Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu gia cố nền đất yếu dưới nền đường bằng cột đất - Xi măng tại đại lộ Đông Tây và vùng phụ cận

Với những ưu điểm riêng trong công tác xử lý nền đất yếu, công nghệ cột đất ximăng được xem như là một giải pháp tối ưu cần được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi.. Phương pháp này đang dầ

- -

TRỊNH DUY HẢI

NGHIÊN CỨU GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU DƯỚI NỀN ĐƯỜNG BẰNG CỘT ĐẤT – XI MĂNG TẠI

ĐẠI LỘ ĐÔNG TÂY VÀ VÙNG PHỤ CẬN

Chuyên ngành : Xây Dựng Đường Ôtô & Đường Thành Phố Mã số ngành : 60.58.30

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2012

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại

HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Ngày tháng năm 2012

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng 12 năm 2012

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: Xây dựng Đường ôtô & đường Thành phố Mã số ngành: 60.58.30

I TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU DƯỚI NỀN ĐƯỜNG BẰNG CỘT ĐẤT – XI MĂNG TẠI ĐẠI LỘ ĐÔNG TÂY VÀ VÙNG PHỤ CẬN II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 NHIỆM VỤ: Nghiên cứu gia cố nền đất yếu dưới nền đường bằng cột đất – xi măng tại

Đại lộ Đông Tây và vùng phụ cận

2 NỘI DUNG LUẬN VĂN:

Mở đầu Chương 1: Tổng quan về đặc tính đất yếu và các giải pháp xử lý đất yếu Chương 2: Cơ sở lý thuyết về giải pháp xử lý nền bằng cột đất - ximăng Chương 3: Nghiên cứu kết quả thí nghiệm cột đất – ximăng trong phòng và hiện trường Chương 4: Ứng dụng giải pháp cột đất – ximăng cho công trình đường đầu cầu Khánh Hội

thuộc dự án Đại lộ Đông Tây và đoạn từ KM16 + 396.3 đến KM16 + 900 (Gói 3) thuộc dự án Long Thành – Dầu Giây

Chương 5: Kết luận và kiến nghị Tài liệu tham khảo

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02 / 07 / 2012 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30 / 11 / 2012 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS LÊ BÁ VINH

Để hoàn thành luận văn này, ngoài sự cố gắng nỗ lực của bản thân để hoàn thành đúng tiến độ và đảm bảo chất lượng còn nhờ sự động viên, giúp đỡ, hướng dẫn tận tình của các thầy giáo, cô giáo, gia đình, bạn bè, cơ quan và các bạn đồng nghiệp

Học viên xin được gửi lời biết ơn sâu sắc đến thầy TS LÊ BÁ VINH là người

trực tiếp hướng dẫn khoa học, đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn học viên trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Học viên xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Bộ môn Cầu đường, Bộ môn Địa kỹ thuật và Bộ môn Toán Ứng dụng Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã nhiệt tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức quý báu cho học viên trong suốt khóa học

Học viên xin gửi lời cảm ơn đến Phòng đào tạo sau đại học - Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh và Tổng Công ty đầu tư phát triển & quản lý dự án hạ tầng giao thông Cửu Long đã tạo điều kiện thuận lợi cho học viên hoàn thành khóa học này

Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp đã giúp đỡ, tạo điều kiện về vật chất và tinh thần trong suốt quá trình học cũng như quá trình thực hiện luận văn thạc sĩ này

Với khả năng và hiểu biết có hạn, chắc chắn Luận Văn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong Thầy giáo, Cô giáo và độc giả thông cảm, chỉ dẫn để tôi có thể hoàn thiện hơn nữa vốn kiến thức của mình và để phục vụ cho nghiên cứu tiếp theo

Trân trọng kính chào !

Tp Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2012

Trịnh Duy Hải

Quá trình đô thị hóa, sự hình thành các khu dân cư ở những vùng lân cận thành phố, sự kết nối vơi các thành phố trung tâm khác là điều tất yếu, dẫn đến yêu cầu cần nhanh chóng đáp ứng cơ sở hạ tầng giao thông để phục vụ cho nhu cầu giao thông, vận chuyển hàng hóa Vì vậy, sự xuất hiện của những công trình cầu, đường đi qua khu vực đất yếu là điều dễ gặp trong điều kiện địa chất phức tạp của thành phố Hồ Chí Minh và các khu vực lân cận Với những ưu điểm riêng trong công tác xử lý nền đất yếu, công nghệ cột đất ximăng được xem như là một giải pháp tối ưu cần được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi

Từ các số liệu thu thập được ở dự án Đại lộ Đông Tây và Long Thành – Dầu Giây, trong luận văn này tác giả đã tập trung nghiên cứu và phân tích những vấn đề sau:

 Nghiên cứu sự khác biệt về cường độ của cột đất – xi măng khi thí nghiệm trộn trong phòng và ngoài hiện trường Qua đó, đưa ra những kiến nghị khi thiết kế và thi công cột đất trộn xi măng

 Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng hữu cơ đến cường độ của cột đất trộn xi măng

 Nghiên cứu cách tính toán lún hợp lý cho nền đất gia cố xi măng Kiến nghị lựa chọn quy trình tính lún

 Nghiên cứu giảm chiều sâu cột đất gia cố xi măng theo phương ngang để tiết kiệm chi phí cho dự án

Tác giả hy vọng nội dung nghiên cứu sẽ giúp ích một phần trong công tác tư vấn thiết kế thi công cho các nhà thầu, giúp chủ đầu tư giải quyết bài toán về chất lượng, tiến độ và chi phí của dự án, đồng thời tháo gỡ được những vấn đề gây nhiều phiền toái cho các kỹ sư trong quá trình thiết kế, thi công cột đất xi măng

connecting the city with the other centers is inevitable, leading to the need for rapid response infrastructure delivery information to serve the needs of traffic and freight Thus, the appearance of the bridges, the road passing through the area soil is easy to see in complex geological conditions of Ho Chi Minh City and the surrounding area With these advantages in the soft soil treatment, soil cement column technology is considered as an optimal solution should be studied and applied widely

From the data collected in the East - West project and Long Thanh - Dau Giay, the author has focused on research and analysis of the following issues:

 To study the difference in the intensity of the column soil-cement mixing experiments in the room and in the field Thereby, making recommendations when the design and construction of cement mixed soil column

 To study the effect of organic content to the strength of cement mixed soil column

 To study a reasonable calculation for Cement Deep Mixing Propose the selection process subsidence

 To study for reduced soil column depth study of reinforced concrete horizontal to cost savings for the project

The authors hope that the study will help a part of the construction design consultants to contractors, to help investors solve the problem of quality, schedule and cost of the project, at the same time solve the problems caused many problems for engineers during the design, construction, cement soil column

MỞ ĐẦU 1

1 Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Phạm vi nghiên cứu của đề tài 2

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ ĐẶC TÍNH ĐẤT YẾU VÀ CÁC GIẢI PHÁP XỬ LÝ ĐẤT YẾU 3

1.1 Đặc điểm đất yếu ở khu vực đồng bằng sông Cửu Long 3

1.2 Sơ lược các giải pháp xử lý đất yếu 5

1.2.1 Đệm vật liệu rời (đệm cát, đá, sỏi) 5

2.1 Giới thiệu chung về công nghệ cột đất – ximăng 12

2.1.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng trên thế giới 12

2.1.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng trong nước 14

2.2 Tóm tắt về phương pháp cột đất – ximăng 14

2.3 Nguyên lý gia cố ximăng đất 17

2.4 Công nghệ thi công cột đất – ximăng 18

2.5 Phương pháp tính toán cho giải pháp cột đất – ximăng 21

2.5.1 Các thông số diễn tả sự phân bố ứng suất lên cột đất - ximăng và đất 21

2.5.4 Khả năng chịu tải giới hạn của nhóm cột đất – ximăng 30

2.6 Bố trí vải địa kỹ thuật gia cường 37

2.7 Khả năng phân tích của Plaxis 2D và 3D Foundation trong nền gia cố bằng cột đất - xi măng 39

3.2.3 Thí nghiệm xác định hàm lượng hữu cơ trong đất 42

3.2.4 Trộn, đúc mẫu và bảo dưỡng 43

3.2.5 Thí nghiệm nén 01 trục nở hông tự do mẫu đất gia cố 44

3.2.6 Báo cáo kết quả thí nghiệm 45

3.2.6.1 Chỉ tiêu cơ lý của đất 45

a Dự án Đại lộ Đông Tây (gói 2: Xây dựng hầm vượt sông Sài Gòn và đường mới Thủ Thiêm) 45

b Dự án Long Thành – Dầu Giây (gói 3: KM14 + 100 đến KM23 + 900) 48

Thủ Thiêm) 50

b Dự án Long Thành – Dầu Giây (gói 3: KM14 + 100 đến KM23 + 900) 53

3.3 Thí nghiệm hiện trường 59

3.3.1 Thí nghiệm nhổ hoặc đào cột đất ximăng 60

3.3.2 Thí nghiệm khoan lấy mẫu đất trộn xi măng tại hiện trường 61

3.3.2.1 Kết quả thí nghiệm nén 01 trục nở hông tự do mẫu đất trộn xi măng khoan lấy trực tiếp tại hiện trường của dự án Đại lộ Đông Tây (gói 2) 61

