LUẬN VĂN GIA CỐ THÀNH HỐ ĐÀO SÂU BẰNG DÃY CỌC XI MĂNG ĐẤT PGS TS KS LÊ KIỀU

iÖn nay, qu¸ tr×nh ®« thÞ ho¸ ®ang bïng næ ë ViÖt Nam, hµng lo¹t c¸c c«ng tr×nh ngÇm ®« thÞ nh­ tÇng hÇm cho c¸c nhµ cao tÇng, kh¸ch s¹n, c¸c ®­êng hÇm chui qua ®­êng giao th«ng, c¸c gara «t« ngÇm d­íi ®Êt ®ang ®­îc x©y dùng ë c¸c thµnh phè lín nh­ Hµ Néi, thµnh phè Hå ChÝ Minh, H¶i Phßng, §µ N½ng vµ c¸c khu ®« thÞ kh¸c trªn c¶ n­íc. ViÖc thiÕt kÕ, thi c«ng c¸c c«ng tr×nh ngÇm lu«n lµ c«ng viÖc khã kh¨n vµ phøc t¹p. Mét trong nh÷ng vÊn ®Ò phøc t¹p trong thi c«ng c«ng tr×nh ngÇm lµ thi c«ng nh÷ng hè ®µo s©u cã ®é s©u ®Õn hµng chôc mÐt mµ viÖc gi÷ æn ®Þnh vµ gia cè v¸ch hè ®µo th­êng lµ h¹ng môc khã kh¨n vµ tèn kÐm nhÊt. Cã nhiÒu ph­¬ng ph¸p gia cè thµnh hè ®µo ®­îc nghiªn cøu, ph¸t triÓn vµ sö dông réng r·i trªn thÕ giíi vµ tõng b­íc ®­îc øng dông thµnh c«ng ë ViÖt Nam, cã thÓ kÓ ®Õn nh­ ph­¬ng ph¸p gia cè b»ng cäc v¸n thÐp hay èng thÐp, t­êng trong ®Êt, cäc khoan nhåi C¸c ph­¬ng ph¸p kÓ trªn cã nhiÒu ­u ®iÓm, nh­ng do ph¶i sö dông vËt liÖu ®¾t tiÒn vµ c¸c thiÕt bÞ thi c«ng chuyªn dông nªn gi¸ thµnh th­êng rÊt cao. Trong thêi gian qua, viÖc x©y dùng c¸c c«ng tr×nh ngÇm ë ViÖt Nam cho thÊy nh÷ng hè ®µo s©u cã chiÒu s©u nhá h¬n 5m th­êng dïng t­êng cõ b»ng cäc v¸n thÐp, nh÷ng hè ®µo s©u tr

Bộ giáo dục và đào tạo bộ xây dựng

Trường đạI học kiến trúc hà nội

Phùng Thị Kim Dung

gia cố thành hố đào sâu bằng dãy

cọc xi măng đất

Luận văn thạc sỹ Chuyên ngành xây dựng dân dụng & công nghịêp

hà nội - 2008

Bộ giáo dục và đào tạo bộ xây dựng

Trường đạI học kiến trúc hà nội

Phùng thị kim dung

gia cố thành hố đào sâu bằng dãy

cọc xi măng đất

Luận văn thạc sỹ Chuyên ngành Xây dựng dân dụng & công nghiệp

đến hàng chục mét mà việc giữ ổn định và gia cố vách hố đào thường là hạng mục khó khăn và tốn kém nhất

Có nhiều phương pháp gia cố thành hố đào được nghiên cứu, phát triển và

sử dụng rộng rãi trên thế giới và từng bước được ứng dụng thành công ở Việt Nam, có thể kể đến như phương pháp gia cố bằng cọc ván thép hay ống thép, tường trong đất, cọc khoan nhồi Các phương pháp kể trên có nhiều ưu điểm, nhưng do phải sử dụng vật liệu đắt tiền và các thiết bị thi công chuyên dụng nên giá thành thường rất cao Trong thời gian qua, việc xây dựng các công trình ngầm ở Việt Nam cho thấy những hố đào sâu có chiều sâu nhỏ hơn 5m thường dùng tường cừ bằng cọc ván thép, những hố đào sâu trên 12m thường dùng công nghệ tường trong đất

ở một số nước có công nghệ thi công hố đào sâu như Trung Quốc, Nhật Bản, Thuỵ Điển , người ta đã áp dụng thành công việc gia cố thành hố đào sâu

đến hàng chục mét trong điều kiện đất yếu bằng dãy cọc xi măng - đất

Việc nghiên cứu kinh nghiệm của nước ngoài để đề xuất áp dụng được trong điều kiện của Việt Nam với mong muốn dễ thực hiện và rẻ tiền hơn là một vấn đề cấp thiết Do đó, trong luận văn này tôi tìm hiểu biện pháp “Gia cố thành

hố đào sâu bằng dãy cọc xi măng - đất Công nghệ cọc xi măng - đất và công nghệ trộn sâu đã được nhiều đơn vị ở Việt Nam tiếp nhận, thiết kế và thi công có hiệu quả từ những năm 90 của thế kỉ trước Đến nay, do xảy ra nhiều sự cố trong quá trình thi công hố đào sâu, công nghệ gia cố thành hố đào bằng trụ trộn sâu xi măng - đất lại tỏ ra phù hợp Mặt khác, công nghệ này có giá thành rẻ hơn các

công nghệ khác do không tốn nhiều vật liệu, tận dụng được vật liệu tại chỗ, thiết

bị thi công không quá phức tạp

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu cơ sở lý thuyết của phương pháp gia cố thành hố đào sâu bằng cọc xi măng - đất được thi công bằng công nghệ trộn sâu,

đề xuất phương pháp tính toán cọc và công nghệ gia cố thành hố đào sâu bằng dãy cọc xi măng - đất, trên cơ sở đó, kiến nghị sử dụng công nghệ cho các công trình tại Việt Nam

Nội dung nghiên cứu của đề tài:

Nội dung của luận văn gồm ba chương:

Chương I: Tổng quan về các giải pháp gia cố thành hố đào sâu

Chương II: Cơ sở khoa học và nội dung thiết kế dãy cọc ximăng đất để gia cố thành hố đào trong điều kiện Việt Nam

Chương III: công nghệ thi gia cố thành hố đào sâu bằng cọc xi măng -

đất tại việt nam Các kết quả nghiên cứu của đề tài luận văn có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo, nghiên cứu và áp dụng cho chuyên ngành địa kỹ thuật, thi công và xây dựng công trình ngầm đô thị, và nếu được hoàn thiện thêm, sẽ là cơ sở khoa học để kiến nghị sử dụng rộng rãi phương pháp gia cố thành hố đào bằng cọc xi măng - đất trong thực tiễn xây dựng các công trình có quy mô ở Việt Nam

Do trình độ và năng lực có hạn, dù tôi đã cố gắng rất nhiều nhưng chắc chắn nội dung luận văn khó có thể tránh khỏi sai sót, rất mong các thầy, cô giáo, các bạn đồng nghiệp góp ý

Chương I

Tổng quan về các giải pháp gia cố thành hố đào sâu Khi thi công tầng hầm cho các công trình nhà cao tầng, một vấn đề phức tạp đặt ra là giải pháp thi công hố đào sâu trong khu đất chật hẹp liên quan đến các yếu tố kỹ thuật và môi trường Thi công hố đào sâu làm thay đổi trạng thái ứng suất, biến dạng trong đất nền xung quanh khu vực hố đào và có thể làm thay

đổi mực nước ngầm dẫn đến nền đất bị dịch chuyển và có thể lún, trượt, sập gây hư hỏng công trình lân cận nếu không có giải pháp gia cố thích hợp

Các giải pháp chống đỡ thành hố đào thường được áp dụng là: tường cừ

thép (steel sheet pile), tường cừ cọc xi măng - đất, tường cừ barrette (tường bê

tông cốt thép trong đất) Yêu cầu chung của tường cừ là phải đảm bảo về cường

độ cũng như độ ổn định dưới tác dụng của áp lực đất và các loại tải trọng do

được cắm sâu vào đất, neo trong đất hoặc được chống đỡ từ trong lòng hố đào theo nhiều cấp khác nhau

Bảng 1.1 dưới đây tóm tắt các giải pháp thiết kế, thi công chủ yếu phục vụ

việc chống giữ ổn định thành hố đào sâu:

Bảng 1.1 Lựa chọn giải pháp chống đỡ thành hố đào theo chiều sâu hố đào H

H ≤ 6m - Tường cừ thép (không hoặc 1 tầng chống, neo)

- Cọc xi măng - đất (không hoặc 1 tầng chống, neo)

H > 10m

- Tường vây barrette (# 02 tầng chống, neo)

- Tường cừ thép (# 2 tầng chống, neo) nếu điều kiện địa chất và hình học hố đào thuận lợi

1.1 gia cố thành hố đào sâu bằng cọc ván thép hình hoặc ống thép

1.1.1 Giới thiệu về cọc ván thép

Ngày nay, trong lĩnh vực xây dựng, cọc ván thép (các tên gọi khác là cừ

thép, cừ Larssen, cọc bản, thuật ngữ tiếng anh là steel sheet pile) được sử dụng

ngày càng phổ biến, từ các công trình thủy công như cảng, bờ kè, cầu tàu, đê chắn sóng, công trình cải tạo dòng chảy, công trình cầu, đường hầm đến các công trình dân dụng như bãi đậu xe ngầm, tầng hầm nhà nhiều tầng, nhà công nghiệp

Cọc ván thép không chỉ được sử dụng trong các công trình tạm thời mà còn có thể được xem như một loại vật liệu xây dựng, với những đặc tính riêng biệt, thích dụng với một số bộ phận chịu lực trong các công trình xây dựng Cho đến nay, cọc ván thép được sản xuất với nhiều hình dạng, kích thước khác nhau với các đặc tính về khả năng chịu lực ngày càng được cải thiện Ngoài

cọc ván thép có mặt cắt ngang dạng chữ U, Z thông thường, còn có loại mặt cắt ngang Omega (W), dạng tấm phẳng (straight web) cho các kết cấu tường chắn tròn khép kín, dạng hộp (box pile) được cấu thành bởi 2 cọc U hoặc 4 cọc Z hàn

với nhau

Tùy theo mức độ tải trọng tác dụng mà tường chắn có thể chỉ dùng cọc ván

thép hoặc kết hợp sử dụng cọc ván thép với cọc ống thép (steel pipe pile) hoặc cọc thép hình H (King pile) nhằm tăng khả năng chịu mômen uốn Thường dùng cọc ván thép hình chữ U hoặc Z được hạ xuống bằng máy ép thuỷ lực hoặc máy

ép rung, có sử dụng hệ thống bằng dầm thép chữ I hoặc chữ H trong lòng hố đào (xem các hình từ 1.1 đến 1.6)

Về kích thước, cọc ván thép có bề rộng bản thay đổi từ 400mm đến 750mm Sử dụng cọc có bề rộng bản lớn thường đem lại hiệu quả kinh tế hơn so với cọc có bề rộng bản nhỏ vì cần ít số lượng cọc hơn nếu tính trên cùng một độ dài tường chắn Hơn nữa, việc giảm số cọc sử dụng cũng có nghĩa là tiết kiệm

thời gian và chi phí cho khâu hạ cọc, đồng thời làm giảm lượng nước ngầm chảy qua các rãnh khóa của cọc

Chiều dài cọc ván thép có thể được chế tạo lên đến 30m tại xưởng, tuy nhiên chiều dài thực tế của cọc thường được quyết định bởi điều kiện vận chuyển

(thông thường từ 9 đến 15m), riêng cọc dạng hộp gia công ngay tại công trường

có thể lên đến 72m

Hiện nay bắt đầu dùng dãy cọc ống thép nối liền với nhau tạo thành một

hệ tường liên tục, có khả năng chịu lực cũng như ngăn nước rất tốt, thích hợp cho các vùng đất yếu hoặc thi công dưới nước

1.1.2 ưu, nhược điểm cọc ván thép trong gia cố thành hố đào sâu

1 ưu điểm

Có thể liệt kê một số ưu điểm nổi bật của cọc ván thép như sau:

- Khả năng chịu ứng suất động khá cao (cả trong quá trình thi công lẫn trong quá trình sử dụng)

- Khả năng chịu lực lớn trong khi trọng lượng khá bé

- Cọc ván thép có thể nối dễ dàng bằng mối nối hàn hoặc bulông nhằm gia tăng chiều dài

- Cọc ván thép có thể sử dụng nhiều lần, do đó có hiệu quả kinh tế cao

- Chất lượng của vật liệu làm cọc bản tin cậy do được chế tạo trong nhà máy

- Thi công nhanh, thuận tiện và tương đối đơn giản trong tầng đất yếu

- Khả năng ngăn nước tương đối tốt

2 Nhược điểm

Nhược điểm của cọc ván thép là tính bị ăn mòn trong môi trường làm việc (khi sử dụng cọc ván thép trong các công trình vĩnh cửu) Tuy nhiên nhược điểm này hiện nay hoàn toàn có thể khắc phục bằng các phương pháp bảo vệ như sơn phủ chống ăn mòn, mạ kẽm, chống ăn mòn điện hóa hoặc có thể sử dụng loại cọc ván thép được chế tạo từ loại thép đặc biệt có tính chống ăn mòn cao

Ngoài ra, mức độ ăn mòn của cọc ván thép theo thời gian trong các môi trường khác nhau cũng đã được nghiên cứu và ghi nhận lại Theo đó, tùy thuộc vào thời gian phục vụ của công trình được quy định trước, người thiết kế có thể chọn được loại cọc ván thép với độ dày phù hợp đã xét đến sự ăn mòn này

Để lựa chọn giải pháp gia cố thành hố đào sâu bằng cọc ván thép, ta phải nghiên cứu các vấn đề sau:

- Xem xét loại đất nền và các chỉ tiêu cơ lý của đất có lợi cho việc đóng và nhổ cọc hay không

- Lựa chọn máy thi công thích hợp

- Khống chế tiếng ồn và chấn động đến các công trình và môi trường xung quanh

Tuỳ theo yêu cầu ta chọn hình thức bố trí cọc cho hợp lý

1.2 gia cố thành hố đào sâu bằng tường trong đất 1.2.1 Giới thiệu về tường trong đất

Tường trong đất, hay còn được gọi là tường vây barrette, là tường bêtông

đổ tại chỗ, thường dày 600-800mm để chắn giữ ổn định hố móng sâu trong quá

trình thi công Tường có thể được làm từ các đoạn cọc barette, tiết diện chữ nhật, chiều rộng thay đổi từ 2.6 m đến 5.0m Các đoạn tường barrette được liên kết

chống thấm bằng gioăng cao su, thép và làm việc đồng thời thông qua dầm đỉnh tường và dầm bo đặt áp sát tường phía bên trong tầng hầm Trong trường hợp 02

tầng hầm, tường barrette thường được thiết kế có chiều sâu 16-20m tuỳ thuộc vào địa chất công trình và phương pháp thi công Khi tường barrette chịu tải

trọng đứng lớn thì tường được thiết kế dài hơn, có thể dài trên 40m (Toà nhà 59 Quang Trung) để chịu tải trong như cọc khoan nhồi

Tường trong đất bằng bê tông cốt thép quây lại thành đường khép kín với các hệ thanh neo sẽ có thể chắn đất, ngăn nước, rất thuận tiện cho việc thi công

hố móng sâu Có thể kết hợp tường trong đất làm tầng hầm cho các nhà cao tầng hoặc làm kết cấu chịu lực cho công trình

Tường trong đất thường được sử dụng khi làm hố móng sâu trên 10m, yêu cầu cao về chống thấm, chống lún và chống chuyển dịch của các công trình xây dựng lân cận hoặc khi tường là một phần của kết cấu chính của công trình hoặc

khi áp dụng phương pháp Top - down

Tường barrette được giữ ổn định trong quá trình thi công bằng các giải pháp sau:

Giữ ổn định bằng hệ dàn thép hình

Số lượng tầng thanh chống có thể là 1 tầng chống, 2 tầng chống hoặc nhiều hơn tuỳ theo chiều sâu hố đào, dạng hình học của hố đào và điều kiện địa chất, thuỷ văn trong phạm vi chiều sâu tường vây

