Gia cố nền đất yếu bằng phương pháp ổn định toàn khối

Việt Nam được biết đến là nơi có nhiều thành phố và thị trấn quan trọng được hình thành và phát triển trên nền đất yếu. Một trong những phương pháp gia cố nền đất yếu mới được đưa vào ứng dụng ở Việt Nam là công nghệ thi công xử lý nền đất yếu bằng phương pháp ổn định toàn khối. Công nghệ này sẽ góp phần cải tạo, biến đổi nền đất bùn, đất yếu thành nền đất có cường độ cao, khắc phục được hiện tượng sụt lún.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN HỒNG GIANG GIA CĨ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG PHƯƠNG PHÁP ỔN ĐỊNH TOÀN KHỐI Chuyên ngành : ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỤNG Mã số ngành : 60580211 LUẬN VĂN THẠC SĨ Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2019 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: Cán hướng dẫn: TS ĐỖ THANH HẢI Cán chấm nhận xét 1: GS.TS Trần Thị Thanh Cán chấm nhận xét 2: TS Nguyễn Mạnh Tuấn Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh, ngày 09 tháng 01 năm 2019 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn thạc sĩ gồm: 1/ Chủ tịch hội đồng : PGS.TS Bùi Trường Sơn 2/ Thư ký hội đồng : TS Lê Văn Pha 3/ ủy viên phản biện 1: GS.TS Trần Thị Thanh 4/ ủy viên phản biện 2: TS Nguyễn Mạnh Tuấn 5/ủy viên hội đồng : PGS.TS Võ Phán TRƯỞNG CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỤNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: TRẰN HOÀNG GIANG MSHV: 1570703 Ngày, tháng, năm sinh: 08/08/1989 Nơi sinh: Kiên Giang Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng Mã số: 60580211 I TÊN ĐỀ TÀI: GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BANG PHƯƠNG PHÁP ƠN ĐỊNH TỒN KHỐI II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG Nghiên cứu biện pháp gia cố nền, đặc biệt biện pháp ổn định toàn khối Sử dụng Plaxis 2D mô ứng xử đất, độ bền, chuyển vị mặt đất gia cố khơng gia cố để đánh giá vai trò biện pháp gia cố Tiến hành tính tốn toán lựa chọn biện pháp gia cố cho khu vực đất yếu đường phương pháp trộn nông với chiều dày 2m, 4m 6m III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 15 / 09 / 2018 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 03 / 12 / 2018 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS ĐỖ THANH HẢI Tp HCM, ngày 03 tháng 12 năm 2018 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN TS ĐÕ THANH HẢI CHỦ NHIIỆM BỘ MÔN PGS.TS LÊ BÁ VINH TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỤNG LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy TS Đỗ Thanh Hải tận tình hướng dẫn động viên em suốt trình thực Với hỗ trợ lớn từ bắt đầu em có định hướng rõ ràng để hoàn thành tốt luận văn Bên cạnh đó, em xin chân thành cảm ơn Thầy (Cơ) mơn Địa Cơ- Nền Móng nói riêng khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, trường Đại học Bách Khoa TP HCM nói chung Trong năm học tập trường, thầy cô trang bị cho em kiến thức, kỹ quý báu động lực để thực