chuyên đề thi công cọc xi măng đất

Hiện nay cùng với sự phát triển kinh tế đất nước, nhu cầu phát triển về kinh tế hạ tầng rất lớn và cần thiết. Phần lớn các công trình được xây dựng trên nền đất hình thành một cách tự nhiên trong những môi trường khác nhau. Do nền đất tự nhiên nhiều khi chưa đáp ứng được khả năng chịu tải của công trình. Vì vậy cần cải thiện khả năng chịu tải của nền đất để chúng có khả năng chịu tải trọng như thiết kế. Trong thực tế có nhiều phương pháp cải thiện nền đất yếu, CỌC XI MĂNG ĐẤT là một trong những giải pháp đó.

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA XÂY DỰNG DÂN DỤNG & CÔNG NGHIỆP

***************

BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ THI CÔNG

ĐỀ TÀI : GIẢI PHÁP MÓNG CHO NỀN ĐẤT YẾU

CỌC XI MĂNG ĐẤT

GVHD : TS Lê Khánh Toàn SVTH : Trần Quốc Bảo

Lê Đức Anh Huỳnh Hiệp Chung

Lê Đức Chí Trương Đức Đạt Đào Công Muôn LỚP : 10X1A

NHÓM : 01

Mục lục:

I Giới thiệu chung:

1 Đặt vấn đề:

2 Phạm vi ứng dụng:

3 Ưu điểm:

4 Tiêu chuẩn thiết kế:

II Công nghệ thi công:

1 Công nghệ Bắc Âu:

2 Công nghệ Nhật Bản:

3 Các phương pháp thi công cọc xi măng đất:

3.1 Phương pháp trộn khô:

3.2 Phương pháp trộn ướt:

3.3 Trình tự cột xi măng đất:

III Tính toán cọc xi măng đất:

1 Bố trí cọc xi măng đất:

2 Tính toán cọc xi măng đất như cọc:

2.1 Đánh giá theo trạng thái giới hạn thứ nhất:

2.2 Đánh giá theo trạng thái giới hạn thứ hai:

3 Tính toán theo quan điểm nền tương đương:

IV Ứng dụng:

CHUYÊN ĐỀ THI CÔNG CHUYÊN ĐỀ CỌC XI MĂNG ĐẤT

I Giới thiệu chung

1 Đặt vấn đề

Hiện nay cùng với sự phát triển kinh tế của đất nước, nhu cầu phát triển về cơ sở hạ tầng rất lớn và cấp thiết Phần lớn các công trình được xây dựng trên nền đất hình thành một cách tự nhiên trong những môi trường khác nhau Do nền đất tự nhiên nhiều khi chưa đáp ứng được khả năng chịu tải của các công trình như nhà cửa, cầu cống, đê đập… xây dựng trên chúng, hay nói cách khác, khả năng chịu tải của chúng kém hơn so với tải trọng dự kiến Vì vậy cần cải thiện tính chất của nền đất trong phạm vi đới ảnh hưởng để chúng có thể đủ sức chịu tải trọng thiết kế Trong thực tế có nhiều phương pháp để cải thiện tính chất của nền đất yếu, một trong những phương pháp đó là xử lý nền bằng cọc

ổn định nền và chống thấm Cường độ chịu nén của xi măng đất từ 20 - 250 kg/cm2, tuỳ thuộc vào loại vữa (hàm lượng xi măng và tỷ lệ đất còn lại trong khối xi măng đất) và loại đất nền

ổn định tường chắn, chống trượt mái đất; làm tường kè, tường chắn sóng

 Trong xây dựng, dùng cọc xi măng đấtthay thế các loại móng cọc truyền thống; gia cố móng nông; làm tường vây hố móng; tường ngăn nước; gia cố đường hầm; tường neo; gia cố nền các bồn chứa và tòa tháp; gia cố vùng đất yếu xung quanh đường hầm

 Trong giao thông, công nghệ xi măng đấtđược ứng dụng để gia cố nền đường;

mố cầu dẫn Ngoài ra, công nghệ này còn được ứng dụng trong lĩnh vực môi trường để ngăn vùng đất bị ô nhiễm

