BÁO cáo đề tài PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG cọc XI MĂNG đất

− Cũng như các phương pháp cải tạo, gia cố nền đất yếu khác, phương pháp giacố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất nhằm thay đổi tính chất cơ lý của đất theo hướng nâng cao sức chịu tải, gi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT

Lớp : 64DCCD3

Thái Nguyên, tháng 10 năm 2015

Để công trình tồn tại và sử dụng một cách bình thường thì không những các kết cấu bên trên phải đủ độ bền,ổn định mà bản thân nền và móng cũng phải ổn

định ,có độ bền cần thiết và biến dạng nằm trong phạm vi cho phép

Đặc điểm của loại đất yếu

Khái niệm đất yếu cho đến nay vẫn chưa thật sự rõ ràng Khái niệm này chỉ là tương đối, phụ thuộc vào tương quan giữa khả năngchịu lực của đất với tải trọng công trình

-Đa số các nhà nghiên cứu gọi đất yếu là : những đất có khả năng chịu tải thấp vào khoảng 0,5-1,0 Kg/cm2 (ít khi lớn hơn), khả năng biến dạng lớn

- Đất yếu hầu như hoàn toàn bão hòa nước, có hệ số rỗng (thường e>1), hệ số nén lún lớn, Mô đun biến dạng bé( thường Eo ≤ 50Kg/cm2) và trị số chống cắt không đáng kể (góc ma sát trong j = 4-8°)

Các loại đất yếu

1.Đất sét yếu: có độ sệt từ dẻo đến chảy

2.Đất cát yếu:Khi cỡ hạt thuộc loại nhỏ,mịn trở xuống.Đồng thời có cấu kết rời rạc,ở trạng thái bão hòa nước có thể bị pha loãng đáng kể,chứa nhiều di tích hữu cơ và chất lẫn

sét.Khi chịu tác dụng rung hoặc trấn động thì trở thành trạng thái lỏng nhớt (cát chảy)

3.Bùn : là trầm tích mới lắng đọng,

no nước và rất yếu

về mặt chịu lực.Có

độ ẩm vượt quá giới hạn chảy và hệ

số rỗng e>1.Sức chống cắt rất bé

4.Than bùn và đất than bùn:có nguồn gốc hữu

cơ,được tạo thành do kết quả phân hủy các di tích hữu cơ

5.Đất đắp:đất của nền đắp trên cạn hoặc dưới nước (đất mượn).

Công trình bị nghiêng do lún lệnh

Tháp Pisa

Công trình bị lún

Sạt lở công trình

bên bờ sông

Sạt lở đường

Sự cố do gia cố nền của công trình lân cận

I Giới thiệu chung :

– Cọc xi măng đất (hay còn gọi là cột xi măng đất, trụ xi măng đất) -(Deep soil mixing columns, soil mixing pile)

– Cọc xi măng đất là hỗn hợp giữa đất nguyên trạng nơi gia cố và xi măng được phun xuống nền đất bởi thiết bị khoan phun Mũi khoan được khoan xuống làm tơi đất cho đến khi đạt độ sâu lớp đất cần gia cố thì quay ngược lại và dịch chuyển lên Trong quá trình dịch chuyển lên, xi măng được phun vào nền đất (bằng áp lực khí nén đối với hỗn hợp chất kết dính khô “xi măng” hoặc bằng bơm vữa xi măng đối với hỗn hợp dạng vữa ướt)

1.Khái niệm

− Cũng như các phương pháp cải tạo, gia cố nền đất yếu khác, phương pháp gia

cố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất nhằm thay đổi tính chất cơ lý của đất

theo hướng nâng cao sức chịu tải, giảm biến dạng của nền

− Nguyên lý đất trộn xi măng: Xi măng sau khi trộn với đất sẽ xảy ra một loạtcác phản ứng hoá học gây đông cứng, đóng rắn khối đất được trộn, các phảnứng 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)

