Luận văn thạc sĩ Địa kỹ thuật xây dựng: Chọn lựa bố trí hợp lý tường xi măng đất để nâng cao ổn định tường vây hố đào sâu

KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS BÙI TRƯỜNG SƠN

Cán bộ chấm nhận xét 1: GS TSKH NGUYỄN VĂN THƠ

5 Ủy viên: ThS HOÀNG THẾ THAO

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được chỉnh sửa

KỸ THUẬT XÂY DỰNG

PGS.TS LÊ BÁ VINH

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: NGUYỄN KHÁNH LÂN MSHV: 1670171 Ngày, tháng, năm sinh: 24/08/1991 Nơi sinh: Phú Yên Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng Mã số: 60 58 02 11 I TÊN ĐỀ TÀI: Chọn lựa bố trí hợp lý tường xi măng đất để nâng cao ổn định

tường vây hố đào sâu

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

- Tổng quan về ứng dụng cọc xi măng đất trong gia cố nền đất yếu và chuyển vị tường vây hố đào sâu, một số nguyên nhân gây chuyển vị lớn, phá hoại

- Hiệu chỉnh chuyển vị ngang đo đạc của tường vây, mô phỏng phân tích đánh giá chuyển vị ngang tường vây thi công hố đào sâu trong đất yếu so với kết quả quan trắc đã hiệu chỉnh

- Phân tích và chọn lựa bố trí hợp lý vị trí, kích thước khu vực xử lý bằng đất trộn xi măng nhằm đảm bảo ổn định trong quá trình thi công hố đào sâu

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 19/08/2019 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 08/12/2019

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS BÙI TRƯỜNG SƠN

LỜI CẢM ƠN

Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Ban giám hiệu, quý thầy cô trường Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện, giúp đỡ để tôi có môi trường học tập và thực hiện đề tài nghiên cứu này

Đặc biệt gửi lời cảm ơn đến thầy PGS.TS.Bùi Trường Sơn, là người thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp tôi đưa ra hướng nghiên cứu cụ thể, hỗ trợ tài liệu, kiến thức quý báu trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã động viên tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài

Mặc dù đã có nhiều cố gắng, tuy nhiên vẫn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự đóng góp quý báu của thầy cô và các bạn

Tp Hồ Chí Minh, ngày 08 tháng 12 năm 2019

Học viên

Nguyễn Khánh Lân

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Phân tích đánh giá hố đào sâu có tường vây bằng cừ Larsen sau khi gia cố bằng cọc xi măng đất hợp lý sẽ làm giảm đáng kể chuyển vị ngang của tường cừ Ngoài ra số lượng, khoảng cách (tỷ lệ gia cố) và chiều dài cọc xi măng cũng đều làm giảm chuyển vị ngang đáng kể của tường cừ Larsen Số lượng hàng cọc tăng lên và khoảng cách giữa các cọc gần nhau sẽ hạn chế chuyển vị ngang của tường vây Cọc có chiều dài vượt chân tường vây có hiệu quả đáng kể trong việc làm giảm chuyển vị ngang của tường vây ngược lại khi cọc có chiều dài không vượt chân tường vây khả năng làm giảm chuyển vị của tường cừ là không lớn Kết luận rút ra từ nghiên cứu để tối ưu hóa bố trí tường xi măng đất trong việc làm giảm chuyển vị ngang tường vây làm tăng độ ổn định và an toàn hố đào sâu

ABSTRACT

Analysis and evaluation of deep excavation with steel sheet pile retaining wall after reinforcement with reasonable Soil-Cement Column Deep Mixing will significantly reduce the horizontal displacement of the retaining wall In addition, quantity, distance (reinforcement ratio) and Soil-Cement Column length also significantly reduce the horizontal displacement of steel sheet pile retaining wall The rows quantity of piles increases and the distance between adjacent piles will limit the horizontal displacement of the retaining wall Piles with a length beyond the base of a retaining wall have a significant effect in reducing the horizontal displacement of the retaining wall when the length of the pile does not exceed the wall of the retaining wall, which is capable of reducing the displacement of the steel sheet pile retaining wall as low Conclusion from the research to optimize of soil cement wall arrangement to reduce the horizontal displacement of the retaining wall and increase the stability and safety in the deep excavation

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi, thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Bùi Trường Sơn Các kết quả, số liệu trong luận án là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào khác Tác giả hoàn toàn chịu trách nhiệm về tính xác thực của luận văn

Tp Hồ Chí Minh, ngày 08 tháng 12 năm 2019

Tác giả

Nguyễn Khánh Lân

2 Mục tiêu nghiên cứu đề tài 1

3 Nội dung nghiên cứu đề tài 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa và giá trị thực tiễn đề tài 2

6 Hạn chế đề tài 2

CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI TƯỜNG VÂY – TƯỜNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 4

1.1 Đặc điểm hố đào sâu 4

1.2 Các yếu tố địa kỹ thuật ảnh hưởng đến công trình hố đào sâu 5

1.3 Các hiện tượng xảy ra khi thi công hố đào sâu 6

1.4 Một số loại tường chắn hố đào 6

1.4.1 Tường vây cừ thép 7

1.4.2 Tường cọc Barrette 8

1.4.3 Tường cọc khoan nhồi 9

1.5 Tường bằng dãy cọc xi măng đất trộn sâu 10

1.5.1 Sơ lược cọc xi măng đất 10

1.5.2 Nguyên lý tương tác xi măng – đất 11

1.5.3 Phương pháp thi công cọc xi măng đất 12

1.5.4 Một số công nghệ thi công tường chắn cọc xi măng đất hiện nay 18

1.5.5 Tường chắn cọc xi măng – đất làm tường vây hố đào 20

1.5.6 Ứng dụng cọc xi măng – đất ở Việt Nam 21

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới chuyển vị ngang tường vây hố đào 29

2.2.1 Ảnh hưởng của hệ số an toàn chống trồi đáy 30

2.2.2 Ảnh hưởng của chiều sâu hố đào 41

2.2.3 Ảnh hưởng của chiều sâu ngàm tường 43

2.2.4 Ảnh hưởng của độ cứng và phân bố đất tốt đất yếu 44

2.3 Các phương pháp tính toán hố đào sâu chắn giữ bằng tường liên tục 45

3.1 Mô hình cọc xi măng đất ứng dụng gia cường hố đào sâu 51

3.1.1 Cách bố trí cọc tường vây hố đào sâu 51

3.1.2 Ảnh hưởng từ cách bố trí và mật độ cọc đến chuyển vị ngang tường vây 52

3.1.3 Ảnh hưởng trồi đáy hố đào đến chuyển vị ngang tường vây 57

3.2 Phương pháp mô phỏng gia cố hố đào bằng cọc xi măng đất 59

3.2.1 Phương pháp tính toán theo quan điểm cọc xi măng đất làm việc như cọc cứng 59

3.2.2 Phương pháp tính toán theo quan điểm làm việc nền tương đương 60

3.3 Cơ chế phá hoại tường chắn cọc xi măng đất 62

3.3.1 Phương thức phá hỏng của tường chắn cứng (tường trọng lực) [4] 62

3.3.2 Tường phá hoại do chuyển vị ngang khối đất xung quanh cọc 63

3.3.3 Tường phá hoại do lớp đất dưới chân tường 65

3.3.4 Tường phá hoại do moment uốn và lực cắt lớn nhất 66

3.3.5 Tường phá hoại do hiện tượng trồi đất, trồi nước đáy chân tường 67

3.4 Nhận xét chương 3 68

CHƯƠNG 4 CHỌN LỰA BỐ TRÍ TƯỜNG XI MĂNG ĐẤT ĐỂ NÂNG CAO ỔN ĐỊNH TƯỜNG VÂY HỐ ĐÀO SÂU 70

4.1 Đặt vấn đề 70

4.2 Tổng quan dữ liệu phục vụ tính toán phân tích 71

4.2.1 Cấu tạo địa chất khu vực công trình [1] 73

4.2.2 Địa chất thủy văn 76

4.2.3 Quá trình thi công tầng hầm 76

4.2.4 Kết quả quan trắc chuyển vị ngang của tường vây khi thi công [2] 76

4.3 Mô phỏng đánh giá chuyển vị ngang của tường vây 78

4.3.1 Số liệu quan trắc và hiệu chỉnh chuyển vị ngang 78

4.3.2 Mô phỏng đánh giá chuyển vị ngang của tường vây 80

4.4 Mô phỏng đánh giá ảnh hưởng của việc xử lý đất trộn xi măng lên khả năng ổn định của tường vây hố đào sâu 85

4.4.1 Mô phỏng đánh giá chuyển vị ngang của tường vây theo phương pháp vật liệu riêng biệt (RAS) và phương pháp nền tương đương (EMS) 85