Ngoài ứng dụng gia cố nền đất yếu, các ứng dụng chính của cọc xi măng đấtcó thể

kể đến xử lý lún nghiêng, tường chống thấm, tường vách hố móng, nền đường, vỏ bảo vệ công trình ngầm, v.v Trong các ứng dụng này, một hàng cọc bê tông đất nằm liên tiếp nhau, thậm chí đan xen nhau tạo thành một bức tường có tác dụng chống thấm tốt và có thể chịu lực xô ngang trong một thời gian ngắn Ứng dụng cọc xi măng đấtđể xử lý các

hư hỏng của công trình do nền đất yếu gây ra cũng rất quan trọng Nhờ sự gọn nhẹ của dây chuyền thiết bị, việc thi công có thể tiến hành trong địa hình chật hẹp (diện thi công nhỏ), không ảnh hưởng đến các công trình lân cận chiều cao hạn chế (tối thiểu 3m) Đặc biệt, với đường kính khoan nhỏ (40-90 mm) mà vẫn có thể tạo được diện xử lý rộng nằm dưới móng hiện trạng mà không ảnh hưởng tới kết cấu công trình, công nghệ này có lợi thế lớn trong việc sửa chữa, gia cố nền của các công trình nhà ở đang gặp vấn đề lún hoặc sạt, trượt Trong ngành thuỷ lợi, ứng dụng cọc xi măng đấtđể xử lý các hư hỏng của cống dưới đê (thấm qua nền, mang cống), đồng thời tăng cường sức chịu tải của nền cống đã được thử nghiệm thành công ở Việt Nam, do mộtnhóm nghiên cứu tiến hành trong tháng 6 năm 2004

Tính kinh tế của cọc xi măng đất:

a Có thể giảm đến 30% giá thành so với cọc bê tông cốt thép (cọc đóng, cọc nhồi v.v.)

b Rất kinh tế khi diện tích xử lý rộng trong thời gian tới, mục tiêu sẽ là nâng cấp hoàn thiện công nghệ, đặc biệt phi tiến tới nội địa hoá máy móc thiết bị để giảm giá thành sản xuất và việc ứng dụng công nghệ ngày càng được sâu rộng

3 Ưu điểm

So với một số giải pháp xử lý nền hiện có, công nghệ cọc xi măng đất có ưu điểm là :

 Thi công nhanh, kỹ thuật thi công không phức tạp

 Tiết kiệm thời gian thi công đến hơn 50% do không phải chờ đúc cọc và đạt

đủ cường độ Tốc độ thi công cọc rất nhanh

 Hiệu quả kinh tế cao Giá thành hạ hơn nhiều so với phương pháp cọc bê tông

ép hoặc cọc khoan nhồi thì rất tốn kém do tầng đất yếu bên trên dày

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

 Thi công được trong điều kiện mặt bằng chật hẹp, mặt bằng ngập nước

 Khả năng xử lý sâu (có thể đến 50m)

 Địa chất nền là cát rất phù hợp với công nghệ gia cố ximăng, độ tin cậy cao

4 Tiêu chuẩn thiết kế

Tại Việt Nam, tiêu chuẩn thiết kế - thi công – nghiệm thu cọc xi măng đất là TCXDVN 385 : 2006 "Phương pháp gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng" do Viện

Khoa học Công nghệ Xây dựng - Bộ Xây dựng biên soạn, Vụ Khoa học Công nghệ Xây dựng đề nghị Bộ Xây dựng ban hành theo Quyết định số 38/2006/QĐ-BXD ngày 27 tháng 12 năm 2006