Ưu điểm: Trọng lượng nhỏ, lắp dựng và tháo dỡ thuận tiện, có thể sử dụng

nhiều lần Căn cứ vào tiến độ đào đất có thể vừa đào, vừa chống, có thể làm cho tăng chặt nếu có hệ thống kích, tăng đơ rất có lợi cho việc hạn chế chuyển dịch ngang của tường

Nhược điểm: Độ cứng tổng thể nhỏ, mắt nối ghép nhiều Nếu cấu tạo mắt

nối không hợp lý và thi công không thoả đáng và không phù hợp với yêu cầu của thiết kế, dễ gây ra chuyển dịch ngang và mất ổn định của hố đào do mắt nối bị biến dạng

Giữ ổn định bằng phương pháp neo trong đất

Thanh neo trong đất đã được ứng dụng tương đối phổ biến và đều là thanh neo dự ứng lực Tại Hà Nội, công trình Toà nhà Tháp Vietcombank và Khách sạn Sun Way đã được thi công theo công nghệ này Neo trong đất có nhiều loại, tuy nhiên dùng phổ biến trong xây dựng tầng hầm nhà cao tầng là neo phụt

Ưu điểm: Thi công hố đào gọn gàng, có thể áp dụng cho thi công những

hố đào rất sâu

Nhược điểm: Số lượng đơn vị thi công xây lắp trong nước có thiết bị này

còn ít Nếu nền đất yếu sâu thì cũng khó áp dụng

Giữ ổn định bằng phương pháp thi công Top - down

Phương pháp thi công này thường được dùng phổ biến hiện nay Để chống

đỡ sàn tầng hầm trong quá trình thi công, người ta thường sử dụng cột chống tạm bằng thép hình (l đúc, l tổ hợp hoặc tổ hợp 4L ) Trình tự phương pháp thi công này có thể thay đổi cho phù hợp với đặc điểm công trình, trình độ thi công, máy móc hiện có

- Liên kết giữa dầm sàn và cột tường khó thi công;

- Công tác thi công đất trong không gian tầng hầm có chiều cao nhỏ khó thực hiện cơ giới

- Nếu lỗ mở nhỏ thì phải quan tâm đến hệ thống chiếu sáng và thông gió 1.2.2 Ưu, nhược điểm của tường trong đất

Tường trong đất có ưu điểm nổi bật là độ cứng lớn, tính biến dạng của kết cấu rất ít, tính chống thấm tốt, giúp cho phương pháp này được lựa chọn sử dụng

ở nhiều công trình trong những năm gần đây Bên cạnh việc chống đỡ vách hố

đào, tường vây barrette còn được sử dụng như một phần kết cấu của công trình

(phương pháp thi công Top - Down)

Nhược điểm của tường vây barrette chủ yếu do công nghệ thi công phức tạp, khối lượng vật liệu lớn, đòi hỏi máy móc hiện đại và công nhân tay nghề cao Tường trong đất hiện nay được sử dụng phổ biến để làm tường tầng hầm và

được thi công theo phương pháp Top-down, giảm được thời gian thi công góp

phần hạ giá thành sản phẩm

1.2.3 Sơ lược các bước trong thi công tường trong đất

- Xác định chính xác tính chất cơ lý của các lớp đất để chọn được lớp sét có hệ

số thấm nhỏ để dựa chân tường vào đó

- Lựa chọn máy thi công và các chất xử lý bùn, chất giữ thành hợp lý

- Luôn kết hợp tường trong đất làm một phần của kết cấu công trình hoặc tường cho các tầng hầm nhà cao tầng

Ví dụ về thiết bị thi công, trình tự và công trường thi công tường trong đất

xem trong các hình từ 1.7 đến 1.14

Hình 1.13 Cẩu lắp dựng cốt thép tường trong đất

1.3 gia cố thành hố đào sâu bằng dãy cọc khoan nhồi

1.3.1 Giới thiệu về cọc khoan nhồi

1 Phương pháp công nghệ chính

Phương pháp của công nghệ này là dùng thiết bị tạo lỗ lấy đất lên khỏi lỗ,

đồng thời bơm vào lỗ một loại dung dịch (bentonite) có khả năng tạo màng giữ

thành vách hố đào và có trọng lượng riêng hơi nhỉnh hơn nước ngầm trong đất một chút để cân bằng lại áp lực khi lấy đất lên Tiếp theo làm sạch cặn lắng (bùn lắng và đất đá rời) rơi dưới đáy lỗ, đảm bảo sự tiếp xúc trực tiếp của mũi cọc bê tông sau này vào vùng đất nền chịu lực tốt, tăng sức kháng mũi của cọc Sau đó

tiến hành đổ bê tông hay bê tông cốt thép bằng phương pháp đổ bê tông dưới nước, nghĩa là đổ bê tông liên tục từ dưới đáy lỗ lên, không cho bê tông mới đổ tiếp xúc trực tiếp với dung dịch giữ thành (ống dẫn bê tông luôn nằm trong lòng khối bê tông vừa đổ, để bê tông ra khỏi ống dẫn không trực tiếp tiếp xúc với dung dịch) Khi bê tông cọc đã ninh kết, đóng rắn và đạt một cường độ nhất

định, tiến hành đào hở phần đỉnh cọc và phá bỏ phần đỉnh cọc này - thường là phần bê tông chất lượng kém do lẫn với dung dịch giữ thành khi bắt đầu đổ bê tông được đẩy dần lên đỉnh cọc trong quá trình đổ bê tông đùn dần lên chiếm chỗ của dung dịch giữ thành, đẩy đung dịch này trào ra ngoài miệng lỗ Tóm lại, phương pháp công nghệ là dùng dung dịch giữ thành hố đào thế chỗ cho đất nền tại vị trí lỗ cọc rồi lại thay dung dịch này bằng vữa bê tông Tuy vậy có nhiều phương pháp tạo lỗ cọc khác nhau, nên cũng có nhiều công nghệ thi công cọc nhồi bê tông khác nhau

2 Các phương pháp tạo lỗ cọc nhồi bê tông

 Tạo lỗ cọc bằng cách đào thủ công

 Tạo lỗ cọc bằng thiết bị khoan guồng xoắn và hệ guồng xoắn (tạo cọc

khoan nhồi, tường vây Diaphragm wall)

 Tạo lỗ cọc bằng thiết bị khoan thùng đào (tạo cọc khoan nhồi)

 Tạo lỗ cọc bằng thiết bị đào gầu tròn (tạo cọc nhồi tròn)

 Tạo lỗ bằng thiết bị đào gầu dẹt cơ cấu thủy lực (tạo cọc Barrette, tường vây Diaphragm wall)

 Tạo lỗ bằng máy khoan cọc nhồi kiểu bơm phản tuần hoàn

 Tạo lỗ bằng phương pháp sói nước bơm phản tuần hoàn

3 Phương pháp bố trí cọc

Khi đào hố móng ở những chỗ không tạo được mái dốc, khi độ sâu hố đào khoảng 812m thì có thể dùng hàng cọc nhồi bê tông cốt thép làm kết cấu chắn giữ Nếu ở những vùng có nước ngầm cao thì có thể kết hợp với hàng cọc trộn hoặc bơm vữa chống thấm

Khoảng cách của hàng cọc thường trong phạm vi 1m, chiều sâu chôn cọc dưới đáy hố tương đương 0,5 ~ 1,5 lần chiều sâu hố, xác định theo tính toán dựa vào điều kiện khảo sát địa chất Trên đầu các hàng cọc phải có dầm liên kết để tăng cường sức chịu của cụm cọc Nếu chất đất kém, thường còn phải neo gia cố cọc ngoài hố móng (ngoài mặt trượt của đất) Trong trường hợp hố móng rất sâu, hoặc chất đất rất kém dùng cọc khoan nhồi bê tông đường kính lớn làm cọc giữ vách càng có hiệu quả

Để tránh đất ở giữa các cọc bị trượt hoặc bị nước mưa làm xói lở khiến cho cọc chắn mất tác dụng, thì khoảng không giữa các cọc phải bịt kín (cài tấm chắn, lớp bảo vệ bằng bê tông đất, hoặc xi măng lưới thép)

