Luận văn thạc sĩ Địa kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu giải pháp xử lý nền đất yếu dưới công trình nhà công nghiệp tải trọng lớn

Trong Luận văn này, tác giả tập trung nghiên cứu giải pháp gia cường nền đất yếu bằng cột đất xi măng và ứng dụng tính toán cho một công trình nhà xưởng có tải trọng nền lớn thuộc dự án

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

- - - -X Z- - -

Chủ nhiệm bộ môn: PGS TS VÕ PHÁN

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS TRẦN XUÂN THỌ

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS BÙI TRƯỜNG SƠN

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS CAO VĂN TRIỆU

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại

HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 31 tháng 8 năm 2012

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm có: 1 PGS TS Châu Ngọc Ẩn

2 TS Cao Văn Triệu 3 TS Bùi Trường Sơn 4 TS Trần Xuân Thọ 5 TS Đỗ Thanh Hải

KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

Tp HCM, ngày tháng 01 năm 2010

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: VƯƠNG HỒNG SƠN Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 16/8/1981 Nơi sinh: Nghệ An Chuyên ngành: Địa kỹ thuật Xây dựng Khóa: 2008 MSHV: 00908550

1- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU DƯỚI CÔNG TRÌNH NHÀ

CÔNG NGHIỆP TẢI TRỌNG LỚN.2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

Mở đầu Chương 1: Chương 2: Chương 3: Chương 4: Kết luận và kiến nghị 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS TRẦN XUÂN THỌ

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành Luận văn Thạc sĩ này, ngoài sự nỗ lực của bản thân là sự hướng dẫn và truyền dạy kiến thức tận tình của Quý Thầy Cô, với những động viên khích lệ từ gia đình, bạn bè trong suốt quá trình học tập và rèn luyện

Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Trần Xuân Thọ đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình học tập và thực hiện Luận văn này

Xin chân thành cảm ơn toàn thể Quý Thầy, Cô bộ môn Địa Cơ Nền Móng đã tham gia giảng dạy và truyền đạt kiến thức, tạo mọi điều kiện tốt nhất trong suốt quá trình học tập và thực hiện Luận văn

Xin cảm ơn bạn bè đã luôn sẵn sàng giúp đỡ trong việc tìm kiếm và cung cấp tài liệu để hoàn thành Luận văn này

Cuối cùng và không thể thiếu là xin cảm ơn gia đình đã luôn bên cạnh để động viên, khích lệ, tạo chỗ dựa tinh thần vững chắc nhất trong suốt thời gian học tập và thực hiện Luận văn

Với những hiểu biết của bản thân, chắc chắn không tránh khỏi những sai sót khi thực hiện Luận văn, kính mong Quý Thầy Cô, bạn bè góp ý chân thành để tôi hoàn thiện thêm kiến thức của mình

Một lần nữa xin chân thành cảm ơn

Vương Hồng Sơn

TÓM TẮT LUẬN VĂN

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU DƯỚI CÔNG

TRÌNH NHÀ CÔNG NGHIỆP TẢI TRỌNG LỚN

Lựa chọn phương pháp xử lý nền đất yếu dưới nền nhà công nghiệp đóng vai trò quan trọng nhằm đảm bảo yêu cầu kỹ thuật và hiệu quả kinh tế của việc xây dựng Trong Luận văn này, tác giả tập trung nghiên cứu giải pháp gia cường nền đất yếu bằng cột đất xi măng và ứng dụng tính toán cho một công trình nhà xưởng có tải trọng nền lớn thuộc dự án Nhà máy chế biến đậu nành Bunge, khu công nghiệp Phú Mỹ I, tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu

Kết quả tính toán bằng phương pháp giải tích theo các lý thuyết hiện có và phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm Plaxis 2D và 3D đã làm rõ các hiệu quả của phương pháp: đảm bảo sự ổn định của nền xưởng và giảm hơn 50% độ lún trong quá trình sử dụng; ứng suất tập trung vào cột đất xi măng và tăng cường sức chịu tải của đất nền Ngoài ra, qua kết quả thí nghiệm mẫu đất khu vực dự án, hàm lượng xi măng sử dụng gia cố phù hợp là 200 kg/m3,cường độ cột xi măng đất đạt 1000 kN/m2

Kết quả nghiên cứu này có thể dùng để tham khảo và áp dụng cho các công trình nhà công nghiệp có tải trọng nền lớn, tầng đất yếu dày và yêu cầu thời gian thi công nhanh

The analyzed results from the method of analytic theories and the Finite Element method using 2D and 3D software PLAXIS show the effectiveness of the solution: ensure the stability and reducing more than 50% of the settlement in work stage, stress concentration in soil-cement column and increasing the load bearing capacity of ground In addition, the results of soil specimen test of project area show that the efficient cement content is 200 kg/m3 and the mixed soil-cement column strength are reached to 1000 kN/m2

Results of this study can be used for references and applied to the industrial structures subjecting the heavy loads, the soft soil layer thickness and requiring fast construction time

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài 6

2 Nội dung nghiên cứu 6

3 Phương pháp nghiên cứu 7

4 Tính khoa học và thực tiễn 7

5 Hạn chế của đề tài 7

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU 1.1 Tổng quan về đất yếu 8

1.2 Đặc trưng về các công trình công nghiệp 9

1.2.1 Khái niệm về công trình công nghiệp 9

1.2.2 Tải trọng tác động 9

1.3 Giải pháp xử lý nền đất yếu dưới nền công trình nhà công nghiệp 10

1.3.1 Gia tải trước kết hợp thoát nước đứng 10

2.1.1 Theo quan điểm cột làm việc như “cọc” 22

2.1.2 Theo quan điểm tính toán như nền tương đương 24

2.1.3 Quan điểm hỗn hợp 24

2.2 Các thí nghiệm phục vụ thiết kế và thi công cột xi măng đất 33

2.2.1 Khảo sát địa chất khu vực công trình 33

2.2.2 Thí nghiệm trong phòng xác định các chỉ tiêu thiết kế của cột xi măng

đất 34

2.2.3 Thí nghiệm hiện trường 34

2.2.4 Hình thức bố trí cột xi măng đất gia cố nền móng 36

2.3 Công nghệ tạo cột xi măng đất 38

2.3.1 Công nghệ trộn khô Dry Jet Mixing: 38

2.3.2 Công nghệ trộn ướt Jet – grouting: 38

2.3.3 Miêu tả công nghệ 38

2.3.4 Phương pháp thi công 40

2.3.5 Trình tự thi công (Hình 2.13) 41

2.3.6 Tính toán thiết kế các thông số khoan phụt 42

2.4 Vật liệu xi măng đất trong xử lý nền đất yếu 44

2.4.1 Nguyên lý tăng cường độ của nền gia cố xi măng đất 44

2.4.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến cơ chế làm cứng 44

2.5 Một số kết quả nghiên cứu sức chịu tải của cột xi măng đất thi công bằng công nghệ trộn ướt (Jet – grouting) ở Việt nam 45

2.5.1 Mô tả mô hình nghiên cứu và phương pháp thí nghiệm 45

2.5.2 Kết qủa đo đạc thí nghiệm 47

2.5.3 Một số nhận xét và đánh giá kết qủa thí nghiệm 56

CHƯƠNG 3:ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN NỀN NHÀ XƯỞNG THUỘC DỰ ÁN NHÀ MÁY BUNGE - KHU CÔNG NGHIỆP PHÚ MỸ ĐƯỢC XỬ LÝ BẰNG CỘT XI MĂNG ĐẤT 3.1 Đặt vấn đề 58