II Công nghệ thi công

Cọc xi măng đất (hay còn gọi là cột xi măng đất, trụ xi măng đất), được thi công tạo thành theo phương pháp khoan trộn sâu Dùng máy khoan và các thiết bị chuyên dùng (cần khoan, mũi khoan…) khoan vào đất với đường kính và chiều sâu lỗ khoan theo thiết

kế Đất trong quá trình khoan không được lấy lên khỏi lỗ khoan mà bị phá vỡ kết cấu, được các cánh mũi khoan nghiền tơi, trộn đều với chất kết dính (chất kết dính thông thường là xi măng hoặc vôi, thạch cao… đôi khi có thêm chất phụ gia và cát)[1].Phương pháp xử lý bằng cọc đất - xi măng khá đơn giản: bao gồm một máy khoan với hệ thống lưới có đường kính thay đổi tuỳ thuộc theo đường kính cột được thiết kế và các xi lô chứa xi măng có gắn máy bơm nén với áp lực lên tới 12 kg/cm2 Trong quá trình khoan lưỡi được thiết kế để trộn đầu đất và xi măng, xi măng khô được phun định lượng liên tục và trộn đều tạo thành những cọc đất - xi măng đường kính 60 cm Thời gian khoan cho một bồn có đường kính 34 m từ 45 - 60 ngày.[2]

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

Khi mũi khoan được rút lên khỏi hố khoan, trong hố khoan còn lại đất đã được trộn đều với chất kết dính dần dần đông cứng tạo thành cọc xi măng đất

Có 2 công nghệ thi công chủ yếu :

1 Công nghệ Bắc Âu

Thiết bị có khả năng tạo trụ đến chiều sâu 25 m, đường kính 0.6m đến 1.0 m Độ nghiêng tới 700 so với phương đứng Máy có một cần, lỗ phun xi măng ở đầu trộn Năng lượng trộn và khối lượng xi măng được quan trắc và trong nhiều trường hợp được kiểm soát tự động để cho đất được trộn đều

Đầu trộn được xuyên xuống đến độ sâu thiết kế, khi rút lên xi măng được phun qua

lỗ ở đầu trộn qua ống dẫn trong cần trộn Đất và xi măng được trộn đều nhờ đầu trộn được quay trong mặt phẳng ngang, thậm chí đổi hướng quay vài lần Cả hai pha đều có thể được lặp lại tại một vị trí nếu cần Tốc độ quay của đầu trộn và tốc độ rút lên đều hiệu chỉnh được để đạt tới độ đồng nhất mong muốn Thiết bị đời mới được phát triển chứa được cả khí lẫn xi măng

2 Công nghệ Nhật Bản

Nhật Bản chế tạo ra nhiều loại máy, có một cần hay nhiều cần Mỗi cần có đầu trộn nhiều lưỡi cắt đường kính 0.8 m 1.3 m, có khả năng tạo trụ đến độ sâu 33 m Xi măng đi vào máy trộn nhờ khí nén Thiết bị đời mới có đầu chụp ngăn bụi xi măng khỏi phụt lên trên mặt đất Lỗ phun xi măng nằm cả ở phía trên và phía dưới hệ lưỡi cắt Khối lượng xi măng và áp lực khí được kiểm soát tự động Xi măng được phun cả trong pha xuống hoặc trong hai pha của hành trình

* So sánh hai công nghệ thi công :

Bảng A.1 - So sánh công nghệ trộn Bắc Âu và Nhật Bản

Đầu trộn

Đường kính 0.4 m đến 1.0 m 0.8 m đến 1.3 m

Vị trí lỗ phun Đáy trục trộn Đáy trục và/hoặc trên cánh cắt (một lỗ hoặc nhiều lỗ)

Áp lực phun 400 kPa  800 kPa Tối đa 300 kPa Truyền liệu Công suất 50 kg/ph300 kg/ph 50 kg/ph200 kg/ph

Bảng A.2 - Đặc tính kỹ thuật công nghệ trộn của Bắc Âu và Nhật Bản

Vận tốc xuyên xuống 2.0 m/ph  6.0 m/ph 1.0 m/ph  2.0 m/ph Vận tốc rút lên 1.5 m/ph  6.0 m/ph 0.7 m/ph  0.9 m/ph Tốc độ quay của cánh trộn 100 vòng/ph  200 vòng/ph 24 vòng/ph  64 vòng/ph