4.4.2 Mô phỏng đánh giá chuyển vị ngang của tường vây khi gia cố bằng cọc xi măng đất khu vực chủ động và bị động hố đào có xét đến khoảng cách, số hàng và chiều dài của cọc 91

4.5 Nhận xét chương 4 101

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 103

TÀI LIỆU THAM KHẢO 105

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 - Một số đặc điểm của công nghệ CDM và công nghệ SMW 18

Bảng 2.1 - Giới hạn chuyển vị và biến dạng tường chắn hố đào tại Thượng Hải, Trung Quốc (PSCG 2000) 43

Bảng 4.1 - Thông số thi công tầng hầm công trình 71

Bảng 4.2 - Các bước thi công tầng hầm 76

Bảng 4.3 - Các bước thi công tầng hầm 78

Bảng 4.4 - Thông số đất nền cho mô hình HS 81

Bảng 4.5 - Thông số vật liệu cấu kiện cho mô hình HS 82

Bảng 4.6 - So sánh chuyển vị ngang lớn nhất giữa kết quả quan trắc và mô hình 82

Bảng 4.7 - Quy đổi các thông số nền tương đương 85

Bảng 4.8 - Thông số cột đất trộn xi măng và nền tương đương lớp cát đắp 86

Bảng 4.9 - Thông số cột đất trộn xi măng và nền tương đương lớp 1 86

Bảng 4.10 - Thông số cột đất trộn xi măng và nền tương đương lớp 1b 87

Bảng 4.11 - Thông số cột đất trộn xi măng và nền tương đương theo mô hình Mohr – Coulomb với d1 =1,0 m 87

Bảng 4.12 - So sánh chuyển vị ngang lớn nhất của tường vây theo 2 phương pháp 89Bảng 4.13 - So sánh hiệu quả làm giảm chuyển vị ngang lớn nhất của tường vây khi mô phỏng gia cố cọc xi măng đất khu vực chủ động và bị động với khoảng cách cọc d1=1,5m so với khi chưa gia cố 94

Bảng 4.14 - Chuyển vị ngang của tường vây 94

Bảng 4.15 - So sánh hiệu quả làm giảm chuyển vị ngang lớn nhất của tường vây khi mô phỏng gia cố cọc xi măng đất khu vực chủ động và bị động với khoảng cách cọc d1=1,0m so với khi chưa gia cố 98

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 - Tường vây cừ thép (Larsen) 8

Hình 1.2 - Thi công cọc Barrette 9

Hình 1.3 - Tường cọc khoan nhồi 10

Hình 1.4 - Ứng dụng chính cọc xi măng đất 11

Hình 1.5 - Các bước thi công phương pháp trộn khô 13

Hình 1.6 - Bố trí trụ trộn khô [3] 14

Hình 1.7 - Bố trí trụ trùng nhau theo khối (cát tuyến) để gia cố vách hố đào[3] 14

Hình 1.8 - Đầu trộn và cách thức phun chất kết dính vào trong đất (Thiết bị của Keller) 15

Hình 1.9 - Các bước thi công phương pháp trộn ướt 16

Hình 1.10 - Đầu trộn và cách thức phun vữa vào trong đất (Thiết bị của Keller) 16

Hình 1.11 - Bố trí trụ ướt trên mặt đất 17

Hình 1.12 - Bố trí trụ trùng nhau theo công nghệ trộn ướt và thứ tự thi công[3] 17

Hình 1.13 - Bánh xe trộn theo công nghệ Geomix [17] 20

Hình 2.1 - Một số kiểu mặt cắt của kết cấu tường chắn bằng cọc trộn xi măng đất [5] 23

Hình 2.2 - Tường bằng đất trộn xi măng 24

Hình 2.3 - Sơ đồ tính toán tường chắn bằng cọc xi măng đất 24

Hình 2.4 - Sơ đồ kiểm tra tính ổn định tổng thể của tường và nền 25

Hình 2.5 - Sơ đồ tính chống thấm 28

Hình 2.7 - Hiện tượng trồi đáy hố đào 31

Hình 2.8 - Mặt phá hoại đáy hố móng 31

Hình 2.9 - Biến đổi Nc theo L/B và H/B (Skempton, 1951) 33

Hình 2.10 - Sơ đồ tính toán ổn định hố đào sâu 34

Hình 2.11 - (a) Đất sét phân lớp ở dưới đáy hố móng 35

(b) Biến đổi N’c(dải) theo cu2/cu1 và h’/B; (c) Biến đổi Fd theo H/B 35

Hình 2.12 - Sơ đồ lực lên chiều dài tường cừ được chôn vùi 35

Hình 2.13 - Dòng thấm ở đáy hố móng đào trong đất cát 36

Hình 2.14 - Sơ đồ tính toán xác định hệ số an toàn chống xói ngầm theo lưới thấm 37

Hình 2.15 - Sơ đồ tính toán chống trồi mặt đáy hố móng theo Caquot – Kerisel 39

Hình 2.16 - Sơ đồ tính toán chống trồi khi xét đồng thời c và φ 39

Hình 2.17 - Sơ đồ tính toán chống trồi theo quy trình hố móng Thượng Hải 40

Hình 2.18 - Mối tương quan giữa chuyển vị ngang lớn nhất của tường vây với chiều sâu của hố đào (Ou và các đồng sự, 1993) 42

Hình 2.19 - Chiều sâu ngàm tường Hp ,Chang Yu Ou (2006) 42

Hình 2.20 - Tương quan giữa chiều sâu ngàm tường và chuyển vị ngang của tường (Chang Yu Ou, 2006) 44

Hình 2.21 - Dạng chuyển vị của tường trong trường hợp độ cứng thanh chống lớn 45

Hình 2.22 - Dạng chuyển vị của tường trong trường hợp độ cứng thanh chống không đủ lớn 45

Hình 2.23 - Rời rạc hóa miền tính toán 47

Hình 2.24 - So sánh chuyển vị và biến dạng các mô hình nền 48

Hình 3.1 - Cọc cát tuyến [22] 51

Hình 3.2 - Ô lưới cọc [22] 51

Hình 3.3 - Cọc khối chữ nhật [3] 51

Hình 3.4 - Cọc khối chữ nhật [22] 51

Hình 3.5 - Tường cọc xi măng – đất cát tuyến có gia cường thép hình [22] 51

Hình 3.6 - Các kiểu cải thiện đất trong hố đào bằng cọc xi măng đất 52

Hình 3.7 - Các kiểu cải thiện đất trong hố đào bằng cọc xi măng đất 52

Hình 3.8 - Gia cường bên dưới hố đào 53

Hình 3.9 - Sơ đồ bố trí cọc xi măng đất, Chan-Yu Ou (2007) [23] 54

Hình 3.10 - Quan hệ giữa biến dạng lớn nhất của tường và khoảng cách tính từ góc theo diện tích vùng gia cố, Chan-Yu Ou(2007) [23] 54

