Nghiên cứu ứng dụng cọc đất gia cố xi măng cho công trình đường đầu cầu chợ kinh, tỉnh lộ 940, tỉnh sóc trăng luận văn thạc sỹ chuyên ngành xây dựng đường ô tô và đường thành phố

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN VĂN VŨ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CỌC ĐẤT GIA CỐ XI MĂNG CHO CƠNG TRÌNH ĐƯỜNG ĐẦU CẦU CHỢ KINH, TỈNH LỘ 940, TỈNH SÓC TRĂNG 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 VĂN VŨ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CỌC ĐẤT GIA CỐ XI MĂNG CHO CÔNG TRÌNH ĐƯỜNG ĐẦU CẦU CHỢ KINH, TỈNH LỘ 940, TỈNH SĨC TRĂNG 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 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS LÃ VĂN CHĂM TP HỒ CHÍ MINH - 2017 i LỜI CAM ĐOAN Đây luận văn thạc sĩ học viên Nguyễn Văn Vũ báo cáo kết nghiên cứu Thầy PGS.TS Lã Văn Chăm trưởng môn Đường trường Đại học Giao thông Vận tải hướng dẫn Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu 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 Văn Vũ ii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luân văn với đề tài “Nghiên cứu ứng dụng cọc đất gia cố xi măng cho cơng trình đường đầu Cầu Chợ Kinh, Tỉnh lộ 940, Tỉnh Sóc Trăng” 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 PGS.TS Lã Văn Chăm - Trưởng môn Đường Bộ trường Đại Học Giao Thông Vận Tải 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 trình học tập Chi nhánh Công ty Tư vấn Thiết kế Giao Thông 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 Văn Vũ iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC HÌNH VẼ vii PHẦN MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU, CÁC GIẢI PHÁP XỬ LÝ ĐẢM BẢO ỔN ĐỊNH NỀN ĐƯỜNG ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU 1.1 Khái quát chung đất yếu 1.1.1 Khái niệm đất yếu 1.1.2 Các tiêu lý đất yếu 1.1.3 Các vấn đề ổn định thường gặp xây dựng đường vùng đất yếu 1.1.4 Sự phân vùng đất yếu Việt Nam 1.1.5 Công tác xây dựng đường đắp đất yếu 11 1.1.6 Tình hình xây dựng đường đăp đất yếu nước giới khu vực 13 1.1.7 Tình hình xây dựng đường tơ đất yếu Việt Nam 15 1.1.8 Các giải pháp xử lý đảm bảo ổn định đường đắp đất yếu 17 1.1.9 Đắp theo giai đoạn gia tải tạm thời 19 1.1.10 Thay đất bệ phản áp 21 1.1.11 Dùng vải, lưới địa kỹ thuật 23 1.1.12 Giải pháp đóng cọc tre, cừ tràm 25 1.1.13 Sử dụng phương tiện thoát nước thẳng đứng 26 1.1.14 Giải pháp dùng cọc đất gia cố xi măng vôi 35 1.1.15 Giải pháp sàn giảm tải 38 1.1.16 Một số giải pháp khác dùng Việt Nam 40 1.1.17 Kết luận chương 1: 44 iv CHƯƠNG 2: HIỆN TRẠNG VỀ DỰ ÁN CẦU CHỢ KINH TRÊN ĐƯỜNG TỈNH 940, TỈNH SÓC TRĂNG 45 2.1 Tổng quan dự án Cầu Chợ Kinh đường Tỉnh 940 45 2.2 Chủ đầu tư: Sở Giao thơng Vận tải tỉnh Sóc Trăng 45 2.3 Tổng quan giới thiệu chung phạm vi nghiên cứu 45 2.4 Vị trí cơng trình: 46 2.5 Điều kiện tự nhiên cơng trình 47 2.5.1 Điều kiện địa hình 47 2.5.2 Địa chất 47 2.5.3 Đặc điểm khí tượng, thủy văn: 56 2.6 Hiện trạng đường