Luận văn Đó hành trang tốt tảng vững để bước vào đường nghiệp nhiều thử thách Bản thân cố gắng nghiên cứu hoàn thiện luận văn nhiên với kiến thức luận văn khơng tránh khỏi số thiếu sót Em kính mong nhận đóng góp ý kiến từ phía thầy bạn để luận văn em hoàn thiện kết nghiên cứu ứng dụng thực tế Một lần em xin chân thành cảm ơn ! Tp.HCM, ngày 03 tháng 12 năm 2018 Học viên thực Trần Hồng Giang TĨM TẮT Việt Nam biết đến nơi có nhiều thành phố thị trấn quan trọng hình thành phát triển đất yếu Một phương pháp gia cố đất yếu đưa vào ứng dụng Việt Nam công nghệ thi công xử lý đất yếu phương pháp ổn định tồn khối Cơng nghệ góp phần cải tạo, biến đổi đất bùn, đất yếu thành đất có cường độ cao, khắc phục tượng sụt lún Trong nghiên cứu này, học viên tổng hợp, phân tích số liệu dựa kết nghiên cứu có sẵn đất trộn xi măng nhằm đưa thông số tiêu lý phù hợp cho cơng trình khu thị Phú Mỹ Hưng, Quận Từ đưa so sánh tính lún cơng trình phương pháp giải tích phương pháp phần tử hữu hạn Kết cho thấy đất gia cố trộn nơng độ sâu 2m trở lên đạt yêu cầu cao ổn định Từ khóa: Đất trộn xi măng, trộn nông, modun biến dạng, nén nở hông tự do, ổn định toàn khối ABSTRACT Vietnam is known for having many important cities and towns formed and developed on soft soil layers One of the new ground improvement methods for soft soil layers introduced in Vietnam is mass stabilization technology This technology will contribute to the improvement and conversion of mud and soft soil into high- intensity soils and overcome the subsidence phenomenon In this study, student will synthesize and analyze the data based on the results of the available studies on soil - cement mix to provide the appropriate mechanical parameters for the urban area Phu My Hung, District This gives a comparison of the displacement of the building by analytical methods and FEM It is concluded that the depth of over 2m was suitable for mass stabilization mixing Keywords: Soilcrete, shallow mixing, secant modulus of elasticity, unconfined compressive strength, mass stabilisation LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công việc tơi thực hướng dẫn thầy TS Đỗ Thanh Hải Các kết Luận văn thật chưa công bố nghiên cứu khác Tôi xin chịu trách nhiệm cơng việc thực Tp HCM, ngày 03 tháng 12 năm 2018 Học viên thực Trần Hoàng Giang MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH iv DANH MỤC BẢNG BIÊU vii MỞ ĐẦU .viii Tính cấp thiết đề tài viii Mục đích nghiên cứu viii Nội dung nghiên cứu viii Phương pháp nghiên cứu ix Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài ix Giới hạn phạm vi nghiên cứu .ix CHUƠNG 1: TÔNG QUAN VỀ PHUƠNG PHÁP ÔN ĐỊNH TOÀN KHỐI 1.1 Giới thiệu phương pháp ổn định toàn khối .1 1.1.1, Khái quát 1.1.2, Tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.2 Chất liên kết để gia cố đất .7 1.2.1, Xi măng 1.2.2, Các sản phẩm vôi 1.2.3, Các chất liên kết khác 10 1.3 Lợi ích phương pháp ổn định toàn khối 11 1.4 Các yếu tố