Cọc hàng theo kiểu dãy cột: Khi đất xung quanh hố đào tương đối tốt, mực nước

ngầm tương đối thấp, có thể lợi dụng hiệu ứng vòm giữa hai cọc gần nhau

Cọc hàng liên tục: Trong đất yếu thường không thể hình thành được vòm đất,

cọc chắn giữ phải xếp thành hàng liên tục, hoặc khi cường độ bê tông thân cọc còn chưa hình thành thì làm một cọc rễ cây bằng bê tông không cốt thép ở giữa hai cây cọc để nối liền cọc hàng khoan nhồi

Cọc hàng tổ hợp: Trong vùng đất yếu mà có mực nước ngầm tương đối cao có

thể sử dụng cọc hàng khoan nhồi tổ hợp với tường chống thấm bằng cọc ximăng

- Quá trình thi công móng cọc, dể thay đổi các thông số của cọc (chiều sâu,

đường kính) Tăng sức chịu tải của cọc nhờ việc tăng đường kính và chiều sâu cọc, làm giảm bớt số lượng cọc cũng như thời gian thi công cọc

- Có thể xuyên qua các tầng sét cứng, cát chặt ở giữa nền đất để xuống các

độ sâu lớn

- Đầu cọc có thể chọn ở độ cao tùy ý cho phù hợp với kết cấu công trình và qui hoạch kiến trúc mặt bằng

2 Nhược điểm

Khi thi công đòi hỏi thiết bị tốt, đầu tư cao cho hệ thống máy thi công, giá thành cao

Khi xuyên qua vùng có các tơ hoặc đá nứt nẻ lớn phải dùng ống chống để lại (không rút lên) sau khi đổ bê tông nên do đó giá thành cọc cao

Khó kiểm tra chất lượng hố cọc và thân cọc sau khi đổ bê tông

Hình 1.15 Quy trình thi công cọc khoan nhồi

Tường cọc khoan nhồi đơn

Hình 1.17 Tường cọc khoan nhồi tại một công

trình lớn ở CHLB Đức

Hình 1.19 Tường cọc khoan nhồi tiếp xúc,

Hình 1.21 Cọc xi măng - đất có nhồi cốt thép cứng

1.4 Giải pháp gia cố thành bằng dãy cọc xi măng - đất

1.4.1 Giới thiệu cọc xi măng - đất

Cọc vữa xi măng - đất (tên tiếng Anh là Deep Soil Mixing hay DSM) được

nghiên cứu ở Nhật bởi giáo sư Tenox Kyushu của Đại Học Tokyo vào khoảng

những năm 1960 Loại cọc này sử dụng cốt liệu chính là đất tại chỗ, gia cố với

một hàm lượng xi măng và chất phụ gia nhất định tùy thuộc vào loại và các tính

chất cơ - lý – hoá của đất nền Nó sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao khi địa chất

là đất cát Cọc xi măng- đất thường được thi công bằng công nghệ trộn sâu hay

gọi tắt là DMM (Deep Mixing Method) Cọc xi măng - đất có thể làm móng sâu,

thay thế cọc nhồi (trong một số điều kiện áp dụng nhất định); làm tường trong

đất (khi xây dựng tầng hầm nhà cao tầng), gia cố nền Thông thường loại cọc này không có cốt thép, song trong một số trường hợp cần thiết, cốt thép cứng cũng có thể được ấn vào cọc vữa khi vừa thi công cọc xong

Sử dụng ximăng trộn cưỡng chế với đất nền nhờ các phản ứng hoá học – vật lý xảy ra làm cho nền đóng rắn thành một thể cọc xi măng đất có độ ổn định cao trở thành tường chắn có dạng bản liên kết khối

Khi độ sâu hố móng từ 3-6m mà ứng dụng phương pháp cọc trộn xi măng

đất làm kết cấu chống giữ sẽ thu được kết quả tốt

cọc xi măng - đất

Một số ưu điểm của cọc xi măng - đất:

- Ngăn được nước thấm vào hố đào

- Dùng kiểu tường trọng lực nên không phải đặt thanh chống, tạo điều kiện thi công hố móng rất thông thoáng Cọc trộn xi măng - đất thường có cường độ chịu kéo nhỏ hơn nhiều so với cường độ chịu nén vì vậy cần triệt để sử dụng kiểu kết cấu tường chắn lợi dụng trọng lượng bản thân

- Thi công đơn giản, nhanh chóng

- Sử dụng vật liệu có sẵn nên có, cốt liệu chính là đất tại chỗ (cát) nên giá thành rất thấp, hiệu quả kinh tế cao

- Thiết bị thi công không quá đắt (giá một thiết bị thi công cọc khoảng 3,5 tỉ VNĐ chưa kể trạm trộn & thiết bị bơm vữa xi măng)

- Quá trình khoan có thể kiểm tra được địa chất khoan nhờ thiết bị tự động đo & ghi mômen xoắn ở đầu cần khoan)

- Khâu thi công được tự động hóa gần như hoàn toàn, sau khi định vị, máy khoan

sẽ tiến hành khoan một cách tự động, hàm lượng vữa xi măng sẽ được tự động

điều chỉnh cho phù hợp với tình hình địa chất tùy thuộc mômen xoắn đo được ở

1.4.3 ứng dụng cọc xi măng - đất trên thế giới

Công nghệ trộn sâu tạo cọc ximăng - đất (XMĐ) l công nghệ trộn xi măng

với đất tại chỗ - d ới sâu Cọc XMĐ sử dụng khá rộng rãi trong xử lý nền móng −các công trình xây dựng Mục đích gia cố của công nghệ l l m tăng c ờng độ, −khống chế biến dạng, giảm tính thấm của đất yếu hoặc đất co ngót hoặc để vệ sinh các khu nhiễm độc Nói tóm lại l l m thay đổi đất, nâng cao chất l ợng −của đất bằng cách cứng hoá tại chỗ

−Những n ớc ứng dụng công nghệ trộn sâu nhiều nhất l Nhật bản v các

−

n ớc vùng Scandinaver (Bắc Âu) Theo thống kê của hiệp hội cọc trộn sâu CDM

(Nhật Bản), tính chung trong giai đoạn 80~96 có 2345 dự án, sử dụng 26 triệu m3 hỗn hợp xi măng - đất Riêng từ 1977 đến 1993, l ợng đất gia cố bằng trộn −sâu ở Nhật v o khoảng 23.6 triệu m3 cho các dự án ngo i biển v trong đất liền, với khoảng 300 dự án Hiện nay h ng năm thi công khoảng 2 triệu m3

Đến 1994, hãng SMW Seiko đã thi công 4000 dự án trên to n thế giới với 12.5 triệu m2 (7 triệu m3)

Tạp chí Tin tức kỹ thuật (ENR) th ờng xuyên thông báo các th nh tựu của −

DM ở Nhật Bản, chẳng hạn số 1983 đăng kết quả ứng dụng cho các công trình

−nền móng thi công trong n ớc, số 1989 về tác dụng chống động đất, số 1986 về

Tại Trung Quốc, công tác nghiên cứu bắt đầu từ năm 1970, mặc dù ngay từ

Th−ợng Hải Tổng khối l ợng xử lý bằng trộn sâu ở Trung Quốc cho đến nay −

v o khoảng trên 1 triệu m3 Từ năm 1987 đến 1990, công nghệ trộn sâu đã

−

đ ợc sử dụng ở Cảng Thiên tân để xây dựng 2 bến cập t u v cải tạo nền cho

60 ha khu dịch vụ Tổng cộng 513000m3 đất đ ợc gia cố, bao gồm các móng −

−

kè, móng của các t ờng chắn phía sau bến cập tầu

Đến năm 1992, một hợp tác giữa Nhật v Trung Quốc đã tạo ra sự thúc đẩy

−

cho những b ớc đầu tiên của công nghệ CDM ở Trung Quốc, công trình hợp tác

đầu tiên l cảng Yantai Trong dự án n y 60.000m3 xử lý ngo i biển đã đ ợc −thiết kế v thi công bởi chính các kỹ s Trung Quốc (Tang, 1996) −