tỉnh 940 59 2.6.1 Phần tuyến 60 2.6.2 Phần cầu 61 2.7 Giải pháp thiết kế 62 2.7.1 Phần tuyến 62 2.8 Kết luận chương 73 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG GIẢI PHÁP CỌC ĐẤT GIA CỐ XI MĂNG CHO CƠNG TRÌNH ĐƯỜNG ĐẦU CẦU CHỢ KINH, TỈNH LỘ 940, TỈNH SÓC TRĂNG 75 3.1 Cơ sở lý thuyết tính tốn đường đắp đất yếu 75 3.1.1 Các yêu cầu thiết kế đường đắp đất yếu 75 3.1.2 Tính tốn đường đắp đất yếu 76 3.1.3 Tính lún theo thời gian 80 3.1.4 Tính tốn ổn định 85 3.1.5 Tính tốn gia tải nén trước 87 3.1.6 Tính toán chiều cao đắp 87 3.1.7 Phương pháp xử lý đất yếu phương pháp cọc đất gia cố xi măng 89 3.1.8 Công nghệ thi công cọc đất xi măng 97 3.2 Ứng dụng Mơ hình phân tích toán xử lý đất yếu phương pháp cọc đất gia cố xi măng vào cơng trình Đường đầu cầu Chợ Kinh, Tỉnh lộ 940, Tỉnh Sóc Trăng 105 v 3.2.1 Cơ sở lý thuyết tính tốn giải pháp thiết kế đường đắp đất yếu phương pháp cọc đất gia cố xi măng 105 3.2.2 Mơ hình phân tích tốn xử lý đất yếu phương pháp cọc đất gia cố xi măng cho đoạn tuyến nghiên cứu 113 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 131 TÀI LIỆU THAM KHẢO 133 vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Chỉ tiêu lí đất bùn đồng Bắc Việt Nam Bảng 1.2.Chỉ tiêu lý lớp đất chủ yếu .10 Bảng 3.1 Phần độ lún cố kết cho phép lại S trục tim đường sau hồn thành cơng trình 76 Bảng 3.2 Các cơng thức tính tốn độ gia tăng cường độ chống cắt đất yếu .88 Bảng 3.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến phát triển cường độ 95 Bảng 3.4 Tỷ lệ xi măng với đất tối ưu tương ứng với loại đất khác (Mitchell and Freitag, 1959) .97 Bảng 3.5 Tỷ lệ xi măng với đất với loại đất khác theo hệ thống phân loại Unified (Mitchell and Freitag, 1959) 97 Bảng 3.6.Quy định lún dư cho đường theo tiêu chuẩn 22TCN262-2000 106 Bảng 3.7 Tổng hợp tiêu lý lớp đất dùng cho tính toán 114 Bảng 3.8 Chỉ tiêu lớp đất đắp cọc ximăng đất 116 vii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Phá hoại đường lún trồi Hình 1.2 Phá hoại đường trượt sâu Hình 1.3: Đắp đất theo giai đoạn 20 Hình 1.4: Phương pháp gia tải tạm thời: gia tải ∆H lấy thời điểm mà t độ lún cuối S, tác dụng đắp chiều cao 21 Hình 1.5: Xử lý biện pháp thay đất .22 Hình 1.6: Bệ phản áp 23 Hình 1.7: Vải địa kỹ thuật 24 Hình 1.8: Bố trí vải địa kỹ thuật để tăng cường chống trượt cho thân đường 25 Hình 1.9: Thi cơng bấc thấm .28 Hình 1.10: Sử dụng giếng cát để gia xử lý 30 Hình 1.11: Trình tự thi cơng giếng cát 31 Hình 1.12: Các ứng dụng Cọc cát đầm chặt 33 Hình 1.13: Phương pháp thi công cọc cát đầm chặt 34 Hình 1.14: Thiết bị thi cơng cọc cát đầm chặt 35 Hình 1.15: Sơ đồ cơng nghệ thi cơng cọc đất gia cố xi măng 37 Hình 1.16: Sử dụng bê tông nhẹ thay cho đất đắp đường 41 Hình 1.17: Sử dụng ống cống thay cho đất đắp đường đầu cầu để giảm nhẹ tải trọng tác dụng lên đất yếu bên 41 Hình 1.18: Sơ đồ cơng nghệ hút chân khơng (máy bơm nối trực tiếp với bấc thấm ngang mạng lưới bấc thấm thẳng đứng) 43 Hình 