Hình 3.11 - Hố đào nghiên cứu [24] 55

Hình 3.12 - So sánh kết quả chuyển vị ngang theo PP (PP EMS) và (PP RAS) [24] 55

Hình 3.13 - Kết quả chuyển vị cho từng trường hợp gia cố [9] 56

Hình 3.14 - Chuyển vị tường vây khi mô phỏng theo phương pháp vật liệu riêng biệt (RAS) và phương pháp vật liệu tương đương (EMS) [10] 57

Hình 3.15 - Cọc xi măng – đất tại hố đào 58

Hình 3.16 - Giảm áp lực nước bằng cọc trộn xi măng – đất dưới sâu 59

Hình 3.17 - Mối quan hệ giữa Ir – qu và m 61

Hình 3.18 - Sơ đồ bố trí cọc xi măng đất theo lưới chữ nhật 61

Hình 3.19 - Cọc xi măng đất cải tạo đất duới đáy hố đào 62

Hình 3.20 - Các kiểu phá hỏng của tường chắn bằng cọc xi măng đất 63

Hình 3.21 - Mô hình lực tác dụng khi thi công trộn cọc ximăng - đất 64

Hình 3.22 - Mô hình mô phỏng tính toán biến dạng dẻo theo L M Kachanôp 64

Hình 3.23 - Chi tiết các hàng cọc của tường chịu ảnh hưởng áp lực ngang do σp 65

Hình 3.24 - Vùng chịu ảnh hưởng trong mô hình cọc cát tuyến hàng đơn 65

Hình 3.25 - Các lực tác dụng vào tường chắn hố đào bằng cọc xi măng đất 66

Hình 3.26 - Mô hình tính toán trường hợp phá hoại Qmax, Mmax 67

Hình 3.27 - Hiện tượng trồi đất 67

Hình 4.1 - Chuyển vị ngang lớn của tường vây cừ larsen làm mất ổn định hố đào 70

Hình 4.9 - Mặt cắt thi công tầng hầm tại vị trí Inclinometer I3 78

Hình 4.10 - Kết quả quan trắc tại Inclinometer I3 80

Hình 4.11 - Mô hình hố đào bằng phần mềm Plaxis 2D 82

Hình 4.12 - So sánh chuyển vị ngang theo kết quả quan trắc, quan trắc đã hiệu chỉnh và với mô hình Plaxis 84

Hình 4.13 - Mô phỏng bố trí cọc theo phương pháp RAS và EMS 88

Hình 4.14 - So sánh mô phỏng theo RAS và EMS tại Bước 9 – cao độ -9,90m 89

Hình 4.15 - Hiệu quả giảm chuyển vị ngang tường vây khi tăng số hàng cọc 90

Hình 4.16 - Vị trí mô phỏng gia cố bằng cọc xi măng đất 91

Hình 4.17 - Ảnh hưởng chiều dài cọc xi măng đất gia cố khu vực chủ động lên chuyển vị ngang tường vây theo độ sâu (với d1=1,5 m) 92

Hình 4.18 - Ảnh hưởng chiều dài cọc xi măng đất gia cố khu vực chủ động lên chuyển vị ngang tường vây theo độ sâu (với d1=1,5 m) 92

Hình 4.19 - Ảnh hưởng chiều dài cọc xi măng đất gia cố khu vực bị động lên chuyển vị ngang tường vây theo độ sâu (với d1=1,5 m) 93

Hình 4.20 - Ảnh hưởng chiều dài cọc xi măng đất gia cố khu vực bị động lên chuyển vị ngang tường vây theo độ sâu (với d1=1,5 m) 93

Hình 4.21 - Vị trí mô phỏng gia cố bằng cọc xi măng đất với 5 hàng cọc d1=1,5 m95Hình 4.22 - Ảnh hưởng chiều dài cọc xi măng đất gia cố khu vực chủ động lên chuyển vị ngang tường vây theo độ sâu (với d1=1,0 m) 96Hình 4.23 - Ảnh hưởng chiều dài cọc xi măng đất gia cố khu vực chủ động lên chuyển vị ngang tường vây theo độ sâu (với d1=1,0 m) 96Hình 4.24 - Ảnh hưởng chiều dài cọc xi măng đất gia cố khu vực bị động lên chuyển vị ngang tường vây theo độ sâu (với d1=1,0 m) 97Hình 4.25 - Ảnh hưởng chiều dài cọc xi măng đất gia cố khu vực bị động lên chuyển vị ngang tường vây theo độ sâu (với d1=1,0 m) 97Hình 4.26 - Vị trí mô phỏng gia cố bằng cọc xi măng đất với 5 hàng cọc d1=1,0 m99Hình 4.27 - Ứng suất tiếp tương đối khi chưa xử lý 100Hình 4.28 - Ứng suất tiếp tương đối trong nền được xử lý ở vùng chủ động với 3 hàng cọc d1=1,0m 100Hình 4.29 - Ứng suất tiếp tương đối trong nền được xử lý ở vùng bị động với 5 hàng cọc d1=1,0m 101Hình 4.30 - Hiệu quả xử lý giảm chuyển vị ngang tường vây với khoảng cách cọc d1=1,5m 102Hình 4.31 - Hiệu quả xử lý giảm chuyển vị ngang tường vây với khoảng cách cọc d1=1,0m 102Hình 4.32 - Hiệu quả xử lý giảm chuyển vị ngang tường vây khi thay đổi khoảng cách cọc tại chiều sâu xử lý -23,0m 102

MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài

Hiện nay, hàng loạt các công trình ngầm đô thị như tầng hầm cho các nhà cao tầng, khách sạn, đường hầm chui cho người đi bộ, hệ thống móng các công trình ngăn nước và các hố đào sâu nói chung đang được xây dựng ở các thành phố, đô thị lớn trên cả nước Một trong những vấn đề phức tạp trong thi công công trình ngầm là thi công hố đào sâu, do việc giữ ổn định và gia cố vách hố đào thường là hạng mục khó khăn và tốn kém

Với chính sách mở rộng đô thị về các Quận 2 và Quận 7 vốn là những vùng đất yếu của khu vực Tp.Hồ Chí Minh việc xây dựng các công trình có tầng hầm phục vụ mục đích đô thị hoá các khu vực này là vấn đề được đặt ra Việc xây dựng tầng hầm trong các khu vực đất tốt vốn đã phức tạp thì việc xây dựng trong các khu vực đất yếu thì càng khó khăn hơn vì chuyển vị ngang của các tường vây hố đào trong quá trình đào hầm thường rất lớn có khả năng gây mất ổn định cho hố đào và công trình xung quanh Do đó, việc tìm các giải pháp tăng cường khả năng ổn định của hố đào sâu là việc làm cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn

Có nhiều phương pháp gia cố thành hố đào được nghiên cứu, phát triển và sử dụng rộng rãi có thể kể đến như phương pháp gia cố bằng cọc ván thép hay ống thép, cọc khoan nhồi, cọc barette… Các phương pháp trên đều có nhiều ưu điểm, tuy nhiên giá thành thi công thường rất cao do máy móc thi công chuyên dụng và vật liệu đắt tiền Với mong muốn dễ thực hiện, rẻ tiền hơn và áp dụng được trong điều kiện Việt Nam Một giải pháp đặt ra là dùng tường cừ thép kết hợp với tường cọc xi măng đất vừa đảm bảo được ổn định và tiết kiệm chi phí Dựa trên những lý do đó đề tài

“Chọn lựa bố trí hợp lý tường xi măng đất để nâng cao ổn định tường vây hố đào sâu” đã được hình thành

2 Mục tiêu nghiên cứu đề tài

- Mục tiêu đề tài là dùng cọc xi măng đất gia cường khu vực hố đào sâu để giảm chuyển vị ngang tường vây trong hố đào