3.2 Mô tả công trình và phương án thiết kế 58

3.2.1 Giới thiệu chung 58

3.2.2 Đặc điểm địa chất công trình 60

3.2.3 Phương án thiết kế 65

3.3 Phân tích bằng phương pháp giải tích 69

3.3.1 Tải trọng tác động lên nền đất 69

3.3.2 Tính toán kiểm tra điều kiện về cường độ 69

3.3.3 Tính toán biến dạng nền 72

3.4 Phân tích bằng phương pháp phần tử hữu hạn 75

3.4.1 Các thông số cho mô hình 75

MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế đất nước, cùng sự dịch

chuyển cơ cấu kinh tế từ nông nghiệp sang công nghiệp thì nhu cầu về cơ sở hạ tầng phục vụ sản xuất kinh doanh cũng ngày một lớn, các khu công nghiệp đã liên tục được thành lập và phát triển trong phạm vi cả nước Việc hình thành các khu công nghiệp được nghiên cứu dựa trên các điều kiện tự nhiên, đảm bảo thuận lợi về kinh tế và xã hội, các khu công nghiệp thường có vị trí ưu tiên đáp ứng thuận lợi về giao thông, con người và các nguồn tài nguyên xung quanh… và thường đặt tại các địa điểm gần cảng sông, cảng biển Vì thế, các yếu tố về địa chất công trình thường không phải lúc nào cũng thuận lợi cho việc thi công xây dựng và công trình phải đặt trên các khu vực địa chất có nền đất yếu

Từ thực tế đó, nhiều biện pháp xử lý nền đất yếu tiên tiến trên thế giới đã được áp dụng nhằm kiểm soát được biến dạng và ổn định cho công trình Cho đến nay, các công nghệ thường được sử dụng là đệm cát, giếng cát, cọc cát, bấc thấm, cột xi măng đất, cột đá, cọc vữa bêtông, cọc bê tông cốt thép… Thế nhưng, với mỗi công nghệ lại có những ưu điểm và khuyết điểm riêng đối với từng loại địa chất và công trình cụ thể Với các đặc điểm của nhà xưởng công nghiệp có tải trọng lớn, yêu cầu tiến độ thi công nhanh và đảm bảo điều kiện kỹ thuật, hiệu quả kinh tế thì phương pháp sử dụng cột xi măng đất gia cố nền đất yếu là phương án có nhiều ưu điểm và phù hợp hơn những phương pháp còn lại

Đề tài luận văn này nghiên cứu phương pháp xử lý nền cho công trình nhà

xưởng công nghiệp có tải trọng lớn đặt trên địa chất nền đất yếu bằng cột xi măng

đất (CDM)

2 Nội dung nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu của đề tài là Nghiên cứu giải pháp xử lý nền đất yếu

dưới công trình nhà công nghiệp tải trọng lớn, bao gồm các nội dung chính như sau:

Mở đầu Chương 1: Tổng quan về các giải pháp xử lý nền đất yếu Chương 2: Lý thuyết tính toán và công nghệ thi công cột xi măng đất Chương 3: Ứng dụng tính toán cột xi măng đất gia cố nền nhà xưởng thuộc dự án nhà máy Bunge, Khu công nghiệp Phú Mỹ

Kết luận và kiến nghị

3 Phương pháp nghiên cứu

Dựa vào các nghiên cứu của một số tác giả, các sách - tài liệu tham khảo trong và ngoài nước, tổng hợp các lý thuyết có được để có cái nhìn tổng quan về phương án gia cố đất yếu bằng cột xi măng đất Bên cạnh đó áp dụng để thực hiện phân tích, tính toán cho một công trình thực đã áp dụng biện pháp xử lý nền này đồng thời sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng và phân tích tính toán thông qua phần mềm máy tính để so sánh và đánh giá tính khả thi cũng như hiệu quả của phương pháp xử lý

4 Tính khoa học và thực tiễn Đưa ra giải pháp xử lý nền đất yếu phù hợp với nhà công nghiệp có tải trọng

lớn và qua đó ứng dụng cho các công trình tương tự để mang lại hiệu quả cao về

kỹ thuật và kinh tế

5 Hạn chế của đề tài Việc xử lý nền đất yếu bằng cột xi măng đất (CDM) có thể được áp dụng

cho nhiều loại công trình như nền đường, nền đập, tường chắn, cảng, … Tuy nhiên, trong điều kiện hạn hẹp, đề tại chỉ nghiên cứu việc xử lý nền đất yếu cho công trình công nghiệp, có tải trong phân bố rộng khắp, lực truyền xuống nền thông qua diện truyền tải bằng tấm nền bêtông cốt thép đặt trên nền cát phủ đầu cột, chưa có các số liệu quan trắc thực tế để có thể so sánh và đánh giá một cách chính xác hơn

Bên cạnh đó, việc phân tích tính toán cũng chưa xét đến khả năng chịu tải trọng ngang của cột xi măng đất

các tiêu chuẩn của Việt Nam (TCVN, TCXD, TCN) thì “Đất yếu là loại đất phải xử lý, gia cố mới có thể dùng làm nền móng công trình Các loại đất yếu thường gặp là bùn, đất loại sét (sét, sét pha, cát pha) ở trạng thái dẻo nhão Những loại đất này thường có độ sệt lớn (IL>1), có hệ số rỗng lớn (e>1), có góc ma sát nhỏ (ϕ<10o), có lực dính theo kết quả cắt nhanh không thoát nước C < 15Kpa, có lực dính theo kết quả cắt cánh tại hiện trường Cu < 35 Kpa, có sức chống mũi xuyên tĩnh qc < 0.1 MPa, có chỉ số xuyên tiêu chuẩn SPT là N < 5 (TCXD 245-2000)”

Tuy nhiên, nhiều nước trên thế giới thống nhất về định nghĩa theo sức kháng không thoát nước Su và trị số N của xuyên tiêu chuẩn SPT như sau: đất yếu có Su < 25 KPa hoặc N ≤ 4, đất rất yếu có Su < 12.5 KPa hoặc N ≤ 2

Phân loại đất yếu theo nguyên nhân của việc hình thành nên nền đất yếu như sau:

- Yếu vì kết cấu nền: Nguyên nhân này thường gặp ở các điều kiện địa chất

đất sỏi, đá cuội, đá tảng Các phần tử đất đá gối lên nhau không chắc chắn, ở một số tải trọng nhất định, công trình lún ít do đất biến dạng không nhiều, ở các tải trọng lớn hơn xảy ra đứt gẫy hoặc lún lệch làm công trình đổ Hoặc do yếu tố thay đổi về kết cấu chịu lực của vùng như sập một vài mỏ khai thác đá ở Việt Nam trong những năm gần đây có thể một phần là do yếu tố này Cũng có trường hợp đất sét tạo gối nước trong lòng đất, công trình đặt lên làm nền đất biến dạng từ từ, hoặc khoan cọc móng tại vùng địa chất bên cạnh, dẫn tới nứt ra những khe ngang làm nước thoát đi, độ lún biến đổi đột ngột, một số nhà cao tầng ở Thành phố Hồ Chí Minh có thể vì lý do này mà lún sập

- Yếu do độ ẩm: Nguyên nhân này thường gặp ở đất cát và đất sét, nước trong

đất tồn tại dưới hai dạng chủ yếu là tự do và liên kết Đây là các tác nhân chính gây ra hiện tượng đàn hồi thủy lực và tính nén của đất Các nhân tố này gây ra sự khó khăn lớn trong thi công, cản trở việc lắp đặt và sử dụng thiết bị gia cố Hiện tượng

này phổ biến ở các vùng đồng bằng ven sông, ven biển, các vùng rừng lâu năm và là yếu tố chính đối với các công trình thi công trên biển

- Yếu do đặc tính sinh hóa: Nguyên nhân này thường gặp ở các điều kiện địa

chất đã được gia cố Trải qua thời gian, do các tác động sinh hóa, như phản ứng hóa học trong thành phần của chất gia cố với nước, hoạt động của sinh vật và vi sinh vật, đất đã được gia cố trở nên yếu đi Đây là một vấn đề tương đối khó khăn đối với các công trình sử dụng biện pháp hóa học để gia cố đất như xi măng, thủy tinh…

