Luận văn thạc sỹ Đề tài gia cố nền đất yếu bằng phương pháp cọc đất gia cố xi măng theo công nghệ trộn ướt của nhật bản

Trong nghững năm gần đây cùng với sự phát triển của kinh tế đất nước, nhu cầu xây dựng và xây dựng hệ thống đường giao thông tại khu vực đồng bằng sông Cửu Long nhằm phục vụ sự nghiệp phát triển kinh tế xã hội, đảm bảo an ninh quốc phòng ngày càng cấp thiết. Một số dự án đã được triển khai xây dựng trên nền đất yếu tại các khu vực nói trên đã đạt được nhiều lợi ích cho công cuộc xây dựng và bảo vệ Tổ quốc. Tuy nhiên, việc xây dựng công trình trên nền đất yếu đã gặp không ít khó khăn trong công tác xử lý nền đất yếu. Trong khi đó một số biện pháp xử lý nền đất yếu truyền thống chưa mang lại hiệu quả như mong muốn. Công ty thiết kế và tư vấn xây dựng công trình hàng không ADCC đã cùng với Công ty FUDO là một trong những công ty hàng đầu của Nhật Bản trong công tác xử lý nền đất yếu, đã hợp tác tiến hành công tác thi công thử nghiệm Gia cố nền đất yếu bằng phương pháp cọc đất gia cố xi măng theo công nghệ trộn ướt của Nhật Bản tại Khu vực đồng bằng sông Cửu Long. Kết quả đạt được cho thấy phương pháp có tính khả thi cao, phù hợp với điều kiện nền đất yếu ở Việt Nam đặc biệt là Khu vực đồng bằng sông Cửu Long nói chung và Cảng Hàng không Cần Thơ nói riêng.

Chuyên ngành xây dựng đường ô tô

GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG PHƯƠNG PHÁP CỌC ĐẤT GIA CỐ XI MĂNG THEO CÔNG NGHỆ TRỘN ƯỚT CỦA NHẬT BẢN TẠI CẢNG HÀNG KHÔNG CẦN THƠ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT

I.1 VỊ TRÍ ĐỊA LÍ……… trang15 I.2 ĐẶC ĐIỂM KHÍ TƯỢNG - THỦY VĂN - ĐỊA HÌNH- ĐỊA CHẤT

……….trang15 I.2.1 ĐẶC ĐIỂM KHÍ TƯỢNG……… ……….trang15 I.2.2 ĐẶC ĐIỂM THỦY VĂN………,,,………

II.1 CÁC QUAN ĐIỂM TÍNH TOÁN……….trang30

II.1.1 Theo quan điểm cột làm việc như “cọc” …… ………….trang30 II.1.1.1 Đánh giá ổn định các trụ gia cố theo trạng thái giới hạn 1

II.1.1.2 Đánh giá ổn định các trụ gia cố theo trạng thái giới hạn 2 II.1.2 Theo quan điểm tính toán như nền tương đương……… trang33 II.1.3 Quan điểm hỗn hợp…… ……… ….trang34 II.2 HÌNH THỨC BỐ TRÍ CỌC ĐẤT GIA CỐ XIMĂNG…… ……….trang45 II.3 VẬT LIỆU XIMĂNG - ĐẤT TRONG XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU…….trang45 II.3.1 Nguyên lý tăng cường độ của nền gia cố ximăng - đất……… trang46 II.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến cơ chế làm cứng…… ……….trang46 II.4 CÁC ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ CỌC ĐẤT GIA CỐ XIMĂNG

CHƯƠNG III QUI ĐỊNH KỸ THUẬT THI CÔNG VÀ KIỂM TRA CỌC ĐẤT GIA CỐ XI MĂNG (DSMC)

III.1 CƠ SỞ THỰC HIỆN VÀ QUY ĐỊNH CHUNG……

……….trang50

III.1.1 Cở sở thực hiện…… ……….trang50 III.1.2 Quy định chung…… ……… ……… trang52 III.2 Yêu cầu về vật liệu sử dụng…… ……… ……… …… trang53 III.2.1

Vật liệu xi măng…… ……….trang53 III.2.2.Vải địa kỹ thuật…… ……… trang54 III.2.3 Yêu cầu về thiết bị…… ……… trang55 III.2.4 Yêu cầu kỹ thuật thi công cọc đất gia cố xi măng.…….trang55 II.2.4.1

Chuẩn bị mặt bằng thi công…… ……… ……… trang56 III.2.4.2

Các bước thi công chính…… ……… ……… …… trang56 III.2.4.3 Trình tự thi công và thời gian nghỉ…… ……… … … trang57 III.2.4.4

Ghi chép trong thi công…… ……… ……… … trang58 III.2.4.5.

Sai số trong thi công……… ……….………… trang55 III.2.5.

