Nghiên cứu xử lý nền đất yếu và xác định sức chịu tải của nền bằng phụ gia hóa học

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tôi xin cam đoan thông tin trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc Hải Phòng, ngày……tháng.… năm 2016 Học viên Nguyễn Quang Dũng i LỜI CẢM ƠN Tác giả luận văn xin chân thành cảm ơn trường Đại học Hàng hải Việt Nam suốt thời gian học tập, nghiên cứu vừa qua, giúp tác giả trang bị thêm kiến thức cần thiết vấn đề kỹ thuật - kinh tế Cùng hướng dẫn nhiệt tình Giảng viên trường giúp tác giả hoàn thiện trình độ chuyên môn Đặc biệt, tác giả xin chân thành cảm ơn tới thầy giáo TS Trần Long Giang trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tác giả tận tình suốt trình nghiên cứu hoàn thành luận văn Đồng thời, tác giả xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo, Viện Đào tạo sau đại học cung cấp kiến thức chuyên ngành, giúp tác giả có đủ sở lý luận thực tiễn để hoàn thành luận văn Do trình độ, kinh nghiệm thời gian nghiên cứu hạn chế nên Luận văn khó tránh khỏi thiếu sót, tác giả mong nhận ý kiến đóng góp quý độc giả Xin trân trọng cảm ơn! ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN II MỤC LỤC III DANH MỤC CÁC BẢNG VII DANH MỤC CÁC HÌNH VII MỞ ĐẦU 1 Sự cần thiết đề tài Mục đích đề tài Đối tượng nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC BIỆN PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU 1.1 Khái niệm đất yếu loại đất yếu thường gặp 1.2 Các vấn đề gặp phải xây dựng công trình đất yếu 1.3 Các vấn đề lún 1.4 Các biện pháp xử lý đất yếu áp dụng Việt Nam 1.5 Cơ sở lý thuyết tính toán xử lý đất yếu giếng tiêu nước thẳng đứng 21 1.5.1 Giới thiệu phương pháp giếng tiêu nước thằng đứng 21 1.5.2 Nguyên lý xử lý đất yếu gia tải trước 22 1.5.3 Nguyên lý xử lý đất yếu trụ vật liệu rời 23 1.5.4 Nguyên lý xử lý đất yếu giếng tiêu nước thẳng đứng 31 1.6 Cơ sở lý thuyết tính toán xử lý đất yếu trụ đất xi măng/vôi – trộn sâu 34 1.6.1 Giới thiệu phương pháp 34 1.6.2 Những nguyên tắc cải tạo sâu 37 1.6.3 Tính toán - thiết kế 39 1.7 Cơ sở lý thuyết tính toán xử lý đất yếu tường chắn đất có cốt ổn định học - điều kiện tĩnh 43 1.7.1 Giới thiệu, mô tả hệ thống tường chắn đất có cốt ổn định học 43 1.7.2 Trình tự thi công 47 1.7.3 Những nguyên tắc gia cường đất 51 1.7.4 Tương tác cốt đất 53 1.7.5 Đánh giá tính chất xây dựng dựa khảo sát thí nghiệm khu vực 55 iii 1.8 Cơ sở lý thuyết tính toán xử lý đất yếu sườn dốc đất có cốt – điều kiện tĩnh 56 1.8.1 Giới thiệu 56 1.8.2 Tính toán - thiết kế 59 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG PHỤ GIA HÓA HỌC 61 2.1 Nghiên cứu xử lý đất yếu xác định sức chịu tải phụ gia hóa học 61 2.1.1 Giới thiệu phương pháp 61 2.2 Các yêu cầu đất áp dụng phụ gia hóa học để hóa cứng đất 62 2.2.1 Những yêu cầu phân tích đất 62 2.2.2 Cải tạo tính chất đất 62 2.2.3 Các loại đất hiệu suất phụ gia hóa học 62 2.3 Trình tự thí nghiệm với đất 64 2.3.1 Thí nghiệm độ thẩm thấu 65 2.3.2 Thí nghiệm hệ số chịu tải California (CBR) 65 2.3.3 Thí nghiệm thành phần cấp phối 65 2.3.4 Thí nghiệm số dẻo 66 2.3.5 Thí nghiệm độ pH 66 2.3.6 Dung trọng khô tối đa/Độ chứa ẩm tối ưu (OMC) 66 2.3.7 Các yêu cầu công tác thí nghiệm 66 2.4 Trình tự thực 67 2.5 Thi công 72 CHƢƠNG 3: CảI TạO NềN ĐấT ĐƢờNG GIAO THÔNG LIÊN HUYệN VIệT YÊN TỉNH BắC GIANG 77 3.1 Khu vực thiết kế 77 3.1.1 Điều kiện địa chất khu vực thiết kế 77 3.1.2 Giải pháp thiết kế 79 3.1.3 Giải pháp xử lý đất yếu 80 3.1.4 Yêu cầu thiết kế 80 3.1.5 Phương pháp tính toán 83 3.2 Tính toán xử lý đường xác định sức chịu tải đất 84 3.2.1 Lựa chọn mô hình tính toán 84 3.2.2 Tính toán sức chịu tải 84 3.2.3 Sử dụng phụ gia hóa học để gia cố đất 86 3.3 So sánh giá trị kinh tế phương án xử lý 88 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO 91 iv DANH MỤC CÁC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Ký hiệu Se SC SS ’h S1 h q1 aS Etrụ S2 q2 Mđất Sm Q Em U Ch CV T Re R LD Kđất Ktrụ N C’K(trụ) CU K(trụ) υ’K(trụ) Β AS S Le C Le Tên đại lƣợng Độ lún tức thời Độ lún cố kết ban đầu Độ lún cố kết thứ sinh Ứng suất ngang hữu hiệu đất trụ Độ lún trụ m Chiều dày tầng đất gia cường m Tải trọng truyền lên trụ nói kPa Tỷ số diện tích thay Mô đun đàn hồi trụ kPa Độ lún đất không gia cường m Tải trọng tác dụng lên đất không gia cường kPa Mô đun đàn hồi đất gia cường kPa Độ lún thể tích gia cường toàn khối m Tải trọng tác dụng lên khối gia cường kPa Mô đun nén lún đất gia cường toàn khối kPa Mức độ cố kết Hệ số cố kết theo phương ngang đất chưa gia cường Hệ số cố kết theo phương đứng đất chưa gia cường cho biến dạng đứng Thời gian cố kết Bán kính ảnh hưởng trụ Bán kính trụ Tổng chiều dài trụ thoát nước phía Hệ số thấm đất chưa gia cường Hệ số thấm trụ Hệ số Barron Lực đính hữu hiệu trụ Lực đính không thoát nước trụ Góc ma sát hữu hiệu trụ Hệ số tính lực đính hữu hiệu trụ Diện tích tiết diện ngang trụ Khoảng cách tâm trụ Tổng diện tích bề mặt đơn vị chiều rộng cốt vùng kháng nhổ sau bề mặt trượt Chiều dài neo cốt vùng kháng nhổ sau bề mặt trượt v C F* Α σ’V υr H Β Tr L Sv Γq Am Ao dw dwf Cu υu hay C’ υ’ Cc; Ch; Cv υ’p γr; γb γf g MR MD C MG RPO Ci σn υi FS φ’  'f γ LB Tth RFCR RFID RFD N Tmax Chu vi đơn vị hữu hiệu cốt Hệ số kháng nhổ (hệ số ma sát - chịu tải) Hệ số hiệu chỉnh tỷ lệ Ứng suất thẳng đứng hữu hiệu ranh giới cốt đất Góc ma sát