuống cấp, không phù hợp với nhu cầu vận tải ngày tăng cao người dân Để nâng cao chất lượng khai thác, ngăn chặn xuống cấp mặt đường hữu, đồng thời phát huy hiệu khai thác dự án cầu Cổ Chiên, cần thiết phải đầu tư xây dựng, cải tạo nâng cấp số đoạn tuyến Quốc lộ 60 cho phù hợp Quốc lộ 60 tuyến giao thông quan trọng, kết nối Thành phố Hồ Chí Minh tỉnh duyên hải Đồng sông Cữu Long, kết nối cảng biển khu kinh tế ven biển Tuyến đường xây dựng xong phát huy hiệu lớn, đảm bảo nhu cầu lại nhân dân, hàng hóa tỉnh lưu thơng dễ dàng, góp phần giảm áp lực giao thông tuyến quốc lộ Đây PHỤ LỤC KẾT QUẢ TÍNH TỐN XỬ LÝ NỀN ĐƯỜNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP CỌC XI MĂNG ĐẤT D600, L=18m Kết tính tốn thi cơng giai đoạn 1:  Đắp giai đoạn 1, chiều cao đắp 2m, Thời gian thi công 10 ngày, tổng thời gian thi công 40 ngày, sau chờ ổn định 20 ngày;  Độ lún S=S1+S0=168mm+0mm=168mm, S=168mm; Hình 3.1: Mơ hình mặt trượt q trình thi cơng giai đoạn Kết tính tốn thi cơng giai đoạn 2:  Đắp giai đoạn 2, chiều cao đắp thêm 2m, Thời gian thi công 10 ngày, tổng thời gian thi công 70 ngày, sau chờ ổn định 20 ngày;  Độ lún S2=S1+S =168mm+150mm=318, S=150 mm; Hình 3.2: Mơ hình mặt trượt q trình thi cơng giai đoạn Kết tính tốn thi cơng giai đoạn (hồn thiện gia tải):  Đắp giai đoạn 3, chiều cao đắp thêm 1m, Thời gian thi công 10 ngày, tổng thời gian thi cơng 100 ngày, sau chờ ổn định 80 ngày;  Độ lún S3=S2+S =318mm+130mm=448mm, S=130 mm; Hình 3.3: Mơ hình mặt trượt q trình thi cơng giai đoạn Kết tính tốn sau ổn định nền:  Thời gian dự kiến chờ ổn định 80 ngày, tổng thời gian thi công 180 ngày  Độ lún S4=S3+S =448mm+11mm=459mm, S=11mm; Hình 3.4: Mơ hình mặt trượt trình ổn định Hình 3.5: Mơ hình lún q trình gia tải Kết tính tốn ổn định chờ lún 15 năm khai thác:  Tổng thời gian ngày 5655 ngày  Độ lún S8=S7+S =459mm+82mm=541mm, S=82mm; Hình 3.6: Mơ hình mặt trượt sau 15 năm khai thác Hình 3.7: Mơ hình lún sau 15 năm khai thác Hệ số ổn định Hình 3.8: Hệ số ổn định 1.479 Độ lún (mm) Biểu đồ độ lún theo thời gian Thời gian (ngày) Hình 3.9: Biểu đồ lún theo thời gian Nội lực tác dụng vãi địa kỹ thuật: Hình 3.10: Biểu đồ lực dọc F=18.99 kN/m Áp lực nước lỗ rỗng:  Sau thi cơng hồn thiện, áp lực nước lỗ rỗng là: -53.13 kN/m2 Hình 3.11: Biểu đồ áp lực nước lỗ rỗng  Sau 15 năm khai thác áp lực nước là: -20.85 kN/m2 Hình 3.12: Biểu đồ áp lực nước lỗ rỗng sau 15 năm khai thác PHỤ LỤC KẾT QUẢ TÍNH TỐN XỬ LÝ NỀN ĐƯỜNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP CỌC XI MĂNG ĐẤT D600 06 CỌC GIỮA DÀI 18m 02 CỌC