Phương án thiết kế gia cố nền và các thông số thiết kế cọc đất gia

III.2.5.1

Phương án thiết kế gia cố nền…… … …….….……… trang58

III.2.5.2 Thông số thiết kế cọc đất gia cố…… ……… …… trang58 III.2.6 Yêu cầu về thí nghiệm và kiểm tra chất lượng cọc… …………trang59

III.2.6.1 Thí nghiệm trong phòng… ……….…trang59 III.2.6.2 Thi công và kiểm tra các cọc thử nghiệm tại hiện trường

III.2.6.2.1 Thí nghiệm khoan lấy mẫu và xuyên tiêu chuẩn (SPT)

III.2.6.2.2 Thí nghiệm đào lộ đầu cọc……… …………

trang63

III.2.6.2.3 Thí nghiệm nén tĩnh cọc đơn… ………trang63

III.2.6.2.4 Thí nghiệm chất tải trọng thật ở hiện trường …… trang66

III.3 Đánh giá kết quả thi công cọc đất gia cố xi măng………trang68 III.3.1

Giai đoạn thi công cọc thử để chọn hàm lượng xi măng chính thức

III.3.2 Giai đoạn thi công đại trà……….………

IV.1 GIỚI THIỆU VỀ CẢNG HÀNG KHÔNG QUỐC TẾ CẦN THƠ

……….……trang71 VI.2.GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ TẠO CỌC ĐẤT GIA CỐ XI MĂNG

……….……trang72 VI.2.1 Giới thiệu công nghệ Jet - grouting……… …………trang72

VI.2.2 Miêu tả công nghệ……… ………trang76

VI.2.2.1 Công nghệ đơn pha - công nghệ S……… ………trang76 VI.2.2.2 Công nghệ hai pha - công nghệ D ……… ………trang76 VI.2.2.3 Công nghệ ba pha - Công nghệ T ……… ………trang76 VI.2.3 Phương pháp thi công……….…….………trang78 VI.2.4 Trình tự thi công……….……… ….……trang78 VI.2.4.1 Thiết bị……… ……trang78 VI.2.4.2 Khoan……….………trang80 VI.2.4.3 Phun vữa……….……… … …trang80 VI.2.4.4 Hỗn hợp vữa……….……….… …trang80 VI.2.5 Tính toán thiết kế các thông số khoan phụt………trang80

VI.3 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC KHI ỨNG DỤNG CỌC ĐẤT GIA CỐ XI

MĂNG THEO CÔNG NGHỆ TRỘN ƯỚT CỦA NHẬT BẢN TẠI CẢNG HÀNG KHÔNG QUỐC TẾ CẦN THƠ ………… ……….…………

…… trang83

IV.4 KẾT QUẢ KIỂM TOÁN BẰNG PHẦN MỀM PLAXIS………….trang88

CHƯƠNG V KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……… ………

trang90

TIÊU CHUẨN ÁP DỤNG VÀ THAM KHẢO……… ………

trang92

PHỤ LỤC……… ………trang95

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ……… …… ……… trang109

Hình II.1 Sơ đồ phá hoại của đất dính gia cố bằng cột xi măng-đất

Hình II.2 Quan hệ ứng suất - biến dạng vật liệu ximăng - đất…….trang109 Hình II.3 Phá hoại khối………trang109 Hình II.4 Phá hoại cắt cục bộ……….……trang109 Hình II.5 Sơ đồ tính toán biến dạng……… ………trang110 Hình II.6 Sơ đồ tải trọng truyền cho cột……… ………trang110 Hình II.7 Sơ đồ tải trọng truyền cho đất không ổn định giữa các cột khi tải trọng vượt quá độ bền rão……… ……… trang110

Hình II.8 Bố trí cột theo mạng lưới so le……….…….…trang44 Hình II.9 Bố trí cột theo thẳng hàng cách đều……….…………trang44 Hình II.10 Bố trí cột theo kiểu dạng khung……… ….…………trang45 Hình VI.1 Cảng hàng không quốc tế Cần Thơ……… ……trang73 Hình VI.2 So sánh hiệu quả sử dụng khoan phụt cao áp với các phương pháp khoan phụt hoá chất và khoan phụt xi măng áp lực thấp ………… trang75 Hình VI.3 Sự phát triển cường độ nén của ximăng - đất… …… …trang101 Hình VI.4 Cường độ nén của ximăng - đất……… ………… …trang76 Hình VI.5 Công nghệ đơn pha……… …… …trang76 Hình VI.6 Công nghệ hai pha…… …trang77 Hình VI.7 Công nghệ ba pha…… …trang77 Hình VI.8 Mô tả quá trình thi công tạo cọc đất gia cố xi măng ……trang79 Hình VI.9 Cọc đất gia cố xi măng vừa mới thi công xong ………trang85 Hình VI.10 Máy thi công cọc đất gia cố xi măng ………trang85 Hình VI.111 Công tác khoan lấy mẫu ………