3.3.2.2 Kết quả thí nghiệm nén 01 trục nở hông tự do mẫu đất trộn xi măng khoan lấy trực tiếp tại hiện trường của dự án Long Thành – Dầu Giây (gói 3) 63

3.3.3 Thí nghiệm nén tĩnh cột đơn (ASTM D1143-81) 64

3.3.3.1 Thiết bị thí nghiệm 65

3.3.3.2 Trình tự thí nghiệm 65

3.3.3.3 Kết quả thí nghiệm 66

a Phương pháp của Canadian Foundation Engineering Manual (1985) 66

b Phương pháp của Davisson 67

3.3.4 Thí nghiệm DCPT (Dynamic Cone Penetration Test) 80

4.1 Ứng dụng giải pháp cột đất – xi măng cho công trình đường đầu cầu Khánh Hội thuộc dự án Đại lộ Đông Tây 84

4.1.1 Thông tin cơ bản về dự án Đại lộ Đông Tây và cầu Khánh Hội 84

4.1.4 Tiến hành phân tích 88

4.1.4.1 Nền đất yếu chưa áp dụng giải pháp xử lý 88

a Tính toán độ lún tổng cộng 88

b Kiểm toán ổn định tổng thể theo phương ngang đường 94

4.1.4.2 Nền đất yếu được gia cố bằng cột đất trộn xi măng 94

a Kiểm tra sức chịu tải đất nền gia cố cột đất xi măng 97

b Tính toán độ lún tổng cộng của nền sau khi gia cố 100

c Kiểm toán ổn định tổng thể theo phương ngang đường (có xử lý) 103

4.1.4.3 Đề xuất xác định chiều dài cọ đất xi măng thay đổi theo mặt cắt ngang đường 103

b Kiểm toán ổn định tổng thể theo phương ngang đường 116

4.2.4.2 Nền đất yếu được gia cố bằng cột đất trộn xi măng 116

a Kiểm tra sức chịu tải đất nền gia cố cột đất xi măng 118

b Tính toán độ lún tổng cộng của nền sau khi gia cố 121

c Kiểm toán ổn định tổng thể theo phương ngang đường (có xử lý) 124

4.3 Nhận xét và kết luận 129

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 130

1 NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN 130

2 KIẾN NGHỊ 132

3 HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 132

TÀI LIỆU THAM KHẢO 133

Bảng 3.2 Tổng hợp kết quả các đặc tính của đất tại cầu Cá Trê Nhỏ 47

Bảng 3.3 Tổng hợp kết quả các đặc tính của đất tại mặt cắt 1……… … 49

Bảng 3.4 Tổng hợp kết quả các đặc tính của đất tại mặt cắt 2 49

Bảng 3.5 Tổng hợp kết quả các đặc tính của đất tại mặt cắt 3 50

Bảng 3.6 Cường độ kháng nén một trục nở hông của mẫu đất trộn xi măng 52

Bảng 3.7 Trị số qu50 và E50 ở tuổi 28 ngày 53

Bảng 3.8 Sức kháng nén một trục nở hông (hàm lượng 180kg/m3) 57

Bảng 3.9 Sức kháng nén một trục nở hông (hàm lượng 220kg/m3) 57

Bảng 3.10 Sức kháng nén một trục nở hông (hàm lượng 250kg/m3) 58

Bảng 3.11 Trị số môđun E50 (với hàm lượng xi măng 180kg/m3) 58

Bảng 3.12 Trị số môđun E50 (với hàm lượng xi măng 220kg/m3) 59

Bảng 3.13 Trị số môđun E50 (với hàm lượng xi măng 250kg/m3) 59

Bảng 3.14 Giá trị sức kháng nén một trục mẫu đất trộn xi măng lấy tại hiện trường ở 28 ngày tuổi (Đông Tây) 62

Bảng 3.15 Giá trị sức kháng nén một trục mẫu đất trộn xi măng lấy tại hiện trường ở 28 ngày tuổi (Long Thành – Dầu Giây) 63

Bảng 3.16 Kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc C16-13 (dự án Long Thành – Dầu Giây)

70

Bảng 3.17 Tổng hợp kết quả thí nghiệm nén tĩnh cột đất xi măng tại dự án Long Thành – Dầu Giây 78

Bảng 4.1 Các chỉ tiêu cơ lý của lớp đất 1A 86

Bảng 4.2 Các chỉ tiêu cơ lý của lớp đất 1B 87

Bảng 4.3 Các chỉ tiêu cơ lý của lớp đất cát 87

Bảng 4.4 Bảng thống kê số liệu đầu vào của bài toán tính lún nền chưa xử lý………91

Bảng 4.5 Bảng tính toán độ lún cố kết công trình 92

Bảng 4.6 Thông số nền đất gia cố cột đất xi măng tương đương……… ……96

Bảng 4.7 Tổng hợp sức chịu cắt của DSMC 100

Bảng 4.9 Kết quả tính toán ứng suất tại các điểm theo Plaxis 2D 106

Bảng 4.10 Kết quả tính toán thay đổi chiều dài cọc 107

Bảng 4.11 Các chỉ tiêu cơ lý của lớp đất 1a 112

Bảng 4.12 Các chỉ tiêu cơ lý của lớp đất 1b 112

Bảng 4.13 Các chỉ tiêu cơ lý của lớp 2 113

Bảng 4.14 Bảng thống kê số liệu đầu vào của bài toán tính lún nền chưa xử lý 114

Bảng 4.15 Thông số nền đất gia cố cột đất xi măng tương đương 117

Bảng 4.16 Tổng hợp sức chịu cắt của DSMC 121

Bảng 4.17 Bảng tính lún khối đất bên dưới khối đất được gia cố (S2) 122

Bảng 4.18 Kết quả tính toán ứng suất tại các điểm theo Plaxis 2D 125

Bảng 4.19 Kết quả tính toán thay đổi chiều dài cọc 126

Hình 1.1 Bản đồ phân bố đất yếu ở đồng bằng sông Cửu Long 4

Hình 1.2 Giải pháp xử lý nền bằng lớp đệm cát 6

Hình 1.3 Giải pháp xử lý nền bằng giếng cát 7

Hình 1.4 Mặt bằng thi công bấc thấm 9

Hình 1.5 Sơ đồ phương pháp hút chân không 10

Hình 1.6 Hình ảnh thi công cột đất – xi măng tại dự án Long Thành – Dầu Giây 11

Hình 2.1 Các ứng dụng của cột đất xi măng (Terashi, 1997) 15

Hình 2.2 Các hình thức bố trí của cột đất ximăng 16

Hình 2.3 Hình ảnh thực tế về dạng bố trí cột đất xi măng 16

Hình 2.4 Máy khoan và lưỡi khoan theo công nghệ trộn khô 18

Hình 2.5 Sơ đồ thi công theo phương pháp trộn khô 19

Hình 2.6 Máy khoan và lưỡi khoan theo công nghệ trộn ướt sử dụng tại dự án Long Thành – Dầu Giây 20