− Cọc xi măng đất (XMĐ) là một trong những giải pháp xử lý nền đất yếu với

khả năng ứng dụng tương đối rộng rãi như: Làm tường hào chống thấm cho đêđập, gia cố nền móng cho các công trình xây dựng, sửa chữa thấm mang cống

và đáy cống, ổn định tường chắn, chống trượt mái dốc, gia cố đất yếu xung

quanh đường hầm, gia cố nền đường, mố cầu dẫn

− Tại Việt Nam, tiêu chuẩn thiết kế - thi công – nghiệm thu cọc xi măng đất là

TCXDVN 385 : 2006

Sơ đồ công nghệ thi công cọc xi măng đất

bay, bến cảng…như: làm tường hào chống thấm cho đê đập, sửa

chữa thấm mang cống và đáy cống, sử dụng tường chắn, gia cố đất xung quanh đường hầm, chống trượt đất cho mái dốc, gia cố nền

đường, mố cầu dẫn…

– Cọc xi măng đất 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, sử dụng tường chắn, gia cố đất xung quanh đường hầm, chống trượt đất cho mái dốc, gia cố nền

đường, mố cầu dẫn…

-các loại đất yếu:Đất sét yếu,đất nhiễm thạch cao và bùn

Hình1.1 Các ứng dụng của cọc xi măng đất

1.Đường bộ,ổn định lún 2.Ổn định đê cao

3.Mố cầu 4.Thành hố đào

5.Giảm ảnh hưởng từ các công trình lân cận

6.Chống nâng đáy hố đào

7.Chống dịch chuyển ngang của móng cọc

8.Bến cảng 9.Đê biển

.

– Tốc độ thi công cọc rất 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

– Hiệu quả kinh tế cao Giá thành hạ hơn nhiều so với phương án xử lý khác

– Rất thích hợp cho công tác xử lý nền, xử lý móng cho các công trình ở các khu vực 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)

+ Ưu điểm

- Biến dạng nền đất gia cố rất nhỏ vì vậy giảm thiểu ảnh hưởng của lún đối với các công trình lân cận; tăng sức kháng cắt ổn định nền móng công trình

- Dễ dàng điều chỉnh cường độ cọc bằng cách điều chỉnh hàm lượng xi măng khi thi công

- Dễ quản lý chất lượng thi công

- Hạn chế ô nhiễm môi trường

- Địa chất nền đất pha cát càng phù hợp với công nghệ gia cố ximăng, độ tin cậy cao

định các quy trình thi công nghiêm ngặt và quy trình nghiệm thu kiểm tra

hoànthiện Cần nghiên cứu thêm vì công nghệ máy móc, thiết bị hiện đại

Tiêu chuẩn của nước ngoài thì có Shanghai-Standard ground treatment code DBJ08-40-94 (Tuy nhiên trong các tài liệu tính toán này chỉ chủ yếu đề cập đến vấn đề lực thẳng đứng là chính mà chưa thấy đề cập đến vấn đề thiết kế khi công trình chịu tải trọng ngang.)

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

+ Tiêu chuẩn của nước ngoài thì có Shanghai-Standard ground

treatment code DBJ08-40-94 (Tuy nhiên trong các tài liệu tính toán này chỉ chủ yếu đề cập đến vấn đề lực thẳng đứng là chính mà chưa thấy đề cập đến vấn đề thiết kế khi công trình chịu tải trọng ngang.)

5 CÁCH TÍNH TOÁN CỌC XMĐ

Hiện nay có 3 quan điểm:

- 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) vàcác 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 nềndưới móng không chịu tải) Với trụ không được đưa xuống tầng chịu lực, cóthể dùng phương pháp tính với cọc ma sát để tính

- Quan điểm xem các cọc và đất làm việc đồng thời Nền trụ+đất dưới móngđược xem như nền đồng nhất với các số liệu cường độ c, phi được nâng cao(được tính từ c, phi của đất và của vật liệu làm trụ) Công thức qui đổi c, phitương đương dựa trên độ cứng của trụ, đất và diện tích đất được thay thế bởitrụ.(tính tóan như đối với nền thiên nhiên)

- Một số các nhà khoa học lại đề nghị tính tóan theo ca 2 phương thức trênnghĩa là sức chịu tải thì tính tóan như "cọc" còn biến dạng thì tính tóan theonền

Sở dĩ các quan điểm trên chưa thống nhất bởi vì bản thân vấn đề phức tạp, nhữngnghiên cứu về lý thuyết và thực nghiệm còn hạn chế Có người đề xuất cách tínhtoán như sau:

+ Tính sức chịu tải của một cọc như cọc cứng

+ Tính số cột cần thiết (Căn cứ lực tác dụng, khả năng chịu tải của đất mónggiữa các cột)

