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

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 yếu khá 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 giải pháp xử lý nền đất yếu, được áp dụng rộng rãi trong việc xử lý móng và nền đất yếu cho các công trình xây dựng giao thông, thuỷ lợi, sân bay, bến cảng…như: làm tường hào chống thấm cho đê đập, sửa chữa thấm mang cống 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...

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

-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

ĐƯỜNG ÔTÔ VÀ ĐƯỜNG TP

MỤC LỤC

• PHẦN MỞ ĐẦU

• 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

• CHƯƠNG II GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÝ THUYẾT TÍNH

TOÁN SỨC CHỊU TẢI VÀ BIẾN DẠNG CỦA NỀN ĐẤT GIA CỐ

• CHƯƠNG V KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

• TIÊU CHUẨN ÁP DỤNG VÀ THAM KHẢO

• PHỤ LỤC

2

PHẦN MỞ ĐẦU

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 ” với mục 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 và công 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 đồng bằng sông Cửu Long nói riêng và cả nước nói chung Đây là vùng có nhiều tiềm năng kinh tế rất lớn

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

2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

Đề suất phương pháp theo dõi và đánh giá biện pháp gia cố nền đường đắp 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 phương pháp 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 kiến nghị các quy định nhằm áp dụng có hiệu quả kinh tế - kỹ thuật cao nhất

4

4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Gia cố nền đất yếu bằng phương pháp cọc đất gia cố xi măng, các quy định kỹ thuật thi công và kiểm tra cọc đất, phương pháp theo dõi và đánh 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 đất yếu công trình tại Cảng hàng không Cần Thơ

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

6 Ý NGHĨA KHOA HỌC

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

biệt là Khu vực đồng bằng 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 yếu khá 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 giải pháp xử lý nền đất yếu, được áp dụng rộng rãi trong việc xử lý móng và nền đất yếu cho các công trình xây dựng giao thông, thuỷ lợi, sân bay, bến cảng…như: làm tường hào chống thấm cho đê đập, sửa chữa thấm mang cống 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

6

CHƯƠNG IĐẶC ĐIỂM TỰ NHIÊN CẢNG HÀNG KHÔNG QUỐC TẾ CẦN THƠ VÀ CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG CỌC ĐẤT

a) Trên thế giới

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

• Tại Trung Quốc, công tác nghiên cứu bắt đầu từ năm 1970, tổng khối lượng xử lý bằng cọc đất gia cố xi măng ở Trung Quốc cho đến nay vào khoảng trên 1 triệu m3 Tại Châu Âu, nghiên cứu và ứng dụng bắt đầu ở Thụy Điển và Phần Lan bắt đầu từ năm 1967 Năm 1974, một đê đất thử nghiệm (6m cao 8m dài) đã được xây dựng ở Phần Lan sử dụng cột vôi đất, nhằm mục đích phân tích hiệu quả của hình dạng và chiều dài cột về mặt khả năng chịu tải

8

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

b) Tại Việt Nam

• Tại thành phố Đà Nẵng, cọc đất gia cố xi măng được ứng dụng ở Plazza Vĩnh Trung dưới 2 hình thức: Làm tường trong đất và làm cọc thay 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 xi măng để chống mất ổn định công trình hồ bán nguyệt – khu đô thị Phú Mỹ Hưng.

• Tại Hà nội, Hầm đường bộ Kim Liên, đường Láng Hòa Lạc nối Thủ đô Hà Nội với khu công nghệ cao Hào Lạc đi qua nhiều sông ngòi và có nhiều gia cắt với đường bộ, đường sắt, dọc theo con đường này có nhiều hạng mục công trình trong quá trình 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

bay Cần Thơ

CHƯƠNG IIGIỚI 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 bằng cọc 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 đối với nền thiên nhiên)

- Một số nhà khoa học lại đề nghị 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.

12

II.2 HÌNH THỨC BỐ TRÍ CỌC ĐẤT GIA CỐ XIMĂNG

- Có 2 dạng sơ đồ bố trí cọc đất gia cố xi măng với mục đích gia

cố nền là: bố trí các cột theo mạng lưới so le (xem Hình II.8) hoặc thẳng hàng cách đều nhau (xem Hình II.9).