Hình VI.14 Thí nghiệm xuyên cắt thuận ……… …trang87 Hình IV.15 Mẫu khoan lõi cọc đất gia cố ximăng ……… …trang111 Hình IV.16 Thí nghiệm xuyên cắt thuận ………trang111 Hình IV.17 Mẫu bị phá hoại……… ……trang112 Hình IV.18 Mẫu sau khi thí nghiệm ………trang112 Hình IV.19 Lắp đặt chuẩn bị thí nghiệm sức chịu tải………trang112 Hình IV.20 Bố trí kích thí nghiệm sức chịu tải nhóm cột ……… …trang113 Hình IV.21 Bố trí kích thí nghiệm sức chịu tải cột đơn ………….…trang113 Hình IV.22 Phá hoại đầu cột ……… …trang114 Hình IV.23 Bố trí kích và đồng hồ thí nghiệm nén ngang………trang114 Hình IV.24 Phá hoại đầu cọc đất gia cố xi măng do nén ngang ……

trang115

Hình IV.25 Cọc đất gia cố xi măng sau khi đã đóng cứng ……….…trang115 Hình IV.26 Sơ đồ tính toán ứng suất - biến dạng ……….……trang116 Hình IV.27 Chuyển vị thẳng đứng của khối cọc đất gia cố xi măng trang116 (Giai đoạn 1: thi công cọc đất gia cố xi măng)

Hình IV.28 Chuyển vị ngang của khối cọc đất gia cố xi măng .……trang117 (Giai đoạn 1: thi công cọc đất gia cố xi măng)

Hình IV.29 Phân bố ứng suất của khối cọc đất gia cố xi măng …trang117 (Giai đoạn 1: thi công cọc đất gia cố xi măng)

Hình IV.30 Chuyển vị thẳng đứng của khối cọc đất gia cố xi măng trang118 (Giai đoạn 2: thi công đắp cát)

Hình IV.31 Chuyển vị ngang của khối cọc đất gia cố xi măng .……trang118 (Giai đoạn 2: thi công đắp cát)

Hình IV.32 Phân bố ứng suất của khối cọc đất gia cố xi măng …trang119 (Giai đoạn 2: thi công đắp cát)

Hình IV.33 Chuyển vị thẳng đứng của khối cọc đất gia cố xi măng

(Giai đoạn 3: tải trọng)

Hình IV.34 Chuyển vị ngang của khối cọc đất gia cố xi măng …trang120 (Giai đoạn 3: tải trọng)

Hình IV.35 Phân bố ứng suất của khối cọc đất gia cố xi măng …trang120

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU……… ……… …trang117

Bảng I.1 Đặc điểm khí tượng… ……… …trang117 Bảng I.2 Đặc điểm thủy văn… ……… ……… …trang118 Bảng I.3 Số liệu về một số công trình sử dụng cọc đất gia cố xi măng…

……… trang118

Bảng III.1 Bảng hàm lượng thạch học… ……….…… … trang120

Bảng III.2 Yêu cầu về vải địa kỹ thuật… ……… … …trang120 Bảng III.3 Tiêu chuẩn nghiệm thu… ……….……… …trang121 Bảng IV.1 Các thống số cho Jet – grouting… …… ……… …trang119

PHẦN MỞ ĐẦU

Đề tài: “ Gia cố nền đất yếu bằng phương pháp cọc đất gia cố xi măngtheo công nghệ trộn ướt của Nhật Bản tại Cảng hàng không Cần Thơ ” vớimục đích góp phần vào việc đánh giá thực tế các giải pháp xử lý nền đường,góp phần vào tiếp cận phát triển, hoàn thiện các phương pháp tính toán vàcông nghệ thi công xử lý nền đường đắp trên nền đất yếu

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Các vùng đồng bằng sông Cửu Long còn tồn tại rất nhiều vùng đất yếu

và hiện là khu vực đang vươn mình phát triển mạnh mẽ của khu vực đồngbằng sông Cửu Long nói riêng và cả nước nói chung Đây là vùng có nhiềutiềm năng kinh tế rất lớn

Triển vọng phát triển đòi hỏi nhu cầu xây dựng cao kéo theo những vấn

đề liên quan đến xử lý nền đất yếu, sự cố công trình

Những nghiên cứu về ổn định nền móng các công trình không phải làvấn đề mới mẻ, tuy nhiên nó luôn là vấn đề cấp thiết và thường xuyên đượccác nhà khoa học quan tâm nghiên cứu - đề cập đến trong các tạp chí và hộithảo chuyên ngành

Trước yêu cầu thực tiễn của đất nước em muốn vận dụng kiến thức đãhọc vào thực tế đời sống với mong muốn góp phần nhỏ bé vào sự phồn vinhchung của đất nước

Cùng với nhu cầu thực tế và sự quan tâm tìm hiểu về vấn đề nền đấtyếu nên em chọn đề tài: Gia cố nền đất yếu bằng phương pháp cọc đất gia cố

xi măng theo công nghệ trộn ướt của Nhật Bản tại Cảng hàng không Cần Thơ

2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

Đề suất phương pháp theo dõi và đánh giá biện pháp gia cố nền đườngđắp trên đất yếu bằng cọc đất gia cố xi măng trong điều kiện nước ta hiện nay

3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

- Công tác thiết kế tính toán kiểm tra xử lý nền đất yếu bằng phươngpháp cọc đất gia cố xi măng theo công nghệ trộn ướt của Nhật Bản

- Công tác thi công cọc đất gia cố xi măng

- Những vấn đề cần chú ý trong thiết kế, thi công công nghệ cọc đất gia cố

xi măng Những sự cố thường gặp và biện pháp khắc phục

- Từ những nội dung cụ thể đánh giá ưu nhược điểm từ đó đưa ra kiếnnghị các quy định nhằm áp dụng có hiệu quả kinh tế - kỹ thuật cao nhất