Hình 2.7 Sơ đồ thi công theo phương pháp trộn ướt 21

Hình 2.8 Sự phân bố ứng suất lên cột đất - ximăng và đất 21

Hình 2.9 Các phương án bố trí cột đất xi măng trên mặt bằng 23

Hình 2.15 Phương thức phá hoại của nhóm cột đất ximăng 30

Hình 2.16 Biểu đồ ứng suất cắt của cột đất – xi măng 31

Hình 2.17 Tính toán lún khi chưa vượt độ bền giới hạn rão của cột đất ximăng 32

Hình 2.18 Tính toán chênh lệch lún 35

Hình 2.19 Ổn định tổng thể theo phương ngang đường 36

Hình 2.20 Trượt cục bộ tại chân taluy 37

Hình 3.1 Hình ảnh trộn mẫu và nén mẫu đất gia cố 44

Hình 3.4 Độ ẩm tự nhiên theo độ sâu 46

Hình 3.5 Sự phân tán hàm lượng hữu cơ theo độ sâu 46

Hình 3.6 Dung trọng tự nhiên theo độ sâu 48

Hình 3.7 Độ ẩm tự nhiên theo độ sâu 48

Hình 3.8 Sự phân tán hàm lượng hữu cơ theo độ sâu 49

Hình 3.9 Biểu đồ quan hệ cường độ kháng nén của mẫu đất trộn xi măng theo hàm lượng xi măng gia cố (độ sâu -2m ~ -7m) 50

Hình 3.10 Biểu đồ quan hệ cường độ kháng nén của mẫu đất trộn xi măng theo hàm lượng xi măng gia cố (độ sâu -10m ~ -17m) 51

Hình 3.11 Biểu đồ quan hệ giữa cường độ kháng nén của mẫu đất trộn xi măng ở 7, 28 ngày tuổi 51

Hình 3.12 Biểu đồ quan hệ giữa E50 và qu50 ở độ tuổi 28 ngày với hàm lượng xi măng gia cố 150 kg/m3 52

Hình 3.13 Cường độ kháng nén của mẫu đất trộn xi măng ở độ tuổi 7 ngày theo độ sâu 53

Hình 3.14 Cường độ kháng nén của mẫu đất trộn xi măng ở độ tuổi 14 ngày theo độ sâu 54

Hình 3.15 Cường độ kháng nén của mẫu đất trộn xi măng ở độ tuổi 28 ngày theo độ sâu 54

Hình 3.16 Biểu đồ quan hệ cường độ kháng nén của mẫu đất trộn xi măng theo hàm lượng xi măng gia cố 55

Hình 3.17 Biểu đồ tương quan giữa cường độ kháng nén của mẫu đất trộn xi măng và hàm lượng vật chất hữu cơ 55

Hình 3.18 Biểu đồ quan hệ giữa E50 và qu50 ở độ tuổi 28 ngày với hàm lượng xi măng gia cố 220 kg/m3 56

Hình 3.19 Hình dạng cột đất sau khi gia cố xi măng tại dự án Long Thành – Dầu Giây 60

Hình 3.20 Hình ảnh mặt cắt ngang cột đất ximăng 60

Hình 3.23 Quan hệ giữa quf và qul (Long Thành – Dầu Giây) 63

Hình 3.24 Hình ảnh mẫu đất trộn xi măng khoan lấy trực tiếp tại hiện trường dự án Long Thành – Dầu Giây 64

Hình 3.25 Hình nén tĩnh cột đơn tại hiện trường 65

Hình 3.26 Phương pháp xác định Qu theo công thức (3.4) 67

Hình 3.27 Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị cột đất trộn xi măng (C16-13) thuộc dự án Long Thành – Dầu Giây 68

Hình 3.28 Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng – độ lún – thời gian của cột đất trộn xi măng (C16-13) thuộc dự án Long Thành – Dầu Giây 68

Hình 3.29 Thiết bị thí nghiệm xuyên động DCPT 80

Hình 3.30 Kết quả thí nghiệm DCPT cột đất trộn xi măng SM-175 tại cầu Khánh Hội

….81

Hình 4.1 Mặt bằng tổng thể dự án Đại lộ Đông – Tây 85

Hình 4.2 Mặt bằng cầu Khánh Hội 85

Hình 4.3 Trắc ngang đại điện đường dẫn phía nam cầu Khánh Hội 89

Hình 4.4 Sơ đồ tính toán độ lún của nền chưa gia cố 90

Hình 4.8 Mô hình bài toán và kết quả tính toán độ lún bằng phần mềm Plaxis 103

Hình 4.9 Kết quả phân tích ổn định trượt nền gia cố cột đất xi măng bằng phần mềm Slope (Fs = 4.009) 104

Hình 4.10 Sơ đồ vị trí tính toán cột đất xi măng 105

Hình 4.11 Biểu đồ thể hiện sự giảm ứng suất theo phương ngang đường 106

Hình 4.12 Biểu đồ thay đổi chiều dài cột theo phương ngang đường 107

Hình 4.13 Mô hình bài toán và kết quả tính toán độ lún bằng phần mềm Plaxis 108

Hình 4.15 Mặt bằng tổng thể dự án đường cao tốc Tp.Hồ Chí Minh – Long Thành –

Dầu Giây 111

Hình 4.16 Kết quả tính toán độ lún nền chưa gia cố bằng phần mềm Plaxis (S = 0.78634 m) 114

Hình 4.17 Trắc ngang đại diện nền đường xử lý bằng cột đất xi măng 115

Hình 4.18 Kết quả tính toán ổn định theo phương ngang đường bằng phần mềm Geoslope theo phương pháp của Bishop (Fs = 0.624) 116

Hình 4.19 Sơ đồ bố trí cột đất xi măng 117

Hình 4.20 Sơ đồ tính lún nền gia cố cột đất xi măng 123

Hình 4.21 Kết quả tính lún nền gia cố bằng phần mềm Plaxis V.8.5 (S = 11.397 cm)

123

Hình 4.22 Kết quả tính toán ổn định nền gia cố theo phương ngang bằng phần mềm Geoslope (Fs = 3.199) 124

Hình 4.23 Sơ đồ vị trí tính toán cột đất xi măng 125

Hình 4.24 Biểu đồ thể hiện sự giảm ứng suất theo phương ngang đường 126

Hình 4.25 Biểu đồ thay đổi chiều dài cột theo phương ngang đường 127

Hình 4.26 Mô hình bài toán giảm chiều dài cột đất xi măng theo phương ngang đường …127

Hình 4.27 Kết quả tính toán độ lún bằng phần mềm Plaxis (S = 24.445 cm) 128

Hình 4.28 Kết quả phân tích ổn định trượt nền gia cố cột đất xi măng bằng phần mềm Slope (Fs = 2.596) 128

MỞ ĐẦU 1 Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu

Với sự phát triển mạnh mẽ, thành phố Hồ Chí Minh ngày càng khẳng định vị thế kinh tế và nhiều lĩnh vực khác của mình trong nước cũng như khu vực và thế giới Quá trình đô thị hóa, sự hình thành các khu dân cư ở những vùng lân cận thành phố, sự kết nối vơi các thành phố trung tâm khác là điều tất yếu, dẫn đến yêu cầu cần nhanh chóng đáp ứng cơ sở hạ tầng giao thông để phục vụ cho nhu cầu giao thông, vận chuyển hàng hóa Với sự phát triển đó, vị trí tuyến đường được lựa chọn dựa trên cơ sở thuận tiện nhất cho việc phát triển kinh tế, tiêu chí chọn vị trí tuyến theo chi phí của tuyến là thấp nhất (địa chất tốt) đã bị loại trừ Vì vậy, sự xuất hiện của những công trình cầu, đường đi qua khu vực đất yếu là điều dễ gặp trong điều kiện địa chất phức tạp của thành phố Hồ Chí Minh và các khu vực lân cận

Trước kia giải pháp giảm lún, ổn định của nền đường đắp cao trên đất yếu chủ yếu gồm những phương pháp truyền thống:

 Xây dựng sàn giảm tải: sàn giảm tải xây dựng tựa trên các cột bê tông cốt thép

 Xử lý nền nhằm làm tăng độ cố kết: phương pháp gia tải trước kết hợp với giếng cát; phương pháp gia tải trước kết hợp với bấc thấm, phương án bệ phản áp, v.v…

Các phương pháp truyền thống trên chưa mang hiệu quả như mong muốn, đa số đều có các khuyết điểm Những năm gần đây, xuất hiện một số phương pháp mới với những ưu điểm nổi bật, đặc biệt là phương pháp xử dụng cột đất - xi măng Phương pháp này đang dần được sử dụng rộng rãi nhờ những đặc tính như thi công nhanh, sức chống cắt của đất tăng, khả năng xử lý sâu, v.v…