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 cũng phải có yếu tố tay nghề thiết kế và bề dày kinh nghiệm xử lý của người, tổ chức tư vấn trong việc lựa chọn giải pháp hợp lý

1.2 Đặc trưng về các công trình công nghiệp

1.2.1 Khái niệm về công trình công nghiệp

Công trình công nghiệp là các công trình được xây dựng nhằm mục đích phục vụ việc sản xuất công nghiệp, tạo ra các sản phẩm cho nhu cầu sử dụng trong nước và xuất khẩu Các công trình công nghiệp thường được xây dựng ở những khu vực gần cảng, gần đường giao thông và vì thế thường đặt trên các nền đất yếu phải xử lý Trong một công trình công nghiệp thông thưòng gồm các hạng mục: cụm công trình chính là các nhà xưởng phục vụ sản xuất, văn phòng điều hành sản xuất…; cụm công trình phụ trợ là nhà ăn công nhân, nhà trọ công nhân, khu sinh hoạt chung… và cụm công trình hạ tầng kỹ thuật như trạm xử lý nước thải – trạm điện – cấp thoát nước – đường giao thông – mảng xanh… Trong phạm vi của đề tài, chỉ đề cập đến các vấn đề của nhà xưởng công nghiệp

Kết cấu phổ biến của công trình nhà xưởng công nghiệp hiện nay là khung thép tiền chế được lắp dựng trên hệ móng bêtông, nền bêtông cốt thép đặt trực tiếp

lên nền đất (slab on ground) Nền và móng hoàn toàn tách biệt, không liên kết

chung với nhau Hệ bao che thường là mái tôn, tường tôn hoặc tường gạch

1.2.2 Tải trọng tác động

Tải trọng tác động lên công trình được chia thành hai loại: Tải trọng thường xuyên và tạm thời

a Tải trọng thường xuyên: Trọng lượng bản thân công trình, trọng lượng đất

san lấp, các thiết bị - máy móc cố định đặt trên công trình (máy móc, cầu trục,…)

b Tải trọng tạm thời: Tải trọng gây ra trong quá trình sản xuất – sử dụng, tải

trọng gió, tải trọng nước mưa trên mái, tác động của cầu trục khi di chuyển, các tải trọng đặc biệt khác

Tải trọng tác động lên công trình được truyền xuống đất nền theo hai hướng: - Từ khung vì kèo thép, truyền xuống hệ móng dưới các chân cột

- Từ trên nền bêtông cốt thép đặt trực tiếp lên nền đất truyền xuống Đối với các công trình được xây dựng trên nền đất yếu, vấn đề quan tâm là nền bê tông cốt thép đặt trực tiếp trên nền đất Với hệ móng đỡ các chân cột, có thể dùng phương án móng sâu (cọc bêtông cốt thép, cọc nhồi…) do tải tập trung trên một diện hẹp Nhưng, với nền bêtông cốt thép trên nền đất thường với diện tích rộng và tải trọng đều khắp, việc sử dụng phương án móng sâu là không kinh tế Để đảm bảo ổn định và bền vững, đã có các nghiên cứu và áp dụng thực tế các phương pháp xử lý nền đất trước khi thi công Vì vậy, việc lựa chọn và áp dụng phương pháp xử lý mang tính quyết định đến hiệu quả kinh tế cũng như đảm bảo yêu cầu kỹ thuật xây dựng công trình

1.3 Giải pháp xử lý nền đất yếu dưới nền công trình nhà công nghiệp

Nội dung của các giải pháp xử lý nền đất yếu là tăng khả năng chịu tải của nền đất yếu, hạn chế biến dạng lớn gây nguy hại đến công trình ở giai đoạn sử dụng, từ đó tăng khả năng bền vững với thời gian của công trình

Hình 1.1 – Các giải pháp xử lý nền tiêu biểu

Các biện pháp xử lý nền đất yếu tiêu biểu đã được áp dụng ở Việt Nam bao gồm:

1.3.1 Gia tải trước kết hợp thoát nước đứng

Nguyên lý của biện pháp gia tải trước là áp một tải trọng lên nền để gây cố kết trong nền đất trước khi đặt công trình bằng cách ép nước ra khỏi các lỗ rỗng

trong đất Tuỳ theo yêu cầu của công trình mà ta xác định tải trọng cần gia tải, mức độ cố kết của nền trước khi đặt công trình

Ưu điểm: tăng khả năng chịu tải của nền, giảm độ lún khi sử dụng (do đã lún trước một phần)

Nhược điểm: thời gian xử lý chậm, có khả năng gây trượt tại biên khu vực gia tải Không hiệu quả đối với những tầng đất yếu dày và hạt đất quá mịn

Để giải quyết các nhược điểm này người ta tạo áp lực bằng hút chân không và kết hợp với bấc thấm (PVD) Bấc thấm (PVD) là có tác dụng thấm thẳng đứng để tăng nhanh quá trình thoát nước trong các lỗ rỗng của đất yếu Kết quả là làm tăng nhanh quá trình cố kết của nền đất yếu, tăng sức chịu tải và làm cho nền đất đạt độ lún quy định trong thời gian cho phép Bấc thấm được cấu tạo gồm 2 phần: Lõi chất dẻo được bao ngoài bằng vật liệu tổng hợp (thường là vải địa kỹ thuật Polypropylene hay Polyeste không dệt…)

Hình 1.2 – Thi công hệ bấc thấm thoát nước đứng

Bấc thấm có các tính chất vật lý đặc trưng sau: - Cho nước trong lỗ rỗng của đất thấm qua lớp vải địa kỹ thuật bọc ngoài vào lõi chất dẻo

- Lõi chất dẻo chính là đường tập trung nước và dẫn chúng thoát nhanh ra ngoài khỏi nền đất yếu bão hòa nước

Lớp vải địa kỹ thuật bọc ngoài là Polypropylene và Polyeste không dệt, có chức năng ngăn cách giữa lõi chất dẻo và đất xung quanh, đồng thời là bộ phận lọc, hạn chế cát hạt mịn chui vào làm tắc thiết bị Lõi chất dẻo có hai chức năng:

vừa đỡ lớp bao bọc ngoài, và tạo đường cho nước thấm dọc chúng ngay cả khi áp lực ngang xung quanh lớn

Nếu so sánh hệ số thấm nước giữa bấc thấm PVD với đất sét bão hòa nước cho thấy rằng, bấc thấm (PVD) có hệ số thấm (k = 1 x 10-4m/s) lớn hơn nhiều lần so với hệ số thấm nước của đất sét (k = 10-5 ÷ 10-6 m/s) Do đó, các bấc thấm (PVD) dưới tải trọng nén tức thời đủ lớn có thể ép nước trong lỗ rỗng của đất thoát tự do ra ngoài

1.3.2 Cọc cát

Phương pháp cọc cát đầm là một phương pháp để làm ổn định nền đất yếu bằng cách lèn chặt cát thành hình cột trụ vào trong đất yếu, tham gia cùng nền đất chống đỡ tải trọng công trình, đồng thời tạo ra các ống thoát nước (là cọc cát) làm giảm mực nước ngầm trong đất, làm chặt đất và cải thiện chỉ tiêu cơ lý của đất nền Tuy nhiên, đã gọi là cọc nên bản thân cọc cát phải đồng nhất, tiết diện liên tục theo chiều sâu, sức chịu tải của vật liệu phải lớn hơn đất nền nhiều lần, không được hòa lẫn vào trong đất Do đó, không phải loại đất nào cũng có thể sử dụng cọc cát Kích thước cọc cát có thể thay đổi từ 0.3 m đến 1m (có khi lớn hơn) Có các biện pháp thi công cơ bản sau:

Phương pháp nén chặt bằng tác động rung: Bộ phận rung chìm vào trong đất nhờ vào trong lượng bản thân cùng với chấn động rung Sau khi đạt đến chiều sâu định trước, bộ phận rung được rút lên từ từ và đồng thời chỗ trống được lấp đầy bằng vật liệu cát