KẾ CẬN DÀI 16m 03 CỌC NGOÀI CÙNG DÀI 14m Kết tính tốn thi cơng giai đoạn 1:  Đắp giai đoạn 1, chiều cao đắp 2m, Thời gian thi công 10 ngày, tổng thời gian thi công 40 ngày, sau chờ ổn định 20 ngày;  Độ lún S=S1+S0=171mm+0mm=171mm, S=171mm; Hình 4.1: Mơ hình mặt trượt q trình thi cơng giai đoạn Kết tính tốn thi công giai đoạn 2:  Đắp giai đoạn 2, chiều cao đắp thêm 2m, Thời gian thi công 10 ngày, tổng thời gian thi cơng 70 ngày, sau chờ ổn định 15 ngày;  Độ lún S2=S1+S =171mm+154mm=325, S=157 mm; Hình 4.2: Mơ hình mặt trượt q trình thi cơng giai đoạn Kết tính tốn thi cơng giai đoạn (hồn thiện gia tải):  Đắp giai đoạn 3, chiều cao đắp thêm 1m, Thời gian thi công 10 ngày, tổng thời gian thi cơng 100 ngày, sau chờ ổn định 80 ngày;  Độ lún S3=S2+S =325mm+134mm=459mm, S=134 mm; Hình 4.3: Mơ hình mặt trượt q trình thi cơng giai đoạn Kết tính tốn sau ổn định nền:  Thời gian dự kiến chờ ổn định 80 ngày, tổng thời gian thi công 180 ngày  Độ lún S4=S3+S =459mm+20mm=479mm, S=20mm; Hình 4.4: Mơ hình mặt trượt q trình ổn định Hình 4.5: Mơ hình lún q trình gia tải Kết tính tốn ổn định chờ lún 15 năm khai thác:  Tổng thời gian ngày 5655 ngày  Độ lún S8=S7+S =459mm+82mm=541mm, S=82mm; Hình 5.6: Mơ hình mặt trượt sau 15 năm khai thác Hình 4.7: Mơ hình lún sau 15 năm khai thác độ lún (mm) Biểu đồ độ lún theo thời gian thời gian (ngày) Hình 4.7: Biểu đồ lún theo thời gian Nội lực tác dụng vãi địa kỹ thuật: Hình 4.8: Biểu đồ lực dọc F=17.21 kN/m Áp lực nước lỗ rỗng:  Sau thi cơng hồn thiện, áp lực nước lỗ rỗng là: -52.14 kN/m2 Hình 4.9: Biểu đồ áp lực nước lỗ rỗng  Sau 15 năm khai thác áp lực nước là: -21.56 kN/m2 Hình 4.10: Biểu đồ áp lực nước lỗ rỗng sau 15 năm khai thác PHỤ LỤC KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Kết thử nghiệm xác định hàm lượng cấp phối cho trụ đất gia cố xi măng: Căn vào kết thí nghiệm thu từ 45 mẫu đúc phòng, nhận thấy cường độ nén đơn 28 ngày tuổi theo hàm lượng xi măng 240 kg/m3 - N/XM=0.8, đạt so với yêu cầu kỹ thuật: cường độ trường 537.120 KN/m2, cường độ đúc mẫu thiết kế phòng 1600 KN/m2 Đối với xi măng xỉ Hà Tiên hàm lượng 240 kg/m3 - N/XM=0.8, cường độ nén trục nở hông đạt yêu cầu cường độ đúc mẫu thiết kế phòng 1600 KN/m2 Trên sở kết thí nghiệm thu được, tác giả kiến nghị sử dụng hàm lượng xi măng 240 kg/m3 tỷ lệ N/XM = 0.8 để làm sở thi công trụ đất gia cố xi măng giai đoạn thử nghiệm Quyết định sau việc lựa chọn hàm lượng xi măng thi công thử nghiệm chủ đầu tư đơn vị tư vấn thiết kế chọn lưa PHỤ LỤC BÌNH ĐỒ TRẮC DỌC CẦU BẢNG TỔNG HỢP CHỈ TIÊU CƠ LÝ ĐẤT