tương tác cốt đất Chiều cao sườn dốc Góc dốc sườn dốc Độ bền cốt Chiều dài cốt Khoảng cách đứng hai cốt cạnh Tải trọng động tạm thời Gia tốc địa chấn tính toán Hệ số gia tốc địa chấn Chiều sâu mực nước đất sườn dốc Chiều sâu mực nước đất Các tham số độ bền lớp đất Các tham số cố kết lớp đất Các trọng lượng đơn vị lớp đất Gia tốc lực trọng trường Moment kháng trượt Moment gây trượt Lực dính Moment kháng trượt cốt gây Cường độ kháng nhổ Hệ số tương tác nhổ Ứng suất pháp tác dụng chiều dài neo cốt Góc ma sát lớn đất có cốt Hệ số an toàn kháng nhổ Góc ma sát đất Góc ma sát hiệu chỉnh đất Trọng lượng đơn vị đất ẩm Chiều dài cốt đáy sườn dốc đỉnh sườn dốc Độ bền kéo tới hạn cốt theo tiêu chuẩn ASTM D 4595 Hệ số giảm từ biến Hệ số giảm phá hoại xảy lắp đặt cốt Hệ số giảm theo thời gian Số lớp lưới địa kỹ thuật Tổng độ bền lưới địa kỹ thuật vi Số Bảng Bảng 1.1 DANH MỤC CÁC BẢNG Tên Bảng Những loại vật thoát phổ biến (theo Rixner cộng 1986) Bảng 1.2 Xác định khả chịu tải tới hạn ( Theo Aboshi & Suematsu 1985) Bảng 3.1 Bảng 3.2 Kết hệ chuyển đổi nhiều lớp để xác định Etb Kết thí nghiệm Bảng 3.3 Kết thí nghiệm DZ33 Bảng 3.4 Bảng 3.5 Phân loại vôi theo tiêu hàm lượng CaO+MgO Giá trị xây lắp công trình sử dụng phụ gia hóa học hóa cứng đất Số TT 1.1, 1.2 1.3 1.4 1.5, 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14, 1.15 1.16 1.17, 1.18, 1.19 1.20 1.21 1.22 1.23 1.24 1.25 1.26 1.27 DANH MỤC CÁC HÌNH Tên Hình Cọc cừ tràm, cọc tre Gia tải trước cát Đệm cát Bệ phản áp bê tông Nhật, Việt Nam Nền đường gia cố hóa chất Bấc thấm Cọc cát Ép chân không Bơm chân không - chất dự tải liên hợp Ép cọc bê tông Hạ cọc chấn động Cọc xi măng, xi măng đất Phương pháp ổn định toàn khối Thi công cọc cát Lý tưởng hóa trụ đơn vị Sơ đồ bố trí trụ vật liệu rời gia cường đất yếu Các chế phá hoại trụ đơn vật liệu rời tầng đất yếu đồng (theo Barkscale Bachus 1983) Các chế phá hoại trụ vật liệu rời đất dính không đồng Các kiểu phá hoại nhóm trụ vật liệu rời Sự phá hoại khả chịu tải diện chịu nén dạng băng trụ vật liệu rời - biến dạng phẳng ( Balaam, N.P; P.T Brown; H.G Poulos 1971) Phân tích nhóm trụ vật liệu rời - đất dính rắn đến cứng ( Theo Barksdale Bachus, 1983) Giếng tiêu nước thẳng đứng tiêu biểu lắp đặt cho đường cao vii tốc 1.28 1.29 Thiết bị gia cường đất yếu bấc thấm Sơ đồ cải tạo khối trụ kết hợp 1.30 1.31 1.32 Kỹ thuật gia cường khối Phun trộn ướt So sánh phương pháp gia cường sâu với số phương pháp khác Những ví dụ dạng hình học bố trí trụ gia cường đất yếu Sơ đồ nguyên tắc phân bố tải trọng gia cường trụ Mặt cắt ngang tổng quát tường chắn đất có cốt ổn định mặt học (MSEW) Tường chắn Các cấu kiện MBW thương mại