Phương pháp thay thế bằng rung động: Bộ phận rung được nhấn chìm vào trong đất dưới tác dụng của bản thân co rung động cùng với tia nước hoặc khí phun có tác dụng thổi rửa cho đất khi đạt chiều sâu nhất định

Phương pháp rung động kết hợp: Phương pháp này được dùng phổ biến ở Nhật Cọc được xây dựng bằng cách đóng ống chống đến chiều sâu mong muốn, dùng búa rung thẳng đứng nặng đặt trên đầu ống Đổ vào một thể tích cát đã định rồi kéo ống lên từng nấc một, sau đó đóng chặt ống xuống nhằm ép lèn chặt cát sang hai bên Quá trình lặp lại cho đến khi toàn bộ cọc cát được xây dựng xong

Phương pháp khoan tạo lỗ: Cát được đầm nén trong một lỗ khoan trước bằng một vật nặng rời từ độ cao 1 m đến 1.5 m Phương pháp này có thể thay thế được phương pháp nén chặt bằng rung động và có giá thành thấp hơn Tuy nhiên, tác dụng phá hoại và tái tạo lại đất sau đầm có ảnh hưởng rất lớn với cái loại đất yếu và nhạy

Hình 1.3 – Cơ chế thi công cọc cát

Hình 1.4 – Thiết bị và biện pháp thi công Ưu điểm: Tăng khả năng chịu lực của nền bằng cách làm chặt đất, nền đất và

cọc cát như là một nền tự nhiên hoàn toàn

Khuyết điểm: Trong trường hợp làm chặt nền cần thận trọng vì những giả

thiết để tính toán là không phù hợp với đất sét yếu bão hoà nước Giả thiết đưa ra là thể tích vùng gia cố là không thay đổi (không có dịch chuyển ngang và đất

Kéo lên

Đóng xuống Lèn chặt Lèn chặt

Bơm áp lực cao

Cọc cát

Phễu rót

không trồi lên), như vậy nền sẽ được làm chặt, dung trọng của đất được tăng lên Giả thiết này chỉ phù hợp với đất thuộc loại hoàng thổ rời rạc, có mực nước ngầm nằm sâu Khi đóng tạo lỗ để thi công cọc cát với hiệu ứng rung đất sẽ được đầm chặt Còn đối với đất sét yếu bão hoà nước hiệu ứng nén chặt trong quá trình thi công cọc cát là không đáng kể vì sự nén chặt của nền đất là quá trình cố kết và đòi hỏi phải có thời gian

Tóm lại, nền đất yếu là đất sét hoặc á sét có độ ẩm W% lớn hoặc cát mịn bão hòa nước, hay mực nước ngầm cao là không dùng được biện pháp này

1.3.3 Cọc bêtông cốt thép

Với giải pháp này, ta có hai phương án: cọc được ngàm chặt vào nền bêtông cốt thép tạo thành hệ thống sàn – dầm – cọc (tương tự như móng cọc đài bè trong các công trình cao tầng), hoặc nền bêtông cốt thép được đặt trên nền cọc thông qua lớp đệm cát phủ đầu cọc Giải pháp xử lý nền có ưu điểm là tải trọng xuống cọc được phân bố hợp lí hơn; tính làm việc tổng thể của nhóm cọc tốt hơn Khi xem nền bêtông cốt thép là cứng thì các cọc ở biên sẽ chịu tải lớn hơn hoặc nhỏ hơn cọc ở giữa tùy theo trường hợp tải trọng Khoảng cách cọc nên gia tăng > 3d nhằm giảm bớt hiệu ứng nhóm cọc Nếu đạt 6d thì coi như không có hiệu ứng nhóm Khi đó sức chịu tải 1 cọc đơn lẻ coi là đồng nhất với sức chịu tải của từng cọc trong nhóm cọc

Hình 1.5 –Thi công cọc bêtông cốt thép

Nền bêtông cốt thép có nhiệm vụ liên kết và phân phối tải trọng từ trên mặt nền xưởng cho các cọc, đồng thời truyền một phần tải trọng xuống đất nền tại vị trí tiếp xúc giữa đáy nền xưởng và đất nền Nền xưởng có thể làm dạng bản phẳng

hoặc bản dầm nhằm tăng độ cứng chống uốn Chiều dày tối thiểu của nền xưởng được xác định theo điều kiện chọc thủng do lực tập trung do phản lực cọc Để điều chỉnh lún không đều có thể làm nền bêtông cốt thép với chiều dày thay đổi

Các cọc làm nhiệm vụ truyền tải trọng xuống nền đất dưới chân cọc thông qua sức kháng mũi và vào nền đất xung quanh cọc thông qua sức kháng bên Có thể bố trí cọc trong nền xưởng thành nhóm hay riêng rẽ, bố trí theo đường lối hay bố trí bất kỳ tuỳ thuộc vào mục đích của người thiết kế, nhằm điều chỉnh lún không đều, giảm áp lực lên nền ở đáy nền xưởng hay giảm nội lực trong nền xưởng

Ưu điểm: Tăng tính ổn định cho công trình do tải trọng phần lớn được truyền lên cọc và phân tán vào nền đất tốt bên dưới lớp đất yếu, chỉ một phần tải trọng được truyền trực tiếp lên nền đất yếu (với trường hợp có đệm cát) hoặc không có tải trọng truyền lên nền đất (trường hợp sàn – cọc liên hợp)

Khuyết điểm: Chi phí lớn, thời gian thi công lâu, gây xung động ảnh hưởng đến các công trình lân cận, khó thi công trong môi trường chật hẹp, có nhiều mối nối, chiều sâu chống cọc giới hạn…

1.3.4 Cột vữa bêtông (CMC)

Đây là biện pháp khoan vào đất nền và phụt vữa bê tông hình thành các cột vữa trong nền đất Cần khoan được hạ vào trong đất đến độ sâu thiết kế, trong quá trình khoan, đất nền không được lấy lên mà được ép chặt qua hai bên, làm tăng độ chặt cho đất nền Trong quá trình rút cần khoan lên, tương tự như cột ximăng – đất, vữa bêtông được bơm vào với một áp lực thấp, khoảng 10 kG/cm2, lấp đầy hố khoan mà không trộn lẫn với đất nền Nhằm đảm bảo không cho đất nền trong thành hố khoan bên trên mũi khoan không bị sạt xuống vữa bêtông trong quá trình rút mũi khoan lên, mũi khoan tiến hành xoay ngược chiều lúc khoan xuống, lèn ép đất xung quanh hố khoan một lần nữa Cùng với áp lực ngang do vữa bêtông đè vào thành hố khoan, đất nền xung quanh hố khoan được lèn chặt thêm và cứng hơn dưới tác dụng đóng cứng của vữa bêtông Vữa bêtông sử dụng trong biện pháp này có các yêu cầu gần giống với vữa bêtông cọc khoan nhồi, nhằm đảm bảo mức độ linh động và khả năng tự chảy của vữa bêtông trong suốt quá trình bơm

Biện pháp gia cố này dựa trên nguyên lý: đất yếu được lèn chặt bằng các cột vữa bêtông và sự chịu lực đồng thời giữa đất và cột (composite action) Việc gia cố đất yếu bằng CMC hầu như không gây ra bất cứ một xung động nào làm ảnh hưởng đến các công trình lân cận, không phải nạo vét đất thừa, thi công nhanh, sạch, không gây tiếng ồn lớn, cũng như kiểm soát được phần lớn chất lượng thi công

Nhược điểm: - Đường kính cọc phụ thuộc vào mũi khoan - Chiều dài cọc lớn nhất chỉ được 30 m - Chi phí cao do phải sử dụng nhiều vữa bêtông

Ưu điểm: - Vữa / bêtông được nhồi vào đất nền mà không phải nạo vét Đất xung quanh cọc được cải thiện nhờ sự ép chặt sang ngang

- Modun biến dạng cao gấp 100 đến 3000 lần đất, xử lý tốt đối với các vùng đất yếu có tính biến dạng lớn mà các phương pháp khác (ngoài phương pháp cọc BTCT) không xử lý đảm bảo độ biến dạng