−Một số nghiên cứu khác liên quan tới trộn sâu ở Đông Nam á nh sử dụng các cột vôi đất xử lý đất hữu cơ ở Trung Quốc (Ho, 1996), các hố đ o sâu ở Đ i Loan (Woo, 1991) v một số dự án khác nhau ở Singapore (Broms , 1984) Tại Châu âu, nghiên cứu v ứng dụng bắt đầu ở Thụy Điển v 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 đ ờng kính 0.5m v chiều sâu tối đa 15m đã cho những kinh nghiệm mới về các cột vôi cứng hoá (Assarson v nnk, 1974) Năm 1974, một đê đất thử nghiệm (6m cao 8m d i) đã đ ợc xây dựng ở Phần Lan sử dụng cột vôi đất, −nhằm mục đích phân tích hiệu quả của hình dạng v chiều d i cột về mặt khả năng chịu tải (Rathmayer v Liminen, 1980)

quan đến các hợp chất hoá học dùng để chế tạo chất gia cố sử dụng trong công nghệ cọc vôi đất

−

Xu h ớng phát triển của công nghệ DMM trên Thế giới hiện nay h ớng −

v o việc khai thác mặt mạnh của trộn sâu Khi mới phát minh, yêu cầu đối với trộn sâu ban đầu chỉ l nhằm đạt đ ợc c ờng độ cao v − − chi phí thấp; nh ng −gần đây do những nan giải trong xây dựng đã đặt ra những yêu cầu cao hơn về sự tin cậy v ho n chỉnh của công nghệ −u thế quan trọng của công nghệ n y l

ở chỗ nó cho phép xử lý tại chỗ v cô lập các chất ô nhiễm trong đất, hứa hẹn

−cho những nghiên cứu tiếp tục Trong lĩnh vực chống động đất, ng ời ta đang tiếp tục nghiên cứu ứng dụng trộn sâu nhằm ngăn chặn sự hoá lỏng đất, tìm ra

1.4.4 ứng dụng cọc xi măng - đất ở Việt Nam

−Công nghệ trộn sâu đã đ ợc miêu tả trong quyển “ Xử lý sự cố nền móng công trình” của GS Nguyễn Bá Kế xuất bản năm 2000 Năm 2002, Viện KHCN

Xây dựng đã có đề t i nghiên cứu về cọc Ximăng - vôi Hiện nay, Bộ xây dựng

đã ban h nh Tiêu chuẩn thiết kế cọc XMĐ

Năm 2002, đã có một số dự án bắt đầu ứng dụng cọc XMĐ v o xây dựng

−các công trình trên nền đất yếu ở Việt nam Cụ thể nh : Dự án cảng Ba Ngòi

(Khánh ho ) đã sử dụng 4000m cọc XMĐ có đ ờng kính 600cm thi công bằng −

−trộn khô; xử lý nền cho bồn chứa xăng dầu đ ờng kính 35m, cao 4m ở Cần Thơ Năm 2003, một Việt kiều ở Nhật đã th nh lập công ty xử lý nền móng tại TP Hồ

Chí Minh, ứng dụng thiết bị trộn khô để tạo cọc XMĐ lồng ống thép Cọc XMĐ

lồng ống thép cho phép ứng dụng cho các nh cao tầng (đến 15 tầng) thay thế cho cọc nhồi, rẻ v thi công nhanh hơn Năm 2004 cọc XMĐ đ ợc sử dụng để −gia cố nền móng cho nh máy n ớc huyện Vụ Bản (H 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 nh thầu

Nhật bản đã sử dụng Jet - grouting để sửa chữa khuyết tật cho các cọc nhồi của

cầu Thanh trì (H nội) Năm 2005, một số dự án cũng đã áp dụng cọc XMĐ

nh : dự án thoát n ớc, khu đô thị Đồ Sơn - Hải phòng, dự án đ ờng cao tốc TP −

−

Hồ Chí Minh đi Trung L ơng, dự án cảng Bạc Liêu,

Năm 2004, Viện Khoa học Thuỷ lợi đã tiếp nhận chuyển giao công nghệ

khoan phụt cao áp (Jet-grouting) từ Nhật bản Đề t i đã ứng dụng công nghệ v

thiết bị n y trong nghiên cứu sức chịu tải của cọc đơn v nhóm cọc, khả năng

−chịu lực ngang, ảnh h ởng của h m l ợng XM đến tính chất của XMĐ, nhằm −

ứng dụng cọc XMĐ v o xử lý đất yếu, chống thấm cho các công trình thuỷ lợi

Nhóm đề t i cũng đã sửa chữa chống thấm cho Cống Trại (Nghệ an), cống D10 (H Nam), Cống Rạch C (Long an)

Trong nước, hiện nay có một số công ty đầu tư công nghệ, máy móc chuyên phục vụ xử lý nền móng bằng công nghệ cọc xi măng - đất và đã có nhiều kinh

nghiệm trong lĩnh vực này Một số công trình được Công ty tư vấn xây dựng và

môi trường ECE Consultants thi công xử lý nền (bao gồm gia cố nền và gia cố

- Gia cố bồn dầu 12.000m3 tại kho C - Kho xăng dầu Nhà bố, thi cụng năm

2002

- Gia cố bồn dầu 12.500m3 tại kho xăng dầu Miền Tõy, thi cụng năm 2003

- Gia cố bồn dầu 1000 m3, 2000 m3, 3000 m3, 4000 m3 tại kho xăng dầu NIKI-Thỏi Lan thi cụng năm 2004

- Gia cố múng nhà điều hành 3 tầng - Tổng kho xăng dầu Miền Tõy, 2001

- Gia cố múng nhà mỏy điện đạm Phỳ Mỹ, 2003

- Gia cố múng nhà mỏy sử lý nước Nam Định, 2003

- Gia cố chống trượt Bói rỏc thải Đụng Thạnh, 2003

- Gia cố bể chứa nước, bể lọc nhà mỏy sử lý nước Nam Định, 2005

Công ty cổ phần phát triển kỹ thuật xây dựng (tdc) thuộc Tổng công ty xây dựng H nội (hancorp) cũng là một công ty mạnh chuyên về xử lý nền

móng bằng công nghệ cột xi măng - đất Theo số liệu của công ty, tổng khối lượng thực hiện tính đến năm 2008 như sau

Hình 1.27 Sơ đồ khối lượng cột xi măng đất đã thi công (m) của TDC

Bảng 1.2 Một số công trình tiêu biểu được TDC xử lý nền bằng công nghệ cột xi măng đất trộn sâu

Chương II

Cơ sở khoa học và nội dung thiết kế dãy cọc ximăng đất

để gia cố thành hố đào trong điều kiện việt nam

2.1 Cơ sở khoa học của phương pháp gia cố thành hố

đào bằng cọc xi măng - đất

Cọc xi măng - đất sử dụng cốt liệu chính là đất tại chỗ, gia cố với một

hàm lượng xi măng và chất phụ gia nhất định tùy thuộc vào loại và các tính chất

cơ - lý – hoá của đất nền Mục đích của việc trộn phụ gia ổn định hay chất gia

cố (xi măng, vôi) với đất là nhằm làm cải thiện cường độ, tính thấm và sức bền bằng cách giảm hệ số rỗng và gắn các hạt đất với nhau Vấn đề cơ bản nhất của việc thiết kế ổn định của các công trình dưới lòng đất là cường độ, module đàn hồi, tính biến dạng, v.v

2.1.1 Chất gia cố

Mỗi loại đất khác nhau sẽ đòi hỏi một lượng và loại chất gia cố khác nhau,

và cần được làm tối ưu cho từng loại đất riêng biệt Điều này thường được thực hiện trên mẫu trộn trong phòng thí nghiệm và cột thử tại hiện trường Thông thường chất gia cố là vôi, xi măng, xỉ quặng

Hydro silicat canxit ở hai dạng CSH và C2SH2

Hydro aluminat canxit 3 CaOAl2O3 6H2O

Hydro ferat aluminat canxit 3 CaOAl2O3 3CaSO4.31H2O

Hydroxit canxi Ca(OH)2

Đã có nhiều quan điểm về sự phát triển cường độ của xi măng, nhưng theo nghiên cứu của P.A Rebinder cho thấy rằng: sự hình thành nên cường độ của xi măng đông cứng gồm có hai giai đoạn:

Giai đoạn thứ nhất bắt đầu sự dịch chuyển của ion từ mạng tinh thể của các khoáng vật của xi măng vào môi trường nước và Hydrat hoá chúng trong môi trường này Tiếp theo là sự kết tinh hoá của khoáng vật mới, ổn định vừa được tách ra từ dung dịch quá bão hoà của những sản phẩm Hydrat nói trên Đây chính là mầm kết tinh và là yếu tố đầu tiên để hình thành một pha mới Trong giai đoạn đầu của quá trình đông cứng, từ những hạt nguyên sinh của chất kết dính và những mầm kết tinih nói trên nảy sinh cấu trúc ngưng tụ Cấu trúc ngưng

tụ là một mạng không gian được tạo nền bằng con đường dính kết chưa có một trật tự nhất định từ những hạt nhỏ nhất của pha rắn phân tán trong môi trường phân tán Trong cấu trúc ngưng tụ, lực dính kết là lực hoá học và lực phân tử, do cấu trúc này có độ bền yếu và có tính xúc biến Do vậy, hỗn hợp giữa xi măng và

đất được cải tạo có cường độ nhỏ chưa đáng kể

ở giai đoạn thứ hai tiếp theo, sự đông cứng tạo nên cấu trúc kết tinh, cấu trúc này có độ bền cao gấp 10 đến 100 lần so với cấu trúc ngưng tụ, sự phát triển cấu trúc kết tinh trải qua hai thời kỳ:

Đầu tiên là sự xuất hiện của khung cấu trúc kết tinh cùng với sự phát triển mối tiếp xúc cộng sinh giữa các tinh thể của những thành tạo mới được hình thành

Tiếp theo quá trình tạo khung là quá trình ghép các khung vừa được hình thành tạo nên mối liên kết cấu trúc kết tinh có cường độ cao, không có tính xúc biến, từ đío tạo nên cường độ của xi măng đông cứng

Nhiều công trình nghiên cứu đã được công bố khẳng định rằng: CSH đóng vai trò quan trọng trong sự hình thành độ bền của xi măng đông cứng và là yếu

tố tạo nên khung tinh thể Chính những tinh thể CSH đã hình thành nên những tinh thể hình kim riêng biệt bằng cách trùng hợp tạo nên cao phân tử (Hidrosilicat polime - Canxi), chúng được nối liền với mối liên kết tĩnh điện bền vững có kể đến vai trò của các cation cũng như mỗi liên kết tĩnh điện trùng hợp với những phân tử CSH tạo nên các tinh thể có kích thước tới 1mm Một số công trình khoa học đã nhận xét rằng: Bên cạnh CSH, Hydrocanxi không chỉ là yếu ốt tạo môi trường để thuỷ phân hợp chất Clinke mà là một trong những yếu tố tham

gia cấu trúc của khung kết tinh trong xi măng đông cứng Ngoài ra, sự tách ra trong các pha rắn một khối lượng đáng kể Hydrosunfat aluminat canxit và Hydro aluminat canxit đã góp phần tạo nên cấu trúc ngưng tụ và gây nên sự đông cứng của xi măng

Theo A.A.Baicốp, quá trình nhào trộn xi măng có thể chia thành 3 giai

đoạn:

* Giai đoạn hoà tan: Khi nhào trộn xi măng với đất giữa chúng sẽ xảy ra

các tác dụng hoá học và vật lý Đầu tiên cùng với sự phân bố trên bề mặt hạt xi măng, quá trình hoà tan các khoáng và sự thuỷ hoá bắt đầu, trước hết các khoáng hoạt tính cao nhất thuỷ hoá bắt đầu, trước hết các khoáng hoạt tính cao nhất thuỷ hoá như C3A, C3S và do độ hoà tan của chúng bé, sự bão hoà pha lỏng với các sản phẩm thuỷ hoá bắt đầu Giai đoạn này tương đối ngắn của quá trình rắn chắc

* Giai đoạn hoá keo: Thời kỳ này tương đối dài và là thời kỳ tiến triển

mạnh mẽ Quá trình cơ bản của thuỷ hoá các khoán Clinke là sự hoá hợp trực tiếp của nước và pha rắn không có sự hoà tan trung tạo nên những hợp chất hydrat mới có tính ổn định cao hơn khoáng tạo nên nó và do tác dụng tương hỗ với nước, các sản phẩm hoá có độ mịn khá lớn và gần như dạng keo, do đó Baicop gọi giai đoạn này là giai đoạn hoá keo Các sản phẩm thuỷ hoá (và một phần thủy phân) cơ bản của các khoáng xi măng là hydro silicat canxi với số lượng chiếm từ 75-80% khối lượng Clinke Các chất này trong giai đoạn đầu có

độ phân tán cao gần với thể keo (trong phạm vi từ 5-20, có khi 100 - 200 micrông) dần dần chuyển hoá thành gen và cũng tạo mầm kết tinh Ngoài các hydro silicat canxit, do kết quả thủy phân của các khoáng còn tạo nên nhóm thứ hai là các hydrat mới tạo thành có cấu trúc kết tinh thô hơn, khác với những tinh thể gen, đó là hydrat của oxitcanxi [Ca(OH)2] tạo ra khi thuỷ phân C3S hoặc hydro aluminat canxi 3CaO.Al2O3 6H2O (sản phẩm thuỷ phân của C4AF) cũng như hydro sunfua aluminat canxi 3CaO.Al2O3.3CaSO4.31H2O tạo nên do thêm chất phụ gia thạch cao vào xi măng

Trong giai đoạn này một phần nước tự do chuyển sang dạng nước liên kết hoá học, làm giảm thể tích tuyệt đối sản phẩm mới tạo thành so với thể tích tuyệt

đối của các thành phần ban đầu, nhưng do thể tích ngoài của đá xi măng không

thay đổi dẫn đến hình thành những lỗ rỗng kín nâng cao độ đặc chắc của pha rắn

* Giai đoạn ninh kết, rắc chắc: Cùng với sự phát triển của quá trình thuỷ

hoá và sự tăng lên của sản phẩm thuỷ hoá, lượng nước tự do trong hệ không ngừng giảm xuống, nước còn lại được phân bố lại trong hệ xuất hiện những dạng liên kết phức tạp của nước với pha rắn Do sự giảm lượng nước tự do hệ dần dần sệt lại cho đến khi mất hoàn toàn tính linh động Thời kỳ này gọi là thời kỳ ninh kết, là thời kỳ quan trọng của quá trình hình thành cấu trúc đá xi măng Kết cấu keo tụ được tạo thành trong thời gian này có đặc tính là có một cường độ dẻo nào

đó khác với cường độ cơ học ở chỗ có khả năng phục hồi xúc biến (hoá lỏng và phục hồi kết cấu) Sau đó là thời kỳ rắn chắc tương đối dài với sự phát triển không ngừng cường độ cơ học do cấu trúc đá xi măng không ngừng được lèn chặt và quá trình kết tinh phát triển Tác dụng lèn chặt này sinh ra do sự phát triển của quá trình thuỷ hoá và sự tăng thể tích của pha rắn (thể tích các hydrat luôn luôn lớn hơn thể tích rắn ban đầu) Sự phát triển của các tinh thể do hiện tượng tái kết tinh làm thay đổi trạng thái tiếp xúc trong nội bộ đá xi măng, từ chỗ tiếp xúc giữa các màng nước biến thành tiếp xúc tinh thể

Khi quan sát dưới kính hiển vi điện tử cho thấy, thành phần của xi măng

đông cứng bao gồm những tinh thể, những hạt keo hoặc vi tinh thể, những hợp chất hydrat tàn dư của xi măng, không khí và nước tự do

Quá trình đông rắn của xi măng và tạo thành cấu trúc mới trong hỗn hợp

đất - xi măng xảy ra phức tạp hơn nhiều so với trong bê tông hay trong hỗn hợp

xi măng - nước Và đặc biệt ở trong loại đất có độ phân tán cao, vì trong trường hợp này, ngoài các quá trình thuỷ phân và đóng rắn của xi măng như trên, còn xảy ra các tương tác hoá học, hoá lý giữa đất với các sản phẩm của xi măng Bề mặt rất lớn của đất và xi măng, đồng thời môi trường kiềm mạnh do xi măng bị thuỷ phân sinh ra, là những điều kiện rất thuận lợi cho các phản ứng trao đổi hoá học và hoá lý xảy ra một cách mạnh mẽ Đất sẽ hấp thụ trong lượng ion Ca2+