4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Gia cố nền đất yếu bằng phương pháp cọc đất gia cố xi măng, các quyđịnh kỹ thuật thi công và kiểm tra cọc đất, phương pháp theo dõi vàđánh giá xử lý nền đường trên đất yếu

5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Phương pháp nghiên cứu để thể hiện trong luận văn này như sau:

- Thu thập và phân tích các tài liệu có liên quan đến vấn đề xử lý nền đấtyếu công trình tại Cảng hàng không Cần Thơ

- Nghiên cứu cơ sở lý luận tính toán thiết kế xử lý nền bằng phương phápcọc đất gia cố xi măng

6 Ý NGHĨA KHOA HỌC

Trong nghững năm gần đây cùng với sự phát triển của kinh tế đất nước,nhu cầu xây dựng và xây dựng hệ thống đường giao thông tại khu vực đồngbằng sông Cửu Long nhằm phục vụ sự nghiệp phát triển kinh tế xã hội, đảmbảo an ninh quốc phòng ngày càng cấp thiết Một số dự án đã được triển khaixây dựng trên nền đất yếu tại các khu vực nói trên đã đạt được nhiều lợi íchcho công cuộc xây dựng và bảo vệ Tổ quốc Tuy nhiên, việc xây dựng côngtrình trên nền đất yếu đã gặp không ít khó khăn trong công tác xử lý nền đấtyếu Trong khi đó một số biện pháp xử lý nền đất yếu truyền thống chưamang lại hiệu quả như mong muốn Công ty thiết kế và tư vấn xây dựng côngtrình hàng không ADCC đã cùng với Công ty FUDO là một trong những công

ty hàng đầu của Nhật Bản trong công tác xử lý nền đất yếu, đã hợp tác tiếnhành công tác thi công thử nghiệm Gia cố nền đất yếu bằng phương pháp cọcđất gia cố xi măng theo công nghệ trộn ướt của Nhật Bản tại Khu vực đồngbằng sông Cửu Long Kết quả đạt được cho thấy phương pháp có tính khả thicao, phù hợp với điều kiện nền đất yếu ở Việt Nam đặc biệt là Khu vực đồngbằng sông Cửu Long nói chung và Cảng Hàng không Cần Thơ nói riêng

7 Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

- Khi xây dựng các công trình trên nền đất yếu cần phải có các biện pháp

xử lý đất nền bên dưới công trình, nhất là những khu vực có tầng đất yếukhá dày như một số tỉnh ở đồng bằng sông Cửu Long

- Cọc đất gia cố xi măng theo công nghệ trộn ướt là một trong những giảipháp xử lý nền đất yếu, được áp dụng rộng rãi trong việc xử lý móng vànền đất yếu cho các công trình xây dựng giao thông, thuỷ lợi, sân bay, bếncảng…như: làm tường hào chống thấm cho đê đập, sửa chữa thấm mangcống và đáy cống, gia cố đất xung quanh đường hầm, ổn định tường chắn,chống trượt đất cho mái dốc, gia cố nền đường, mố cầu dẫn

CHƯƠNG I ĐẶC ĐIỂM TỰ NHIÊN CẢNG HÀNG KHÔNG

QUỐC TẾ CẦN THƠ VÀ CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG

CỌC ĐẤT GIA CỐ XI MĂNG

I.1 VỊ TRÍ ĐỊA LÍ

Thành phố Cần Thơ nằm ở trung tâm đồng bằng sông Cửu Long có diệntích tự nhiên 1.401,6 km2, bên bờ tây sông Hậu, cách biển Đông 75 km,cách thủ đô Hà Nội 1.877 km và cách thành phố Hồ Chí Minh 169 km vềphía bắc (theo đường bộ) Phía bắc giáp tỉnh An Giang và Đồng Tháp, phíanam giáp tỉnh Hậu Giang, phía tây giáp tỉnh Kiên Giang, phía đông giáp tỉnhVĩnh Long và Đồng Tháp.

I.2 ĐẶC ĐIỂM KHÍ TƯỢNG - THỦY VĂN- ĐỊA HÌNH- ĐỊA CHẤT

I.2.1 Đặc điểm khí tượng

Tài liệu khí tượng trog khu vực dự án được tính theo trạm Cần Thơ Vịtrí trạm ở 10020’ vĩ Bắc, 105047’ kinh Đông Độ cao của trạm +3,00m

 Nhiệt độ không khí tối cao (00C), (xem phụ lục Bảng I.1)

Tmax=3605, Cv=0.04, Cs=0.60

 Nhiệt độ không khí tối thấp (00C), (xem phụ lục Bảng I.1)

Tmin = 3605, Cv = -0.08, Cs = 0.60

 Lượng mưa:, (xem phụ lục Bảng I.1)

+ Lượng mưa trung bình tháng và năm Rmm

+ Lượng mưa lớn nhất ngày và năm Rxmm+ Số ngày mưa trung bình tháng và năm N

I.2.2 Đặc điểm thủy văn

Các sông rạch ở khu vực chịu ảnh hưởng trực tiếp của chế độ thủy vănsông Hậu (ảnh hưởng của chế độ lũ và triều) tại Cần Thơ biên độ triềuHmax = 2.5m, biên độ triều trung bình Htb = 1.96m và biên độ triều Hmin =0.79m Chế độ thủy văn tại Cần Thơ chịu ảnh hưởng của thủy triều BiểnĐông, chế độ bán nhật triều không đều, mỗi ngày có hai lần triều lên xuống.+ Mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 11 hàng năm.