Số lượng vòng quay cánh(1) 150  500 cho mỗi m  274 cho mỗi m Khối lượng xi măng phun 100 kg/m3 250 kg/m3 100 kg/m3 300 kg/m3Tốc độ rút ( xuyên) 10mm/vòng30mm/vòng 10mm/vòng35mm/vòng Pha phun xi măng Điển hình trong khi rút lên Xuyên xuống và/hoặc rút lên

Hình 1: máy thi công cọc xi măng đất

Hình 2: Cấu tạo lưỡi khoan cọc

3 Các phương pháp thi công cọc xi măng đất:

Hình 3 - Phân loại chung các thiết bị trộn sâu

3.1/ Phương pháp trộn khô: (Dry Jet Mixing)

Phương pháp trộn đất khô, hay còn gọi là phương pháp trộn sâu, là phương pháp cơ khí trộn đất tại chỗ với hỗn hợp xi măng (hỗn hợp xúc tác) sử dụng mũi khoan rỗng và giầm Mục đích của quy trình trộn đất là để có được tính năng cao hơn thường là độ nén chắc hoặc độ thấm Phương pháp trộn đất còn được sử dụng để cố định các chất gây ô

Guồng xoắn tháo rời

Một cần, một cánh/

Quay trong mặt phẳng + tịnh tiến theo tuyến

Chỉ tịnh tiến theo tuyến

Một cần, cánh Gia cố khối lớn

Máy đào

nhiễm/ độc tố cũng như trong hệ thống xử lý giảm thiểu hoá chất để tạo nên một chất nền

‘thân thiện’ (sạch) hơn

Nguyên tắc chung của phương pháp trộn khô được thể hiện trên hình 5 Khí nén sẽ đưa xi măng vào đất

Quy trình thi công gồm các bước sau:

 Định vị thiết bị trộn

 Xuyên đầu trộn xuống độ sâu thiết kế đồng thời phá tơi đất;

 Rút đầu trộn lên, đồng thời phun xi măng vào đất

 Đầu trộn quay và trộn đều xi măng với đất

 Kết thúc thi công

Xe tải Xi măng Silo

Máy nén khí Máy sấy Bồn chứa khí

Xi măng

Hình 5 - Sơ đồ thi công trộn khô

3.1.2/ Các ưu điểm của phương pháp trộn đất khô

 Có thể thực hiện tại các điểm không sử dụng được (hạn chế về chi phí, thời gian)

 Hệ thống kinh tế, thưòng là kết hợp với các hệ thống nâng cấp nên móng Nói

chung có tính kinh tế cao hơn giải pháp loại bỏ-thay thế

Hình 6 - Sơ đồ thi công trộn ướt

Trộn ướt dùng vữa xi măng Khi cần có thể cho thêm chất độn ( cát và phụ gia) Khối lượng vữa thay đổi được theo chiều sâu Khi chế tạo trụ trong đất rời dùng khoan guồng xoắn liên tục có cánh trộn và cánh cắt hình dạng khác nhau, có đủ công suất để phá kết cấu đất và trộn đều vữa

Cường độ và tính thấm phụ thuộc vào thành phần và đặc tính của đất (hàm lượng hạt mịn, hàm lượng hữu cơ, loại sét, thành phần hạt…), khối lượng và chủng loại vữa và quy trình trộn

Có thể ngưng trộn khi vữa chưa bắt đầu đông cứng, khởi động trộn lại tại độ sâu ít nhất 0.5 m trong đất đã xử lý

Bơm để chuyển vữa đến lỗ phun cần phải có đủ công suất (tốc độ truyền và áp lực) để truyền lượng vữa thiết kế an toàn

3.3/ Trình tự thi công cọc xi măng đất:

Bước 1: Đinh vị máy khoan vào vị trí khoan cọc (bằng máy toàn đạc điện tử.)