- Đánh giá sự thích hợp khi mô phỏng vật liệu cọc xi măng đất theo vật liệu riêng biệt - RAS (The real allocation simulation) và quy đổi nền tương đương – EMS (Equivalent material simulation) bằng phương pháp phần tử hữu hạn So sánh với kết quả quan trắc thực tế để đánh giá tính hợp lý của mô hình

- Đề tài tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí cột xi măng đất, số lượng, độ sâu gia cố đến kết quả chuyển vị tường vây

3 Nội dung nghiên cứu đề tài Nội dung nghiên cứu gồm 4 chương

- Chương 1: Tổng quan về các loại tường vây – tường cọc xi măng đất

- Chương 2: Tính toán ổn định tường vây hố đào có xét ảnh hưởng của việc gia cố bằng tường xi măng đất

- Chương 3: Mô phỏng gia cố hố đào và cơ chế phá hoại cọc xi măng đất

- Chương 4: Chọn lựa bố trí tường xi măng đất để nâng cao ổn định tường vây hố đào sâu

- Kết luận và kiến nghị

4 Phương pháp nghiên cứu

- Khảo sát thu thập các số liệu quan trắc tường vây tầng hầm Công trình tại Quận 7, TP Hồ Chí Minh

- Đánh giá khả năng ổn định của tường vây trong thi công hố đào sâu

- Tiến hành mô hình hố đào gia cố bằng cọc xi măng đất kết hợp tường cừ Larsen với nhiều phương án khác nhau về cách bố trí và độ sâu gia cố bằng mô hình đã lựa chọn ở trên để đề ra phương án hợp lý và đánh giá các yếu tố tác động

5 Ý nghĩa và giá trị thực tiễn đề tài

- Kết quả nghiên cứu có thể cho phép rút ra các nhận định về việc bố trí cọc xi măng đất hợp lý nâng cao ổn định hố đào sâu

- Cung cấp biện pháp thiết kế hố đào sâu sử dụng giải pháp gia cường cọc xi măng đất để chống chuyển vị ngang tường vây hố đào

6 Hạn chế đề tài

- Đề tài chưa đánh giá hết được ảnh hưởng của các mô hình khác nhau trong mô phỏng, các phương pháp phân tích đến những vấn đề khác của hố đào sâu như lún sau lưng tường, bề rộng hố đào đến ổn định đáy hố đào Cũng như các cơ chế phá hoại cọc xi măng đất do tải trọng ngoài và phương pháp thi công cọc

- Ngoài ra đề tài cũng chỉ xét đến phương pháp gia cố đất trong hố đào bằng các cọc xi măng, mà chưa xét đến các kiểu gia cố khác như: kiểu tường, hay dạng toàn khối…

- Chưa đánh giá được hết ưu điểm cọc xi măng đất trong việc ổn định hố đào như ngăn dòng thấm mực nước ngầm, bùng nền, cát chảy… vào bên trong đáy hố đào

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI TƯỜNG VÂY – TƯỜNG CỌC XI MĂNG ĐẤT

1.1 Đặc điểm hố đào sâu

Hố đào sâu là loại công trình đặc biệt, việc thiết kế, thi công các kết cấu chắn giữ hố đào sâu rất đa dạng và luôn tiềm ẩn nhiều sự cố công trình vì nó phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố Kết quả khảo sát địa chất, mô hình tính toán, loại kết cấu chắn giữ, phương pháp thiết kế, phương pháp thi công, năng lực tổ chức thi công, điều kiện công trường Ảnh hưởng đến chất lượng công trình hố đào sâu Điều kiện địa chất của nền đất biến đổi trong phạm vi khá rộng, ẩn dấu nhiều rủi ro, đặc biệt là trong điều kiện đất yếu, mực nước ngầm cao và các điều kiện hiện trường phức tạp dễ sinh ra trượt lở đất, mất ổn định hố đào, chuyển dịch tường chắn, trồi hố móng có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến các công trình xây dựng, các đường ống, công trình ngầm ở xung quanh Do đó, khi thiết kế thi công các công trình loại này, cần phải phân tích lựa chọn tối ưu hóa và có hệ thống cho hàng loạt các công việc như công tác khảo sát phục vụ thiết kế, xác định mô hình tính toán phù hợp, giải pháp thi công xây dựng, giải pháp quan trắc đo đạc chuyển vị và biến dạng kết cấu chắn giữ cũng như quan trắc các công trình lân cận trong suốt quá trình thi công

Thi công hố đào có thể coi là một bài toán dỡ tải đối với nền đất Việc dỡ tải này làm thay đổi trạng thái ứng suất biến dạng trong nền Sự cân bằng ban đầu bị thay đổi, trạng thái ứng suất thay đổi làm xuất hiện nguy cơ mất ổn định, trước hết là thành hố và sau đó là đáy hố và đất xung quanh Khi nghiên cứu sự ổn định của hố đào và các biện pháp bảo vệ nó, Terzaghi (1943) [12] đánh giá chiều sâu hố đào là yếu tố quan trọng nhất và đưa ra tiêu chí:

­ Hồ đào nông là hố có chiều sâu nhỏ hơn chiều rộng của hố; ­ Hố đào sâu là hố có chiều sâu lớn hơn chiều rộng của hố

Nhưng sau đó năm 1967, Teraghi và Peck, và năm 1969 Peck [13] và các cộng sự đề nghị là:

­ Hố đào nông là hố có chiều sâu đào nhỏ hơn 6m;

­ Hố đào sâu là hố có chiều sâu đào lớn hơn 6m

Trong địa kỹ thuật hiện nay, khi có nhiều công trình hầm được xây dựng chen trong các khu đô thị việc đảm bảo các ảnh hưởng thấp nhất của hố đến các công trình xung quanh khiến không còn khái niệm hố nông hay hố sâu nữa mà chỉ còn 1 khái niệm duy nhất là thi công hố đào

Đào hố móng cho các công trình có tầng hầm trong điều kiện đất yếu, mực nước ngầm cao và nhiều điều kiện thường phức tạp khác, có thể gây mất ổn định hố đào, phình trồi đáy hố đào, kết cấu chắn giữ bị hư hỏng nặng… làm hư hại hố móng, ảnh hưởng nghiêm trọng các công trình ngầm và đường ống xung quanh Vì vậy, bài toán ổn định hố đào sâu, đòi hỏi người kỹ sư thiết kế phải có kinh nghiệm trong việc phân tích và lựa chọn giải pháp tường chắn đủ cứng để chống lại sự phá hoại kết cấu và chuyển vị ngang quá mức

1.2 Các yếu tố địa kỹ thuật ảnh hưởng đến công trình hố đào sâu

Tùy theo các vùng đất nền khác nhau mà các yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng của đất xung quanh hố đào sâu sẽ không giống nhau Có thể kể đến [4]:

­ Đặc tính của đất: Chuyển vị ngang của tường chắn phụ thuộc vào độ bền của đất, chuyển vị ngang của tường chắn, độ lún bề mặt đất sét cứng và đất rời nhỏ hơn so với đất sét mềm yếu

­ Ứng suất ngang ban đầu: khi đào đất với giá trị hệ số áp lực ngang ban đầu của đất K0 lớn, chuyển dịch của đất và tường lớn, thậm chí cả khi đào nông ­ Kích thước hố móng: hình dạng, diện tích mặt bằng, độ sâu hố móng đều

có ảnh hưởng tới sự mở rộng và sự phân bố dịch chuyển đất xung quanh và bên dưới đáy hố móng với những điều kiện đất nền nhất định

­ Điều kiện nước dưới đất: Sự thay đổi mực nước ngầm ảnh hưởng đến ổn định của tường chắn cùng hệ chống đỡ và độ lún của các công trình xung quanh Chênh lệch áp lực nước ở phía ngoài và phía trong hố đào có thể gây ra hiện tượng bùng nền, cát chảy… ở đáy hố đào