- Không bị phình ngang khi chịu tải dọc trục trong trường hợp đất nền xung quanh quá yếu như trong cột đá / cột cát

Kiểm soát được chất lượng thi công, thi công nhanh và có thể thi công trong môi trường chật hẹp

Cột làm việc như một cọc bêtông: có sức kháng thành bên và sức kháng mũi Do sự chịu lực đồng thời giữa cột vữa bêtông và đất, nên có thể không cần

phải cắm mũi cọc vào lớp đất tốt, qua đó có thể rút ngắn được chiều dài cọc

Hình 1.6 – Thiết bị thi công cột vữa bêtông CMC

CỘT ĐÁ: PHÌNH NGANG

khoan 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 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) Quá trình ninh kết hỗn hợp xi măng – đất sẽ phát sinh nhiệt làm một phần nước xung quanh bị hút vào do quá trình thủy hóa, một phần khác thì bốc hơi đi Hiện tượng này làm đất xung quanh cột xi măng – đất tăng độ bền hơn trước Phương pháp xử lý bằng cột xi măng – đất khá đơn giản: bao gồm một máy khoan với hệ thống lưới có đường kính thay đổi tuỳ thuộc theo đường kính cột được thiết kế và các xi lô chứa xi măng có gắn máy bơm nén với áp lực lên tới 12 kg/cm2 Các máy khoan của Thuỵ Điển và Trung Quốc có khả năng khoan sâu đạt đến 35 m và tự động điều chỉnh định vị cần khoan luôn thẳng đứng Trong quá trình khoan lưỡi được thiết kế để trộn đầu đất và xi măng, xi măng khô được phun định lượng liên tục và trộn đều tạo thành những cột xi măng đất

Quá trình phun (hoặc bơm) chất kết dính để trộn với đất trong hố khoan, tuỳ theo yêu cầu có thể được thực hiện ở cả hai pha khoan xuống và rút lên của mũi khoan hoặc chỉ thực hiện ở pha rút mũi khoan lên Để tránh lãng phí xi măng, hạn chế xi măng thoát ra khỏi mặt đất gây ô nhiễm môi trường thông thường khi rút mũi khoan lên cách độ cao mặt đất từ 0.5m đến 1.5m người ta dừng phun chất kết dính, nhưng đoạn cột 0.5m đến 1.5m này vẫn được phun đầy đủ chất kết dính là nhờ chất kết dính có trong đường ống tiếp tục được phun (hoặc bơm) vào hố khoan

Hình 1.11 – Thiết bị thi công

Hình 1.12 – Biện pháp thi công

Cột xi măng – đất là loại cột mềm, có độ cứng tăng lên từ vài chục lần đến vài trăm lần so với đất tự nhiên Tuy nhiên hỗn hợp xi măng và đất sẽ đạt tốt nhất chỉ với một hàm lượng tối thuận của chất kết dính Do vậy, phải tiến hành hết sức cẩn trọng nhiều thí nghiệm trong phòng để xác định hàm lượng tối ưu đó nhằm hướng dẫn cho hiện trường

So với một số giải pháp xử lý nền hiện có, công nghệ cột xi măng – đất có ưu điểm là khả năng xử lý sâu (đến 50m), thích hợp với các loại đất yếu (từ cát thô cho đến bùn yếu), thi công được cả trong điều kiện nền ngập sâu trong nước hoặc điều kiện hiện trường chật hẹp, trong nhiều trường hợp đã đưa lại hiệu quả kinh tế rõ rệt so với các giải pháp xử lý khác (nếu sử dụng phương pháp cọc đóng ép hoặc cọc khoan nhồi thì rất tốn kém do tầng đất yếu bên trên dày)

Ưu điểm nổi bật của cột xi măng – đất là: - Thi công nhanh, kỹ thuật thi công không phức tạp, không có yếu tố rủi ro cao Tiết kiệm thời gian thi công đến hơn 50% do không phải chờ đúc cọc và đạt đủ cường độ

- Hiệu quả kinh tế cao Giá thành hạ hơn nhiều so với phương án cọc đóng, đặc biệt trong tình hình giá vật liệu cao như hiện nay

- Rất thích hợp cho công tác xử lý nền, xử lý móng cho các công trình ở các khu vực nền đất yếu như bãi bồi, ven sông, ven biển

- Thi công được trong điều kiện mặt bằng chật hẹp, mặt bằng ngập nước - Khả năng sử lý sâu (có thể đến 50m)

- Địa chất nền là cát rất phù hợp với công nghệ gia cố ximăng, độ tin cậy cao Khuyết điểm: chất lượng của biện pháp phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: - Loại xi măng nào sẽ được sử dụng, thành phần xi măng

- Loại đất cần gia cố, khoáng trong đất, độ pH của đất - Biện pháp bảo dưỡng

- Công nghệ thi công - Gia cố nền đất có nhiều tầng đất có sự thay đổi lớn về các đặc trưng vật lý - Nhiều thí nghiệm cho thấy rằng khó kiểm soát được mođun của cột xi măng đất

Hình 1.13 – Thực tế thi công cột xi măng đất

1.4 Nhận xét

Trong các giải pháp xử lý nền đất yếu trên, mỗi giải pháp có những ưu và nhược điểm riêng Tùy thuộc vào từng loại công trình và đất nền cụ thể, có thể sử dụng giải pháp phù hợp hoặc kết hợp một số giải pháp với nhau để đạt hiệu quả cao nhất về kỹ thuật và cả kinh tế

Đối với việc xử lý nền đất yếu dưới các nền nhà xưởng công nghiệp có tải

trọng lớn với các ưu, khuyết điểm của các giải pháp trên ta thấy rằng việc lựa chọn giải pháp xử lý bằng cột xi măng đất là giải pháp hợp lý nhất do đáp ứng được các yêu cầu về tiến độ, hiệu quả kinh tế cao và phù hợp với nhiều loại đất nền

Trong việc nghiên cứu, ta sẽ cố gắng làm rõ các vấn đề: - Khả chịu lực của một cột và của nhóm cột CDM - Việc tăng khả năng chịu lực và ổn định của đất nền, rút ngắn thời gian xây dựng công trình

- Tính toán bằng phương pháp giải tích dựa trên các lý thuyết và so sánh với phương pháp tính bằng phần tử hữu hạn mô phỏng bài toán bằng phần mềm máy tính

CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN VÀ CÔNG NGHỆ THI CÔNG CỘT XI MĂNG ĐẤT

2.1 Các quan điểm tính toán cột ximăng - đất xử lý nền đất yếu

Hiện nay, vấn đề tính sức chịu tải và biến dạng của nền đất gia cố bằng cột ximăng-đất vẫn còn là vấn đề tranh luận nhiều Nhưng có 3 quan điểm chính như sau:

- Quan điểm cột làm việc như cọc (tính toán như móng cọc) - Quan điểm xem cột và đất cùng làm việc đồng thời (tính toán như đối với nền thiên nhiên)

- Quan điểm hỗn hợp tính toán theo cả hai quan điểm trên nghĩa là sức chịu tải thì tính toán như “cọc”, còn biến dạng thì tính toán theo nền

Sở dĩ các quan điểm trên chưa hoàn toàn thống nhất bởi vì bản thân vấn đề phức tạp, những nghiên cứu về lý thuyết và thực nghiệm về vấn đề này chưa nhiều

2.1.1 Theo quan điểm cột làm việc như “cọc”

Theo quan điểm này đòi hỏi trụ phải có độ cứng tương đối lớn và các đầu trụ này được đưa vào tầng đất chịu tải Khi đó lực truyền vào móng sẽ chủ yếu đi vào các cột xi măng đất (bỏ qua sự làm việc của đất nền dưới đáy móng) Trong trường hợp trụ không đưa được xuống tầng đất chịu lực thì có thể dùng phương pháp tính toán như tính toán với cọc ma sát

a Đánh giá ổn định các trụ gia cố theo trạng thái giới hạn 1

Khả năng chịu lực của công trình phụ thuộc vào số lượng và cách bố trí các trụ trong khối móng Kết quả phân tích tính toán thể hiện thông qua nội lực tác dụng lên trụ: M, N, Q