1.19: Bố trí nước bình theo phương pháp điện thấm 44 Hình 3.1 Biểu đồ lún 77 Hình 3.2 Sơ đồ 82 Hình 3.3 Sơ đồ 83 Hình 3.4 Sơ đồ 83 Hình 3.5 Sơ đồ tính ổn định theo phương pháp phân mảnh với mặt trụ trịn 85 Hình 3.6 Xác định tâm trượt nguy hiểm 86 viii Hình 3.7 Tốn đồ xác định Nc 87 Hình 3.8 Các ứng dụng Cọc ximăng đất (Terashi, 1997) 90 Hình 3.9 Các dạng bố trí Cọc ximăng đất trộn khơ 91 Hình 3.10 Hình ảnh bố trí Cọc ximăng đất trộn ướt mặt đất 91 Hình 3.11 Hình ảnh thí dụ bố trí trụ trộn ướt biển 92 Hình 3.12 Hình ảnh thực tế dạng bố trí Cọc ximăng đất (DSMC) .92 Hình 3.13 Hình ảnh trình khoan phun 98 Hình 3.14 Sơ đồ thi cơng phương pháp trộn khơ .99 Hình 3.15 Sơ đồ thi công phương pháp trộn ướt .99 Hình 3.16 Dây chuyền khoan phun áp lực cao (Kplalc) 100 Hình 3.17 Mơ tả q trình thi cơng cọc xi măng đất .101 Hình 3.18 Máy DJM 2090 Kober 101 Hình 3.19 Thi công cọc ximăng đất 102 Hình 3.20 Mũi khoan Jet – grouting lên khỏi mặt đất 103 Hình 3.21 Cấu tạo điển hình đầu trộn 107 Hình 3.20 Mơ hình khối đất đắp tác dụng lên cọc 107 Hình 3.21 Tỷ diện tích gia cố 108 Hình 3.22 Quan hệ ứng suất  – biến dạng  109 Hình 3.23 Sơ đồ tính lún 110 Hình 3.24 Tóm tắt trình tự thiết kế trụ đất xi măng 110 Hình 3.25 Ứng suất gây lún độ sâu z 111 Hình 3.26 Bố trí cọc xi măng mặt .111 Hình 3.27 Thơng số mặt cắt ngang tốn 112 Hình 3.28.Sơ đồ xếp xe để xác định tải trọng xe cộ tác dụng đất yếu .113 Hình 3.29 Mặt cắt ngang bố trí cọc ximăng đất gia cố đất yếu 116 Hình 3.30 Ứng dụng phương pháp PTHH phân tích, tính tốn địa kỹ thuật 118 120 121 122 123 124 Bước 3: Chia lưới phần tử : Bước 4: Khai báo điều kiện ban đầu 125 Bước 5: Tính áp lực nước lỗ rỗng ban đầu Bước : Xác định K0 giá trị ứng suất hữu hiệu: 126 Bước 7: Thi công cọc xi măng đất Bước 8: Chia lưới phân tử trường hợp gia cố cọc xi măng đất 127 Bước 9: Tính áp lực nước lỗ rỗng sau gia cố cọc xi măng đất Bước 10: Tính giá trị ứng suất hữu hiệu sau gia cố cọc xi măng đất 3.2.2.1Tính toán độ lún đường chưa gia cố Sử dụng phầm mềm Plaxis, tác giả tính tốn độ lún, kết sau: Khi thi công đắp đường mà khơng có giải pháp xử lý đất yếu độ lún cố kết vịng 15 năm đường 28.37cm 128 Khi thi công đắp đường mà khơng có giải pháp xử lý đất yếu tổng độ lún cố kết đường 1.45m Như khơng có biện pháp xử lý nào, với điều kiện địa chất mơ độ lún độ ổn đinh đường khơng đảm bảo Vì vậy, cần có biện pháp xử lý, gia cố đường để đảm bảo cơng trình đạt độ lún theo u cầu đảm bảo độ ổn định 3.2.2.2 Tính tốn độ lún đường gia cố cọc đất xi măng Khi thi công đắp đường dùng giải pháp cọc xi măng đất tổng độ lún cố kết đường 7.41cm 129 3.2.2.3 Nhận xét Qua việc mơ hình phân tích độ ổn định phần mềm Plasix Tác giả thu kết tổng độ lún cố kết 7.413 cm, ứng với đoạn tuyến thiết kế với vận tốc V = 60km/h đoạn đường gần mố cầu Các yêu cầu tính tốn lún độ lún dư tn thủ theo bảng 2.1 “Quy trình khảo sát thiết kế đường đắp đất yếu 22TCN 262-2000”) hệ số trượt theo phương pháp Bishop