đáng kể làm phá vỡ quá trình đóng rắn bình thường của xi măng Do đó quá trình đóng rắn của xi măng trong hỗn hợp đất - xi măng xảy ra chậm hơn và dẫn

đến kết quả là cường độ đạt được thấp hơn so với trường hợp ở bê tông hay hỗn hợp xi măng - nước

Những phân tích trên đã cho thấy, các loại đất gia cố xi măng khác nhau

đều thấy nồng độ ion Ca2+ thấp hơn nồng độ bão hoà Và điều kiện xấu nhất đối với quá trình đóng rắn của xi măng ở trong hỗn hợp đất xi măng là nồng độ của ion Ca2+ nhỏ hơn 2mol/l trong suốt một thời gian ở điều kiện này, khả năng thành tạo các cấu trúc tinh thể và sự phát triển của nó thành các bộ xương vững chắc trong hỗn hợp đất xi măng bị giảm xuống rất mạnh, dẫn đến việc giảm tính chất đặc trưng cho độ bền của nó Những điều kiện bất lợi như vậy gặp phải khi gia cố xi măng cho các loại đất sét pha nặng, đất sét và đặc biệt là các loại đất có chứa mùn, hữu cơ và có độ pH<6

Tóm lại, theo Bezruk và nhiều người khác cho thấy, những yếu tố đặc trưng của đất có ảnh hưởng mạnh nhất đến tính chất của đất - xi măng: thành phần khoáng - hoá, bản chất hoá keo (dung lượng trao đổi, thành phần ion bị hấp phụ), hàm lượng của các chất mùn hữu cơ, hàm lượng các muối dễ hoà tan, hàm lượng Cacbonat canxi và thạch cao

Để trừ bỏ hoặc giảm bớt những quá tình có hại đến quá trình đóng rắn và tạo thành cấu trúc mới trong hỗn hợp đất - xi măng người ta thường sử dụng một

số loại phụ gia hoá học, hoá lý phối hợp cùng với xi măng Chúng có những tác dụng chủ yếu sau:

- Tăng cường và rút ngắn quá trình tạo cấu trúc mới trong đất - xi măng,

đảm bảo cho nó có cường độ và bền lâu

- Cho phép có thể tiến hành gia cố xi măng mang hiệu quả cho các loại

đất không thuận lợi hoặc ít thuận lợi khi tiến hành với chỉ riêng xi măng

Các loại phụ gia thường được dùng là các chất kiềm CaCl2, NaCl, NaOH, thạch cao (CaSO4.nH2O) và hàng loạt các chất hoạt động bề mặt như Polycrylamid, Abiotyl, xà phòng Naptalic

2 Quá trình nén chặt cơ học

Gia cố nền bằng cọc xi măng - đất là dùng thiết bị chuyên dụng đưa một lượng vật liệu vào đất dưới dạng cọc hỗn hợp xi măng - đất Lượng vật liệu cát,

xi măng này sẽ chiếm chỗ các lỗ hổng trong đất làm cho độ lỗ rỗng giảm đi, các hạt đất sắp xếp lại, kết quả là đất nền được nén chặt Xét một khối đất có thể tích ban đầu V0, thể tích hạt rắn Vho, thể tích lỗ rỗng ban đầu Vro, ta có:

khối lượng thể tích của đất sau gia cố hoặc dùng thí nghiệm xuyên tĩnh hay nén tĩnh nền Các công việc này đơn giản, dễ tiến hành

Do cọc xi măng - đất được đưa vào dưới dạng khô nên hỗn hợp xi măng -

đất sẽ hút nước trong đất nền để tạo ra vữa xi măng, sau đó biến thành đá xi măng Quá trình tạo vữa xi măng làm tổn thất một lượng nước lớn chứa trong lỗ hổng của đất, nghĩa là làm tăng nhanh quá trình cố kết của nền đất Quá trình này xảy ra ngay sau khi bắt đầu gia cố và kéo dài cho đến khi nền đất được gia

cố xong, toàn bộ cọc xi măng - đất trở thành một loại bê tông Đây là quá trình biến đổi hoá lý phức tạp, chia làm hai thời kỳ: thời kỳ ninh kết và thời kỳ rắn chắc

Mặt khác, nếu tỷ lệ phối trộn giữa xi măng, cát và vôi cũng như thành phần hạt của các hợp lý cọc xi măng - đất sau khi đông cứng vẫn có thể cho nước thoát qua

và làm việc tương tự như một giếng thu nước thẳng đứng, giống như cọc cát Dưới tác động của tải trọng ngoài, cùng với thời gian, ứng suất hữu hiệu tăng lên, ứng suất trung tính giảm đi, nước trong lỗ rỗng của đất sẽ thấm theo phương ngang vào cọc rồi sau đó thoát ra ngoài dọc theo chiều dài cọc

Bài toán cố kết thấm của nền đất khi gia cố bằng cọc xi măng - đất cũng giống như bài toán cố kết thấm của nền khi dùng cọc cát và đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu Năm 1935, L.Rendulic đã đưa ra phương trình vi phân cố kết đối xứng để xác định trị số áp lực nước lỗ rỗng trong nền và năm 1942, N.Carrillo đã phân bài toán cố kết thấm 3 chiều t hành tổng hợp của bài toán cố

kết thấm theo chiều thẳng đứng và theo hướng xuyên tâm K.Terzaghi đã dùng phương pháp giải tích để giải bài toán cố kết thấm theo chiều thẳng đứng, còn R.E.Glover, R.A.Barron đã giải bài toán cố kết thấm theo hướng xuyên tâm Năm

1948, R.A.Barron đã đưa ra lời giải toàn diện đầu tiên cho bài toán cố kết của trụ

đất có chứa một cọc cát (xi măng - đất) ở giữa

Khi trong nền có các cọc xi măng - đất, chiều dài đường thấm theo phương

ngang sẽ nhỏ hơn nhiều lần chiều dài đường thấm theo phương đứng, do đó có thể coi vai trò thoát nước theo phương ngang của cọc xi măng - đất là chủ yếu Tuy nhiên, quá trình thoát nước theo phương ngang và theo phương đứng bằng

Hệ số thấm của cọc xi măng - đất ảnh hưởng nhiều đến quá trình cố kết của nền đất Theo nhiều nghiên cứu, khi hệ số thấm ngang của nền đất kh<1.10-7cm/s hoặc hệ số cố kết theo phương ngang Ch <1.10 – 4m2/ng.đ thì tác dụng

cố kết của nền đất sẽ bị hạn chế Để đảm bảo cọc xi măng - đất làm việc tốt trong quá trình cố kết thì hệ số thấm đất của vật liệu cọc cần lấy>2,3m/ng.đ Muốn vậy, cần chế tạo mẫu chế bị với các tỷ lệ xi măng, đất khác nhau và tiến hành thí nghiệm mẫu xác định hệ số thấm Để đánh giá định lượng quá trình cố

kết của nền đặt khi gia cố bằng cọc xi măng - đất có thể đặt các thiết bị đo áp lực

nước lỗ rỗng tại các thời điểm trước, sau khi gia cố và thời gian sử dụng công trình

4 Quá trình gia tăng cường độ của cọc gia cố và sức kháng cắt của đất nền

Khi trộn xi măng trong đất và đưa vật liệu vào nền đất, ở mặt tiếp xúc giữa cọc

và đất nền sẽ xảy ra quá trình trao đổi ion và phản ứng puzolan Các ion calci hoá trị

2 thay thế các ionnatri và hydro hoá trị 1 ở trong lớp điện kép bao quanh mỗi hạt khoáng vật sét Vì cần ít hơn calci hoá 2 để trung hoà lưới điện âm trên mặt của mỗi khoáng vật sét nên giảm được kích thước của lớp điện kép và do đó làm tăng lực của các hạt sét, dẫn đến lực dính của đất tăng lên Hơn nữa silic và nhôm trong khoáng vật sét sẽ phản ứng với silicat calci và hyđrat nhôm calci trong phản ứng

puzolan, tạo ra các hợp chất có độ bền cao và rất bền trong môi trường nước Những quá trình này làm tăng lực ma sát và lực dính của đất xung quanh cọc gia cố, dẫn

