KHOA HỌC SCÔNG NGHỆs BÀN VỀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN GIA CỐ NỀN BẰNG CỌC XIMĂNG - ĐẤT TS Phùng Vĩnh An Viện Thuỷ Công Tóm tắt: Bài báo đề cập đến tồn phương pháp tính toán quy định tiêu chuẩn Việt Nam TCXDVN 385:2006 “Phương pháp gia cố trụ đất xi măng” TCCS 05:2010/VKHTLVN “Hướng dẫn sử dụng phương pháp Jet Grouting tạo cọc đất xi măng để gia cố đất yếu, chống thấm thân công trình đất”, đồng thời, đề xuất số điểm nhằm hoàn thiện tiêu chuẩn nêu Summary: This paper, refers to the some exist disadvantages about the calculation method in the Vietnam standard 385:2006 "Stabilization of Soft Soil by the Soil Cement Column Method" and Vietnam Academy for Water Resources standard 05:2010" Guideline for using cement soil columns created by Jet-grouting method to improve soft soils, stop water leakage under and through earth structures" Through which, propose amendments this exists in the standards to be finalized MỞ ĐẦU Trong 10 năm trở lại đây, công nghệ trộn sâu (CDM) ứng dụng phổ biến Việt Nam Công nghệ gồm có loại, khác cách thức trộn đất chỗ với chất kết dính Một loại, trộn vữa xi măng với đất cắt cánh gắn đầu cần khoan Loại thiết bị đất cắt cánh đồng thời chất kết dính (dạng bột dạng vữa) bơm đầu mũi qua ruột cần khoan Phương pháp gọi phương pháp trộn (Mechanic) Loại thứ 2, đất cắt loại tia có áp lực cao [1] Phương pháp gọi phương pháp Jet-Grouting (JG) Tùy thuộc vào công nghệ pha, pha hay pha mà đất cắt tia vữa, hay vữa khí vữa, khí nước Cọc xi măng đất (XMĐ) tạo trình cần khoan rút lên, trình rút cần khoan tia với áp lực cao phun đầu mũi khoan, chúng cắt đất trộn với vữa tạo vật liệu XMĐ Đối với phương pháp này, cọc XMĐ tạo phụ thuộc nhiều vào điều kiện khách quan loại đất, tốc độ rút cần, áp lực bơm vữa.v.v Mặc dù cách thức tạo cọc XMĐ hai phương pháp khác chất, khác biệt vật liệu XMĐ hai phương pháp tạo (chỉ khác chất lượng) Đối với phương pháp tính toán tương tự I MỘT SỐ TỒN TẠI TRONG CÁC TÀI LIỆU HIỆN HÀNH Hiện nay, tài liệu có tính pháp lý để thiết kế xử lý đất yếu cọc XMĐ bao gồm: (1) Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TCXDVN 385:2006 “ Phương pháp gia cố đất yếu trụ ximăng đất” Bộ xây Dựng ban hành, có Tiêu chuẩn sở Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam TCCS 05:2010/VKHTLVN “Hướng dẫn sử dụng phương pháp Jet Grouting tạo cọc xi măng đất để gia cố đất yếu chống thấm thân công trình đất” Bộ Giao Thông Vận Tải có dự thảo tiêu chuẩn thiết kế thi công nghiệm thu cọc XMĐ số lý đến dự thảo chưa thức trở thành tiêu chuẩn; (2) Các tài liệu khác gồm sách, báo tham khảo Ví dụ sách Nhà xuất Nông Nghiệp “Công nghệ khoan cao áp xử lý đất yếu” Nhà xuất Xây Dựng “Cọc đất xi măng – Phương pháp gia cố đất yếu” Ngoài ra, có nhiều báo đề cập đến phương pháp tính toán Qua thực tế thiết kế theo dõi công trình ứng dụng cọc XMĐ, thấy tài liệu bộc lộ số tồn sau: Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TCXDVN 385:2006 tiêu chuẩn Việt Nam thiết kế nghiệm thu cọc XMĐ [3] Tiêu chuẩn tồn nhiều nhược điểm, nhiên TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 11/2012 17 KHOA HỌC SCÔNG NGHỆs khuôn khổ báo bàn vấn đề tính toán: (1) Tính toán ổn định; (2) Tính toán độ lún Es - mô đun biến dạng đất cọc, lấy E s =250C u Về tính toán ổn định, ý tưởng phương pháp tính toán quy đổi đất yếu sau gia cố thành tương đương có cường độ kháng cắt tăng lên theo tỷ lệ cọc XMĐ gia cố đơn vị diện tích Công thức tính toán sau: Trong công thức trên, không khó để nhận giá trị Es, Ep có độ sai lệch lớn so với trị số lấy theo công thức Vì vậy, người thiết kế cần phải cân nhắc giá trị định chiều dài cọc XMĐ gia cố để đảm bảo độ lún theo tiêu chuẩn quy định a= Sc Ss c tb =c u (1-a)+acc (1.1) (1.2) Trong đó: Cu sức kháng cắt đất, tính theo phương pháp trọng số cho nhiều lớp; Cc sức kháng cắt cọc XMĐ; a tỷ lệ diện tích gia cố; Sc diện tích cọc XMĐ gia cố; Ss diện tích gia cố Điều bàn luận thông thường sức kháng cắt kí hiệu Su Trường hợp đặc biệt, không kể đến góc ma sát đất, người ta kí hiệu Cu thay cho Su Công thức (1.2) dễ gây nhầm lẫn cho người tính toán Công thức 1.2 nêu đây, giá trị Cu sức kháng cắt đất, tính theo phương pháp trọng số cho nhiều lớp, nghĩa toán có nhiều lớp quy đổi thành lớp (tương tự phương pháp cổ điển tính thấm qua đập đất) Tuy nhiên, thực tế tính toán đặc trưng chống cắt cho lớp khác Về tính lún, phương pháp tính lún quan niệm độ lún đất sau gia cố cọc XMĐ gồm thành phần, thành phần khối gia cố thành phần khối đất chưa gia cố mũi cọc Trong đó, thành phần thứ tính toán theo công thức sau: S1 = qH qH = E tb aE p +(1-a)E s (1.3) Trong đó: q - tải trọng truyền lên khối gia cố (kN) h - chiều sâu khối gia cố (m) a - tỷ lệ diện tích gia cố (%) Ep - mô đun đàn hồi vật liệu cọc, lấy lấy E p =(50÷100)Cc 18 Đối với TCCS 05:2010/VKHTLVN xây dựng cách rút kinh nghiệm từ tiêu chuẩn kết thực đề tài, dự án SXTN cấp Bộ cấp Nhà nước Ngoài ra, tiêu chuẩn tham khảo tài liệu liên quan Tiêu chuẩn Châu Âu EN 12716:2001 “Tiêu chuẩn thực công tác địa kỹ thuật đặc biệt khoan cao áp Jet Grouting” Tiêu chuẩn Trung Quốc DBJ 08 40 94 “Quy phạm kỹ thuật xử lý móng” trường Đại học Đồng Tế biên soạn, năm 1995 [7] Trong đó, phương pháp tính toán chia thành phương pháp [2]: (1) Phương pháp nền; (2) Phương pháp cọc Nội dung phương pháp quy đổi sau gia cố thành tương đương có đặc tính độ bền, độ cứng tăng theo tỷ lệ gia cố cọc XMĐ đơn vị diện tích Sau quy đổi, việc tính toán tiến hành giống đất bình thường Phương pháp này, cách trình bày có khác so với cách trình bày Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TCXDVN 385:2006 nhằm mục đích sử dụng phần mềm PTHH có sẵn để tính toán biến dạng Tuy nhiên, chất giống Phương pháp cọc áp dụng cho toán có đáy cứng đầu cọc XMĐ Đối với tài liệu tham khảo khác, nói chung trình bày quan điểm việc tính toán cọc XMĐ xử lý đất yếu Bao gồm: (1) Phương pháp tương đương; (2) Phương pháp cọc; (3) Phương pháp hỗn hợp Tài liệu nêu phương pháp tính toán, khuyến cáo cụ thể khó cho người thiết kế chọn phương pháp để tính toán Phương pháp tính toán thiếu khâu kiểm tra ứng suất tải trọng tác dụng vào cọc XMĐ đất Quy định tính toán lún TCXDVN 385:2006 không phân biệt rõ trường hợp cho cọc treo trường hợp cọc chống Đối với TCCS 05:2010 công thức tính toán lún trường hợp cọc treo chưa Các tài liệu chưa xét đến tác dụng hiệu ứng vòm Chưa phân biệt trường hợp có mũ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 11/2012 KHOA HỌC SCÔNG NGHỆs (bản đáy cứng) trường hợp có sử dụng vải địa kỹ thuật để làm lớp đệm đầu cọc II KIẾN NGHỊ HƯỚNG BỔ SUNG, SỬA ĐỔI Đối với tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TCXDVN 385:2006, công thức 1.2 nên trình bày lại, tách thành thành phần sau: ctđ =acp + (1-a)cs (2.1) ϕtđ =aϕp + (1-a)ϕs (2.2) Etđ =aEp + (1-a)Es (2.3) Trong đó: ϕs, cs, Es - góc ma sát trong, lực dính mô đun biến dạng đất Hình Bố trí kiểu hình vuông ϕp, cp, Ep - góc ma sát trong, lực dính mô đun biến dạng vật liệu XMĐ ϕtđ, ctđ, Etđ - tiêu tương đương hỗn hợp đất sau gia cố Cách trình bày rõ ràng, tránh nhầm lẫn Khắc phục việc quy đổi nhiều lớp thành lớp phương pháp trọng số Đặc biệt thuận lợi sử dụng phần mềm địa kỹ thuật Ngoài ra, bổ sung thêm công thức (2.3) để dễ dàng tính toán biến dạng trường hợp sử dụng phần mềm Đối với việc chọn mô đun biến dạng đất Es công thức 1.3, không nên lấy theo giá trị mà lấy theo giá trị mô đun biến dạng lớp đất tài liệu khảo sát Với