Bên cạnh việc sử dụng phương pháp cọc đất gia cố xi măng cho đoạn tuyến với ưu điểm : + Triệt tiêu độ lún, tăng cường khả chịu tải móng Ở độ sâu lớn, phương pháp hiệu + Thời gian xây dựng ngắn không thời gian chờ lún + Tính an tồn cao mơ hình tính tốn xem móng cọc + Đang áp dụng phổ biến Việt Nam + Tận dụng hoàn toàn vật liệu địa phương + Phương pháp ngăn ngừa việc sụt lún đứt gãy trượt, cải thiện cường độ đất theo cột toàn khu vực cách trộn chất gia cố xi măng từ bề mặt đất yếu đến độ sâu phù hợp định + Phương pháp thích hợp cho dự án lớp đất yếu dày (bề dày trung bình ≥ 20m), phương pháp tăng cường đất cách dùng cọc tạo nên phần đất 130 + Phổ biến áp dụng cho khu vực trung tâm thành phố, nơi cần giữ lại kết cấu cơng trình hữu lân cận + Có thể thi cơng nơi có mặt hẹp + Ít nhiễm ảnh hưởng đến xung quanh Kết luận chương Khi gia cố đất yếu cột đất xi măng giảm độ lún mô đun biến dạng đất tăng lên, phần lớn tải trọng truyền lên cột đất xi măng có mơ đun biến dạng lớn nên độ lún giảm Dựa vào kết mô ta thấy đắp đạt độ lún ổn định, phân bố độ lún cọc vật liệu rời đất ln có khuynh hướng đồng Sự phân bố độ lún đồng khó xảy xử lý loại cọc có độ cứng lớn cọc đất gia cố xi măng dạng vật liệu bị phá hoại phạm vi biến dạng nhỏ so với độ linh động khả xếp lại cọc vật liệu rời 131 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Việc lưạ chọn giải pháp để xử lý đất yếu cho cơng trình khu vực việc làm khó khăn địi hỏi tính tốn xác nghiên cứu sâu, thấu đáo điều kiện địa chất, điều kiện tự nhiên, vật liệu xây dựng, điều kiện áp dụng công nghệ nhà thầu Lựa chọn giải pháp đúng, thoả mãn mục tiêu kinh tế kỹ thuật cho cơng trình nghiên cứu việc làm có ý nghĩa khoa học thực tiễn lớn Để làm rõ mục tiêu đề tài, tác giả tập trung nghiên cứu: - Về lý thuyết: Tổng quan đất yếu, phương pháp xử lý đất yếu xây dựng đường đắp vùng đất yếu khu vực TP.Hồ Chí Minh thường áp dụng: phương pháp xử lý đất cọc cát, phương pháp xử lý đất yếu cọc vôi cọc gia cố xi măng, phương pháp đệm cát, phương pháp đắp bệ phản áp, phương pháp đầm chặt lớp đất mặt, phương pháp gia tải nén trước, phương pháp sử dụng lưới vải địa kỹ thuật, phương pháp lưới địa kỹ thuật kết hợp với hệ móng cọc, phương pháp bấc thấm hút chân không với ưu điểm nhược điểm giải pháp đem lại hiệu định việc đảm bảo ổn định cơng trình - Khảo sát, thu thập số liệu trạng đoạn tuyến nghiên cứu nói riêng khu vực Tỉnh Sóc Trăng nói chung Đặc biệt khu vực xây dựng Cầu Chợ Kinh vượt qua sơng Cổ Cị qua vùng đất yếu, chủ yếu bùn sét trạng thái dẻo chảy có chiều sâu lớn - Phần mềm Plaxis sử dụng để phân tích ứng suất, biến dạng theo phương pháp phần tử hữu hạn Ưu điểm phần mềm Plaxis cho phép mơ tốn địa kỹ thuật liên quan đến nhiều giai đoạn thi công (phase) kết ứng suất biến dạng phân tích đồng thời thời điểm làm việc cơng trình Bộ phần mềm plaxis cho phép lựa chọn sử dụng số mơ hình vật liệu phù hợp với đặc điểm loại đất Mohr Coulomb, Hardening