Bước 2: Bắt đầu khoan vào đất, quá trình mũi khoan đi xuống đến độ sâu theo qui định thiết kế

Bước 3: Bắt đầu bơm vữa theo qui định và trộn đều, tốc độ mũi khoan đi xuống : 0,5m-0.7m/phút

Bước 4: Tiếp tục hành trình khoan đi xuống, bơm vữa và trộn đều, đảm bảo lưu lượng vữa thiết kế

Bước 5: Khi đến độ sâu mũi cọc, dừng khoan và dừng bơm vữa và tiền hành quay mũi ngược lại và rút cần khoan lên, quá trình rút lên kết hợp trộn đều 1 lần và nén chặt vữa trong lòng cọc, nhờ vào cấu tạo mũi khoan Tốc độ rút cần khoan lên trung bình: 0.8m-1.2m/phút

Bước 6: Sau khi mũi khoan được rút lên khỏi miệng hố khoan, 01 cây cọc vữa được hoàn thành Thực hiện công tác dọn dẹp phần phôi vữa rơi vãi ở hố khoan, chuyển máy sang vị trị cọc mới

Hình 7 - Sơ đồ trình tự thi công cọc xi măng đất

Hình 8 – Hình ảnh thi công cọc xi măng đất

III Tính toán cọc xi măng đất

1 Bố trí cọc xi măng đất

Tùy theo mục đích sử dụng có thể bố trí cọc theo các mô hình khác nhau

Ví dụ: Để giảm độ lún bố trí trụ đều theo lưới tam giác hoặc ô vuông Để làm tường chắn thường tổ chức thành dãy

Hình A.1 - bố trí cọc trộn khô: 1 Dải; 2 Nhóm, 3 Lưới tam giác, 4 Lưới vuông

Hình A.2 - Thí dụ bố trí cọc trùng nhau theo khối

Hình A.3 - Thí dụ bố trí cọc trôn ướt trên mặt đất: 1 Kiểu tường, 2 Kiểu kẻ ô,

3.Kiểu khối, 4 Kiểu diện

2 Tính toán cọc xi măng đất như cọc

Bài toán gia cố đất có 3 tiêu chuẩn cần được thỏa mãn:

1 Tiểu chuẩn cường độ: c, phi của nền được gia cố phải thỏa mãn điều kiện sức chịu tải dưới tác dụng của tải trọng công trình

2 Tiêu chuẩn biến dạng: Mô đun biến dạng tổng của nền được gia cố phải thỏa mãn điều kiện lún của công trình

3 Điều kiện thoát nước: Áp lực nước lỗ rỗng dư trong đất cần được "giải phóng" càng nhanh càng tốt

Quan điểm xem cọc xi măng đất làm việc như cọc Sơ đồ này đòi hỏi trụ phải có độ cứng tương đối lớn (trụ đá hoặc trụ bê tông - vibro-concrete column) và các trụ phải được đưa xuống tầng đất chịu tải (bearing layer) Nếu tính theo sơ đồ này thì lực từ móng chuyền xuống sẽ chủ yếu đi vào các columns (đất nền dưới móng không chịu tải) Với trụ không được đưa xuống tầng chịu lực, có thể dùng phương pháp tính với cọc ma sát để tính

2.1/ Đánh giá theo trạng thái giới hạn thứ nhất

Để móng cọc đảm bảo an toàn cần thỏa mãn các điều kiện sau:

Nội lực lớn nhất trong một cọc: Nmax<Qult/Fs

Moment lớn nhất trong một cọc: Mmax<[M]của vật liệu làm cọc

Chuyểnvịcủakhốimóng:Δy<[Δy]

Trongđó:

Qult–Sức chịu tải giới hạn của cọc xi măng–đất

[M]–Moment giới hạn của cọc xi măng–đất

Fs–Hệ số an toàn

2.2/ Đánh giá theo trạng thái giới hạn thứ hai

Tính toán theo trạng thái giới hạn 2, đảm bảo cho móng cọc không phát sinh biến dạng và lún quá lớn: ΣSi<[S]

Trongđó:

[S]–Độ lún giới hạn cho phép

ΣSi–Độ lún tổng cộng của móng cọc

3 Tính toán theo quan điểm nền tương đương

Nền cọc và đất dưới đáy móng được xem như nền đồng nhất với các số liệu cường

độ tđ, Ctđ, Etđ được nâng cao.Gọi as là tỉ lệ giữa diện tích cọc xi măng–đất thay thế trên diện tích đất nền