Với hai dự án lớn đã và đang triển khai là: dự án Đại lộ Đông Tây và dự án Long Thành - Dầu Giây thôi thúc tác giả nghiên cứu đến việc gia cố nền đất yếu dưới nền đường bằng cột đất - xi măng như thế nào để đạt được tính ổn định và sức chịu tải, qua đó đáp ứng yêu cầu về tiến độ thi công cũng như hiệu quả kinh tế cao nhất cho dự án

2 Mục tiêu nghiên cứu

Trong những vấn đề liên quan đến cột đất - xi măng (CDM - Cement Deep Mixing), mục tiêu nghiên cứu của đề tài tập trung giải quyết các vần đề sau:

 Từ thí nghiệm nén một trục mẫu đất trộn xi măng trong phòng, thí nghiệm khoan lõi ngoài hiện trường tác giả nghiên cứu sự khác biệt về cường độ của cột đất – xi măng khi thí nghiệm trộn trong phòng và ngoài hiện trường Qua đó, đưa ra những kiến nghị khi thiết kế và thi công cột đất trộn xi măng  Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng hữu cơ đến cường độ của cột đất trộn

xi măng  Nghiên cứu cách tính toán lún hợp lý cho nền đất gia cố xi măng Kiến nghị

lựa chọn quy trình tính lún  Nghiên cứu giảm chiều sâu cột đất gia cố xi măng theo phương ngang để tiết

kiệm chi phí cho dự án

3 Phạm vi nghiên cứu của đề tài

Các kết luận và kết quả tính toán chỉ nghiên cứu cho khu vực thuộc dự án Đại lộ Đông Tây và dự án Long Thành - Dầu Giây Các khu vực khác có đặc thù địa chất riêng chưa được nghiên cứu ở đây

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ ĐẶC TÍNH ĐẤT YẾU VÀ CÁC GIẢI

PHÁP XỬ LÝ ĐẤT YẾU 1.1 Đặc điểm đất yếu ở khu vực đồng bằng sông Cửu Long:

Theo tài liệu nghiên cứu của Pierre Laréal – Nguyễn Thành Long – Nguyễn Quang Chiêu – Vũ Đức Lục – Lê Bá Lương năm 1994 « Nền đường đắp trên đất yếu trong điều kiện Việt Nam », đất yếu khu vực đồng bằng sông Cửu Long có các đặc điểm sau:

+ Khả năng chịu tải nhỏ (áp dụng cho đất có cường độ kháng nén quy ước dưới 50 kN/m2

) + Có tính nén lún lớn, hệ số rỗng lớn (e >1) + Có môđun biến dạng thấp (Eo < 5000 kN/m2) + Có góc nội ma sát  = 5o ÷ 10o và lực dính: c = 5 ÷ 10 kN/m2 Đất yếu có thể được chia làm 4 nhóm chủ yếu:

+ Các loại đất sét (á sét, sét) ở trạng thái mềm, bão hòa nước thuộc các giai đoạn đầu của quá trình hình thành đá sét

+ Các loại cát hạt nhỏ, cát bụi ở trạng thái rời, bảo hòa nước + Các loại đất bùn, than bùn và đất than bùn,

+ Các loại đất hoàng thổ có độ rỗng lớn, gây lún sụt Tại khu vực đồng bằng sông Cửu Long các loại đất được hình thành và phân bố như sau:

- Sự phân bố đất yếu theo chiều sâu: + Khu vực 1: có lớp đất yếu dày từ 1 ÷ 30m + Khu vực 2: có lớp đất yếu dày từ 5 ÷ 30m + Khu vực 3: đất sét dày từ 15 ÷ 300m - Sự phân bố đất yếu theo mặt bằng:

+ Khu vực I: khu vực đất sét yếu màu xám nâu và xám vàng + Khu vực II: khu vực đất bùn sét xen kẹp với các lớp á cát + Khu vực III: khu vực cát hạt mịn, á cát xen kẹp bùn á cát + Khu vực IV: khu vực đất than bùn, sét, bùn á sét, cát bụi, á cát + Khu vực V: khu vực bùn á sét và bùn cát ngập nước

Hình 1.1 Bản đồ phân bố đất yếu ở đồng bằng sông Cửu Long

1.2 Sơ lƣợc các giải pháp xử lý đất yếu:

Khi xây dựng công trình đường bộ hoặc các công trình khác trên đất yếu mà thiếu các biện pháp xử lý thích đáng và hợp lý thì sẽ phát sinh biến dạng, thậm chí gây hư hỏng công trình Nghiên cứu xử lý đất yếu mục đích làm tăng độ bền của đất, giảm tổng độ lún và độ lún lệch, rút ngắn thời gian thi công và giảm chi phí đầu tư xây dựng Theo báo cáo về các sự cố công trình nền đường ôtô xây dựng trên vùng đất yếu trong những năm gần đây, các vấn đề mắc phải của nền đường đắp trên đất yếu trong thời gian qua ở Việt Nam chủ yếu dưới dạng nền đường bị lún sụt - trượt trồi và ở dạng lún kéo dài ảnh hưởng lớn đến chất lượng khai thác đường Đất yếu là một trong những đối tượng nghiên cứu và xử lý rất phức tạp, đòi hỏi công tác khảo sát, điều tra, nghiên cứu, phân tích và tính toán rất công phu Để xử lý đất yếu đạt hiệu quả cao đòi hỏi phải có kinh nghiệm thiết kế và bề dày xử lý của tư vấn trong việc lựa chọn giải pháp hợp lý

Dưới đây là một số giải pháp xử lý nền đất yếu ở nước ta hiện nay:

1.2.1 Đệm vật liệu rời (đệm cát, đá, sỏi):

Đệm vật liệu rời mà phổ biến là đệm cát Đây là phương pháp thay thế lớp đất yếu bằng lớp đất tốt nhằm tạo ra lớp đệm chịu lực bên trên, thay thế toàn bộ hoặc một phần của lớp đất yếu và chỉ giới hạn chiều dày 4 m đến 5 m

Lớp đệm cát có tác dụng tăng tốc độ cố kết của nền đất yếu dưới nó sau khi đắp đất, để tăng cường độ chống cắt của đất yếu dẫn đến tăng sức chịu tải của đất nền và tăng khả năng ổn định của công trình Lớp đệm cát còn có tác dụng cải tạo sự phân bố ứng suất lên đất yếu, để tăng tốc độ cố kết nền đất yếu có thể kết hợp gia cố nền bằng cừ tràm Tại sân đỗ máy bay của sân bay Rạch Giá cũng đã sử dụng giải pháp này, cừ tràm đóng 16 cột/m2, chiều sâu đóng 4,5m Trên đỉnh cừ tràm sau khi đã đắp một lớp 30 cm rải một lớp vải địa kỹ thuật để thuận lợi cho việc thi công và tạo điều kiện phân bố đều tải trọng đắp trên các cừ tràm

Cát được sử dụng làm đệm cát thoát nước phải là cát sạch có độ thấm cao và phải đảm bảo yêu cầu kỹ thuật theo quy định

Ưu điểm: đây là biện pháp gia cố nền được sử dụng rộng rãi nhất do phương pháp thi công đơn giản, sử dụng vật liệu địa phương

Khuyết điểm: biện pháp này chỉ được sử dụng trong điều kiện tải trọng công trình không quá lớn và lớp đất yếu không quá dày (Hđy < 3m) Bên cạnh đó, việc khai thác cát ngày càng gặp nhiều khó khăn, giá vật liệu tăng cao cũng gây ảnh hưởng đến giá thành công trình