thích hợp Lớp bảo vệ rọ đá 1.33 1.34 1.35 1.36 1.37 1.38 1.39 1.40 đến 1.46 1.47 1.48 1.49 Đường cong thực nghiệm để xác định chuyển vị ngang tiềm ẩn xảy trình thi công tường chắn MSEW (FHWARD 89-403) Thi công panel Những chế truyền ứng suất cho cốt đất Cách xác định kích thước lưới để tính khả chịu nhổ Những yêu cầu cho tính toán sườn dốc đất có cốt 2.1 đến 2.10 Những dạng phá hoại sườn dốc đất có cốt Hình dạng sườn dốc định nghĩa Lời giải sơ đồ để xác định chiều dài cốt yêu cầu (theo Schmertmann cộng 1987) Trình tự thực hóa cứng đất phụ gia hóa học 2.11 đến 2.20 Thi công hóa cứng đất phụ gia hóa học 3.1 Bản đồ Huyện Việt Yên 3.2 Hiện trạng tuyến đường 3.3 Sơ đồ lớp 3.4 Công trình sau thử nghiệm hoàn thành 1.50 1.51 1.52 viii MỞ ĐẦU Sự cần thiết đề tài Các kết cấu đường giao thông bãi theo công nghệ truyền thống thường phải đào xúc bỏ toàn lớp đất tự nhiên khuôn, sau tiến hành thi công lớp cấp phối vật liệu đá từ cỡ x đến đá - 4, lớp cấp phối base cấp phối đất sỏi đồi Lớp móng đường thi công thường có giá thành cao nơi cách xa nguồn đá mỏ (do chi phí vận chuyển cao) Hiện số nơi quan quản lý địa phương cấm phá núi để khai thác đá xây dựng sợ ảnh hưởng đến môi trường sinh thái, nguồn đá mỏ ngày khan đắt đỏ Cấp phối vật liệu đá, dù có thi công lu nèn chặt đến đâu chúng kết cấu rời đường dễ bị ngấm nước sụt lún Việc nghiên cứu sử dụng vật liệu chỗ để thay cho vật liệu đá làm đường giao thông bãi truyền thống việc làm cần thiết có ý nghĩa cao Đến loại vật liệu nghiên cứu để đưa vào sử dụng xây dựng thay phần cho loại cấp phối đá loại đất hữu nơi Các loại phụ gia nhập từ nước tiên tiến với giá thành cao làm đơn giá vật liệu đất gia cố cao, chưa có hiệu kinh tế việc sử dụng Mặt khác việc gia cố hóa cứng đất muốn đạt tiêu chuẩn kỹ thuật cao đòi hỏi phải có phương tiện chuyên dùng máy phay nghiền đất trộn phụ gia với đất Loại thiết bị Việt Nam Đồng thời thi công phải tuân thủ chặt chẽ quy trình thi công gia cố đất với chất kết dính vô (Vôi xi măng), điều đòi hỏi phải có đội ngũ kỹ thuật hiểu biết chuyên môn có kinh nghiệm hướng dẫn thực Đội ngũ công nghệ thiếu nên công nghệ chưa phổ biến mạnh Công nghệ góp phần bảo vệ môi trường tận dụng phế thải ngành công nghiệp khác tro bay, xỉ than nhà máy nhiệt điện làm chất phụ gia, kết dính để sử dụng cho việc xử lý đất yếu Khi gia cố, đơn vị thi công bốc vứt đất cũ mà thực gia cố chỗ, đất đó, mặt Công nghệ thích hợp xử lý móng vùng đất ô nhiễm, đặc biệt với công trình lấn biển, làm đường khu vực sình lầy…; tận dụng phế phẩm khác tro bay, xỉ… mà nhà máy công nghiệp Việt Nam thải thừa nhiều Do đề tài “ Nghiên cứu xử lý đất yếu xác định sức chịu tải phụ gia