TÍNH TOÁN NỀN GIA CỐ BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT

NỘI DUNG CHUYÊN ĐỀ• GIỚI THIỆU GIA CỐ NỀN BẰNG PP XI MĂNG HÓA • GIỚI THIỆU VỀ CỌC XI MĂNG ĐẤT • CÔNG NGHỆ THI CÔNG CỌC XI MĂNG ĐẤT • THÍ NGHIỆM TRONG PHÒNG VÀ HIỆN TRƯỜNG • TIÊU CHUẨN TH

TÍNH TOÁN NỀN GIA CỐ BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT

TS Trần Minh Thuận

Bộ môn Kỹ thuật xây dựng

NỘI DUNG CHUYÊN ĐỀ

• GIỚI THIỆU GIA CỐ NỀN BẰNG PP XI MĂNG HÓA

• GIỚI THIỆU VỀ CỌC XI MĂNG ĐẤT

• CÔNG NGHỆ THI CÔNG CỌC XI MĂNG ĐẤT

• THÍ NGHIỆM TRONG PHÒNG VÀ HIỆN TRƯỜNG

• TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ CỌC XI MĂNG ĐẤT CỦA VN

• LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CỌC XI MĂNG ĐẤT

• BÀI TẬP

Tài liệu tham khảo:

• TCXD VN 385:2006, Gia cốnền đất yếu bằng trụđất xi măng.

• Giới thiệu kết quả ứng dụng công nghệkhoan phụt cao áp (jet grouting)

đểchống thấm cho một sốcông trình thuỷlợi Nguyễn Quốc Dũng, Nguyễn Quốc Huy, Nguyễn Quý Anh, Viện khoa học thuỷlợi.

• Dự án mở rộng đường Quang Trung – Cái Cui, Q Cái Răng, Tp Cần Thơ, Công ty Tư vấn và Khảo sát thiết kế xây dựng – Bộ Quốc phòng, tháng 12/2009.

• Cement deep mixing applied to soft clay in Mekong delta, Suzuki, K; Usui, H; Sasai, T; Kojima, A; Nozu, M; Nguyen, H T.

• The Application of Various Deep Mixing Methods for Excavation Support Systems, Kenneth B Andromalos, P.E., Eric W Bahner, P.E.

• Lime Cement Dry Soil Mixing, Keller Ground Engineering, Pty Ltd, Australia, New Zealand, Pacific Islands, Indonesia

• Quality Assessment and Quality Control of Deep Soil Mixing Construction for Stabilizing Expansive Subsoils, Raja Sekhar Madhyannapu, Anand J

Puppala, Soheil Nazarian, Deren Yuan.

GIỚI THIỆU GIA CỐ NỀN BẰNG

PP XI MĂNG HÓA

• Các kiểu công nghệ khoan phụt xi măng chống thấm và gia cố nền:

CÁC KIỂU KHOAN PHỤT XI MĂNG

Khoan ph ụ t truy ề n th ố ng:

phụt có nút bịt) được thực hiện theo sơ đồ hình 2

Mục tiêu của phương pháp là sử dụng áp lực phụt

để ép vữa xi măng (hoặc ximăng – sét) lấp đầy các

lỗ rỗng trong các kẽ rỗng của nền đá nứt nẻ Gần đây, đã có những cải tiến để phụt vữa cho công trình đất (đập đất, thân đê, ).

phụt nền đá nứt nẻ, quy trình thi công và kiểm tra đã khá hoàn chỉnh Tuy nhiên với đất cát mịn hoặc đất bùn yếu, mực nước ngầm cao hoặc nước có áp thì không kiểm soát được dòng vữa sẽ đi theo hướng nào.