Hình 1.2 Giải pháp xử lý nền bằng lớp đệm cát

1.2.2 Giếng cát:

Khi xây dựng công trình trên những vùng có lớp đất dính bão hòa nước không thể dùng lực tác dụng nhanh để ép nước ra khỏi đất Nếu tác dụng tải trọng lớn đột ngột thì nền sẽ bị phá hoại vì trượt hoặc đẩy trồi ra xung quanh, muốn cho đất trở nên chặt hơn, giảm biên độ lún thì chỉ có thể ép và chờ trong thời gian nhất định cho nước thấm thoát ra Phương pháp cổ điển dùng giếng cát thoát nước thẳng đứng kết hợp với việc chất tải tạm thời là phương pháp đơn giản nhất nhưng vẫn đạt hiệu quả cao cả về kỹ thuật, thời gian và kinh tế Theo phương pháp này, người ta thường dùng giếng cát đường kính 50 ÷ 60 cm, được nhồi vào nền đất yếu bão hòa nước đến độ sâu thiết kế, có chức năng như những kênh thoát nước thẳng đứng, nhằm đẩy nhanh quá trình cố kết nền đất yếu Do đó, phương pháp này luôn phải kèm theo biện pháp gia tải trước để tăng nhanh quá trình cố kết Lớp đất yếu bão hòa nước càng dày thì phương pháp giếng cát càng hiệu quả về độ lún tức thời Trong thực tế, phương pháp này đã được ngành giao thông vận tải áp dụng phổ biến từ năm 1990 để xử lý nền đất yếu Công trình có quy mô lớn đầu tiên áp dụng giếng cát để xử lý nền đất yếu được triển khai trên đường Thăng Long - Nội Bài (Hà Nội) sau này được áp dụng đại trà trên nhiều tuyến quốc lộ khác nữa, trong đó có đường Láng - Hòa Lạc (Hà Nội), Giải pháp giếng cát kết hợp với bệ phản áp sẽ tăng khả năng chống trượt trồi của nền đường

Hình 1.3 Giải pháp xử lý nền bằng giếng cát

Ưu điểm: khi dùng giếng cát, trị số môđun biến dạng của vùng đất được nén chặt xung quanh sẽ giống nhau, vì vậy sự phân bố ứng suất trong nền đất xử lý đồng đều hơn Giải pháp này nền đất yếu có tốc độ cố kết nhanh hơn so với phương án sử dụng bấc thấm, thời gian chờ lún cũng ngắn hơn Thường sử dụng trong trường hợp nền đất yếu có chiều sâu 10m đến 30m

Khuyết điểm: khi thi công giếng cát có thể bị đứt đoạn dẫn đến vai trò thoát nước không được đảm bảo Tại các vùng có mực nước ngầm cao thì sau một thời gian thi công cát trong giếng sẽ theo nước lẫn vào trong đất vì vậy tốc độ cố kết của đất sẽ có sự sai lệch đáng kể so với tính toán

1.2.3 Bấc thấm:

Việc thi công giếng cát có nhược điểm là tốn công, máy móc nặng, tốc độ thi công chậm, khi nền bị cố kết và biến dạng có thể cắt đứt đường thấm và giá thành công trình cao

Để giảm bớt khối lượng công việc, đẩy nhanh tốc độ thi công và tốc độ cố kết thì giải pháp được tính đến là sử dụng vật liệu dễ thấm và hút nước Từ những năm 90 của thập kỷ trước, cạnh phương pháp cổ điển, lần đầu tiên công nghệ mới xử lý đất yếu bằng phương pháp bấc thấm thoát nước thẳng đứng (PVD) kết hợp gia tải trước đã được đưa vào sử dụng rộng rãi trên thế giới Tại Việt Nam, công nghệ mới này đã được sử dụng trong xử lý nền đất yếu cho Dự án nâng cấp Quốc lộ 5 trên đoạn

Km 47 ÷ Km 62 vào năm 1993, sau đó dùng cho Quốc lộ 51 (Tp Hồ Chí Minh đi Vũng Tàu) và đường Láng - Hòa Lạc Từ 1999 ÷ 2004, phương pháp này đã được sử dụng rộng rãi để xử lý đất yếu trong các dự án nâng cấp và cải tạo Quốc lộ 1A, Quốc lộ 18, Quốc lộ 60, Quốc lộ 80, đường Nguyễn Hữu Cảnh (TPHCM)

Bấc thấm là vật liệu địa kỹ thuật dùng để thoát nước đứng và ngang nhằm gia tăng khả năng ổn định của nền móng, được cấu tạo từ hai lớp: lớp áo lọc bằng vải địa kỹ thuật không dệt, sợi liên tục PP hoặc PET 100% không thêm bất cứ chất kết dính nào và lớp lõi thoát nước bằng nhựa PP, có tác dụng:

+ Ổn định nền: các công trình có thể ứng dụng bấc thấm để xử lý nền đất yếu

rất đa dạng, bao gồm đường cao tốc, đường dẫn đầu cầu, đường băng sân bay, đường sắt, bến cảng, kho bãi, xây dựng trên nền đất yếu và có tải trọng động

+ Xử lý môi trường: Bấc thấm được sử dụng để xử lý nền đất yếu, đất nhão,

thường ở các khu vực chôn lấp rác thải Nó cũng được sử dụng để tẩy rửa các khu vực đất ô nhiễm, bằng công nghệ hút chân không, hút nước ngầm thấm qua các lớp đất bị ô nhiễm, mang theo các chất ô nhiễm lên bề mặt để xử lý

Đặc tính chính

 Giảm thiểu tối đa sự xáo trộn các lớp đất  Khả năng tương thích cao của lõi cũng như vỏ bấc thấm với nhiều loại đất  Dễ dàng thi công, hiệu suất có thể đạt tới 8.000md/ngày

 Không cần cấp nước khi thi công  Có thể đóng bấc tới độ sâu 40m hoặc hơn

Lợi thế thi công

 Chi phí thấp để xử lý nền đất yếu  Tiết kiệm được khối lượng đào đắp  Rút ngắn được thời gian thi công  Giảm được chi phí vận chuyển, chi phí thi công

Hình 1.4 Mặt bằng thi công bấc thấm

1.2.4 Gia tải trước bằng phương pháp hút chân không:

Đây là phương pháp gia cố nền hiện đại nhất hiện nay, đặc biệt thích hợp cho những công trình không có mặt bằng rộng để gia tải bằng đệm cát và cần thời gian cố kết nhanh Nguyên lý hoạt động của phương pháp gia tải trước bằng hút chân không là nếu cách ly được mặt đất với lớp không khí bên trên và hút chân không khu vực cô lập, trong khu vực này áp lực trong lỗ rỗng gồm áp lực khí và áp lực nước sẽ hạ thấp, ứng suất hữu hiệu gia tăng lượng tương ứng gây biến dạng co khối đất, mặt đất lún xuống Nhìn góc cạnh khác, toàn khu vực bị hạ áp lực lỗ rỗng chịu một áp lực nén bằng với trọng lượng cột không khí tương ứng với tỷ lệ hút chân không, nếu như hút chân không được 80% thì áp lực nén tương ứng với 80% trọng lượng không khí tức là 80 kPa Vì áp lực khí trong lỗ rỗng giảm giống nhau theo mọi phương nên trong khối đất bị hút chân không không xuất hiện ứng suất lệch nên không có hiện tượng trượt ở khu vực biên chịu tải Tại Việt Nam, giải pháp này được áp dụng để xử lý nền móng nhà máy khí điện đạm Cà Mau, nhà máy nhiệt điện Nhơn Trạch - Đồng Nai

Trạm xử lý nướcMáy bơm chân khôngDòng khí

Màng bọcGia tải

Hệ thống thoát nước thẳng đứngBăng thoát nước ngangLớp thoát nước

Hào thoát nước

Hình 1.5 Sơ đồ phương pháp hút chân khơng

Ưu điểm: khắc phục được khuyết điểm lớn của phương pháp đệm cát là thường sử dụng bệ phản áp (tránh gây trượt cơng trình) chiếm nhiều diện tích hoặc phải gia tải từng cấp tốn rất nhiều thời gian và đảm bảo vệ sinh mơi trường

Khuyết điểm: lượng nước từ khu vực xung quanh sẽ thấm vào vùng cĩ áp lực nước lỗ rỗng thấp, điều này dẫn đến lượng nước bơm sẽ lớn hơn nhiều lần độ giảm lỗ rỗng của khu vực cần nén chặt; thi cơng phức tạp và chưa được sử dụng phổ biến ở nước ta hiện nay

1.2.5 Cột đất – xi măng:

Với đất yếu bùn sét và bùn á sét cĩ độ thấm bé hơn 10-6 cm/s, khả năng ứng dụng cột vật liệu rời khơng hiệu quả vì đất khơng nén chặt được trong quá trình thi cơng, nước trong lỗ rỗng của bùn đất khĩ thốt đi để lỗ rỗng cĩ thể giảm nhỏ lại Mặt khác, vật liệu rời cĩ thể chìm dần trong bùn nên khơng giữ được hình dạng cột sau khi thi cơng