+ Mùa khô từ tháng 12 đến tháng 4 năm sau

Theo số liệu của dự án Đường Mậu Thân –Sân bay Trà Nóc, do Công

ty Cổ phần Tư vấn Thiết kế Cầu lớn - Hầm thực hiện tháng 3/2007 Kết quảtính toán thủy văn Cầu rạch Chanh (cách vị trí công trình khoảng 2Km) như

sau: (xem phụ lục Bảng II.2)

Địa chất thủy văn: kết quả khảo sát thăm dò và đo các mực nướcngầm tại các lỗ khoan địa chất cho thấy mực nước ngầm xuất hiện ở độ sâu

từ 1.0÷2.6m Nước ngầm trong khu vực khảo sát tích trữ và lưu thông chủyếu ở lớp cát đắp bên trên và mực nước ngầm ở đây phụ thuộc khá nhiềuvào điều kiện khí tượng thủy văn, nước mưa, nước mặt

I.2.3 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA HÌNH

Cần Thơ có cao độ trung bình phổ biến từ 0,2-1m so với mặt nước biển,chiếm hơn 90% diện tích, những nơi có độ cao 1,5-1,8m rất ít, chiếm dưới10% diện tích so với mặt nước biển Ðịa hình tỉnh Cần Thơ thấp dần từ Bắcxuống Nam và từ Ðông sang Tây, có dạng lòng chảo Nằm ở khu vực bồi tụ

phù sa nhiều năm của sông Mê Kông, có địa hình rất đặc trưng cho dạng địahình đồng bằng Nơi đây có hệ thống sông ngòi, kênh rạch chằng chịt Trongđó: Sông Hậu là con sông lớn nhất với tổng chiều dài chảy qua thành phố là

65 km, sông Cái Lớn dài 20 km, sông Cần Thơ dài 16 km, đổ ra sông Hậutại bến Ninh Kiều Bên cạnh đó, Cần Thơ còn có hệ thống kênh rạch nhỏdày đặc, cho nước ngọt suốt hai mùa mưa nắng, tạo điều kiện cho nhà nônglàm thuỷ lợi và cải tạo đất

I.2.4 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH

Theo hồ sơ báo cáo khảo sát địa chất tại Cảng hàng không Quốc tế CầnThơ, có thể chia địa tầng các lớp địa chất thành các lớp theo thứ tự từ trênxuống dưới như sau:

Sét màu xám nâu, độ dẻo cao, trạng thái rất mềm xuất hiện ở tất cả các

lỗ khoan Chiều dày thay đổi từ (4.20÷24.30)m

Các chỉ tiêu cơ lý cơ bản của lớp này như sau:

o Dung trọng đẩy nổi  sub (g/cm 3 ) : 0.884

Các chỉ tiêu cơ lý cơ bản của lớp này như sau:

Mực nước ngầm ở lỗ khoan như sau: +1.0m

Với đặc điểm phân bố địa tầng và các đặc trưng cơ - lý của các lớp đấtnhư trên có thể nêu một số nhận xét sau:

- Dưới đất lớp mặt có tính chất cơ lý không ổn định là lớp bùn yếu, do

đó nền đường, sân cần quan tâm vấn đề lún do lớp bùn và lớp mặt khiđắp gây nên

- Đối với công trình có tải trọng nên sử dụng các loại móng cọc đặt vàolớp 5

I.3 CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG CỌC ĐẤT GIA CỐ XI MĂNG

a) Trên thế giới

- Nước ứng dụng công nghệ xi măng đất nhiều nhất là Nhật Bản và cácnước vùng Scandinaver Theo thống kê của hiệp hội CDM (NhậtBản), tính chung trong giai đoạn 80-96 có 2345 dự án, sử dụng 26triệu m3 BTĐ Riêng từ 1977 đến 1993, lượng đất gia cố bằng ximăng ở Nhật vào khoảng 23,6 triệu m3 cho các dự án ngoài biển vàtrong đất liền, với khoảng 300 dự án Hiện nay hàng năm thi côngkhoảng 2 triệu m3

- Tại Trung Quốc, công tác nghiên cứu bắt đầu từ năm 1970, tổng khốilượng xử lý bằng cọc đất gia cố xi măng ở Trung Quốc cho đến nayvào khoảng trên 1 triệu m3 Tại Châu Âu, nghiên cứu và ứng dụng

một đê đất thử nghiệm (6m cao 8m dài) đã được xây dựng ở PhầnLan sử dụng cột vôi đất, nhằm mục đích phân tích hiệu quả của hìnhdạng và chiều dài cột về mặt khả năng chịu tải