+ Tùy thuộc tỷ lệ diện tích thay thế giữa cột va đất để tính tóan tiếp

- Nếu tỷ lệ này >20% thi coi khối đất+Cột là một khối và tính tóan như một khối móng quy ước

- Ngược lại thì tính tóan như móng cọc

6 CÁC KIỂU BỐ TRÍ CỌC:

• 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 - Thí dụ 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

Hình A.4 - Thí dụ bố trí cọc trộn ướt trên biển:1- Kiểu khối , 2- Kiểu tường, 3-Kiểu kẻ

Hình A.5 - Thí dụ bố trí cọc trùng nhau trộn ướt, thứ tự thi công

7.Các phương pháp tổ hợp

Có vài phương pháp dùng kỹ thuật tương tự trộn sâu Điển hình là kết hợp trộn cơ học với thủy lực Dưới đây mô tả phương pháp gia cố toàn khối, phun áp cao kết hợp trộn cơ học

7.1 Gia cố toàn khối

Trong trường hợp điều kiện đất nền rất xấu ví như đất than bùn, sét hữu cơ, bùn sét yếu, cần gia cố toàn khối đến độ sâu 2-3 m, độ sâu lớn nhất đã xử lý là 5 m Máy thi công khác cơ bản với máy trộn sâu tạo trụ Chất kết dính được cấp đến đầu trộn trong lúc bộ trộn vừa quay đồng thời chuyển động theo phương đứng và phương ngang Máy chủ của đầu trộn thường

là máy đào Hai công nghệ gia cố khối thể hiện ở hình A.11 và A.12.

7.2 Phun vữa lỏng kết hợp trộn cơ học

Phương pháp mới kết hợp lợi thế của trộn cơ học với phun vữa lỏng ( jet grouting) Máy có cả đầu trộn và vòi phun, có thể tạo nên các trụ đường kính lớn hơn đường kính đầu trộn Công nghệ kiểu này và một vài kiểu khác nữa đang áp dụng tại Nhật Bản (Tanaka 2002)

Một số loại mũi khoan thi công trụ đất trộn xi măng

Xác lập các điều kiện thiết kế

Điều chỉnh tính năng trộn nếu

8.1.1 Cường độ kháng cắt của nền gia cố

Thường trụ xử lý được dùng để ổn định mái dốc, khối đắp hoặc tường hào Mặt phá hoại theo mặt phẳng hoặc cung tròn, huy động sức kháng cắt của trụ và đất xung quanh trụ Phân tích

ổn định dựa theo các phương pháp hiện hành (xem BS 8006 : 1995) Nền xử lý có cường độ kháng cắt tính theo công thức:

Ac:là diện tích tiết diện trụ.

Trụ để giảm độ lún thường được bố trí theo lưới tam giác hoặc ô vuông Phân tích lún dựa trên quan điểm đồng biến dạng- nói cách khác, cho rằng hiệu ứng vòm phân bố lại tải trọng sao cho biến dạng thẳng đứng tại độ sâu nhất định trở thành bằng nhau trong trụ và đất quanh trụ.

Đối với nhóm trụ, độ lún trung bình sẽ được giảm bởi ứng suất cắt của đất, huy động tại bề mặt tiếp xúc theo chu vi khối với đất xung quanh Chỉ chuyển dịch khá nhỏ ( vài mm ) đủ để huy động sức kháng cắt của đất ứng suất cắt gây nên độ lún lệch các trụ trong nhóm Độ lún lệch này sẽ giảm dần theo mức độ cố kết của đất, cho nên sẽ không kể đến trong tính lún

tổng Phương pháp tính lún của giáo sư Broms B được giới thiệu trong phụ lục C.

có thấm hướng tâm Phân bố lại ứng suất là nguyên nhân chính để giảm độ lún và tăng tốc độ lún Do đó, cho dù tính thấm của trụ chỉ bằng của đất thì quá trình cố kết cũng nhanh hơn nhờ hiện diện của các trụ Trụ đất xi măng đã làm tăng hệ số cố kết một chiều.

Trong trộn ướt, tính thấm của trụ không cao hơn nền đất xung quanh Nhưng nhờ phân bố lại ứng suất mà quá trình cố kết một chiều xảy ra nhanh hơn.