hóa học ” vấn đề có ý nghĩa cấp bách thiết thực Mục đích đề tài Nghiên cứu, tìm hiểu công nghệ xử lý đất yếu phụ gia hóa học Nghiên cứu cụ thể quy trình, cách thức sử dụng phụ gia hóa học để hóa cứng đất Áp dụng phương pháp sử dụng phụ gia hóa học vào công trình cụ thể để thấy hiệu phương pháp Đối tƣợng nghiên cứu Nghiên cứu, tìm hiểu công nghệ xử lý đất yếu Các lý thuyết tính toán sức chịu tải Nghiên cứu xử lý đất yếu công trình đường giao thông bãi phụ gia hóa học Công trình đường giao thông liên huyện Việt Yên Tỉnh Bắc Giang Phƣơng pháp nghiên cứu Thu thập tài liệu xử lý đất yếu công trình đường giao thông bãi, công nghệ xử lý đất yếu phụ gia hóa học giới nước để hiểu rõ công nghệ Nghiên cứu tài liệu cách làm truyền thống để so sánh với công nghệ xử lý đất yếu phụ gia hóa học Nghiên cứu tính toán cho công trình cụ thể Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Việc nghiên cứu sử dụng vật liệu chỗ để thay cho vật liệu đá làm đường giao thông bãi truyền thống việc làm cần thiết có ý nghĩa cao Đến loại vật liệu nghiên cứu để đưa vào sử dụng xây dựng thay phần cho loại cấp phối đá loại đất hữu nơi Tận dụng phế phẩm khác tro bay, xỉ công nghiệp, chất thải rắn công nghiệp mà nhà máy công nghiệp Việt Nam thải thừa nhiều để làm vật liệu gia cố Do đề tài nghiên cứu xử lý đất yếu xác định xức chịu tải phụ gia hóa học Tuyến đường cần cải tạo với yêu cầu chất lượng, kinh tế, thời gian thi công nên áp dụng phương pháp sử dụng phụ gia hóa học để đáp ứng yêu cầu Hình 3.1 Bản đồ Huyện Việt Yên Hình 3.2 Hiện trạng tuyến đường 78 3.1.2 Giải pháp thiết kế Hình 3.3 Sơ đồ kết cấu lớp Hiện giới áp dụng nhiều giải pháp để gia cố đất phụ gia hóa học: phụ gia hóa học vô DZ33, SA40 (Mỹ), RRP, Consolid, phụ gia hóa học hữu Mục đích để biến đất chỗ cứng lên cường độ đất gia cố đạt yêu cầu kỹ thuật cho loại công trình, đảm bảo ổn định lâu dài cho giá thành rẻ Phương pháp cho phép sử dụng nhiều chủng loại đất đất sét phù sa, sét cát, đất sét, sét tạp,… Các trình xảy gia cố đất chất phụ gia hóa học tóm tắt sau: - Quá trình hóa học: trình hydrat hóa hạt xi măng, trình trao đổi ion lớp điện kép sét ion môi trường làm cho đất sét trở nên cứng có cấu trúc kết tinh Quá trình silicat canxi hóa, aluminát canxi hóa bên trình quan trọng gia cố đất để tạo kiến trúc kết tinh đất có tác dụng liên kết hạt đất tốt Các trình xẩy từ từ đất gia cố đất gia cố vôi tro bay phải nén chặt giữ độ ẩm tốt thời gian - Quá trình hóa lý: trình trao đổi ion sét ion môi trường, hấp thụ phân tử chất dung dịch bề mặt phân cách pha, đông tụ hạt sét hạt keo tạo nên đất gia cố vững bền - Quá trình lý hóa học: việc làm tơi nhỏ đất tạo nên cấp