mô đun biến dạng XMĐ Ep, trường hợp tạm tính ban đầu nên lấy (25 ÷ 50)qu phương pháp trộn (50 ÷ 350)qu phương pháp trộn tia [4] Cần phải tính toán lại độ lún giá trị mô đun biến dạng vật liệu XMĐ từ kết thí nghiệm mẫu lấy trường, trước tiến hành thi công đại trà Cần khẳng định sử dụng quan điểm tương đương cho toán ổn định tổng thể, quan điểm cọc cho toán biến dạng, tránh cho người tính toán phải cân nhắc lựa chọn phương pháp tính toán Với cách thức vậy, toán sử dụng quan điểm để tính toán Đây vấn đề đề cập đến tiêu chuẩn Nhật Bản [6] Đối với trường hợp đắp đất đất yếu, cần phân biệt trường hợp đắp sử dụng cọc XMĐ có lớp đệm vải ĐKT đầu cọc trường hợp có mũ (đầu cọc XMĐ có đáy cứng móng cống… vv) Hình Bố trí kiểu hình tam giác Để việc tính toán thuận lợi, nên bổ sung công thức tính toán tỷ lệ mật độ gia cố cọc XMĐ cho trường hợp phổ biến trường hợp bố trí dạng hình vuông bố trí dạng tam giác Công thức tính toán mật độ gia cố hình vuông tam giác : π⎛d⎞ ap= ⎜ ⎟ 4⎝s⎠ π ⎛d⎞ ap = ⎜ ⎟ 3⎝s⎠ (2.4) (2.5) Trong đó: s - khoảng cách cọc XMĐ(m) d - đường kính cọc XMĐ gia cố (m) Đối với loại vật liệu nửa cứng XMĐ, công thức tính toán lún đầy đủ sau: TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 11/2012 19 KHOA HỌC SCÔNG NGHỆs Δh = q' = qxH C σ ' +q ' + c H ' lg ' a p E p +(1-a p )Es 1+e0 σ0 qB H' B+ (2.6) (2.7) Trong đó: Δh - tổng độ lún tính toán gia cố cọc xi măng đất (m) q - tải trọng đơn vị tác dụng (kN/m); H - chiều dày lớp đất yếu gia cố (m) Ep- mô đun biến dạng cọc (kN/m2); Es- Mô đun biến dạng đất xung quanh cọc (kN/m2) ’ q - Tải trọng tác dụng lên lớp đất yếu không gia cố mũi cọc H’- Chiều dày lớp đất yếu không gia cố mũi cọc Cc- Chỉ số nén lớp đất yếu mũi cọc e0- Hệ số rỗng tự nhiên lớp đất yếu mũi cọc Công thức tính toán gồm thành phần, thành phần độ lún cọc XMĐ đất xung quanh cọc thành phần độ lún đất mũi cọc Tùy thuộc vào trường hợp cọc treo hay trường hợp cọc chống mà công thức có đủ thành phần Trước tiến hành tính toán biến dạng theo công thức 2.6 2.7, cần phải kiểm tra ứng suất ngoại lực tác dụng vào cọc XMĐ đất, để xem cọc XMĐ gia cố đất có chịu tải trọng tác dụng hay không Việc tính toán ứng suất cần phải xét đến hiệu ứng vòm theo tiêu chuẩn Anh BS 8006: 1995 [5] để đảm bảo tính hiệu kinh tế III KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ Cho đến nay, công nghệ xử lý đất yếu bằng phương pháp trộn sâu (Deep Mixing Method) áp dụng nước ta thời gian Đánh giá chung, công nghệ xử lý tương đối có hiệu xử lý đất yếu chống thấm Mặc dù vậy, tiêu chuẩn thiết kế tài liệu tham khảo số hạn chế nêu Những hạn chế này, cần bổ sung, sửa đổi cho hoàn thiện đáp ứng yêu cầu sản xuất σ0’- Áp lực địa tầng hiệu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1].Nguyễn Quốc Dũng, Phùng Vĩnh An, Nguyễn Quốc Huy “Công nghệ khoan cao áp xử lý đất yếu”, Nhà xuất nông nghiệp, Năm 2005; [2].TCCS 05:2010/VKHTLVN, “Hướng dẫn sử dụng cọc xi măng đất thi công theo phương pháp Jet-grouting để xử lý đất yếu chống thấm công trình đất”, Viện Khoa học Thủy lợi Việt nam, Hà Nội [3].TCXDVN 385:2006, Gia cố đất yếu trụ đất xi măng, Hà Nội [4].Báo cáo đề tài nghiên cứu cấp Bộ “Nghiên cứu đề ứng dụng giải pháp xử lý móng công trình Thủy lợi vùng đất yếu Đồng sông Cửu Long cọc xi măng – đất khoan trộn sâu”, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, Năm 2008 - 2010; [5].Tiêu chuẩn Anh BS 8006 :1995 “Đất vật liệu đắp khác có gia cường”, Nhà xuất Xây Dựng ; [6].Coastal Development Institute of Technology (CDIT) (2002), The Deep Mixing Method, Principle, Design and Construction, Japan; [7].Shanghai – Standard (1994), Ground Treatment Code DBJ 08 – 40 – 94, China 20 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 11/2012