Để móng trụ đảm bảo an toàn cần thỏa mãn các điều kiện sau: Nội lực lớn nhất trong một trụ: Nmax < Qult/Fs

Mômen lớn nhất trong một trụ: Mmax < [Mgh] của vật liệu làm trụ Chuyển vị của khối móng : Δy < [Δy]

Trong đó:

Qult - Sức chịu tải giới hạn của cọc ximăng - đất;

[M] - Mômen giới hạn của cọc ximăng - đất; Fs - Hệ số an toàn

Việc tính toán nội lực trong thân cột M, N, Q và chuyển vị móng cột Δy có thể dùng các phần mềm hiện có để tính toán Trong trường hợp không có phần mềm để tính toán các điều kiện ổn định trên có thể viết lại như sau:

- Trường hợp tải trọng đúng tâm:

- Trường hợp tải trọng lệch tâm:

b Đánh giá ổn định các trụ gia cố theo trạng thái giới hạn 2

Tính toán theo trạng thái giới hạn 2 đảm bảo cho móng trụ không phát sinh biến dạng và lún quá lớn:

Trong đó:

[Sgh] - độ lún giới hạn cho phép; ∑Si - độ lún tổng cộng của móng cột Nhìn chung trong thực tế quan điểm này có nhiều hạn chế và có nhiều điểm chưa rõ ràng Chính vì những lý do đó nên ít được dùng trong tính toán

2.1.2 Theo quan điểm tính toán như nền tương đương

Nền trụ và đất dưới đáy móng được xem như nền đồng nhất với các số liệu cường độ ϕtđ, Ctđ, Etđ được nâng cao (được tính từ ϕ, C, E của đất nền xung quanh trụ và vật liệu làm trụ) Công thức quy đổi tương đương ϕtđ, Ctđ, Etđ dựa trên độ cứng của cột ximăng - đất, đất và diện tích đất được thay thế bởi cột ximăng - đất Gọi m là tỷ lệ giữa diện tích cột xi măng đất thay thế trên diện tích đất nền

sp

AA

1 Sức chịu tải của cột đơn

Khả năng chịu tải của cột ximăng - đất được quyết định bởi sức kháng cắt của đất sét yếu bao quanh (đất bị phá hoại) hay sức kháng cắt của vật liệu cột ximăng - đất (cột ximăng - đất phá hoại) Loại phá hoại đầu phụ thuộc cả vào sức cản do ma sát mặt ngoài cột ximăng - đất và sức chịu chân cột ximăng - đất, loại sau còn phụ thuộc vào sức kháng cắt của vật liệu cột ximăng - đất Khả năng chịu tải giới hạn

ngắn của cột ximăng - đất đơn trong đất sét yếu khi đất phá hoại được tính theo biểu thức sau:

Qgh, đất = (πdHcột+2.25 πd2)Cu (2-8)

Trong đó:

d - đường kính của cột ximăng - đất; Hcột - chiều dài cột ximăng - đất; Cu -độ bền cắt không thoát nước trung bình của đất sét bao quanh, được xác định bằng thí nghiệm ngoài trời như thí nghiệm cắt cánh và xuyên côn

Giả thiết là sức cản mặt ngoài bằng độ bền cắt không thoát nước của đất sét Cu và sức chịu ở chân cột ximăng - đất tương ứng là 9 Cu Sức chịu ở chân cột ximăng - đất treo không đóng vào tầng nén chặt, thường thấp so với mặt ngoài Sức chịu ở chân cột ximăng - đất sẽ lớn khi cột ximăng - đất cắt qua tầng ép lún vào đất cứng nằm dưới có sức chịu tải cao Phần lớn tải trọng tác dụng sẽ truyền vào lớp đất ở dưới qua đáy của cột xi măng đất Tuy nhiên sức chịu ở chân cột xi măng đất không thể vượt qua độ bền nén của bản thân cột xi măng đất

Trong trường hợp cột xi măng đất đã bị phá hoại trước thì các cột xi măng đất được xem như một lớp đất sét cứng nứt nẻ Độ bền cắt của hỗn hợp sét ở dạng cục hay hợp thể đặc trưng cho giới hạn trên của độ bền Khi xác định bằng thí nghiệm xuyên hay cắt cánh, giới hạn này vào khoảng từ 2 ÷ 4 lần độ bền cắt dọc theo mặt liên kết khi xác định bởi thí nghiệm nén có nở hông

Hình 2.1 Sơ đồ phá hoại của đất dính gia cố

bằng cột xi măng-đất

Đường bao phá hoại tương ứng trên Hình 2.1 Khả năng chịu tải giới hạn ngắn ngày do cột xi măng đất bị phá hoại ở độ sâu z được tính từ quan hệ:

Qgh,cột xi măng đất=Acộtx(3.5 Ccột+3σn) (2-9)

Trong đó:

Ccột - lực dính kết của vật liệu cột xi măng đất; σn - áp lực ngang tổng cộng tác động lên cột xi măng đất tại mặt cắt giới hạn

Giả thiết góc ma sát trong của đất là 30o Hệ số tương ứng hệ số áp lực bị động Kb khi ϕgh,cột xi măng đất=30o

Giả thiết là: σn =σp + 5 Cu (2-10)

Trong đó:

σp - áp lực tổng của các lớp phủ bên trên; Cu- độ bền cắt không thoát nước của đất sét không ổn định bao quanh Công thức này được dùng khi thiết kế có xét áp lực tổng của các lớp phủ bên trên, vì áp lực đất bị động thay đổi khi chuyển vị ngang lớn

Do hiện tượng rão, độ bền giới hạn lâu dài của cột xi măng đất thấp hơn độ bền ngắn hạn Độ bền rão của cột xi măng đấtQrão,cột xi măng đất từ 65% - 85% của

như Hình 2.2 Có thể dùng quan hệ này để tính sự phân bố tải trọng σrão,cột xi măng đất

và môđun ép co của vật liệu cột xi măng đất tương ứng độ dốc của đường quan hệ Khi vượt quá độ bền rão, tải trọng ở cột xi măng đất được coi là hằng số

Hình 2.2 Quan hệ ứng suất - biến dạng vật liệu xi măng đất

2 Khả năng chịu tải giới hạn của nhóm cột xi măng đất

Hình 2.3 Phá hoại khối Hình 2.4 Phá hoại cắt cục bộ

Khả năng chịu tải giới hạn của nhóm cột xi măng đất phụ thuộc vào độ bền cắt của đất chưa xử lý giữa các cột xi măng đất và độ bền cắt của vật liệu cột xi măng đất Sự phá hoại quyết định bởi khả năng chịu tải của khối với cột xi măng đất

Trong trường hợp đầu, sức chống cắt dọc theo mặt phá hoại cắt qua toàn bộ khối sẽ quyết định khả năng chịu tải và khả năng chịu tải giới hạn của nhóm cột xi măng đất được tính theo:

Qgh,nhóm = 2CuH[B+L] +(6÷9)CuBL (2-11)

Trong đó:

B, L và H - chiều rộng, chiều dài và chiều cao của nhóm cột xi măng đất Hệ số 6 dùng cho móng chữ nhật khi chiều dài lớn hơn chiều rộng nhiều (tức là L>>B) Còn hệ số 9 dùng cho móng vuông

Trong thiết kế, kiến nghị không dùng khả năng chịu tải giới hạn vì phải huy động sức kháng tải trọng lớn nhất làm cho biến dạng khá lớn, bằng 5-10% bề rộng vùng chịu tải