­ Ảnh hưởng do sử dụng biện pháp thi công, trình tự và thời gian thi công, tính chất và quy mô của công trình lân cận

­ Ảnh hưởng của sự thay đổi điều kiện ứng suất trong đất nền: Khi đào đất,

cả ứng suất theo phương đứng và theo phương ngang đều giảm đi và thay đổi sự cân bằng áp lực nước lỗ rỗng trong đất, một trong những hiệu ứng quan trọng nhất của quá trình này là chuyển vị của đất nền ở đáy và xung quanh hố đào 1.3 Các hiện tượng xảy ra khi thi công hố đào sâu

Công trình hố đào sâu bao gồm nhiều khâu có quan hệ chặt chẽ với nhau như chắn đất, ngăn nước, hạ mực nước ngầm, đào đất… trong đó, một khâu nào đó thất bại sẽ dẫn đến cả công trình bị đổ vỡ Việc thi công hố móng ở các hiện trường lân cận như đóng cọc, hạ nước ngầm, đào đất… đều có thể sinh ra những ảnh hưởng hoặc khống chế lẫn nhau, tăng thêm các nhân tố để có thể gây ra sự cố Một số hiện tượng thường xảy ra với hố đào sâu như sau [6]:

­ Mất ổn định thành hố đào

­ Hiện tượng lún bề mặt xung quanh hố đào ­ Hiện tượng bùng nền đáy hố đào

­ Nước ngầm tràn vào hố đào

Khi đào đất sẽ làm thay đổi trạng thái ứng suất - biến dạng của đất tự nhiên dưới tác dụng trọng lượng bản thân của đất Đáy hố đào được giải phóng khỏi tải trọng đứng nên sẽ trồi lên phía trên còn áp lực ngang của đất quanh tường chắn sẽ gây ra chuyển vị ngang của tường Việc tính toán hố đào hiện nay thường sử dụng các số liệu địa chất với các lộ trình ứng suất nén một trục hoặc ba trục thông thường, các thông số từ các thí nghiệm này chưa mô phỏng sát thực quan hệ ứng suất – biến dạng của vùng đất xung quanh hố đào trong quá trình đào đất Do đó, kết quả tính toán dự báo còn khác biệt so với quan trắc thực tế ngoài công trường, gây kém an toàn và đặc biệt ảnh hưởng lớn đến chỉ tiêu về kinh tế

1.4 Một số loại tường chắn hố đào

Có thể chia tường chắn hố đào sâu làm hai loại chính với hệ tường chắn liên tục Loại thứ nhất là hố đào sử dụng tường chắn consol (cantilevered wall) Tường chắn consol không có bất kỳ hệ chống dỡ nào, nó dựa vào sức kháng thụ động của phần đất dưới đáy hố đào để chắn giữ phần đất phía sau tường Tường chắn trọng lực cũng thuộc loại này Loại tường chắn consol này thuận lợi cho các hố đào có độ sâu nhỏ hơn 6m, quá trình thi công xây dựng đơn giản hơn nhiều so với các loại tường

chắn khác Loại hố đào chính thứ hai là loại sử dụng tường chắn với hệ kết cấu chống đỡ Loại này thường được dùng cho những hố đào có độ sâu lớn hơn 6m Quá trình đào đất thường chia làm nhiều giai đoạn, mỗi lớp chống đỡ được lắp dựng sau mỗi đợt thi công đào đất, kết cấu chống đỡ bao gồm các thanh chống và hệ giằng Loại tường chắn này cũng thường sử dụng kết cấu chống đỡ bằng hệ neo trong đất

Hiện nay, trên thế giới nói chung, ở Việt Nam nói riêng, để bảo vệ thành hố đào người ta thường dùng một số giải pháp sau: Tường cừ thép hay ở Việt Nam thường gọi là cừ Larsen (steel sheet pile), tường cọc barrette, tường vây cọc khoan nhồi đường kính nhỏ và tường vây cọc ximăng – đất

1.4.1 Tường vây cừ thép

Ngày nay, tường cừ thép được sử dụng ngày càng phổ biến trong lĩnh vực xây dựng dân dụng, cầu, hầm, công trình thủy lợi, công trình giao thông Từ việc sử dụng trong các công trình tạm thời đến xem như là một loại vật liệu xây dựng với những đặc tính riêng biệt, thích hợp sử dụng với một số bộ phận chịu lực trong công trình xây dựng Cừ thép được sử dụng với nhiều hình dạng và kích thước khác nhau như: hình dạng mặt cắt ngang chữ U, Z thông thường, có loại có mặt cắt ngang Omega (Ω), dạng tấm phẳng cho các kết cấu tường chắn tròn khép kín, dạng hộp được nối thành bởi hai cọc U hoặc 4 cọc chữ Z hàn với nhau Ngoài ra đối với các công trình có tải trọng lớn phải dùng các loại cừ cọc thép ống hoặc cọc thép hình Về kích thước cừ thép có bề rộng thay đổi từ 400mm đến 750mm Đối với các loại cừ có bề rộng bản lớn thường có hiệu quả kinh tế hơn trong quá trình sử dụng Chiều dài cừ có thể được chế tạo lên tới 30m tại xưởng Tuy nhiên, chiều dài thực tế của cừ thép thường được quyết định bởi yếu tố vận chuyển (thông thường từ 9m đến 18m) Riêng dạng cừ gia công tại công trường có thể lên tới 72 m

Thích hợp trong đất yếu có mực nước ngầm cao (vì nó vừa chắn đất và ngăn được nước) thi công tương đối đơn giản, nếu dùng thép ống thì độ cứng của tường sẽ lớn và thích dụng cho hố móng có kích thước rộng còn cọc bản thép thì độ cứng tương đối thấp nên chú ý khi tường chắn đặt gần công trình hiện hữu (vì sẽ bị chuyển vị ngang lớn) Khi đóng gây tiếng ồn lớn, lượng thép dùng nhiều, nếu không bảo quản

tốt (bị cong vênh hoặc mép bản bị kẹt đất cát) thì việc sử dụng lại được ít nên sẽ tốn kém Tường bản thép dễ dàng nối dài cũng như cắt ngắn theo yêu cầu, có thể sử dụng nhiều lần khi làm tường tạm

Hình 1.1 - Tường vây cừ thép (Larsen)

1.4.2 Tường cọc Barrette

Tường cọc barrette là loại tường bêtông cốt thép trong đất thường có tiết diện chữ nhật, chiều dày từ 600mm đến 800mm, chiều rộng thường thay đổi từ 2,6m đến 5,0m, chiều sâu tường có thể lên tới 40m Nó có nhiều ưu điểm hơn hẳn cọc khoan nhồi về khả năng chịu lực, sức chịu tải lớn, khả năng liên kết với các kết cấu khác để xây dựng các công trình ngầm như các tầng hầm, các bãi đổ xe ngầm, các đoạn đường hầm đô thị thi công bằng phương pháp đào lấp (Cut and Cover), do có tiết diện mặt cắt ngang hình chữ nhật, I , L

Thân tường có độ cứng lớn, tính tổng thể tốt, do đó biến dạng của kết cấu và của móng đều rất ít, vừa có thể dùng được trong kết cấu chắn giữ siêu sâu, lại có thể dùng trong kết cấu lập thể (không gian) Thích dụng trong các loại điều kiện đất nền khác nhau, thi công chấn động ít, tiếng ồn thấp, ít ảnh hưởng đến các công trình xây dựng và đường ống ngầm ở lân cận do dễ khống chế về biến dạng lún và chuyển vị

Tuy nhiên, do đòi hỏi có thiết bị thi công chuyên dùng và giá thành tương đối đắt nên hiện nay chưa được sử dụng rộng rãi Nếu dùng chỉ để làm tường chắn đất tạm thời giai đoạn thi công thì giá thành khá cao, không kinh tế