Hình I.1 Xử lý sự cố nền công trình nhà ở Đài Bắc - Đài Loan

Hình I.2 Xử lý nền ga tàu điện ở trung tâm Cai Ro - Ai Cập

b) Tại Việt Nam

- Việt nam (IBST) là người đầu tiên đưa chất gia cố là xi măng vào(khởi thuỷ của phương pháp là cột vôi), điều này được khẳng địnhtrong hội nghị gia cố sâu tổ chức tại Stockholm 2001 Tại Việt nam,phương pháp này được nghiên cứu từ những năm đầu của thập kỷ 80(thế kỷ trước) với sự giúp đỡ của Viện Địa kỹ thuật Thuỵ Điển (SGI)với một thiết bị thi công Đề tài được kết thúc vào năm 1986 thiết bịđược chuyển giao cho LICOGI

- Vào năm 2000, do yêu cầu của thực tế, phương pháp này được ápdụng trở lại trong lĩnh vực xăng dầu, khi công trình chấp nhận mộtgiá trị độ lún cao hơn bình thường tuy nhiên có hiệu quả kinh tế cao

Đơn vị đưa trở lại phương pháp này ban đầu là COFEC và nay làC&E Consultants Trong thời gian này song song với việc áp dụng rấtnhiều thí nghiệm hiện trường (quan trắc công trình) đã được thựchiên Những thí nghiệm mang tính nghiên cứu này được C&E thựchiện và quy mô của nó không thua kém các đồng nghiệp khác Hiệnnay C&E đang thực hiện thí nghiệm quan trắc sự thay đổi áp lựcnước nước dưới đáy khối gia cố (ở độ sâu > 20 m) tại TP Hồ ChíMinh để xem xét lại tính thoát cố kết của đất nền dưới đáy khối gia

cố Hai đầu đo đã được lắp đặt để tiến hành nghiên cứu lâu dài

- Từ năm 2002 đã có một số dự án bắt đầu ứng dụng cọc đất gia cố ximăng vào xây dựng các công trình trên nền đất, cụ thể như: Dự áncảng Ba Ngòi (Khánh Hòa) đã sử dụng 4000m cọc đất gia cố xi măng

có đường kính 0,6m thi công bằng trộn khô; xử lý nền cho bồn chứaxăng dầu đường kính 21m, cao 9m ở Cần Thơ Năm 2004 cọc đất gia

cố xi măng được sử dụng để gia cố nền móng cho nhà máy nướchuyện Vụ Bản (Hà Nam), xử lý móng cho bồn chứa xăng dầu ở Đình

Vũ (Hải Phòng), các dự án trên đều sử dụng công nghệ trộn khô, độsâu xử lý trong khoảng 20m Tháng 5 năm 2004, các nhà thầu NhậtBản đã sử dụng Jet - grouting để sửa chữa khuyết tật cho các cọc nhồicủa cầu Thanh Trì (Hà Nội) Năm 2005, một số dự án cũng đã áp

dụng cọc đất gia cố xi măng như: dự án thoát nước khu đô thị Đồ Sơn

- Hải Phòng, dự án sân bay Cần Thơ, dự án cảng Bạc Liêu

- Năm 2004, Viện Khoa học Thủy lợi đã tiếp nhận chuyển giao côngnghệ khoan phụt cao áp (Jet-grouting) từ Nhật Bản Đề tài đã ứngdụng công nghệ và thiết bị này trong nghiên cứu sức chịu tải của cọcđơn và nhóm cọc, khả năng chịu lực ngang, ảnh hưởng của hàmlượng XM đến tính chất của xi măng đất, nhằm ứng dụng cọc đấtgia cố xi măng vào xử lý đất yếu, chống thấm cho các công trình thuỷlợi Nhóm đề tài cũng đã sửa chữa chống thấm cho Cống Trại (NghệAn), cống D10 (Hà Nam), Cống Rạch C (Long An)

- Tại thành phố Đà Nẵng, cọc đất gia cố xi măng được ứng dụng ởPlazza Vĩnh Trung dưới 2 hình thức: Làm tường trong đất và làm cọcthay cọc nhồi

- Tại Tp Hồ Chí Minh, cọc đất gia cố xi măng được sử dụng trong dự

án Đại lộ Đông Tây, một số building như Saigon Times Square …Hiện nay, các kỹ sư Orbitec đang đề xuất sử dụng cọc đất gia cố ximăng để chống mất ổn định công trình hồ bán nguyệt – khu đô thịPhú Mỹ Hưng, dự án đường trục Bắc – Nam (giai đoạn 3) cũng kiếnnghị chọn cọc đất gia cố xi măng xử lý đất yếu

- Tại Quảng Ninh, công trình nhà máy nhiệt điện Quảng Ninh đã ápdụng công nghệ phun ướt, địa chất công trình phức tạp gặp đá mồ côi

ở tầng địa chất cách cao độ mạt đất 11 - 12m, đất đồi cứng khó khoantiến độ công trình đòi hỏi gấp, lúc cao điểm lên đến 6 máy khoan