- Bố trí theo mạng lưới cách đều thường ứng dụng khi 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 có 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

Hình II.10 Bố trí cột theo kiểu dạng khung

Hình II.8

Bố trí cột theo mạng lưới so le

Hình II.9

Bố trí cột theo thẳng hàng cách đều

II.3 VẬT LIỆU XIMĂNG ĐẤT TRONG XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU II.4.1 Nguyên lý tăng cường độ của nền gia cố ximăng - đất

Ximăng sau khi trộn với đất sẽ xẩy ra một loạt các phản ứng hoá học gây đông cứng, đống rắn khối đất được trộn, các phản ứng hoá học chủ yếu là:

•Phản ứng thuỷ hoá của ximăng:

Ximăng + nước = Hydroxyd ngậm nước +

•Tác dụng của hạt đất sét với các chất thuỷ hoá của ximăng: tạo thành các chất thuỷ hoá của ximăng, tự đóng rắn thành kết cấu khung xương

đá ximăng.

•Tác dụng Cacbonat hoá:

Hydroxid calxi + không khí = Cacbonat canxi (kết tủa rắn).

II.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến cơ chế làm cứng

-Ảnh hưởng của loại đất: Bản chất hoá lý của đất ảnh hưởng đến tính chất của khối ximăng - đất.

-Ảnh hưởng của tuổi ximăng - đất: Cường độ của ximăng - đất tăng lên theo thời gian, tương tự như bê tông.

- Ảnh hưởng của chất kết dính: Loại, chất lượng và số lượng chất kết dính ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển cường độ đối với mọi loại đất

- Ảnh hưởng của hàm lượng ximăng: Khi chất gia cố (ximăng) tăng thì cường độ của ximăng - đất cũng tăng, tuy nhiên độ tăng của cường độ còn phụ thuộc vào loại đất và chất gia cố

- Điều kiện trộn và điều kiện đóng rắn: tỷ lệ nước/ximăng ảnh hưởng trực tiếp đến cường độ khối ximăng - đất, việc tăng lượng nước sẽ làm giảm cường độ khối ximăng - đất Ngoài ra thời gian trộn, thời gian ninh kết, nhiệt độ ninh kết cũng ảnh hưởng đến cường độ của cọc đất gia cố xi măng

- Hiệu quả của việc gia cố còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như đường kính cột, chiều sâu chôn cột, hình thức bố trí cột

16

II.4 CÁC ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ CỌC ĐẤT GIA

CỐ XI MĂNG

Gia cố nền móng công trình Gia cố thành hố đào

Chống thấm

Ổn định tường chắn Gia cố đường hầm

CHƯƠNG IIIQUI 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

III.1.1 Cở sở thực hiện

• Các thí nghiệm trong phòng & thí nghiệm hiện trường trước

và sau khi nền đất yếu được xử lý gia cường bằng cọc đất xi măng Các kết quả số liệu đó, chính là số liệu đầu vào để lập thiết kế cơ sở cho cọc đất xi măng

• Các thí nghiệm hiện trường và thí nghiệm trong phòng này là

để kiểm chứng với kết quả tính toán trong hồ sơ thiết kế của cọc đất xi măng và là căn cứ khoa học, cơ sở thực tế để quyết định các thông số kỹ thuật về cọc đất xi măng (đường kính, khoảng cách, tỷ lệ xi măng/1m3 đất trộn vv…) được sử dụng

•Các thông số kỹ thuật cho cọc đất xi măng tại Cảng Hàng không như sau:

–Hàm lượng xi măng là 65kg/1m dài, có qu= 3.0 kg/cm2.

–Đường kính D=0,6m, chiều sâu 16m và khoảng cách giữa các tim cọc là 1m4

III.1.2 Quy định chung

Thiết kế, thi công gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng cần tuân theo quy trình sau:

• Khảo sát địa chất công trình, thí nghiệm xác định hàm lượng xi măng thích hợp trong phòng thí nghiệm;

• Thiết kế sơ bộ nền gia cố theo điều kiện tải trọng tác dụng của kết cấu bên trên (căn cứ vào kết quả thí nghiệm mẫu trong phòng và kinh nghiệm tích lũy);

• Thi công trụ thử bằng thiết bị dự kiến sử dụng;

• Tiến hành các thí nghiệm kiểm tra (xuyên cánh, xuyên tĩnh, nén tĩnh, lấy mẫu );

20

• So sánh với các kết quả thí nghiệm trong phòng, đánh giá lại các chỉ tiêu cần thiết;

• Điều chỉnh thiết kế (hàm lượng chất gia cố, chiều dài hoặc khoảng cách giữa các trụ);

• Thi công đại trà theo công nghệ đã đạt yêu cầu và tiến hành kiểm tra chất lượng phục vụ nghiệm thu