Khả năng chịu tải giới hạn, có xét đến phá hoại cục bộ ở rìa khối cột xi măng đất, phụ thuộc vào độ bền chống cắt trung bình của đất dọc theo mặt phá hoại gần tròn như trong Hình 2.4 Độ bền cắt trung bình có thể tính như khi tính ổn định mái dốc Khả năng chịu tải giới hạn có chú ý đến phá hoại cục bộ, được tính theo biểu thức (2-12) sau:

3 Tính toán biến dạng

Hình 2.5 Sơ đồ tính toán biến dạng

Tổng độ lún của công trình xây dựng trên nền đất gia cố bằng cột xi măng đất như trên Hình 2.5 Tổng độ lún lớn nhất lấy bằng tổng độ lún cục bộ của toàn khối nền được gia cường (Δh1) và độ lún cục bộ của tầng đất nằm dưới đáy khối đất được gia cường phía trên (Δh2)

- Tải trọng ngoài tác dụng tương đối nhỏ và cột xi măng đất chưa bị rão:

Nếu độ lún dọc trục các trụ tương ứng với độ lún phần sét yếu xung quanh, thì sự phân bố tải trọng ngoài sẽ phụ thuộc vào độ cứng tương đối của vật liệu cột Chừng nào ứng suất dọc trục cột (σcột ) còn nhỏ hơn độ bền giới hạn rão của nó

liệu cột và của đất đã gia cường, được tính theo công thức (2-14) sau:

cét

dcét

cét

MA

a()(1 a)M

eΔσ=

Δ ; Δσ - số gia ứng suất truyền lên đất hay cột và Δe - số gia hệ số rỗng của đất nền hay vật liệu cột)

Tải trọng phân bố đều q (do công trình hay nền đất đắp bên trên truyền xuống), một phần truyền cho trụ q1, phần khác truyền cho đất q2 Nếu trụ và đất xung quanh có cùng chuyển vị tương đối, có thể dùng quan hệ (2-15) sau:

q (BL)q (BL)nAM=(BLnA)M

aM(1 a)MΔ =

β - tỷ số giữa tổng độ lún của khối đất đã gia cường bằng cột xi măng đất với tổng độ lún của chính khối đất đó ở trạng thái tự nhiên:

MaM(1 a)Mβ =

- Tải trọng ngoài tác dụng lớn và cột xi măng đất bị rão: Như trường hợp 1, tải trọng q được phân ra làm 2 phần q1 truyền cho cột và q2truyền cho nền đất xung quanh cột, chúng được tính toán như sau:

1

nQq

BL

Thành phần q1dùng để tính độ lún cục bộ Δh2, và thành phần q2 dùng để tính độ lún cục bộ Δh1

Hình 2.6 Sơ đồ tải trọng truyền cho cột

Hình 2.7 Sơ đồ tải trọng truyền cho đất không ổn định giữa các cột

khi tải trọng vượt quá độ bền rão

b Cách tính toán theo quy phạm Trung Quốc DBJ 08-40-94

1 Sức chịu tải của cọc đơn:

Lực chịu tải cho phép của cột đơn xi măng đất nên xác định thông qua thí nghiệm tải trọng cột đơn, cũng có thể tính theo công thức (2-22) hoặc (2-23):

AP - diện tích mặt cắt của cột (m2); η - hệ số triết giảm cường độ thân cột, có thể lấy 0,3 ~ 0,4; UP - chu vi của cột (m);

qsi - lực ma sát cho phép của lớp đất thử i xung quanh cột Đối với đất bùn có thể lấy 5~8 kPa; đối với đất lẫn bùn có thể lấy 8~12 kPa; đối với đất sét có thể lấy 12~15 kPa;

li - chiều dày của lớp đất thử i xung quanh cột (m); qP - lực chịu tải (kPa) của đất móng thiên niên mũi cột;

α - hệ số triết giảm lực chịu tải của đất móng thiên nhiên ở mũi cột, có thể lấy 0,4 ~ 0,6

Lực chịu tải đất móng hỗn hợp cột xi măng đất chịu lực nên thông qua thí nghiệm tải trọng móng tổ hợp để xác định, cũng có thể có ước tính theo công thức:

p

m.Pf= Α + β −(1 m)f (2-24)

Trong đó:

ƒsp - lực chịu tải cho phép của móng tổ hợp (kPa); ƒs - lực chịu tải cho phép của đất móng thiên nhiên giữa các cột (kPa);

m - tỷ lệ phân bố diện tích cột và đất; β - hệ số triết giảm lực chịu tải của đất giữa cột Khi đất mũi cột là đất yếu, có thể lấy 0,5 ~ 1,0; khi đất mũi cột là đất cứng, có thể lấy 0,1 ~0,4 Cũng có thể căn cứ yêu cầu công trình đạt tới lực chịu tải cho phép của móng tổ hợp, tìm tỷ lệ phân bố diện tích cột và đất theo công thức:

f.fm

P A.f− β=

− β

Khi bố trí mặt bằng cột xi măng đất chịu lực có thể căn cứ yêu cầu về lực chịu tải và biến dạng của nền móng đối với kiến trúc phần trên cũng như đặc điểm kết cấu phần trên, sử dụng các hình thức gia cố như hình trụ, kiểu tường, hình vây quanh hoặc hình khối, cột có thể chỉ bố trí trong phạm vi mặt bằng nền móng Chiều dài cột phải căn cứ các yếu tố như cầu biến dạng của khối kiến (cấu) trúc và kết cấu móng để xét

Xử lý nền móng cột có thể bố trí cột theo hình vuông hoặc tam giác đều, tổng số cột cần dùng tính theo công thức:

p

m.An

A

Trong đó:

n - tổng số cột; A - diện tích đáy nền móng (m2) Khi cột xi măng đất chịu lực có tỷ lệ phân bố đất và cột tương đối lớn (m>20%), đồng thời lại không bố trí theo hàng đơn, phải coi chùm cột xi măng đất với đất giữa cột là một móng nặng toàn khối quy ước Để kiểm tra cường độ lớp đất mềm yếu dưới đáy móng nặng toàn khối quy ước, áp dụng công thức (2-27):

1

f AGA qf (AA )

fA

fs - lực chịu tải cho phép của đất móng ở cạnh mép móng nặng toàn khối qui ước (kPa);

A1 - diện tích mặt đáy của móng nặng toàn khối quy ước (m2); f - lực chịu tải cho phép của đáy móng sau khi chỉnh sửa mặt đáy móng nặng toàn khối quy ước (kPa)

2 Tính toán biến dạng

Tính toán biến dạng của đất móng hỗn hợp cột xi măng đất chịu lực phải bao gồm tổng của biến dạng co nén của cụm cột xi măng đất và co nén biến dạng của lớp đất chưa gia cố dưới mũi cột Trong đó trị số biến dạng co nén của cụm cột có thể căn cứ kết cấu phần trên, chiều dài cột, cường độ thân cột v.v lấy 20 - 40 mm theo kinh nghiệm Trị số biến dạng co nén của lớp đất chưa gia cố dưới đầu cột xi măng đất tính toán như đất nền thiên nhiên chưa gia cố

2.2 Các thí nghiệm phục vụ thiết kế và thi công cột xi măng đất

Việc trước tiên trong thiết kế thi công gia cố nền bằng phương pháp cột xi măng đất cũng tương tự như các phương pháp gia cố nền móng khác, đó là tiến hành công đoạn thí nghiệm

Các công việc tiến hành công đoạn thí nghiệm phục vụ cho việc thiết kế thi công gia cố nền bằng phương pháp cột xi măng đất bao gồm:

Khảo sát xác định các điều kiện ban đầu của đất nền như các chỉ tiêu cơ lý, địa tầng, nước ngầm v.v

Khảo sát sự tăng cường độ đất tự nhiên với xi măng, thông qua các mẫu lấy được tại hiện trường xây dựng Tìm ra hàm lượng chất gia cố (ximăng) tối ưu về kinh tế và kỹ thuật

Thiết kế dựa trên một giá trị cường độ lựa chọn Kiểm tra trên cột thi công thử nghiệm ở hiện trường để đánh giá sự tương thích giữa thiết kế và thực tế