đến làm gia tăng cường độ của đất nền

Cần phải nhấn mạnh rằng, tất cả các quá trình nén chặt cơ học, quá trình cố kết, quá trình gia tăng cường độ của cọc và đặt nền khi gia cố bằng cọc xi măng - đất

đều có liên hệ hữu cơ với nhau Các quá trình này không độc lập với nhau mà diễn ra

đồng thời với nhau, là động lực thúc đẩy phát triển của nhau

2.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ hỗn hợp xi măng - đất

Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến cường độ của đất sau khi đã được keo hóa Một vài yếu tố đóng vai trò quan trọng như sau:

- Một số yếu tố hóa học trong đất như: thành phần khoáng vật của đất,

đường cong thành phần hạt, độ ẩm, chất hữu cơ, pH, v.v

- Chất lượng và tỷ lệ chất keo và các hóa chất khác

- Điều kiện trộn và thời gian phản ứng

- Phương pháp lấy mẫu và thử mẫu (tốc độ gia tải, loại thí nghiệm )

1 ảnh hưởng của loại đất

Các chỉ tiêu vật lý và hóa học của đất (thành phần khoáng vật của đất,

đường cong thành phần hạt, độ ẩm, chất hữu cơ, pH, v.v ) ảnh hưởng rất nhiều

đến kết quả sau khi đất được cải tạo Thông thường, nếu lượng đất sét tăng lên thì lượng chất keo cần dùng cũng cần phải tăng (tăng bề mặt của hạt đất)

2 Tác dụng của thành phần keo

Nếu lượng keo trong thành phần bột trộn tăng lên thì cường độ của đất sau khi trộn cũng tăng lên tùy thuộc vào tính chất của đất và của bột trộn Chỉ số phát triển cường độ được định nghĩa bằng tỷ số giữa cường độ của đất sau và trước khi xử lý thông qua thí nghiệm cắt trực tiếp

Lượng keo gắn kết nằm trong khoảng 20-30% trọng lượng với nhiệt độ trong quá trình trộn là 10 đến 50 độ C Như dự đoán, nhiệt độ càng cao, quá trình gắn kết hóa học xảy ra càng nhanh

5 Biến dạng ở trạng thái phá hoại

Tại cường độ nén dưới 1MPa, biến dạng nằm trong khoảng 1-3% Mặc dù vậy, khi vượt qua giá trị này, biến dạng là khoảng 1% Độ cứng của đất được xử

lý là độ cứng của thành phần keo gắn

6 Những chỉ tiêu cơ học khác

Thí nghiệm 3 trục của đất keo là một đề tài nhận được sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu (Juran and Riccobono,1997; Kohata và cộng sự, 1992; Kamaluddin and Balasubr, 1993; unaniam, 1995; Shibuya và cộng sự, 1992; Zen

và cộng sự, 1990) ảnh hưởng của lực hông, chiều dài đường thấm và độ lớn của biểu đồ ứng suất biến dạng được nghiên cứu Bên cạnh đó, tiêu chuẩn phá hoại

và cường độ cực hạn cũng được nghiên cứu Rất ít khi người ta xác định cường

độ của đất keo bằng phương pháp cắt trực tiếp Đối với những thí nghiệm này, ứng suất nén thường bằng 0 Người ta thấy rằng đối với đất keo có cường độ thấp, cường độ của đất xấp xỉ bằng một nửa của đất khi thí nghiệm nén không nở hông Tương tự cho trường hợp đất sét Tính cố kết của đất keo cũng được sử dụng để tính toán lứn của nền đất ứng suất đàn hồi của đất sẽ tăng cùng với lượng keo Hơn nữa, chỉ số nén lún của đất luôn là một hằng số ứng suất tiền cố kết của đất keo tương tự như của đất nguyên mẫu

Hệ số thấm của đất sau khi được keo hóa là một yếu tố rất quan trọng trong thiết

kế đặc biệt là đối với tường chắn, đê, đập v.v Rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hệ

số thấm tương tự như đối với cường độ của đất Một số trường hợp, bentonite

được xử dụng để giảm hệ số thấm của đất

7 ảnh hưởng của phương pháp trộn

ứng xử của đất sét mềm có thể được cải thiện bằng các cột trụ đất – xi măng được tạo bởi phương pháp trộn sâu (DMM) Cột xi măng - đất được sử dụng chủ yếu để giảm độ lún và tăng cường sự ổn định cho nền Phương pháp trộn sâu bao gồm một nhóm các công nghệ gia cố nền đất Phương pháp mà ở đó bột xi măng khô được sử dụng là chất phụ gia ổn định thường được gọi là

phương pháp trộn khô, còn nếu sử dụng phụ gia ổn định dạng vữa xi măng thì

được gọi là phương pháp trộn ướt Phương pháp trộn khô thường được sử dụng để gia cố nền đất sét mềm có hàm lượng nước tự nhiên cao vì có đủ nước ngầm để thuỷ hoá xi măng (theo Esrig và MacKenna, 2001) Phương pháp trộn ướt thường

được sử dụng cho môi trường đất nền khô hoặc có mực nước ngầm sâu Mặc dù công nghệ trộn khô được sử dụng ở các nước vùng Bắc Âu và phương pháp trộn

ướt thường được sử dụng ở Nhật Bản, vẫn có rất ít các nghiên cứu mang tính quyết định về việc chọn lựa phương pháp nào cho hiệu quả cải thiện nền tố hơn Một nghiên cứu mang tính so sánh được Shiells và đồng nghiệp thực hiện năm

2003 về cường độ của hỗn hợp xi măng - đất của cả hai phương pháp trộn sâu, chỉ ra rằng phương pháp trộn ướt thường sử dụng tỉ lệ xi măng/đất lớn hơn phương pháp trộn khô Tỉ lệ xi măng/đất biến đổi từ 180 đến 400 kg/m3 đối với phương pháp trộn ướt và từ 90 đến 180 kg/m3 đối với phương pháp trộn khô Tuy nhiên Lin và Wong (1999) lại báo cáo ngược lại rằng cường độ chịu nén tự nhiên của đất được gia cố sử dụng vữa xi măng thấp hơn khi sử dụng bột xi măng khô

Điều này có thể được cho là sự khác nhau ở tỉ lệ nước/xi măng của đất được gia

cố trong hai phương pháp Các mẫu thí nghiệm được lấy từ phương pháp trộn ướt

có hàm lượng nước cao hơn và có tỉ lệ nước/xi măng cao hơn dẫn đến kết quả cường độ thấp hơn

Các nghiên cứu của Nguyễn Minh Tâm, Hui-Joon Kim, Du-Hwoe Jung (Civil Engineering, Pukyong National University, Korea) [ ] chỉ ra rằng:

- Các mẫu thử hỗn hợp xi măng - đất có lượng xi măng cao hơn sẽ có phá haọi giòn nhiều hơn

- Cường độ chịu nén tự nhiên của các mẫu hỗn hợp xi măng - đất được chuẩn bị bằng phương pháp trộn khô lớn hơn nhưng lại có phá hoại giòn nhiều hơn so với phương pháp trộn ướt

- Mô - đun đàn hồi có xu hướng tăng lên, nhưng trái lại, biến dạng phá hoại có xu hướng giảm cùng sự tăng của cường độ chịu nén tự nhiên Tuy nhiên, các mẫu hỗn hợp xi măng - đất được trộn bằng phương phát ướt lại cho mô-đun

đàn hồi cao hơn đáng kể, trong khi đó, các mẫu hỗn hợp xi măng - đất được trộn bằng phương pháp khô lại cho kết quả biến dạng phá hoại lớn hơn

- Cường độ chịu nén tự nhiên có xu hướng tăng lên cùng sự tăng của lượng xi măng Cường độ chịu nén tự nhiên tăng nhanh khi lượng xi măng tăng

đến 20% sau đó tăng chậm hơn