…CÁC KIỂU KHOAN PHỤT XI MĂNG

Khoan ph ụ t ki ể u ép đ ấ t

Khoan phụt kiểu ép đất là biện pháp sử dụng vữa phụt có áplực, ép vữa chiếm chỗ của đất

Khoan ph ụ t th ẩ m th ấ u

Khoan phụt thẩm thấu là biện pháp ép vữa (thường là hoá chất

hoặc ximăng cực mịn) với áp lực nhỏ để vữa tự đi vào các lỗrỗng Do vật liệu sử dụng có giá thành cao nên phương phápnày ít áp dụng

Công nghệ trộn xi măng với đất tại chỗ- dưới sâu tạo ra cọc Xi

Măng Đ ất được gọi là công nghệ trộn sâu (Deep Mixing-DM).

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

Phân loại chung các thiết bị trộn sâu

Phương pháp trộn

Trộn sâu

Quay một trục Trộn khô Trộn ướt

theo tuyến

Quay trong mặt phẳng + tịnh tiến theo tuyến

Chỉ tịnh tiến theo tuyến

Một cần, cánh Máy đào

Ổn định thành hố đào

Vĩnh cửu

Trên đất liền

Đê sông Đường bộ, đường sắt

Mố cầu Tường chắn Nền nhà và công trình

Ổn định mái dốc Giảm chấn động

Trên biển Đảo nhân tạo Tường chắn

Ngăn nước

Bảng 1-Thông số thi công

Số hiệu trụ, thời gian thi công Số hiệu trụ, thời gian thi công

Áp lực khí nén Áp lực bơm (khí nén nếu có) Hình dạng đầu trộn Hình dạng đầu trộn Biểu đồ thời gian/độ sâu (vận tốc xuyên

xuống, rút lên) Biểu đồ thời gian/độ sâu (vận tốc xuyên xuống, rút lên) Tốc độ quay(vòng/phút, khi xuyên xuống

và rút lên Tốc độ quay(vòng/phút, khi xuyên xuống và rút lên Chủng loại xi măng và thành phần Chủng loại vữa xi măng và thành phần

Tỷ lệ nước/ximăng Khối lượng xi măng theo mét chiều sâu (khi

xuyên xuống và rút lên) Khối lượng vữa xi măng theo mét chiều sâu (khi xuyên xuống và rút lên) Sai số thi công(phương đứng,đường kính,

vị trí)

Sai số thi công(phương đứng,đường kính,

vị trí) Cao độ đáy và đỉnh Cao độ đáy và đỉnh

GIỚI THIỆU VỀ CỌC XI MĂNG ĐẤT

• Cọc ximăng đất là hỗn hợp giữa đất nguyên trạng nơi gia cố và ximăng được phun xuống nền đất bằng thiết bị khoan phun.

• Mũi khoan được khoan sâu xuống làm tơi đất đến khi đạt độ sâu lớp đất cần gia cố thì xoay 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 khô hoặc bằng bơm vữa đối với hỗn hợp dạng vữa ướt).

Khoan cọc xi măng đất gia cố nền đất yếu tại Sân bay Cần Thơ

• Cọc xi măng đất (hay còn gọi là cột xi măng đất,

trụ xi măng đất) -(Deep soil mixing columns, soil mixing pile)

Nguyên lý hoạt động

• Bước 1: Đặt máy khoan phun tại vị trítim cột đầu tiên để bắt đầu khoanxuống

• Bước 2: Máy khoan bắt đầu khoanxuống vị trí dự kiến cột (chưa bơmvữa)

• Bước 3: Máy khoan đã xuống sâuhơn và bắt đầu tiến trình vừa khoanvừa bơm vữa

• Bước 4: Sau khi đã khoan-bơm trộn đều đến độ sâu thiết kế, choquay ngược chiều mũi khoan để rútlên

vữa-• Bước 5 : Kết thúc chu trình thi côngmột cột ximăng đất

( Nguồn: “Dự án Khu biệt thự cao cấp Sunrise” )

Phạm vi ứng dụng

Cọc xi măng đất là một trong những giải pháp xử lý nền đất yếu :

Khi xây dựng các công trình có tải trọng lớn trên nền đất yếu cần phải có các biện pháp xử lý đất nền bên dưới móng công trình, nhất là những khu vực có tầng đất yếu khá dày (như vùng Nhà