Cột đất - ximăng là phương pháp gia cố nền đất yếu, sử dụng vật liệu là ximăng làm chất đĩng rắn nhờ vào cần khoan xoắn và thiết bị bơm phụt vữa vào trong đất để trộn cưỡng bức đất yếu với chất đĩng rắn (dạng bột hoặc dung dịch), lợi dụng chuỗi phản ứng hĩa học - vật lý xảy ra giữa chất đĩng rắn với đất, làm cho đất mềm yếu đĩng rắn lại thành một thể cột Quá trình ninh kết hỗn hợp đất ximăng sẽ phát nhiệt, một phần nước xung quanh bị hút vào do quá trình thủy hĩa, một phần khác bị bốc hơi do nhiệt Hiện tượng này làm đất xung quanh cột tăng độ bền hơn trước

Ưu điểm: thi công nhanh, đơn giản, thích hợp với đất có độ ẩm cao (>75%); môi trường trong quá trình thi công không bị ảnh hưởng do chỉ cần đưa vật liệu ximăng vào gia cố nền; không phải huy động một khối lượng lớn vật liệu địa phương như các phương án khác

Khuyết điểm: giá thành cao; công nghệ thi công mới mẻ trong lĩnh vực giao thông; máy thi công hiện nay trong nước chưa nhiều, huy động máy móc khó khăn hơn các phương án khác

Hình 1.6 Hình ảnh thi công cột đất – xi măng tại dự án Long Thành – Dầu Giây

1.3 Nhận xét và kết luận:

Mỗi một phương pháp xử lý đất yếu đều có phạm vi áp dụng thích hợp, đều có những ưu điểm và nhược điểm nói riêng Do đó, căn cứ vào điều kiện cụ thể của nền đất yếu, địa hình, điều kiện địa chất, phương pháp thi công và kinh nghiệm mà có thể lựa chọn ra phương pháp hợp lý nhất

Với những ưu điểm riêng trong công tác xử lý nền đất yếu, công nghệ cột đất trộn ximăng được dùng rộng rãi để gia cố sâu đất nền, khống chế độ lún còn dư khi đưa công trình vào sử dụng đạt tiêu chuẩn 22TCN-262-2000 của Bộ Giao thông

Vận tải Đây là giải pháp hữu ích không cần thời gian chất tải Tuy nhiên, cần

nghiên cứu kỹ lưỡng để có thể ứng dụng rộng rãi hơn

Chương 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN

BẰNG CỘT ĐẤT - XIMĂNG 2.1 Giới thiệu chung về công nghệ cột đất - ximăng: 2.1.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng trên thế giới:

Cột đất - xi măng do Mỹ nghiên cứu thành công vào năm 1954, được gọi là “ mixed – in – pile ” (MIP), khi đó có kích thước: đường kính d = 0,3 ÷ 0,4m, dài 10 ÷ 12m Sau đó, công nghệ trộn sâu được phát triển ở Nhật và Thụy Điển từ những năm 1960 Trộn khô dùng vôi sống làm gia cố đã đưa vào thực tế trong những năm 1970 Trong khoảng thời gian này, phương pháp trộn khô cũng áp dụng vào thực tế ở Thụy Điển để cải tạo đặc tính lún của đất sét dẻo mềm, mềm yếu; phương pháp trộn ướt cũng được dùng ở Nhật Sau đó, công nghệ trộn sâu được phát triển ra khắp thế giới Ở Việt Nam, công nghệ này còn sử dụng hạn chế

Những nước ứng dụng công nghệ trộn sâu nhiều nhất là Nhật bản và các nước vùng Scandinaver Theo thống kê của hiệp hội CDM (Nhật Bản), tính chung trong giai đoạn từ 1980 ÷ 1996 có 2345 dự án, sử dụng 26 triệu m3 xi măng đất Riêng từ năm 1977 đến năm 1993, lượng đất gia cố bằng công nghệ trộn sâu ở Nhật vào khoảng 23,6 triệu m3 cho các dự án ngoài biển và trong đất liền, với khoảng 300 dự án Hiện nay, hàng năm, thi công khoảng 2 triệu m3 Đến năm 1994, hãng SMW Seiko đã thi công 4000 dự án trên toàn thế giới với 12,5 triệu m2

(7 triệu m3) Sau khi được áp dụng, các ứng dụng của công nghệ trộn sâu ngày càng đa dạng, thiết bị và hóa chất ngày càng được cải tiến, hoàn thiện

Tạp chí Tin tức kỹ thuật (ENR) thường xuyên thông báo các thành tựu của công nghệ trộn sâu ở Nhật Bản, chẳng hạn số 1983 đăng kết quả ứng dụng cho các công trình nền móng thi công trong nước, số 1986 về các tường chống thấm, số 1989 về tác dụng chống động đất Hằng năm, nhiều hội nghị về các công nghệ gia cố nền được tổ chức tại Tokyo Trong đó, nhiều thành tựu mới nhất về công nghệ khoan phụt và công nghệ trộn sâu đã được trình bày

Tại Trung Quốc, công tác nghiên cứu bắt đầu từ năm 1970, mặc dù ngay từ cuối những năm 1960, các kỹ sư Trung Quốc đã học hỏi phương pháp trộn vôi dưới sâu

của Nhật bản Thiết bị công nghệ trộn sâu dùng trên đất liền xuất hiện năm 1978 và ngay lập tức được sử dụng để xử lý nền các khu công nghiệp ở Thượng Hải Tổng khối lượng xử lý bằng công nghệ trộn sâu ở Trung Quốc cho đến nay vào khoảng trên 1 triệu m3 Từ năm 1987 đến năm 1990, công nghệ trộn sâu đã được sử dụng ở Cảng Thiên Tân để xây dựng 2 bến cập tàu và cải tạo nền cho 60 ha khu dịch vụ Tổng cộng 513.000m3 đất được gia cố, bao gồm các móng kè, móng của các tường chắn phía sau bến cập tầu

Đến năm 1992, một hợp tác giữa Nhật và Trung Quốc đã tạo ra sự thúc đẩy cho những bước đầu tiên của công nghệ CDM ở Trung Quốc, công trình hợp tác đầu tiên là cảng Yantai Trong dự án này 60.000m3 xử lý ngoài biển được thiết kế và thi công bởi chính các kỹ sư Trung Quốc (Tang, 1996)

Tại Châu Âu, nghiên cứu và ứng dụng công nghệ trộn sâu bắt đầu ở Thụy Điển và Phần Lan Trong năm 1967, Viện Địa chất Thụy Điển đã nghiên cứu các cột vôi (SLC) theo đề xuất của Jo Kjeld Páue sử dụng thiết bị theo thiết kế của Linden- Alimak AB (Rathmayer, 1997) Thử nghiệm đầu tiên tại sân bay Ska Edeby với các cột vôi có đường kính 0,5m và chiều sâu tối đa 15m đã cho những kinh nghiệm mới về các cột vôi cứng hóa (Assarson, 1974) Năm 1974, một đê đất thử nghiệm (cao 6m dài 8m) đã được xây dựng ở Phần Lan sử dụng cột vôi đất, nhằm mục đích phân tích hiệu quả của hình dạng và chiều dài cột về mặt khả năng chịu tải (Rathmayer và Liminen, 1980)

Từ năm 1970 và đến những năm 1980, các công trình nghiên cứu và ứng dụng tập trung chủ yếu vào việc tạo ra vật liệu gia cố, tối ưu hóa hỗn hợp ứng với các loại đất khác nhau Broms and Boman (1977) tổng kết kinh nghiệm thu được từ phương pháp SLC trong quyển sách hướng dẫn đầu tiên về công nghệ này Sau đó, một số nhà nghiên cứu khác (Nieminen 1977; Viitanen, 1977; Kujala, 1982) đã nghiên cứu ứng dụng thạch cao, tro bay làm chất độn để vôi hoá nhanh hơn Bài báo giới thiệu công nghệ mới của Eggestad (1983) liên quan đến các hợp chất hóa học dùng để chế tạo chất gia cố sử dụng trong công nghệ cột vôi đất

Khi mới phát sinh yêu cầu ban đầu của công nghệ trộn sâu chỉ là nhằm đạt cường độ cao và chi phí thấp, nhưng gần đây do những nan giải trong xây dựng đặt ra yêu cầu cao hơn về sự tin cậy và hoàn chỉnh công nghệ

2.1.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng trong nước:

Tại Việt Nam, công nghệ trộn sâu được nghiên cứu từ những năm đầu của thập kỷ 80 (thế kỷ trước) với sự giúp đỡ của Viện Địa kỹ thuật Thụy Điển (SGI)

Từ năm 2002, đã có một số dự án bắt đầu ứng dụng cột đất – xi măng vào xây dựng các công trình trên nền đất, cụ thể như: dự án cảng Ba Ngòi (Khánh Hòa) đã sử dụng 4.000m cột đất – xi măng có đường kính 0.6m thi công bằng trộn khô; xử lý nền cho bồn chứa xăng dầu đường kính 21m, cao 9m ở Cần Thơ Năm 2004, cột đất – xi măng được sử dụng để gia cố nền móng cho nhà máy nước huyện Vụ Bản (Hà Nam), xử lý móng cho bồn chứa xăng dầu ở Đình Vũ (Hải Phòng), các dự án trên đều sử dụng 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 (Jet – Grouting) để sửa chữa khuyết tật cho các cột nhồi của cầu Thanh Trì (Hà Nội) Năm 2005, một số dự án cũng đã áp dụng cột đất – xi măng như: dự án thoát nước khu đô thị Đồ Sơn - Hải Phòng, dự án sân bay Cần Thơ, dự án cảng Bạc Liêu

Tại Thành phố Hồ Chí Minh, cột đất – xi măng được sử dụng trong dự án Đại lộ Đông Tây, cảng Hiệp Phước, một số cao ốc như Saigon Times Square…

Ngày 27 tháng 12 năm 2006, Tiêu chuẩn thiết kế - thi công - nghiệm thu cột đất trộn ximăng là TCXDVN 385 : 2006 " Phương pháp gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng " do Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng - Bộ Xây dựng biên soạn, Vụ Khoa học Công nghệ Xây dựng đề nghị, Bộ Xây dựng ban hành theo Quyết định số 38/2006/QĐ –BXD

2.2 Tóm tắt về phương pháp cột đất – ximăng:

Cột đất - xi măng (Deep soil mixing columns, soil mixing pile) là hỗn hợp giữa đất nguyên trạng nơi gia cố và xi măng được phun xuống nền đất bởi thiết bị khoan phun Mũi khoan được khoan xuống làm tơi đất cho đến khi đạt độ sâu lớp đất cần gia cố thì quay ngược lại và dịch chuyển lên Trong quá trình dịch chuyển lên, xi măng được phun vào nền đất (bằng áp lực khí nén đối với hỗn hợp khô hoặc bằng bơm vữa đối với hỗn hợp dạng vữa ướt)

So sánh với giải pháp đang sử dụng rộng rãi hiện nay, phương pháp này đã giải

quyết được các vấn đề sau: - Nâng cao sức chịu tải của đất nền - Thúc đẩy nhanh quá trình cố kết, rút ngắn thời gian thi công - Thi công nhanh, ít tốn nhân công

- Không sinh ra đất thải (giảm hoặc không cần gia tải) Đảm bảo vệ sinh môi trường

- Xác định chính xác lượng chất gia cố được trộn trong cột đất ximăng - Không gây phá hoại và làm mất ổn định kết cấu của đất

- Không gây chấn động đến các công trình lân cận - Tính thấm của cột sau gia cố cao hơn nhiều so với đất sét chưa gia cố (khoảng 400 ÷ 500 lần) và cột được xem như thoát nước thẳng đứng

- Phạm vi ứng dụng đa dạng: ổn định mái dốc, hố đào

Hình 2.1 Các ứng dụng của cột đất xi măng (Terashi, 1997)

1, Đường bộ, ổn định/lún 6, Chống nâng đáy hố đào 2, Ổn định đê cao 7, Chống chuyển dịch ngang của móng cột

5, Giảm ảnh hưởng từ các công trình lân cận

Do được trộn chất gia cố nên cột đất ximăng có môđun đàn hồi và sức chống cắt cao hơn đất nền nhiều lần, số lượng các cột được phân bố trong nền đất mà nhờ vậy nền đất nói chung đã được cải thiện đáng kể về sức chịu tải Sức chịu tải này có thể thay đổi tùy theo số lượng và chất lượng chất gia cố được dùng cũng như phân bố của các cột trong nền đất (đường kính, khoảng cách giữa các tâm cột, chiều dài cột)

2.3 Nguyên lý gia cố ximăng đất:

Quá trình phản ứng lý - hóa của việc gia cố đất bằng ximăng khác với nguyên lý đóng rắn của bê tông Đóng rắn của bê tông chủ yếu là ximăng thực hiện tác dụng thủy giải và thủy hóa trong cốt liệu thô và cốt liệu nhỏ, do đó tốc độ đóng rắn rất nhanh Khi dùng ximăng gia cố đất, do lượng ximăng trộn vào đất rất ít (chỉ chiếm 7% đến 15% trọng lượng đất gia cố), phản ứng thủy giải và thủy hóa của ximăng hoàn toàn thực hiện trong môi trường có hoạt tính nhất định - sự quay kín của đất, do đó tốc độ đóng rắn chậm và tác dụng phức tạp, cho nên quá trình tăng trưởng cường độ ximăng gia cố đất cũng chậm hơn bê tông

Nguyên lý cơ bản của việc gia cố ximăng đất là ximăng sau khi trộn với đất sẽ sinh ra một loạt phản ứng hóa học rồi dần dần đóng rắn lại, các phản ứng chủ yếu của chúng là:

 Phản ứng thủy giải và thủy hóa của ximăng: ximăng phổ thông chủ yếu do các chất Oxyd và Oxyd Calci, Oxyd Silic lần lượt tạo thành các khoáng vật xi măng khác nhau: Silicat tricalci, Aluminat tricalci, Silicat dicalci, …Khi dùng ximăng gia cố đất yếu, các khoáng vật trên bề mặt xi măng nhanh chóng xảy ra phản ứng thủy giải và thủy hóa với nước trong đất yếu tạo thành các hợp chất như Hydroxyd Calci, Silicat calci ngậm nước, Aluminat calci ngậm nước, … theo các công thức sau:

Ximăng + Nước = CSH-gel + Hydroxyd calci  Tác dụng của hạt đất sét với các chất thủy hóa của ximăng: sau khi các chất

thủy hóa của ximăng được tạo thành, tự thân nó trực tiếp đóng rắn, hình thành bộ khung xương đá ximăng, tiếp đến phản ứng với các hạt đất sét có một hoạt tính nhất định ở xung quanh

 Tác dụng cacbonat hóa: Hydroxyd Calci trôi nổi trong chất thủy hóa ximăng có thể hấp thụ Cacbonic trong nước và trong không khí sinh ra phản ứng Cacbonat tạo thành Cacbonat Calci không tan trong nước

Từ những nguyên lý trên có thể thấy, do tác dụng cắt gọt và nhào trộn của cần khoan, trên thực tế không thể nào tránh khỏi đất còn sót lại ở dạng cục chưa bị đập vỡ Cho nên, trong đất ximăng sau khi gia cố hình thành tình huống là bên trong các

cục đất lớn nhỏ khác nhau thì không có ximăng mà ở xung quanh thì có khá nhiều ximăng Qua một thời gian tương đối dài, các hạt đất ở trong cục đất dưới tác dụng thẩm thấu của các chất thủy giải của ximăng mới dần dần cải biến được tính chất của nó Do đó, trong ximăng đất không thể tránh khỏi sẽ có những vùng đá ximăng cường độ khá cao và tính ổn định nước khá tốt xen kẽ những vùng đất cục có cường độ thấp hơn Vì vậy, việc trộn cưỡng bức giữa ximăng và đất càng kỹ thì đất bị đập vỡ càng nhỏ, ximăng phân bố vào trong đất càng đồng đều và nhiều thì tính ly tán về cường độ xi măng đất càng nhỏ, cường độ tổng thể càng cao

2.4 Công nghệ thi công cột đất - ximăng:

Hiện nay phổ biến hai công nghệ thi công cột đất - ximăng là: công nghệ trộn khô (Dry Mixing) và công nghệ trộn ướt (Wet Mixing)

Công nghệ trộn khô (Dry Mixing): công nghệ này sử dụng cần khoan có gắn các

cánh cắt đất (hình 2.4), chúng cắt đất sau đó trộn đất với vữa ximăng bơm theo trục khoan