- Tuy cùng một tỷ lệ pha trộn nhưng luôn có sự khác nhau giữa mẫu chế bị trong phòng và thực tế thi công bằng các thiết

bị ngoài hiện trường, cho nên việc thi công trụ thử, tìm hiệu quả gia cố tối ưu là quy định bắt buộc Trụ thử phải thi công ngoài công trình để có thể tiến hành thí nghiệm kiểm tra Số lượng trụ thử không ít hơn 2 trụ cho mỗi loại thiết bị và công nghệ

- Dự án trụ đất xi măng được tiến hành theo quy trình lặp,

III.2 Yêu cầu về vật liệu sử dụng

III.2.1 Vật liệu xi măng

III.2.2.Vải địa kỹ thuật

III.2.3 Yêu cầu về thiết bị

III.2.4 Yêu cầu kỹ thuật thi công cọc đất gia cố xi măng

III.2.4.1 Chuẩn bị mặt bằng thi công

III.2.4.2 Các bước thi công chính

III.2.4.3 Trình tự thi công và thời gian nghỉ

III.2.4.4 Ghi chép trong thi công

III.2.4.5 Sai số trong thi công

III.2.5 Phương án thiết kế gia cố nền và các thông số thiết kế cọc đất gia cố

III.2.5.1 Phương án thiết kế gia cố nền

III.2.5.1 Phương án thiết kế gia cố nền

22

III.2.5.2 Thông số thiết kế cọc đất gia cố

III.2.6 Yêu cầu về thí nghiệm và kiểm tra chất lượng cọc

III.2.6.1 Thí nghiệm trong phòng

III.2.6.2 Thi công và kiểm tra các cọc thử nghiệm tại hiện trườngIII.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

III.2.6.2.3 Thí nghiệm nén tĩnh cọc đơn

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

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

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

III.4 Xử lý kỹ thuật thi công

CHƯƠNG IV

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

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

Cảng Hàng không Quốc tế Cần Thơ nằm dọc theo sông Hậu Giang - Đầu đông của Cảng hàng không Quốc tế Cần Thơ cách sông Hậu Giang 700m, phía Bắc cách rạch Trà Nóc 500m, phía Tây giáp với rạch Bà Lý Cảng hàng không Quốc tế Cần Thơ có vị trí rất quan trọng trong sự phát triển kinh tế, văn hóa, xã hội, an ninh quốc phòng cho Cần Thơ và khu vực, thúc đẩy sự phát triển của các tỉnh khu vực đồng bằng Sông Cửu Long Càng hàng không Quốc tế Cần Thơ với

hệ thống hạ cánh chính xác ILS để tiếp thu các loại máy bay hạng nặng như B777-300ER, B747-400 và tương đương, nối Cần Thơ với các nước trong khu vực và trên thế giới.

24

VI.2 GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ TẠO CỌC ĐẤT GIA CỐ

XI MĂNG

VI.2.1 Giới thiệu công nghệ Jet - grouting

•Công nghệ Jet - grouting là một công nghệ trộn sâu dạng ướt (wet mixing) Hiện nay nước ta chưa có thuật ngữ khoa học tiếng Việt chính thức để gọi tên công nghệ này Một số tài liệu có đề xuất thuật ngữ "khoan phụt vữa cao áp", để phân biệt với các công nghệ khoan phụt sử dụng áp suất thấp hơn (2-10 atm) và cơ chế nút bịt đã có mặt ở nước ta từ nhiều năm nay

•Công nghệ Jet-grouting được phát minh ở Nhật Bản năm 1970, năm 1974 một công ty ở Ý đã mua lại phát minh trên và ra đời công ty Technicwell Năm 1979 người Đức cũng mua bản quyền công nghệ Jet-grouting và phát triển công nghệ này Những công

ty xử lý nền móng hàng đầu thế giới hiện nay như công ty Laynerchristen (Mỹ), Soletane-Bachy (Pháp), Bauer (Đức), Frankier (úc) đều có sử dụng công nghệ này

26

Trải qua hơn ba mươi năm hoàn thiện và phát triển, đến nay công nghệ này đã được thừa nhận rộng khắp, được kiểm nghiệm và đưa vào tiêu chuẩn ở các nước phát triển trên thế giới

• Đối với nước ta, đây là công nghệ mới do Viện Khoa học Thuỷ lợi tiếp nhận chuyển giao từ Nhật Bản và đã sử dụng có hiệu quả để xử lý hư hỏng nền và mang cống của một số cống dưới đê

+ Ưu điểm của công nghệ Jet - grouting

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

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

- Thiết bị nhỏ gọn, có thể thi công trong không gian có chiều cao hạn chế, nhiều chướng ngại vật

+ Nhược điểm của công nghệ Jet - grouting

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

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

28