Bè, Bình Chánh, Thanh Đa ở thành phố Hồ Chí Minh và một số tỉnh ở đồng bằng sông Cửu Long…)

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 thấmcho đê đập, – sửa chữathấmmang 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

Ưu điểm của cọc xi măng đất

• Thi côngnhanh, kỹ thuật thi công không phức tạp, không có yếu tố rủi ro cao Tiết kiệm thời gian thi công đến hơn 50% do không phải chờ đúc cọc

và đạt đủ cường độ(Ví dụ tại dự án Sunrise) Tốc độ thi công cọc rất nhanh

• Rất thích hợp cho công tác xử lý nền, xử lý móngcho các công trìnhởcác 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 sâu trong nước Khả năng xử lý nền đất yếu sâu (có thể đến 50m)

• Thích hợp với các loại đất yếu (từ cát thô cho đến bùn yếu) Nếu địa chất nền là cát rất phù hợp và độ tin cậy cao

• Nhiều trường hợp đã đưa lại hiệu quả kinh tế rõ rệt so với các giải pháp

xử lý cọc đóng (nếu sử dụng phương pháp cọc bê tôngép hoặc cọc khoan nhồithì rất tốn kém do tầng đất yếu bên trên dày Với 1 trường hợp đã áp dụng với lớp đất dày 30m, thì khi sử dụng phương pháp cọc- đất xi măng tiết kiệm cho mỗi móngxi lô khoảng 600 triệu đồng (Nguồn Wikia)

Tiêu chuẩn thiết kế

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

Quy định về việc gia cố nền bằng cọc xi măng đất (TCXDVN 385:2006)

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 );

• 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

Các kiểu bố trí cọc xi măng đất

Hình ví dụ bố trí cọc trộn khô: 1 Dải; 2 Nhóm, 3 Lưới tam giác, 4 Lưới vuông

Hình ví dụ bố trí cọc trùng nhau theo khối

Hình ví dụ bố trí cọc trộn ướt trên mặt đất:

1 Kiểu tường, 2 Kiểu kẻ ô, 3 Kiểu khối,

4 Kiểu diện

Hình ví dụ bố trícọc trộn ướt trên biển:

Công nghệ thi công

Hiện nay thế giới có hai công nghệ được áp dụng phổ biến là công nghệ của Châu Âu và công nghệ của Nhật Hiện nay ở Việt Nam phổ biến hai công nghệ thi công

cọc xi măng đất là: Công nghệ trộn khô (Dry Jet Mixing)

và Công nghệ trộn ướt (Wet Mixing hay còn gọi là grouting)là công nghệ của Nhật Bản

Jet-Trộn khô là quá trình phun trộn xi măng khô với đất có hoặc không có chất phụ gia Dành cho đất thịt và sét có

Cột XMĐ được đào lên

Công nghệ trộn khô

a)Thiết bị khoan sâu vào trong đất đến độ sâu thiết kế, xi măng được phun ra

từ lỗ phun phía trên dao trộn đất b)Thiết bị quay nhanh hơn khi rút lên để trộn

xi măng đều với đất c)Phụ tải để bó cọc và nén trước trong khi dưỡng hộ để cọc đạt cường độ nhanh trong tuần đầu d)Có thể chất đủ tải sau khi cọc được dưỡng hộ 3-4 tuần (cọc đạt 90% cường độ)

Công nghệ trộn ướt (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 phunbằng 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, trọng lực sẽ trộn lẫndung 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 vữa cứng lại sẽ thành cột XMĐ

công nghệ S, tiếp theo là công nghệ T, và gần đây là công nghệ D:

+ Công nghệ đơn pha S: Công nghệ đơn pha tạo ra các cọc xi măng đất có đường kính

vừa và nhỏ 0,4 - 0,8m Công nghệ này chủ yếu dùng để thi công nền đất đắp, cọc

+ Công nghệ hai pha D: Công nghệ hai pha tạo ra các cọc xi măng đất có đường kính từ