đất ảnh hưởng đến cường độ đất trộn xi măng 13 1.5 Thiết bị công nghệ thi công 18 1.6 Các ứng dụng phương pháp ổn định toàn khối 21 1.6.1, ứng dựng địa kỹ thuật 21 1.6.2, ứng dụng xây dựng cơng trình đường 23 1.6.3, Đường sắt 24 1.6.4, Hạ tầng kỹ thuật đô thị 25 1.6.5, Cảng kênh đào 26 1.6.6, Khu vực trồng xanh, cảnh quan .29 1.6.7, Khu vực thể thao trời 31 CHƯƠNG 2: Cơ SỞ LÝ THUYẾT xử LÝ NỀN ĐẤT YẾU BANG PHƯƠNG PHÁP ƠN ĐỊNH TỒN KHỐI 32 2.1 Nguyên lý đất trộn xi măng 32 2.2 Đặc tính đất trộn xi măng 35 2.3 Thiết kế trộn để gia cố đất yếu .35 2.3.1, Số liệu đầu vào .35 2.3.2, Xác định thông số thiết kế .37 2.4 Ôn định tổng thể 39 2.4.1, Trình tự thiết kế 39 2.4.2, Tính tốn ổn định 40 2.5 Tính tốn độ lún đất gia cố 41 2.5.1, Các giai đoạn lún 41 2.5.2, Tính tốn độ lún 43 2.6 Tính tốn chuyển vị đất theo phưomg pháp PTHH .45 2.6.1, Tổng quát phưomg pháp PTHH 45 2.6.2 Phần mềm PTHH Plaxis 2D 46 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ ỨNG DỤNG GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẦNG PHƯƠNG PHÁP ỒN ĐỊNH TOÀN KHỐI CHO KHU vực PHÚ MỸ HƯNG 52 3.1 Giới thiệu cơng trình 52 3.2 Giới thiệu địa chất 53 3.3 Tổng hợp số liệu để tìm giá trị tiêu lý phù hợp 61 3.4 Xác định độ lún đất trước gia cố 66 3.4.1, Trường hợp : Tải trọng tác dụng lên đất có lớp đất đắp 66 3.4.2, Trường hợp : Tải trọng tác dụng lên đất gồm lớp đất đắp + tải trọng làm đường + tải trọng xe .68 3.5 Xác định độ lún đất sau xử lý 70 3.5.1, Trường hợp : Tải trọng tác dụng lên đất có lớp đất đắp 70 3.5.2, Trường hợp : Tải trọng tác dụng lên đất gồm lớp đất đắp + tải trọng làm đường + tải trọng xe .74 3.6 Tính tốn độ lún theo phần mềm Plaxis .77 3.6.1, Thông số đầu vào 77 3.6.2, Thiết lập mơ hình Plaxis 2D - V8.5 78 3.6.3, Kết phân tích độ lún đường phần mềm Plaxis 2D 79 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 91 Tài liệu tham khảo 92 Q trình phản ứng lý - hóa việc cải tạo đất xi măng khác với nguyên lý đóng rắn bê tơng Đóng rắn bê tơng chủ yếu xi măng thực tác dụng thủy giải thủy hóa cốt liệu thơ cốt liệu nhỏ, tốc độ đóng rắn nhanh Khi dùng xi măng gia cố đất, lượng xi măng trộn vào đất (chỉ chiếm từ - 15% trọng lượng đất gia cố), phản ứng thủy giải thủy hóa xi măng hồn tồn thực mơi trường có hoạt tính định - khy kín đất, tốc độ đóng rắn chậm tác dụng phức tạp trình tăng trưởng cường độ xi măng gia cố đất chậm bê tông Nguyên lý việc gia cố xi măng - đất: xi măng sau trộn với đất sinh loạt phản ứng hóa học dần đóng rắn lại Các phản ứng chủ yếu chúng là: - Phản ứng thủy giải thủy hóa xi măng - Tác dụng hạt đất với chất thủy hóa xi măng - Tác dụng cacbonat hóa Từ nguyên lý thấy, tác dụng cắt gọt nhào trộn cần khoan thực tế khơng thể tránh khỏi đất sót lại cục chưa bị đập vỡ, trộn vào với xi măng có tượng xi măng bao lấy cục đất, khe rỗng to cục đất lấp kín hạt xi măng Cho nên đất xi măng sau gia cố hình thành tình bên cục đất lớn nhỏ khác khơng có xi măng mà xung quanh lại nhiều Chỉ có