Hình 1.2 - Thi công cọc Barrette

1.4.3 Tường cọc khoan nhồi

Đây là phương pháp khoan tạo lỗ, đồng thời kết hợp với việc bơm dung dịch bentonite có khả năng giữ thành vách hố đào không cho sạt lở Sau đó làm sạch cặn lắng và đất bùn rơi xuống dưới đáy lỗ, tiến hành hạ lồng thép và cho đổ bêtông cọc (theo phương pháp đổ bêtông dưới nước) Khi bêtông cọc đã ninh kết, đông rắn và đạt được cường độ nhất định ta tiến hành đào hở đầu cọc, đập vỡ đầu cọc và thi công dầm giằng đỉnh cọc tường vây

Khi đất quanh hố móng tương đối tốt, mực nước ngầm tương đối thấp, có thể lợi dụng hiệu ứng vòm giữa 2 cọc gần nhau để chắn giữ thành hố đào Đối với nền đất yếu thì thường không thể hình thành được vòm đất, nên cọc chắn giữ phải xếp thành hàng liên tục Cọc khoan lỗ dày liên tục có thể tiếp xúc nhau hoặc khi cường độ bê tông thân cọc còn chưa hình thành thì làm một cọc rễ cây bằng bê tông không cốt thép ở giữa hai cây cọc để nối liền cọc hàng khoan lỗ lại Trong vùng đất yếu mà có

mực nước ngầm tương đối cao có thể dùng cọc hàng khoan nhồi tổ hợp với tường chống thấm bằng cọc xi măng đất Đây là giải pháp khắc phục nhược điểm của tường bằng cọc khoan nhồi vì chúng dễ bị nước thấm xuyên qua

Hình 1.3 - Tường cọc khoan nhồi

1.5 Tường bằng dãy cọc xi măng đất trộn sâu 1.5.1 Sơ lược cọc xi măng đất

Cọc xi măng đất (Soil-Cement Column Deep Mixing) là cọc hình trụ được tạo ra bằng phương pháp trộn sâu, là hỗn hợp giữa đất nguyên trạng nơi gia cố và xi măng được phun xuống nền đất bởi thiết bị khoan phun Trong phương pháp trộn sâu mũi khoan được khoan xuống làm tơi đất cho đến khi đạt độ sâu lớp đất cần gia cố thì quay ngược lại và di chuyển lên, trong quá trình dịch chuyển lên, xi măng được phun vào nền đất Đối với phương pháp trộn ướt (Wet Mixing hay còn gọi là Jet Grouting) khoan phụt vữa cao áp là một quá trình bê tông hóa Nhờ có tia nước và tia vữa phun với áp lực cao (200-400atm), vận tốc lớn, các phần tử đất xung quanh lỗ khoan bị xới tơi ra và hòa trộn với vữa, sau khi đông cứng tạo thành một khối đồng nhất xi măng đất

Hiện nay, cọc ximăng– đất được sử dụng phổ biến trên thế giới Dùng để gia cố nền đất yếu, nền móng, đập, kè, cảng, gia cố vách hố đào, tường chắn công trình thủy, tường chắn sóng, ngăn dòng thấm, ngăn thâm nhập nước mặn và nước, đất bị nhiễm độc…

Hình 1.4 - Ứng dụng chính cọc xi măng đất

1.5.2 Nguyên lý tương tác xi măng – đất

Cũng như các phương pháp cải tạo, gia cố nền đất yếu khác, phương pháp gia cố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất nhằm thay đổi tính chất cơ lý của đất theo hướng nâng cao sức chịu tải, giảm biến dạng của nền Trên cơ sở phân tích lý thuyết các phương pháp gia cố nền bằng cọc đất - xi măng có thể nhận thấy, khi gia cố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất, trong nền đất sẽ diễn ra các quá trình cơ học và hoá lý sau đây:

­ Nén chặt đất: Hiệu quả nén chặt phụ thuộc vào thể tích vật liệu đưa vào nền, nghĩa là phụ thuộc vào số lượng, đường kính cũng như khoảng cách giữa các cọc,

hình dạng bố trí cọc

­ Gia tăng cường độ đất nền: Khi trộn thêm xi măng và vôi vào trong đất, do hình thành liên kết xi măng – đất trong cọc nên khả năng chịu lực nén và lực cắt của cọc gia cố tăng lên đáng kể

1.5.3 Phương pháp thi công cọc xi măng đất

Công dựa trên 2 phương pháp cơ bản là: Trộn khô và trộn ướt

1.5.3.1 Phương pháp trộn khô (Dry Jet Mixing)

Là một quá trình cắt đất xáo trộn với một hàm lượng ximăng khô và một lượng phụ gia nhất định (có thể có hoặc không) Mục đích của phương pháp này nhằm cải thiện tính năng nén và thấm của đất nền

Công nghệ này sử dụng cần khoan có gắn các cánh cắt đất để trộn hỗn hợp khô như xi măng hoặc vôi, chúng cắt đất sau đó trộn đất với xi măng khô bơm theo trục khoan để tăng cường độ và giảm độ lún của nền đất yếu

Ngoài xi măng và vôi, các loại bột khô khác hoặc các thành phần với kích thước hạt nhỏ hơn 5mm cũng có thể được sử dụng Chủng loại và chất lượng của hỗn hợp được sử dụng là độc lập với các tính chất của nền đất cũng như các yêu cầu cơ học của đất được xử lý

Việc hoạt động của các cần khoan làm cho xi măng hoặc vôi trộn lẫn với đất Theo từng loại đất, hàm lượng xi măng hoặc vôi có thể được điều chỉnh cho thích hợp Công nghệ này cung cấp hệ thống giám sát tự động chất lượng, cung cấp các số liệu chính xác và liên tục về chiều sâu trộn đất, độ sâu đóng cọc và tốc độ rút cần cũng như tốc độ xoay cần khoan

Hình 1.5 - Các bước thi công phương pháp trộn khô  Đặc điểm phương pháp trộn khô

­ Sử dụng thiết bị thi công đơn giản

­ Không cần nước cho quá trình tạo vữa dung dịch Hoạt động không có nước sẽ làm công trường sạch sẽ hơn

­ Sử dụng hệ thống khép kín để vận chuyển bơm xi măng hoặc vôi vào trong đất Do đó, chỉ có một lượng bụi nhỏ được thải ra không khí Quá trình hoạt động an toàn và tạo ra ít rung động, tiếng ồn

­ Máy trộn được sử dụng có tính cơ động cao và có thể dễ dàng di chuyển đến các vị trí trộn đất trên công trường Hệ thống ống dẫn vật liệu trộn tự động nên tiết kiệm được nhân công mà vẫn đảm bảo được sự hiệu quả

­ Hàm lượng xi măng hoặc vôi sử dụng ít hơn so với công nghệ trộn ướt

­ Do cắt đất bằng các cánh cắt nên gặp hạn chế trong đất có lẫn rác, đất sét, đá cuội hoặc khi cần xuyên qua các lớp đất cứng hoặc tấm bê tông

­ Chiều sâu xử lý chỉ nằm trong khoảng 15 đến 20m

 Mô hình bố trí trụ

Để giảm độ lún, bố trí trụ đều theo lưới tam giác hoặc ô vuông Để làm tường chắn thường tổ chức thành dãy

Hình 1.6 - Bố trí trụ trộn khô [3]

1 Dải; 2 Nhóm; 3 Lưới tam giác; 4 Lưới vuông

Hình 1.7 - Bố trí trụ trùng nhau theo khối (cát tuyến) để gia cố vách hố đào[3]  Công nghệ thi công