2.2.1 Khảo sát địa chất khu vực công trình

Việc khảo sát địa chất công trình xây dựng nhằm xác định rõ các yếu tố về địa hình, địa mạo, mực nước ngầm và các yếu tố khác v.v

Các thông số cần xác định: + Địa hình của khu vực xây dựng

+ Lát cắt địa chất + Các kết quả thí nghiệm về các chỉ tiêu cơ lý của từng lớp đất + Địa chất thuỷ văn như cao độ mực nước ngầm (hiện tại và mưch nước cao nhất có thể), tính chất nước ngầm

+ Tài liệu về công trình lân cận, môi trường xây dựng

2.2.2 Thí nghiệm trong phòng xác định các chỉ tiêu thiết kế của cột xi măng đất

Để thiết kế được nền gia cố bằng cột xi măng đất cần phải biết được tính chất vật liệu tạo nên cột Do đó mục đích chính của thí nghiệm là thông qua thí nghiệm trong phòng để xác định hàm lượng ximăng và các phụ gia khác nhằm phục vụ mục đích thiết kế

Đối với việc xác định cường độ: Hiện nay giá trị cường độ cột sử dụng trong thiết kế là R28 Để xác định giá trị này ta phải thực hiện trộn nhiều các trường hợp hàm lượng ximăng khác nhau Với mỗi giá trị hàm lượng ximăng khác nhau, người ta chia ra làm nhiều tổ mẫu, mỗi tổ mẫu không quá 3 mẫu Mỗi tổ mẫu được thí nghiệm theo tuổi mẫu 3 ngày, 7 ngày và 28 ngày

Các thông số khác cần xác định là chỉ tiêu cơ lý (dung trọng, độ ẩm v.v ) cường độ (chịu cắt, chịu nén), mô đun biến dạng của xi măng đất, các chỉ số này phụ thuộc tổng thể nhiều yếu tố: hàm lượng ximăng, hàm lượng chất hữu cơ trong đất, ngày tuổi, loại và hàm lượng phụ gia vì vậy để xác định cường độ chịu lực của cột xi măng đất cần phải thí nghiệm với nhiều tổ mẫu khác nhau Công việc này được thực hiện cho mỗi công trình và cho từng trường hợp đất đặc trưng

Như vậy, cường độ của cột xi măng đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố cả chủ quan và khách quan Từ kết quả của các thí nghiệm thực hiện sẽ đưa ra khoảng áp dụng đối với mỗi loại đất nền, tải trọng công trình, từ đó sẽ quyết định hàm lượng xi măng và mật độ cột xi măng đất cần phải thi công

2.2.3 Thí nghiệm hiện trường

a Xác định cường độ chịu tải của cột xi măng đất

Để kiểm tra chất lượng cũng như khả năng chịu tải của các cột xi măng đất có một khâu rất quan trọng đó là việc kiểm tra cường độ chịu tải của các các cột tại hiện trường Có nhiều thí nghiệm khác nhau để kiểm tra khả năng chịu lực của cột tuỳ thuộc vào yêu cầu cụ thể

Trước khi thi công đại trà, trong khu vực công trình cần phải thi công một số cộ thử để kiểm tra giá trị thiết kế dựa trên kết quả thí nghiệm trong phòng Sự thay đổi cục bộ về điều kiện địa chất có thể làm ảnh hưởng đến các thông số thiết kế và thi công Do đó các cột thử nên bố trí đều trong khu vực gia cố Các thí nghiệm thường hay được sử dụng như: CPT, SPT, xuyên cắt thuận, xuyên cắt nghịch, nén ngang, thí nghiệm nén tải trọng tĩnh thường được sử dụng cho các mục đích này

1 Thí nghiệm xuyên tĩnh CPT:

Được tiến hành trước và sau khi gia cố bằng cột xi măng đất để đánh giá độ đồng đều của cột và hiệu quả của việc gia cố bằng cột xi măng đất Thông qua các kết quả thí nghiệm xuyên như: sức kháng xuyên qc, ma sát bên Fs và có thể cả áp lực lỗ rỗng u (tuỳ thuộc thiết bị) Từ đó xác định được:

- Cấu tạo địa tầng khu vực khảo sát - Các chỉ tiêu cơ lý đất nền trước và sau gia cố: E, C, ϕ - Sức chịu tải của cột xi măng đất v.v

2 Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT):

Trong thí nghiệm này, ta đóng một ống lấy mẫu (kích thước tiêu chuẩn) vào trong đất dưới năng lượng đóng tiêu chuẩn Đếm số nhát đập N để ống mẫu ngập vào trong đất một đoạn là 30 cm Từ kết quả số nhát đập N ta suy ra cấu tạo địa tầng, các chỉ tiêu cơ lý v.v

3 Thí nghiệm xuyên cắt thuận:

Là phương pháp thông dụng nhất xác định sức kháng cắt của cột Một đầu xuyên có gắn với cánh thép được nhấn xuống cột Cánh thép có chiều rộng tương đương với đường kính cột dùng để đánh giá cường độ và tính đồng nhất của cột Từ các kết quả đo được lập biểu đồ quan hệ giữa lực ấn cần thiết (kN) và chiều sâu xuyên (m) để đánh giá tính đồng nhất và cường độ kháng cắt của cột Thí nghiệm này thích hợp cho cột có chiều dài tới 10m

4 Thí nghiệm xuyên cắt nghịch:

Tương tự như thí nghiệm xuyên cắt thuận, nhưng được thực hiện từ đáy cột trở lên Lưỡi cắt được đặt xuống đáy cột trong quá trình thi công và được nối với một dây cáp lên mặt đất Thí nghiệm này thích hợp cho cột có chiều dài trên 10 (m)

5 Thí nghiệm nén ngang PMT (Pressure Meter Test):

Thí nghiệm này cho kết quả là quan hệ “áp lực – chuyển vị” của đất Từ PMT ta có thể ước tính môđun biến dạng của đất, dự báo độ lún của công trình và dự báo sức chịu tải theo phương ngang Thí nghiệm này rất phức tạp, đòi hỏi phải có thiết bị hiện đại và thao tác chính xác mới cho kết quả tin cậy

b Xác định các thông số phục vụ tính toán

Tuỳ thuộc vào yêu cầu thiết kế, tính toán mà người thiết kế cần phải xác định các thông số tương ứng phục vụ cho công tác tính toán Tuy nhiên trong hầu hết các trường hợp cần xác định các thông số như sau:

+ Các thông số của hỗn hợp xi măng đất: Chỉ tiêu cơ lý, cường độ chịu nén Rn (kPa), cường độ chịu kéo Rk (kPa), sức kháng cắt của xi măng đất Su (T2), lực ma sát giữa cột và đất xung quanh cột T1 (kPa), môđun biến dạng của xi măng đất Eđ

+ Các thông số của cột xi măng đất: Sức chịu tải nén, sức chịu tải kéo, sức chịu tải chung giữa cột và đất, mức độ biến dạng của đất, xi măng đất

2.2.4 Hình thức bố trí cột xi măng đất gia cố nền móng

Có 2 dạng sơ đồ bố trí cột xi măng đất với mục đích gia cố nền là: - Bố trí các cột theo mạng lưới so le (Hình 2.7) hoặc thẳng hàng cách đều nhau (Hình 2.8)

- Bố trí theo dạng khung (Hình 2.9) Bố trí theo mạng lưới cách đều thường ứng dụng có tải trọng lớn, tải trọng đều theo hai phương, các cột chủ yếu chịu nén Bố trí theo kiểu khung thường sử dụng khi diện tích mặt bằng lớn, kiểu bố trí này không phù hợp với việc gia cố để tăng khả năng chống lực cắt ngang trên phạm vi hẹp Khi đó các lớp đất yếu chỉ bị nén xuống chứ không bị dịch chuyển ngang, làm tăng hiệu quả gia cố