phối tốt cho đất, xi măng, vôi tro vào đất hỗn hợp nén chặt với độ ẩm tốt thích hợp cho việc cứng hóa đất gia cố Công nghệ hóa cứng đất chỗ phụ gia hóa học góp phần bảo vệ môi trường tận dụng phế thải ngành công nghiệp khác tro bay, xỉ than nhà máy nhiệt điện làm chất phụ gia, kết dính để sử dụng cho việc xử lý đất yếu Khi gia cố, đơn vị thi công bốc vứt đất cũ mà thực gia cố chỗ, đất đó, mặt Công nghệ thích hợp xử lý móng vùng đất ô nhiễm, đặc biệt với công trình lấn biển, làm đường khu vực sình lầy…; tận dụng 79 phế phẩm khác tro bay, xỉ… mà nhà máy công nghiệp Việt Nam thải thừa nhiều 3.1.3 Giải pháp xử lý đất yếu Nguyên tắc phụ gia hóa rắn đất xúc tác tạo lập lại trình tự nhiên đá bị phong hóa tác động thiên nhiên trở thành đất, lại cải tạo ngược lại để đất trở lại đặc tính đá tăng cường độ, giảm tính thấm Phụ gia hóa rắn đất trộn vào đất đánh tơi làm nhỏ, cung cấp thêm ion mang điện tích dương tác động làm điện tích âm hạt sét đất xếp lại Dưới tác động lực đầm nén, liên kết dạng từ tính xuất (liên kết trao đổi ion) làm biến đổi tính chất lý đất từ rời rạc sang thể rắn tăng độ chắn độ chống xuyên nước đất, loại bỏ tính trương nở thành phần sét đất Trong thành phần đất hóa rắn, thành phần sét sau tác động với phụ gia trở thành thành phần keo dạng xi măng polime vô cơ, kết hợp với thành phần hạt lớn đất tạo thành khối rắn Trước tiến hành thi công gia cố đất phải vào kết cấu mặt đường tiêu chuẩn vật liệu khả thiết bị điều kiện liên quan khác để thiết kế tổ chức thi công cho phù hợp nhằm đảm bảo thời gian quy định, chất lượng hiệu kinh tế cao 3.1.4 Yêu cầu thiết kế - Yêu cầu chung: Modul đàn hồi Ech đạt > 120 Mpa - Trường hợp gia cố xi măng: + Yêu cầu đất Đất dùng để gia cố xi măng trước hết phải loại đất phép dùng để đắp đường (theo tiêu chuẩn TCVN 9436:2012 Nền đường ô tô - Thi công nghiệm thu) Các loại đất sau không dùng để gia cố: Đất bùn, đất lẫn than bùn (nhóm A8 theo AASHTO M145); Đất mùn lẫn hữu có thành phần hữu 10%, đất có lẫn cỏ rễ cây, lẫn rác thải sinh hoạt (AASHTO T267 - 86); Đất lẫn thành phần muối dễ hòa tan 5% (xác định theo TCVN 7572 15:2006 ); Đất sét có độ trương nở cao vượt 3%; Đất sét nhóm A-7-6 (theo AASHTO M145) có số nhóm từ 20 trở lên; Độ pH 120Mpa, số chỗ Ech > 190Mpa Bảng 3.2 Kết thí nghiệm Độ sâu thâm nhập (mm) 0.64 1.27 1.91 2.54 3.81 5.08 6.35 7.62 10.16 12.70 Số đọc (vạch) 26.0 45.0 65.0 80.0 102.0 120.0 135.0 144.0 152.0 155.0 Lực (N) 3100 5427 7896 9756 12482 14712 16573 17689 18678 19045 Từ thí nghiệm trường cho kết E = 186 Mpa 85 Áp lực (N/cm2) 160.2 280.5 408.1 504.2 645.1 760.3 856.5 914.2 965.3 984.2 Bảng 3.3 Kết thí nghiệm DZ33 Đất Đầm chặt Nền CBR (%)