Công nghệ Nhật Bản: Máy có một cần hay nhiều cần Mỗi cần có đầu trộn nhiều

lưỡi cắt đường kính 0,8 ÷ 1,3m, có khả năng tạo cọc đến độ sâu 33m Xi măng được đưa vào máy trộn nhờ khí nén Thiết bị đời mới có đầu ngăn bụi xi măng khỏi phụt lên mặt đất Lỗ phun xi măng nằm cả ở phía trên và phía dưới hệ lưỡi cắt Khối lượng xi măng và áp lực khí được kiểm soát tự động

Công nghệ Bắc Âu: Thiết bị có khả năng tạo cọc đến chiều sâu 25m, đường 0,6 ÷

1,0m Độ nghiêng tới 70 độ so với phương đứng Máy có một cần, lỗ phun xi măng ở đầu trộn Năng lượng trộn và khối lượng xi măng được quan trắc và trong nhiều

trường hợp được kiểm soát tự động để cho đất được trộn đều Đầu trộn được xuyên xuống độ sâu thiết kế, khi rút lên xi măng được phun qua lỗ ở đầu trộn qua ống dẫn trong cần trộn Đất và xi măng được trộn đều nhờ đầu trộn được quay trong mặt phẳng ngang, thậm chí đổi hướng quay vài lần Cả hai pha đều có thể được lặp lại tại một vị trí nếu cần

Tốc độ quay của đầu trộn và tốc độ rút lên đều hiệu chỉnh được để đạt tới độ đồng nhất mong muốn Thiết bị đời mới được phát triển chứa cả khí lẫn xi măng

Hình 1.8 - Đầu trộn và cách thức phun chất kết dính vào trong đất (Thiết bị của Keller)

1.5.3.2 Phương pháp trộn ướt (Wet Mixing)

Trộn ướt là quá trình gồm xáo tơi đất bằng cơ học tại hiện trường và trộn vữa xi măng gồm nước, xi măng, có hoặc không có phụ gia với đất Phù hợp đất dính,cát bụi, cát mịn có hàm lượng nước thấp

Khoan phụt vữa cao áp là một quá trình bê tông hóa, Nhờ có tia nước và tia vữa phun ra với áp suất cao (200 ÷ 400atm), vận tốc lớn (≥ 100m/s), các phần tử đất xung quanh lỗ khoan bị xói tơi ra và hòa trộn với vữa phụt đông cứng tạo thành một khối đồng nhất “xi măng – đất”

Các công nghệ được sử dụng để tạo ra cọc xi măng đất

­ Công nghệ đơn pha (Công nghệ pha S): Tạo ra các cọc xi măng đất có đường kính vừa và nhỏ 0,4÷0,8m Công nghệ này chủ yếu dùng để thi công nền đất đắp,

cọc…

­ Công nghệ hai pha (Công nghệ pha D): Tạo ra cọc xi măng đất có đường kính từ 0,8÷1,2m Công nghệ này chủ yếu dùng để thi công các tường chắn, cọc và hào chống thấm

­ Công nghệ ba pha (Công nghệ pha T): Là phương pháp thay thế đất mà không xáo trộn đất Công nghệ pha T sử dụng để làm các cọc, các tường ngăn chống thấm, có thể tạo ra cọc đất – xi măng đường kính đến 3m

Hình 1.9 - Các bước thi công phương pháp trộn ướt

Hình 1.10 - Đầu trộn và cách thức phun vữa vào trong đất (Thiết bị của Keller)  Đặc điểm phương pháp trộn ướt

­ Phạm vi áp dụng rộng, thích hợp mọi loại đất, từ bùn sét đến sỏi cuội

­ Có thể xử lý các lớp đất yếu một cách cục bộ, không ảnh hưởng đến lớp đất tốt

­ Thi công được trong nước

­ Mặt bằng thi công nhỏ, ít chấn động, ít tiếng ồn, hạn chế tối đa ảnh hưởng đến công trình lân cận

­ Có thể gây trương nở nền và gây ra các chuyển vị quá giới hạn trong đất Áp lực siêu cao còn có khả năng gây nên rạn nứt nền đất lân cận và tia vữa có thể lọt vào các công trình ngầm sẵn có như hố ga, tầng hầm lân cận

­ Đối với tầng đất chứa nhiều túi bùn hoặc rác hữu cơ thì axit humic trong đất có thể làm chậm hoặc phá hoại quá trình ninh kết của hỗn hợp xi măng – đất

 Mô hình bố trí trụ

Hình 1.11 - Bố trí trụ ướt trên mặt đất

1 Kiểu tường; 2 Kiểu kẻ ô; 3 Kiểu khối; 4 Kiểu diện

Hình 1.12 - Bố trí trụ trùng nhau theo công nghệ trộn ướt và thứ tự thi công[3]

 Các bước thi công

­ Bước 1: Định vị máy khoan vào đúng vị trí khoan cọc bằng máy toàn đạc điện tử

­ Bước 2: Bắt đầu khoan vào đất, quá trình mũi khoan sẽ đi xuống đến độ sâu theo

­ Bước 6: Sau khi mũi khoan được rút lên khỏi miệng hố khoan, cây cọc vữa được hoàn thành Thực hiện công tác dọn dẹp phần phôi vữa rơi vãi ở hố khoan, chuyển máy sang vị trị cọc mới

1.5.4 Một số công nghệ thi công tường chắn cọc xi măng đất hiện nay

1.5.4.1 Công nghệ CDM (Cement Deep Mixing) và công nghệ SMW (Soil Mixing Wall) của Nhật Bản

Bảng 1.1 - Một số đặc điểm của công nghệ CDM và công nghệ SMW

Nội dung Công nghệ (CDM) Cement Deep Mixing

Công nghệ SMW Soil Mixing Wall

Hình ảnh máy trộn

Mô phỏng trạng thái làm việc

Các cần quay làm đất di chuyển và bị cắt trộn đều tạo ra hỗn hợp đất

Các mũi khoan, các cần khoan quay tạo ra hỗn hợp đất tại chỗ, kết hợp với ximăng tạo nên bức tường ximăng - đất liên tục

Số cần khoan 2, 4, 6 hoặc 8 cần khoan 1, 2, 3 hoặc 5 cần khoan

Vật liệu Ximăng hoặc vữa vôi Vữa ximăng, bùn đất sét và vữa phụ gia cần thiết khác

Loại đất áp dụng Bùn nhão, đất sét mềm, cát rời Bùn sét mềm cho tới cứng, cát, sỏi sạn, sỏi cuội đá tảng

Phạm vi ứng dụng

Phần lớn áp dụng cho các công trình kè chắn sóng vùng biển và bờ sông

Gia cố hố đào, ngăn dòng mực nước ngầm

Sản xuất Được phát triển bởi Port và Harbor

Công ty Seiko Kogyo của NhậtBản

Thông thường loại tường liên tục bằng cọc ximăng – đất có các thành phần chính là đất tại chỗ, ximăng và một hàm lượng phụ gia nhất định, không có cốt thép Nhưng trong điều kiện cần thiết như: Gia công hố đào quá sâu cần phải giằng chống do áp lực ngang của đất và nước ngầm quá lớn, người ta có thể tăng cường khả năng chịu uốn của cọc bằng cách gia cường các thanh thép hình vào cọc khi vừa trộn xong Số lượng và vị trí cọc được gia công thép hình tùy theo điều kiện địa chất khu vực và độ sâu hố đào

Việc sử dụng ưu điểm của vật liệu hỗn hợp ximăng - đất và công nghệ áp dụng cho loại vật liệu này để gia cố đất nền và vách hố đào ngày càng được áp dụng rộng rãi trên thế giới Đồng thời hiện nay công nghệ này cũng ngày càng phổ biến ở Việt Nam

1.5.4.2 Công nghệ Geomix

Geomix cũng là một công nghệ dựa trên quy trình sử dụng cốt liệu chính là đất tại chỗ, gia cố với một hàm lượng ximăng và phụ gia nhất định tùy thuộc vào loại và các tính chất cơ – lý – hóa của đất nền tại khu vực đặt công trình thi công để tạo nên những bức tường liên hoàn dùng trong việc gia cố thành hố đào, ngăn thấm rất tốt và rất thân thiện với môi trường