- Tại Hà nội, Hầm đường bộ Kim Liên được xây dựng trong khu vựcđịa chất yếu, nhất là khu vực phía đuờng Đào Duy Anh, chính vì vậynền đất dưới hầm đã được cải tạo bằng phương pháp cọc đất gia cố ximăng với chiều dày khoảng 1.5-6m Việc gia cố đất tại đáy bằngphương pháp cọc đất gia cố xi măng không nhằm gia cố nền đất màchỉ với mục đích chống trượt trồi khi đào xuống độ sâu lớn (trên10m) và cũng không phải gia cố tại tất cả các vị trí đào mà căn cứtheo điều kiện địa chất từng khu vực, có nơi gia cố, có nơi không.Việc gia cố ít nhiều có ảnh hưởng đến độ lún của các đốt hầm.Đường Láng Hòa Lạc nối Thủ đô Hà Nội với khu công nghệ cao HàoLạc đi qua nhiều sông ngòi và có nhiều gia cắt với đường bộ, đườngsắt, dọc theo con đường này có nhiều hạng mục công trình trong quátrình thi công đã dùng cọc đất gia cố xi măng để xử lý nền đất yếu,chống lún chống trượt đất cho mái dốc, ổn định đất đường hầm

Hình I.3 Xử lý nền đất yếu bằng cọc đất gia cố xi măng tại Sân bayCần Thơ

- Số liệu về một số công trình sử dụng cọc đất gia cố xi măng (xem phụ lục Bảng I.3)

CHƯƠNG II GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN SỨC CHỊU TẢI VÀ BIẾN DẠNG CỦA NỀN ĐẤT GIA CỐ

XI MĂNG

II.1 CÁC QUAN ĐIỂM TÍNH TOÁN

Hiện nay, vấn đề tính sức chịu tải và biến dạng của nền đất gia cố bằngcọc đất gia cố xi măng vẫn còn là vấn đề tranh luận nhiều Nhưng tựu chung lại

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 đốivới nền thiên nhiên)

- Một số nhà khoa học lại đề nghị tính toán theo cả hai quan điểm trênnghĩa là sức chịu tải thì tính toán như “cọc”, còn biến dạng thì tính toán theonền

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 chưanhiều

II.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 đầutrụ này được đưa vào tầng đất chịu tải Khi đó lực truyền vào móng sẽ chủ yếu

đi vào các cọc đất gia cố xi măng (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 thểdùng phương pháp tính toán như tính toán với cọc ma sát.

II.1.1.1 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 trícác trụ trong khối móng Kết quả phân tích tính toán thể hiện thông qua nộilực 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 : y < [y]

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

y 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:

ult max

c

N QN

n Fs

Trong đó:

Nmax - tải trọng tác dụng lên mỗi cột;

N - tổng tải trọng tác dụng lên đài cột;

xi, yi - khoảng cách từ trục chính của đài cột đến mỗi trục cột;

x, y - khoảng cách từ trục chính của đài cột đến trục cột khảo sát

II.1.1.2 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 phátsinh biến dạng và lún quá lớn:

II.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 sốliệu cường độ tđ, Ctđ, Etđ được nâng cao (được tính từ , C, E của đất nềnxung quanh trụ và vật liệu làm trụ) Công thức quy đổi tương đương tđ, Ctđ,Etđ dựa trên độ cứng của cọc đất gia cố xi măng, đất và diện tích đất được thaythế bởi cọc đất gia cố xi măng Gọi m là tỷ lệ giữa diện tích cột xi măng - đấtthay thế trên diện tích đất nền

Ap - Diện tích đất nền thay thế bằng cọc đất gia cố xi măng;

As- Diện tích đất nền cần gia cố

Theo phương pháp tính toán này, bài toán gia cố đất có 2 tiêu chuẩn cầnkiểm tra:

- Tiêu chuẩn về cường độ: tđ , Ctđ của nền được gia cố phải thỏa mãn điềukiện sức chịu tải dưới tác dụng của tải trọng công trình

- Tiêu chuẩn biến dạng: Môđun biến dạng của nền được gia cố Etđ phải thỏamãn điều kiện lún của công trình

Có thể dùng các công thức giải tích và các phần mềm địa kỹ thuật hiện có

để giải quyết bài toán này

II.1.3 Quan điểm hỗn hợp

II.1.3.1 Cách tính toán của Viện Kỹ thuật châu Á A.I.T

a) Sức chịu tải của cột đơn

Khả năng chịu tải của cọc đất gia cố xi măng được quyết định bởi sứckháng cắt của đất sét yếu bao quanh (đất bị phá hoại) hay sức kháng cắt củavật liệu cọc đất gia cố xi măng (cọc đất gia cố xi măng phá hoại) Loại pháhoại đầu phụ thuộc cả vào sức cản do ma sát mặt ngoài cọc đất gia cố xi măng

và sức chịu chân cọc đất gia cố xi măng, loại sau còn phụ thuộc vào sứckháng cắt của vật liệu cọc đất gia cố xi măng Khả năng chịu tải giới hạn ngắncủa cọc đất gia cố xi măng đơn trong đất sét yếu khi đất phá hoại được tínhtheo biểu thức sau:

Qgh, đất = (dHcột+2.25 d2)Cu (2-8)

Trong đó:

d - đường kính của cọc đất gia cố xi măng;

Hcột - chiều dài cọc đất gia cố xi măng;