8.2.3 Tường vây

Tường vây tạo bởi các trụ gối đè nhau không cho nước rò rỉ qua tường Quan trọng là độ đồng nhất và phòng rò rỉ Thường dùng thêm vữa sét để tăng sức chống rò rỉ Nếu thiết kế tường ngăn ô nhiễm phải kiểm tra phản ứng của chất nhiễm bẩn với đất xử lý, đặc biệt khi chúng có tính a xít cao.

S1 - độ lún bản thân khối gia cố

S2 - độ lún của đất chưa gia cố, dưới mũi trụ

Độ lún của bản thân khối gia cố được tính theo công thức:

Trong đó:

q: tải trọng công trình truyền lên khối gia cố (kN)

H: chiều sâu của khối gia cố (m)

a: tỉ số diện tích,a=(n Ac/BL),n-tổng số trụ,Ac-diện tích tiết diện trụ,B,L-kích thước khối gia cố

Ec:mô đun đàn hồi của vật liệu trụ.Có thể lấy Ec=(50÷100)Cc trong đó Cclà sức kháng cắt của vật liệu trụ

Es - mô đun biến dạng của đất nền giữa các cọc, có thể lấy E =250Cu,với Cu là sức kháng cắt không thoát nước của đất nền.

Ghi chú: Các thông số Ec, Cc, Es, Cu xác định từ kết quả thí nghiệm mẫu hiện trường cho kết quả phù hợp thực tế hơn

Độ lún S2 được tính theo nguyên lý cộng lún từng lớp (xem phụ lục 3 TCXD 45- 78) áp lực đất phụ thêm trong đất có thể tính theo lời giải cho bán không gian biến dạng tuyến tính (tra bảng) hoặc phân bố giảm dần theo chiều sâu với độ dốc (2:1) như hình C.1 Phạm vi vùng ảnh hưởng lún đến chiều sâu mà tại đó áp lực gây lún không vượt quá 10% áp lực đất tự nhiên( theo quy định trong tiêu

chuẩn thiết kế nền nhà và công trình TCXD 45 - 78).

Ghi chú: Để thiên về an toàn, tải trọng (q) tác dụng lên đáy khối gia cố xem như không thay đổi suốt

chiều cao của khối.

Công nghệ thi công cọc xi măng đất

Công nghệ thi công cọc XMĐ Hiện nay phổ biến hai công nghệ thi công cọc XMĐ là: Công nghệ trộn khô (Dry Mixing) và Công nghệ trộn ướt (WetMixing)

+ Công nghệ trộn khô (Dry Mixing): Công nghệ này sử dụng cần khoan có gắn các cánh cắt đất, chúng cắt đất sau đó trộn đất với vữa XM bơm theo trục khoan

+ Công nghệ trộn ướt (hay còn gọi là Jet-grouting): Phương pháp này dựa vào nguyên lý cắt nham thạch bằng dòng nước áp lực Khi thi công, trước hết dùng máy khoan để đưa ống bơm có vòi phun bằng hợp kim vào tới độ sâu phải gia cố (nước + XM) với áp lực khoảng 20 MPa từ vòi bơm phun xả phá vỡ tầng đất Với lực xung kích của dòng phun và lực li tâm, tr ọng lực

sẽ trộn lẫn dung dịch vữa, rồi sẽ được sắp xếp lại theo một tỉ lệ có qui luật giữa đất và vữa theo khối lượng hạt Sau khi v ữa cứng lại sẽ thành cột

XMĐ

Các bước thi công chính

1.Chuẩn bị mặt bằng thi công,san gạt tạo mặt bằng thuận lợi cho thiết bi di chuyển

2.Thi công cọc thử

Việc thi công cọc thử hiện trường được chuẩn bị như thi công đại trà Bao

gồm hệ thống thiết bị được trang bị đầy đủ, được kiểm tra vận hành thử (khoan nước không), kiểm tra các thông số kỹ thuật của máy trước khi tiến hành

khoan cọc thử

3 Thí nghiệm trên cọc thử

Sau khi thi công cọc thử tại hiện trường được 28 ngày, ta sẽ tiến hành khoan lõi cọc CDM và thí nghiệm cường độ trong phòng Kết quả này sẽ là cở sở quan trọng nhất quyết định cấp phối được chọn để thi công đại trà

4.Thi công cọc đất gia cố xi măng đại trà

Cho tên từng thành viên vào bài thuyết trình, thiếu tên các công trình thực tế ở nước ta đã áp dụng biện pháp này để

xử lý nền đất yếu