qua thời gian tương đối dài, hạt đất cục xi măng tác dụng thẩm thấu chất thủy giải xi măng cải biến tính chất Do xi măng - đất khơng tránh khỏi tình trạng có vùng đất cục có cường độ thấp Hai loại xen kẽ khơng gian, hình thành dạng xi măng - đất đặc biệt Có thể nói cách định tính việc trộn cưỡng xi măng đất kỹ đất bị đập vỡ nhỏ, xi măng phân bố vào đất nhiều tính ly tán cường độ xi măng - đất nhỏ, cường độ tổng thể phạm vi rộng rãi cao 2.2 Đặc tính đất trộn xi măng Trong đất trộn xi măng thường dùng xi măng silicate phổ thông M425 xi măng xỉ quặng Lượng xi măng trộn vào 7- 15% trọng lượng đất gia cố trọng lượng xi măng từ 150 - 250 kg/m3 đất gia cố Theo số kết thí nghiệm xi măng - đất phòng: dung dịch xi măng - đất lớn đất mềm từ 0.7 - 2.3% hàm lượng nước nhỏ đất mềm Cường độ chịu nén nở hông qu thường từ 4.08 - 40.8 kg/cm 2, cường độ chịu kéo ơt = 0.15 - 0.25 q u, lực dính kết c = 0.2 - 0.3 qu, góc ma sát (p = 20 - 30°, modul biến dạng ứng suất đất - xi măng đạt đến 50% trị số phá hủy Eso= 120-150 qu, hệ số thấm k = 10'7 - lO^cm/s Cường độ nén nở hông xi măng - đất lớn chục lần hàng trăm lần đất mềm tự nhiên Đặc trưng biến dạng tùy thuộc khác cường độ thường vào khoảng vật thể dòn vật thể đàn hồi dẻo Giai đoạn bắt đầu đất xi măng chịu lực, quan hệ ứng suất - biến dạng phù hợp với định luật Hocke, ngoại lực đạt đến 70 - 80% cường độ giới hạn quan hệ ứng suất - biến dạng khơng tuyến tính Khi ngoại lực đạt đến cường độ giới hạn, loại xi măng - đất có cường độ cao xuất phá hủy dòn nhanh chóng, cường độ tồn dư sau phá hủy nhỏ, biến dạng trục khoảng 0.8 - 1.2% 2.3 Thiết kế trộn để gia cố đất yếu 2,3,1 Số liệu đầu vào Lượng số liệu đầu vào yêu cầu cho thiết kế phương pháp ổn định toàn khối thay đổi phụ thuộc vào mục tiêu Ví dụ, số liệu điều tra đất xác định rõ ràng ranh giới lớp đất cần phải gia cố lớp lại Neu điều kiện đất khơng rõ ràng cần nhiều thơng tin ban đầu để luận chứng kinh tế kĩ thuật Nhìn chung, truớc bắt đầu cơng tác thiết kế trộn, số liệu liên quan đến mục tiêu dụ án cần phải đuợc thu thập bao gồm: - Ranh giới lớp đất - Các tiêu lý lớp đất (tỷ lệ cỡ hạt, độ ẩm hàm luợng chất hữu cơ) - Các điều tra đặc biệt lớp đất (ví dụ độ pH, hàm luợng SO4 và/hoặc Cl, độ ô nhiễm ) - Đặc tính cuờng độ lớp đất - Đặc tính biến dạng lớp đất - Mục nuớc ngầm - Các cơng trình, kết cấu trạng Thiết kế trộn bắt đầu với kế hoạch bổ sung điều tra đất Kết thăm dò thơng tin mẫu thí nghiêm thu thập đuợc điều tra bổ sung tạo tảng cho kế hoạch nghiên cứu gia cố nông tiến hành thiết kế địa kĩ thuật Thiết kế trộn nông bao gồm yếu tố sau đây: - Kế hoạch nghiên cứu bổ sung + Thăm dò khảo sát, mẫu thí nghiêm, đồ - Thí nghiệm gia cố + Hỗn hợp chất liên kết (chất luợng hàm luợng) + Cuờng độ nén cắt + Độ lún trình gia tải trước (nếu có) + Mơ đun ép chẻ - Thiết kế địa lõ thuật: + Kiểm toán ổn định + Tính tốn lún + Ơn định đào mương rãnh + Xác định chiều sâu đất bị đóng băng + Các thiết kế khác - Bản vẽ + Mặt tổng