Soil, Linear Elastic Hệ số an toàn ổn định trượt tổng thể Mfs xác định theo phương pháp giảm thông số chống cắt tang (phi) c Với kết việc phân tích tác giả luận văn việc ứng dụng phương pháp xử lý đất yếu cọc đất gia cố xi măng với đường 132 kính cọc D=0.8m, chiều dài cọc L=20m, khoảng cách cọc S =1.4m, thi công phương pháp trộn sâu, với hàm lượng xi măng 240 kg/m3 ứng dụng phạm vi đường đầu Cầu Chợ Kinh, Tỉnh lộ 940 đem lại hiệu kinh tế kỹ thuật cao cho cơng trình Kiến nghị Hiện nay, việc sử dụng phương pháp cọc ximăng đất ngày phổ biến lĩnh vực: giao thông, thuỷ lợi, cảng, dân dụng, cơng nghiệp… Do việc nghiên cứu chun sâu vấn đề cần thiết Với phương pháp tải trọng thiết kế yêu cầu khai thác thơng số đầu vào địa chất, thuỷ văn đất quan trọng, ảnh hưởng định đến hàm lượng ximăng, chiều dài cọc, mật độ cọc, chất lượng giá thành xây dựng Vì vậy, tác giả kiến nghị khảo sát địa chất cần tăng thêm khối lượng khoan địa chất thí nghiệm tiêu lý đất so với việc khảo sát địa chất đất yếu thông thường Khi tính tốn thiết kế cọc ximăng đất đề nghị lưu ý đến vấn đề chế phá hoại cọc ximăng đất hiệu ứng vòm Mặc dù có TCXDVN 385 : 2006 - “Gia cố đất yếu trụ ximăng đất”, nhiên tiêu chuẩn tương đối sơ sài, đặc biệt yêu cầu thiết kế Vì vậy, kiến nghị nghiên cứu tổng hợp kinh nghiệm công trình thực Việt Nam giới để bổ sung thêm cho quy trình phù hợp với thực tiễn * Hướng nghıên cứu tıếp theo 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 ximăng đất đất Nghiên cứu, tổng hợp kinh nghiệm thiết kế thi công, khai thác đánh giá hiệu việc áp dụng cọc ximăng đất việc gia cố đất yếu xây dựng đường 133 TÀI LIỆU THAM KHẢO Châu Ngọc Ẩn (2004), Cơ học đất, Nhà xuất Đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh, tr 33-67 Bộ Giao Thông Vận tải (2000), 22 TCN 262 -2000, Quy trình khảo sát thiết kế đường ơtơ đắp đất, tr 3-15 Bergado D.T., Chai J.C., Alfaro M.C., Balasubramaniam A.S (1993), Những biện pháp kỹ thuật cải tạo đất yếu xây dựng, Nhà xuất Giáo dục, Hà Nội Nguyễn Quang Chiêu (2004), Thiết kế thi công đắp đất yếu, Nhà xuất Xây dựng, tr 58-72, Hà Nội Nguyễn Quốc Dũng (chủ biên), Phùng Vĩnh An, Nguyễn Quốc Huy (2005), Công nghệ khoan cao áp xử lý đất yếu, Nhà xuất 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, Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội 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 05/2007 Trần Quang Hộ (2004), Công trình đất yếu, NXB Đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh 10 Trần Quang Hộ (2008), Ứng xử đất học đất tới hạn, NXB Đại học quốc gia TP Hồ Cchí Minh 11 Pierre L., Nguyễn Thành Long, Lê Bá Lương, Nguyễn Quang Chiêu, Vũ Đức Lục (1998), Nền đường đắp đất yếu điều kiện Việt Nam, Nhà xuất Giao thông Vận tải, Hà Nội 134 12 Nguyễn Uyên (2011), Xử lý đất yếu xây dựng, Nhà xuất Xây dựng, tr 88-100, Hà Nội 13 Trần Văn Việt (2004) , Cẩm nang dùng cho Kỹ sư Địa kỹ thuật, Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội.0