0,8 -1,2m Công nghệ này chủ yếu dùng để thi công các tường chắn , cọc và hào chống thấm

+ Công nghệ ba pha T: Phụt ba pha là phương pháp thay thế đất mà không xáo trộn đất Công nghệ T sử dụng để làm các cọc , các tường ngăn chống thấm , có thể tạo ra cột Soilcrete đường kính đến 3m

Thiết bị trộn ướt 2 cần

(a) Mixing blades of CI-CMC machine (Nguồn Toa Corporation,

Tokyo, Japan)

Thiết bị trộn ướt 4 cần

(b) CDM-Land 4 machine (Nguồn Toa Corporation, Tokyo, Japan)

Mặt cắt ngang cọc XMĐ với loại máy trộn 2 cần và 4 cần

hai loại máy trộn 2 cần và 4 cần

Thiết bị trộn ướt có 4 cần khoan

DMM Column Overlap Pattern (Deep soil mix retaining wall )

Sơ đồ cung cấp vữa bơm của thiết bị trộn ướt

Bản vẽ tường chắn bằng BTCT liên kết với cọc xi măng đất

Các ứng dụng của trộn sâu

( Terashi, 1997)

8/ Đê biển 9/ Ngăn nước

1/ Đường bộ, ổn định/lún 2/ Ổn định đê cao 3/ Mố cầu

các công trình lân cận

6/ Chống nâng đáy hố đào

7/ Chống chuyển dịch ngang của móng cọc

Gia cố nền hố móng cống

(Nguồn Toa Corporation, Tokyo, Japan)

Sơ đồ tính toán ổn định trượt của mái dốc được gia cố bằng cọc XMĐ

Quy trình thí nghiệm trong phòng và

Các loại thí nghiệm

• Để thiết kế cọc xi măng đất ngoài những thí nghiệm khoan khảo sát ngoài hiện trường nên có một số thí nghiệm kèm theo như sau:

• Thí nghiệm xuyên tĩnh có đo áp lực nước lỗ rỗng CPTU

• Kết quả phân tích hoá nước

• Thí nghiệm nén cố kết

• Thí nghiệm hỗn hợp xi măng đất (để xác định hàm lượng xi măng sử dụng cho gia cố)

• Thí nghiệm cắt cánh

• Thí nghiệm trộn đất tại chỗ với xi măng theo tiêu chuẩn của Thuỵ điển

Các thí nghiệm hiện trường

Sau khi khi thi công ngoài hiện trường cần có một sốthí nghiệm hiện trườngnhư sau:

• Thí nghiệm xuyên cắt tiêu chuẩn, được chia thành 2 loại: xuyêncắt thuậnvàxuyên cắt nghịch

• Kết qủa thí nghiệm sức kháng cắt được so sánh với kết quả thínghiệm trong phòng Giá trị hàm lượng xi măng được chấp thuận

là giá trị sao cho cường độ kháng cắt của cột tương đương vớikết quả phòng thí nghiệm

• Thí nghiệm nén ngang

• Thí nghiệm nén tĩnh một cột

• Thí nghiệm đào cột

• Thí nghiệm chất tải trên một cột

• Thí nghiệm chất tải toàn phần

• Đo lún trên hiện trường

• Đo áp lực nước trong khối gia cố

• Đo độ lún theo độ sâu của tầng đất của khối gia cố

• v.v

Kích thước cánh xuyên

Một số kết quả thử nghiệm

(Nguồn KELLER Ground Engineering)

Tính toán cọc xi măng đất

trọng công trình

trình

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

Lý thuyết tính toán

Hiện nay có 3 quan điểm:

1 Xem cột xi măng đất và nền đất thiên nhiên chưa gia cố cùng làm việc đồng thời - Nền tương đương.

2 Xem cột xi măng đất như cột đơn chịu lực- Tính toán thiết kế như móng cọc.

3 Tính sức chịu tải thì theo móng cọc, tính biến dạng thì theo nền tương đương.

+ Tính sức chịu tải của một cọc như cọc cứng

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

+ Tùy thuộc tỷ lệ diện tích thay thế giữa cột và đất để tính toán tiếp:

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

- Ngược lại thì tính tóan như móng cọc

Công thức thiết kế theo quan điểm

nền tương đương

• Cọc xi măng đất và đất nền chung quanh (chưa gia cố) được xem

như là 1 loại nền tương đương đồng nhất với các tính chất cơ lý C tđ,

ϕtđ , qu tđ , E tđđược tăng lên

ϕtđ = aϕc +(1-a)ϕn : góc nội ma sát tương đương

C tđ = aC c +(1-a)C n : Lực dính tương đương

Su tđ = aSu c +(1-a)Su n : Lực kháng cắt không thoát nước tương đương

E tđ = aE c +(1-a)E n : Mô đun đàn hồi tương đương

• Trong đó a là tỉ lệ diện tích của cọc xi măng đất chiếm chỗ trên đất

a =

Kiểm tra 2 tiêu chuẩn

• Kiểm tra bền : theo sức chịu tải của nền tương đương

– Pghsức chịu tải giới hạn của khối đất nền tương đương– Fshệ số an toàn, tùy thuộc vào quy mô, tính chất của công trình

• Kiểm tra biến dạng của công trình: theo độ lún của công trình

Độ lún của nền gồm 2 thành phần:

• Lún trong khối đất được gia cố S1

• Lún trong lớp đất phía dưới khốinền tương đương S2

S2

2 1

S1

H

Kiểm tra sức chịu tải của lớp đất yếu

cần được xử lý

ƒ Biểu thức tính toán Rtc theo TCXD 45-70:

ƒ m: Hệ số điều kiện làm việc m

ƒ b : Bề rộng cạnh móng nhỏ nhất (giả định) (m)

ƒ h: Độ sâu chôn móng đã dự kiến (m)

ƒ γ : Trọng lượng riêng trung bình của đất nằm trên đáy móng (T/m2)

ƒ ctc: Lực dính đơn vị của đất nằm dưới đáy móng (T/m2)

ƒ ϕtc Góc nội ma sát tiêu chuẩn (o)

ƒ A, B, D: Hệ số phụ thuộc góc nội ma sát của lớp đất nằm dưới đáy móng

] )

m

Kiểm tra sức chịu tải của lớp đất yếu

cần được xử lý

• Công thức tính Rntheo TCXD 205-1998:

Rn= 1 ( γ.d.Nγ+ γ.h.Nq+ C.Nc)Trong đó:

γ : Dung trọng tự nhiên của lớp đất

Rn: Cường độ chịu tải của đất nền

Kiểm tra cường độ chịu tải của cọc XMĐ

• Công thức tính sức chịu tải của cọc XMĐ theo đất nền

• Qs là sức chịu ma sát của thành cọc:

C vàϕ: là lực dính và ma sát trong giữa cọc và đất nền

u : là chu vi cọc

l i : chiều dài cọc trong lớp đất thứ i

γ : trọng lượng riêng của lớp đất thứ i

• Q p là sức chịu mũi của cọc: Q p= Ap.qpvới Aplà diện tích mũi cọc và qplà sức chịu tải của đất nền dướimũi cọc:

S a

FS

Q FS Q

Q = +

Kiểm tra cường độ chịu tải của cọc XMĐ

• Hoặc tính theo công thức:

Với:

17.5 Tấn/m2)

cọc (thí nghiệm nén ngang)

Cường độ chịu tải của toàn khối

móng được gia cố

• Sử dụng công thức tính Rntheo TCXD 205-1998:

Rn= 1 (γ.d.Nγ+ γ.h.Nq+ C.Nc)Trong đó:

γ - Dung trọng tự nhiên của lớp đất

Rn: Cường độ chịu tải của đất nềnd- đường kính móng