Công nghệ Geomix chỉ khác với công nghệ CDM (SMW) của Nhật ở thiết bị, phương pháp thi công và hình dạng sản phẩm sau khi thi công

Về thiết bị thi công: Loại dao dùng để cắt đất cho công nghệ này là loại dao CSM (Cutter Soil Mixing) Loại dao này gồm các motor thủy lực phía trên và hai dao cắt và trộn đất hình bánh xe tròn được định vị cố định Khi bánh xe quay đất sẽ bị cắt và trộn đều với ximăng Thiết bị trên phù hợp với thi công tường panel ximăng - đất

Về phương pháp thi công: Cũng như công nghệ CDM (SMW) nhưng nó chỉ khác ở chỗ: Chúng dùng bánh xe quay nhờ vào các motor thủy lực cắt đất, đất sau khi bị cắt sẽ được xáo trộn với ximăng theo vòng quay của dao, dao trộn sẽ được di chuyển lên xuống nhằm bảo đảm sự đồng đều của đất và ximăng

Hình 1.13 - Bánh xe trộn theo công nghệ Geomix [17]

1.5.5 Tường chắn cọc xi măng – đất làm tường vây hố đào

Phương pháp này được sử dụng để chống đỡ hố đào bằng cách tăng cường độ chịu cắt của đất, ngăn ngừa phá hoại do trượt và chống lại hiện tượng trồi bề mặt

So với một số giải pháp xử lý nền và gia cố ổn định hố đào hiện có thì công nghệ thi công cọc ximăng - đất có những ưu điểm sau:

Về tính năng sử dụng: Tăng khả năng chịu tải của đất nền, tăng khả năng chống

trượt của mái dốc, giảm ảnh hưởng của công trình lân cận, giảm độ lún của công trình Ổn định vách hố đào, ngăn dòng thấm xâm nhập vào hố đào, cô lập mặn và vùng đất, nước bị ô nhiễm;

Về thi công: Thi công đơn giản, nhanh chóng, có thể kiểm tra địa chất công trình

trong khi khoan nhờ thiết bị tự động đo và ghi moment xoắn ở cần khoan, độ sâu cọc lên tới khoản 40-50 m, đường kính cọc: 0,6 -1,6 m

Về kinh tế: Sử dụng vật liệu có sẵn, giá thành thấp (ximăng, đất tại chỗ và một số

phụ gia) so với cọc nhồi bêtông cốt thép Thiết bị thi công không quá đắt

Về môi trường: Hạn chế gây ô nhiễm môi trường do không có chất thải dung dịch

bentonite như cọc nhồi và tường barette Ít gây tiếng ồn trong quá trình thi công Tuy nhiên, khả năng chịu uốn, cắt của cọc đơn kém, chính vì vậy để hạn chế khuyết điểm này người ta thi công loại tường có đường kính lớn hoặc gồm nhiều hàng liên tiếp nhau, tải trọng bản thân tường tương đối lớn hoặc dùng thép hình để gia cố Chất lượng của cọc ximăng - đất phụ thuộc nhiều vào yếu tố con người và đặc trưng điều kiện địa chất khu vực thi công Cho nên, vấn đề kiểm tra chất lượng cọc dưới sâu có độ chính xác chưa cao

1.5.6 Ứng dụng cọc xi măng – đất ở Việt Nam

Tại Việt Nam từ năm 2002 đã có một dự án bắt đầu sử dụng cọc ximăng - đất trên nền đất yếu như dự án cảng Ba Ngòi (Khánh Hòa) với lượng cọc ximăng - đất là 4.000m, cọc có đường kính là 0,6m thi công bằng công nghệ trộn khô; xử lý nền cho bồn chứa xăng dầu tại Cần Thơ với đường kính bồn 21m, cao 9m Năm 2004 cọc ximăng - đất được sử dụng gia cố nền cho nhà máy nước huyện Vụ Bản (Hà Nam), xử lý móng cho bồn chứa xăng dầu Đình Vũ (Hải Phòng) và các dự án này đều được thực hiện theo công nghệ trộn khô độ sâu xử lý trong khoảng 20m Tháng 5 năm 2004, các nhà thầu Nhật Bản đã sử dụng công nghệ trộn ướt để sửa chữa khuyết tật cho các cọc khoan nhồi của cầu Thanh Trì (Hà Nội)

Hầm đường bộ Kim Liên (Hà Nội) được xây dựng trong khu vực có điều kiện địa chất yếu nhất là khu phía đường Đào Duy Anh Nền đất dưới hầm đã được cải tạo bằng cọc xi măng đất (chiều dài 1,5 ÷ 6,0m) Phương pháp này không nhằm gia cố nền đất mà chỉ với mục đích chống trượt trồi khi đào xuống độ sâu lớn trên 10m và

cũng không phải gia cố tại tất cả các vị trí đào mà căn cứ theo điều kiện địa chất từng khu vực Đường Láng – Hòa Lạc (nay là Đại Lộ Thăng Long), dọc đường này cũng có nhiều hạng mục công trình đã dung cọc xi măng đất để xử lý nền đất yếu, chống lún chống trượt đất cho mái dốc, ổn định đất đường hầm…

Tại Đà Nẵng cọc ximăng - đất được áp dụng cho dự án Plaza Vĩnh Trung dưới 2 hình thức: Làm tường trong đất và thay thế cọc nhồi

Tại TP Hồ Chí Minh một số dự án đã sử dụng cọc ximăng - đất như: ĐL Đông Tây, Tòa nhà Sài Gòn Time Square, tường chắn đất Sài Gòn Pearl đường Nguyễn Hữu Cảnh, Quận 2, chống mất ổn định công trình Hồ Bán Nguyệt Phú Mỹ Hưng Quận 7, đường dẫn vào hầm chui Thủ Thiêm…

1.6 Nhận xét chương 1

­ Phạm vi ứng dụng rộng rãi cùng hiệu quả xử lý cao, thi công không phức tạp và tiết kiệm thời gian là các điểm mạnh của cọc xi măng đất so với các giải pháp xử lý khác

­ Cọc xi măng đất mang lại hiệu quả kinh tế cao có thể chọn lựa để để gia tăng ổn định hố đào sâu

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH TƯỜNG VÂY HỐ ĐÀO CÓ XÉT ẢNH HƯỞNG CỦA VIỆC GIA CỐ BẰNG TƯỜNG

XI MĂNG ĐẤT

2.1 Thiết kế tính toán tường chắn bằng cọc xi măng đất

Cọc xi măng đất được xem là loại vật liệu giòn có độ cứng nhất định, cường độ chịu kéo nhỏ hơn đáng kể so với chịu nén Vì vậy, trong công trình phải triệt để lợi dụng ưu thế cường độ chịu nén cao, tránh khuyết điểm cường độ chịu kéo thấp

Khi thiết kế kết cấu tường chắn phải xem xét tổng hợp các yếu tố sau: ­ Kích thước hình học của hố đào, hình dạng, độ sâu phải đào;

­ Điều kiện địa chất công trình, địa chất thủy văn, phân bố và tính chất cơ lý của các lớp đất, tình hình nước ngầm;

­ Tải trọng tác động lên kết cấu chống giữ và độ lớn của tải trọng

­ Tình hình xung quanh hố móng như công trình xây dựng, đường sá giao thông, hệ thống ngầm

Hình 2.1 - Một số kiểu mặt cắt của kết cấu tường chắn bằng cọc trộn xi măng đất [5]

Hình 2.2 - Tường bằng đất trộn xi măng

 Kiểm tra tính ổn định chống trượt ngang ở đáy

Hình 2.3 - Sơ đồ tính toán tường chắn bằng cọc xi măng đất