thể + Mặt cắt dọc mặt cắt ngang - Các yêu cầu chất lượng dẫn lã thuật thi công + Yêu cầu chất lượng chất liên kết, hàm lượng liên kết sai số cho phép + Yêu cầu thi công trộn nông + Cường độ ổn định yêu cầu sai số cho phép - Thiết kế trình trộn + Thiết kế tiến hành trình trộn 2,3,2, Xác định thơng số thiết kế Các thông số thiết kế đất trộn xác định dựa vào kết thí nghiệm phòng kết trộn nơng thử khu vực dự án; dựa vào thơng tin cơng trình trộn nơng đất thực phạm vi dự án Nếu thơng tin cơng trình trộn nơng vùng lân cận khu vực dự án sử dụng thiết kế, cần phải kiểm tra lại đặc tính đất Trong trường hợp tối thiểu, hàm lượng hữu độ ẩm khu vực phải điều Việc lên kế hoạch thử nghiệm phòng đánh giá kết gia cố ngồi trường bắt đầu việc xác định trình tự số lượng phương pháp khác nhau, bao gồm: + Lựa chọn chất liên kết hỗn hợp liên kết + Hàm lượng chất liên kết + Qui trình lõ thuật thi công chi tiết + Thời gian ninh kết, đóng cứng Các mẫu phòng thí nghiệm xác định cường độ nén mô đun biến dạng E (E50) với thí nghiệm nén tự Trong số trường hợp yêu cầu, xác định thông số cường độ biến dạng đất trộn nơng với thí nghiệm nén trục để đảm bảo kết thí nghiệm sát với điều kiện thực tế Vật liệu đất trộn thông thường không đồng Vì q trình trộn nơng thử, cần thực công tác kiểm tra quản lý chất lượng phù hợp Để xác định cường độ cắt cần tối thiểu từ đến 10 thí nghiêm xuyên từ đến thí nghiệm cắt cánh cho phương án trộn liên kết Cường độ cắt khối đất trộn nơng xác định trước thơng qua thí nghiệm phòng Việc lựa chọn chất liên kết hàm lượng chúng kết thúc dựa vào kinh nghiêm thực tế trước Điều phụ thuộc vào cường độ yêu cầu ban đầu tiêu lý lóp đất (tỷ lệ cỡ hạt, độ ẩm hàm lượng chất hữu hàm lượng sun phát) Cường độ mẫu thử phòng thí nghiêm thường cao cường độ thực tế trường Sự khác chủ yếu việc trộn hỗn hợp chất liên kết đất đạt hiệu cao thực phòng thí nghiêm Ngồi nhiệt độ phổ biến phòng thí nghiêm thường ổn định khác so với nhiệt độ trường thực tế Cường độ mẫu thí nghiêm phòng đạt thơng thường khoảng từ 10 đến 50 lần cường độ đất tự nhiên (không trộn nông) (Theo EuroSoilStab 2002) Cường độ đất trộn nông trường thông thường đạt khoảng từ 20% đến 100% cường độ mẫu phòng thí nghiệm Các mẫu thí nghiệm phòng mẫu trường thường tương đồng cấp có cường độ thấp hàm lượng vôi chất liên kết cao Giá trị cường độ cắt xác định phòng thí nghiệm cần phải nhân thêm hệ số điều chỉnh q trường / q phòng thí nghiệm để xác định cường độ ngồi trường (ví dụ giới thiệu tiêu chuẩn EN 14679 - Hình 2-1) Tuy nhiên đồ thị khơng thể cường độ điển hình đất trộn nông (0 Hĩnh 2-3 Mối quan hệ ứng suất - biến dạng mô hình đàn dẻo lỷ tưởng - Smith & Griffith, 1982; Vermeer & de Borst, 1984 đưa phương trình thể mối liên hệ ứng suất hữu hiệu biến dạng mơ hình đàn dẻo Ở=(D'-ÍD'%Ỉ£D')Ì —k d dơ dơ ) — Trong đó: dơi dơi f hàm chảy dẻo, tính sau A = lff2 - ơál + |(°2 + ơ^.sinự) - c.cosộ 'A= ká - íI + ká + í)- sinộ /3 = I kí - ơ21 + kí + ơz)- sinộ