Cu -độ bền cắt không thoát nước trung bình của đất sét bao quanh, đượcxác 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 củađất sét Cu và sức chịu ở chân cọc đất gia cố xi măng tương ứng là 9 Cu Sức

chịu ở chân cọc đất gia cố xi măng treo không đóng vào tầng nén chặt, thườngthấp so với mặt ngoài Sức chịu ở chân cọc đất gia cố xi măng sẽ lớn khi cọcđất gia cố xi măng cắt qua tầng ép lún vào đất cứng nằm dưới có sức chịu tảicao Phần lớn tải trọng tác dụng sẽ truyền vào lớp đất ở dưới qua đáy của cọcđất gia cố xi măng Tuy nhiên sức chịu ở chân cọc đất gia cố xi măng khôngthể vượt qua độ bền nén của bản thân cọc đất gia cố xi măng.

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

Đường bao phá hoại tương ứng (xem phụ lục Hình II.1) Khả năng chịu

tải giới hạn ngắn ngày do cọc đất gia cố xi măng bị phá hoại ở độ sâu z đượctính từ quan hệ:

Qgh,cọc đất gia cố xi măng=Acộtx(3.5 Ccột+3n) (2-9)Trong đó:

Ccột - lực dính kết của vật liệu cọc đất gia cố xi măng;

n - áp lực ngang tổng cộng tác động lên cọc đất gia cố xi măng tại mặtcắt giới hạn

Giả thiết góc ma sát trong của đất là 30o Hệ số tương ứng hệ số áp lực bịđộng Kb khi gh,cọc đất gia cố xi măng=30o

Trong đó:

p - 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 lớpphủ 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 cọc đất gia cố xi măngthấp hơn độ bền ngắn hạn Độ bền rão của cột ximăng-đất Qrão,cọc đất gia cố xi măng từ65% - 85% của Qgh,cọc đất gia cố xi măng Giả thiết quan hệ biến dạng - tải trọng là

tuyến tính cho tới khi rão như hình II.2 (xem phụ lục Hình II.2) Có thể dùng

quan hệ này để tính sự phân bố tải trọng rão,cọc đất gia cố xi măng và môđun ép co củavật liệu cọc đất gia cố xi măng tương ứng độ dốc của đường quan hệ Khivượt quá độ bền rão, tải trọng ở cọc đất gia cố xi măng được coi là hằng số

b) Khả năng chịu tải giới hạn của nhóm cọc đất gia cố xi măng

Khả năng chịu tải giới hạn của nhóm cọc đất gia cố xi măng phụ thuộcvào độ bền cắt của đất chưa xử lý giữa các cọc đất gia cố xi măng và độ bềncắt của vật liệu cọc đất gia cố xi măng Sự phá hoại quyết định bởi khả năngchịu tải của khối với cọc đất gia cố xi măng

Trong trường hợp đầu, sức chống cắt dọc theo mặt phá hoại cắt quatoàn bộ khối sẽ quyết định khả năng chịu tải và khả năng chịu tải giới hạn củanhóm cọc đất gia cố xi măng được tính theo:

Trong đó:

B, L và H - chiều rộng, chiều dài và chiều cao của nhóm cọc đất gia cố

xi măng Hệ số 6 dùng cho móng chữ nhật khi chiều dài lớn hơn chiều rộngnhiều (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 phảihuy 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 cọcđất gia cố xi măng, phụ thuộc vào độ bền chống cắt trung bình của đất dọc

theo mặt phá hoại gần tròn như hình II.4 (xem phụ lục Hình II.4) Độ bền cắt

trung bình có thể tính như khi tính ổn định mái dốc Khả năng chịu tải giớihạn có chú ý đến phá hoại cục bộ, được tính theo biểu thức (2-12) sau:

Ctb - độ bền cắt trung bình dọc theo bề mặt phá hoại giả định Độ bềncắt trung bình của vùng ổn định chịu ảnh hưởng của diện tích tương đối củacọc đất gia cố xi măng a, (bx1) và độ bền cắt của vật liệu cọc đất gia cố ximăng Đề nghị dùng hệ số an toàn là 2,5 khi tính toán thiết kế.

c) Tính toán biến dạng

Tổng độ lún của công trình xây dựng trên nền đất gia cố bằng cọc đất gia

cố xi măng như hình II.5 (xem phụ lục Hình II.5) Tổng độ lún lớn nhất lấy

bằng tổng độ lún cục bộ của toàn khối nền được gia cường (h1) và độ lúncục bộ của tầng đất nằm dưới đáy khối đất được gia cường phía trên (h2)Tức là:

Trong đó:

h1 - độ lún cục bộ của khối đất nền sau khi được gia cường;

h2 - độ lún cục bộ của tầng đất nằm dưới mũi cọc đất gia cố xi măng.Khi tính toán h có thể xảy ra 2 trường hợp:

- Tải trọng ngoài tác dụng tương đối nhỏ và cọc đất gia cố xi măng chưa

bị rão:

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

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

cét cét

d cét

cét

M A

a ( )(1 a) M

  

Trong đó:

q - tải trọng đơn vị, kG/cm2;

a - diện tích tương đối của cột;

Md và Mcột - môđun biến dạng của đất nền xung quanh và của vật liệu cột