Theo phương pháp tính toán này, bài toán gia cố đất có 2 tiêu chuẩn cần kiểm tra: tiêu chuẩn về cường độ và tiêu chuẩn về biến dạng

IV Ứng dụng

Từ năm 2002 đã có một số dự án bắt đầu ứng dụng cọc xi măng đất vào xây dựng các công trình trên nền đất, cụ thể như: Dự án cảng Ba Ngòi (Khánh Hòa) đã sử dụng 4000m cọc xi măng đất có đường kính 0,6m thi công bằng trộn khô; xử lý nền cho bồn chứa xăng dầu đường kính 21m, cao 9m ở Cần Thơ Năm 2004 cọc xi măng đất được sử dụng để gia cố nền móng cho nhà máy nước huyện Vụ Bản (Hà Nam), xử lý móng cho bồn chứa xăng dầu ở Đình Vũ (HảiPhòng), các dự án trên đều sử dụng công nghệ trộn khô, độ sâu xử lý trong khoảng 20m Tháng 5 năm 2004, các nhà thầu Nhật Bản đã sử dụng Jet - grouting để sửa chữa khuyết tật cho các cọc nhồi của cầu Thanh Trì (Hà Nội) Năm 2005, một số dự án cũng đã áp dụng cọc xi măng đất 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 công nghệ khoan phụt cao áp (Jet-grouting) từ Nhật Bản Đề tài đã ứng dụng công nghệ và thiết bị này trong nghiên cứu sức chịu tải của cọc đơn và nhóm cọc, khả năng chịu lực ngang, ảnh hưởng của hàm lượng XM đến tính chất của xi măng đất, nhằm ứng dụng cọc xi măng đất vào

xử lý đất yếu, chống thấm cho các công trình thuỷ lợi[5] Nhóm đề tài cũng đã sửa chữa chống thấm cho Cống Trại (Nghệ An), cống D10 (Hà Nam), Cống Rạch C (Long An)

Tại thành phố Đà Nẵng, cọc xi măng đất được ứng dụng ở Plazza Vĩnh Trung dưới

2 hình thức: Làm tường trong đất và làm cọc thay cọc nhồi Thi công cọc vữa xi măng đất Showroom Kia Trường Hải Thi công gia cố nền móng bằng cọc xi măng đất – Công trình Cơ sở mới xí nghiệp TOYOTAĐà Nẵng Xử lí, gia cố nền đường hai đầu cầu bằng cọc vữa XM đất Cầu Trần Thị Lý Thi công cọc xi măng đất D800 Khách sạn SANOUVA Thi công cọc XMĐ D800 Khu vui chơi giải trí Tuyên Sơn…

* Nhận xét

Công nghệ trộn sâu nói chung và cọc xi măng đất nói riêng đã được áp dụng khá phổ biến trên thế giới nhưng chỉ mới được áp dụng ở Việt Nam gần đây.Thực tế với các nền đường đắp cao trên nền đất yếu; công trình yêu cầu thời gian thi công ngắn; độ lún còn lại nhỏ; yêu cầu đất nền cố kết nhanh; tiết kiệm vật liệu đắp khi vật liệu này khan hiếm thì giải pháp xử lý nền bằng cọc xi măng đất tỏ ra khá hiệu quả Vì vậy sắp tới chúng ta nên mạnh dạn ứng dụng công nghệ này để xử lý nền đắp trên đất yếu nhất là các đoạn đường đầu cầu Ngoài ra, ứng dụng cọc xi măng đất để làm tường chắn, vách tầng hầm, chống mất ổn định mái dốc… cũng đạt được hiệu quả cao về kinh tế - kỹ thuật

Một khi công nghệ này trở nên phổ biến thì giá thành xây lắp sẽ giảm và ưu điểm của phương pháp xử lý bằng cọc xi măng đất càng được nâng cao