Ưu điểm của công nghệ trộn khô: thiết bị thi công đơn giản; hàm lượng ximăng sử dụng ít hơn; quy trình kiểm soát chất lượng đơn giản hơn công nghệ trộn ướt

Nhược điểm của công nghệ trộn khô: do cắt đất bằng các cánh cắt nên gặp hạn chế trong đất có lẫn rác, đất sét, cuội đá, hoặc khi cần xuyên qua các lớp đất cứng hoặc tấm bê tông; không thi công được nếu phần xử lý ngập trong nước; chiều sâu xử lý trong khoảng 15 ÷ 20m

Hình 2.4 Máy khoan và lưỡi khoan theo công nghệ trộn khô

Hình 2.5 Sơ đồ thi công theo phương pháp trộn khô Công nghệ trộn ướt (hay còn gọi là Jet-Grouting): phương pháp này dựa vào

nguyên lý cắt nham thạch bằng dòng nước áp lực Khi thi công, trước hết dùng máy khoan để đưa ống bơm có vòi phun bằng hợp kim vào tới độ sâu phải gia cố (nước + ximăng) với áp lực khoảng 20 MPa từ vòi bơm phun xả phá vào tầng đất Với lực xung kích của dòng phun và lực li tâm, trọng lực, sẽ trộn lẫn dung dịch vữa, rồi sẽ được sắp xếp lại theo một tỉ lệ có qui luật giữa đất và vữa theo khối lượng hạt Sau khi vữa cứng lại sẽ thành cột đất – ximăng

Công nghệ trộn ướt gồm: công nghệ đơn pha, công nghệ hai pha, công nghệ ba pha

Công nghệ đơn pha: vữa phụt ra với vận tốc 100m/s, vừa cắt đất vừa trộn vữa với

đất một cách đồng thời, tạo ra một cột đất - ximăng đồng đều với độ cứng cao và hạn chế đất trào ngược lên Cấu tạo đầu khoan gồm một hoặc nhiều lỗ phun vữa Các lỗ phun có thể được bố trí ngang hàng hoặc lệch hàng, có độ lệch góc đều nhau Công nghệ đơn pha dùng cho các cột đất có đường kính vừa và nhỏ (0,5 ÷ 0,8 m)

Công nghệ hai pha: đây là hệ thống phụt vữa kết hợp vữa với không khí Hỗn

hợp vữa đất - ximăng được bơm ở áp suất cao, tốc độ 100m/s và được trợ giúp bởi một tia khí nén bao bọc quanh vòi phun Vòng khí nén sẽ làm giảm ma sát và cho phép vữa xâm nhập sâu vào trong đất, tạo ra cột đất - ximăng có đường kính lớn Tuy nhiên, dòng khí lại làm giảm độ cứng của cột đất so với phương pháp phụt đơn tia và đất bị trào ngược nhiều hơn Cấu tạo đầu khoan gồm có một hoặc nhiều lỗ phun (bố trí ngang hàng hoặc lệch hàng, có độ lệch góc đều nhau) để phun vữa và khí Khe phun khí nằm bao quanh lỗ phun vữa Công nghệ hai pha tạo ra các cột có đường kính lớn hơn công nghệ một pha, có thể đạt tới 1,2m ÷ 1,5 m

Máy nén khí Máy sấy Bồn chứa khí

Công nghệ ba pha: quá trình phụt có cả vữa, không khí và nước Không giống

phụt đơn pha và phụt hai pha, nước được bơm dưới áp suất cao và kết hợp với dòng khí nén xung quanh vòi nước, đuổi khí ra khỏi cột đất gia cố Vữa được bơm qua một vòi riêng biệt nằm dưới vòi khí và vòi nước để lấp đầy khoảng trống của khí Phụt ba pha là phương pháp thay thế đất hoàn toàn Đất bị thay thế sẽ trào ngược lên mặt đất và được thu gom, xử lý Cấu tạo đầu khoan gồm một hoặc nhiều lỗ đúp để phun nước và khí đồng thời và một hoặc nhiều lỗ đơn nằm thấp hơn để phun vữa Nói chung, mỗi cặp lỗ phun khí - nước và vữa đều nằm đối xứng nhau qua tâm trục của đầu khoan Các cặp lỗ được bố trí lệch góc đều nhau Cột đất – ximăng tạo ra bằng công nghệ này có thể đạt đường kính lớn tới 3m

Ưu điểm của công nghệ Jet-Grouting: phạm vi áp dụng rộng rãi, thích hợp với

mọi loại đất; có thể xử lý lớp đất yếu một cách cục bộ không ảnh hưởng đến lớp đất tốt; có thể xử lý dưới móng và kết cấu hiện có mà không ảnh hưởng đến công trình; mặt bằng thi công nhỏ, ít chấn động, ít tiếng ồn, hạn chế tối đa ảnh hưởng đến công trình lân cận; thiết bị nhỏ gọn; thi công được trong nước; phạm xi xử lý đến 50m

Nhược điểm của công nghệ Jet-Grouting: có thể gây ra trương nở nền và gây ra

các chuyển vị quá giới hạn trong lòng đất; áp lực siêu cao 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 nền đất có chứa nhiều túi bùn hoặc rác hữu cơ thì axit humic trong đất có thể làm chậm hoặc phá hoại quá trình ninh kết hỗn hợp đất ximăng

Hình 2.6 Máy khoan và lưỡi khoan theo công nghệ trộn ướt sử dụng tại dự án

Long Thành – Dầu Giây

Hình 2.7 Sơ đồ thi công theo phương pháp trộn ướt

2.5 Phương pháp tính toán cho giải pháp cột đất – ximăng: 2.5.1 Các thông số diễn tả sự phân bố ứng suất lên cột đất - ximăng và đất:

Hình 2.8 Sự phân bố ứng suất lên cột đất - ximăng và đất

Khi sử dụng cột đất - ximăng gia cố nền đất yếu, ứng suất tác dụng lên đất giữa các cột đất - ximăng giảm xuống đáng kể do hiệu ứng vòm (hình 2.8) Sự giảm này được thể hiện qua thông số SRR, được định nghĩa như sau:

Trong đó: σsoil: là ứng suất trên vùng nền giữa các cột σ: ứng suất trung bình trên nền đường SRR = f (H, as, Esoil, Ecol, υ)

H, as, Esoil, Ecol, υ lần lượt là chiều cao đất đắp, tỉ diện tích thay thế, modun đàn hồi của đất, cột, góc ma sát của đất được gia cố

SRR được nghiên cứu từ nhiều tác giả với nhiều giả thuyết hiệu ứng vòm khác nhau:

2

2.8.s(s+a) H

- Phương pháp Guido chỉnh sửa:

s - a

SRR =

3 2.H (2.5) - Phương pháp thực nghiệm của Thụy Điển:

Ea + 1- a

E a +E (1 - a ) (2.7) Trong đó:

H: chiều cao nền đắp s: khoảng cách từ tâm đến tâm giữa các cột đất - ximăng as: tỷ lệ diện tích thay thế của cột đất - ximăng

K: hệ số áp lực ngang tĩnh q: tải phân bố đều trên mặt nền đắp σcol: ứng suất tập trung trên cột đất - ximăng σ: ứng suất trung bình trên nền đường

2.5.2 Cách xác định các kích thước cơ bản: 2.5.2.1 Xác định khoảng cách giữa các cột đất - xi măng, s(m):

Nền đất yếu dưới nền đường đắp thường chịu tải trọng thẳng đứng lớn Do đó hệ thống nền cột đất - xi măng thường được bố trí theo dạng lưới ô vuông hoặc lưới tam giác đều với mục đích tạo cho các cột chịu lực gần như dọc trục Khi đó tải trọng truyền vào cho cột chịu sẽ lớn hơn tải trọng do phần đất yếu không được gia cố xung quanh cột Điều đó làm cho biến dạng cục bộ giữa cột và đất được hạn chế tối đa

Xét theo quan điểm kinh tế, khoảng cách giữa các cột liền kề càng lớn thì giá thành của phương án xử lý sẽ càng rẻ Do vậy khoảng cách giữa các cột liền kề phải được tính toán thiết kế cho phù hợp Nếu các cột được bố trí theo lưới ô vuông thì khoảng cách giữa các cột được xác định theo công thức sau:

)fH f

Qs

sqfs

p



a) Bố trí theo lưới ô vuông b) Bố trí theo lưới tam giác

Hình 2.9 Các phương án bố trí cột đất xi măng trên mặt bằng