Nghiên cứu sử dụng cọc đất xi măng gia cố nền đất yếu cho công trình đập Đức Lợi, tỉnh Quảng Ngãi

- Kết quả khảo sát địa chất của công trình cho thấy chiều dày tầng đất yếu dày, khả năng chịu tải và tính nén lún kém khi có tải trọng công trình, đất có kết cấu rời rạc kém ổn định t

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

HƯỜNG QUANG VĨ

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CỌC ĐẤT XI MĂNG GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU CHO CÔNG TRÌNH ĐẬP ĐỨC LỢI, TỈNH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS VŨ HUY CÔNG

Phản biện 1: TS Nguyễn Văn Hướng

Phản biện 2: TS Huỳnh Ngọc Hào

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ kỹ thuật xây dựng công trình thủy họp tại trường Đại học

Bách Khoa vào ngày 01 tháng 9 năm 2019

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa

 Thư viện Khoa Xây dựng Thủy lợi - Thủy điện, Trường Đại học

Bách khoa - ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

- Đập Đức Lợi thuộc khu vực cửa Lở sông Vệ, trên địa bàn xã Đức Lợi, huyện Mộ Đức, tỉnh Quảng Ngãi đã được xây dựng từ năm

1986, qua gần 30 năm vận hành khai thác, phần vai, thân đập đã bị

hư hỏng nặng, xói ngầm, đến nay đập gần như hư hỏng hoàn toàn, không thể đảm nhận mục tiêu phục vụ ngăn mặn, giữ ngọt, tiêu thoát

lũ, neo đậu trú bão, … của nhân dân trong vùng Việc đầu tư xây

dựng công trình là vô cùng cần thiết

- Kết quả khảo sát địa chất của công trình cho thấy chiều dày tầng đất yếu dày, khả năng chịu tải và tính nén lún kém khi có tải trọng công trình, đất có kết cấu rời rạc kém ổn định trong nước và tính thấm mạnh; để đảm bảo ổn định công trình xây dựng cần phải có biện pháp xử lý Bởi trong thực tế xây dựng, có rất nhiều công trình bị lún, sập khi xây dựng trên nền đất yếu do không có những biện pháp xử lý hiệu quả Đây là một vấn đề hết sức khó khăn, đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa kiến thức khoa học và kinh nghiệm thực tế để giải quyết, giảm được tối đa các sự cố, hư hỏng của công trình khi xây dựng trên nền đất yếu

- Các giải pháp xử lý đất yếu thông thường hiện nay như: Các phương pháp làm chặt bằng đầm, đầm chấn động, phương pháp làm chặt bằng giếng cát, các loại cọc (cọc cát, cọc đất, cọc vôi…), phư-ơng pháp thay đất, phương pháp nén trước, phương pháp vải địa kỹ thuật, phương pháp đệm cát…nhưng đối với công trình thủy lợi, việc xử lý nền đất yếu còn phải làm giảm tính thấm của nền; để giải quyết vấn đề trên thì phương pháp cọc đất xi măng có nhiều ưu điểm, tuy nhiên phương pháp phân tích và ý tưởng vẫn còn đánh giá cao kinh nghiệm và thiếu phương án tính toán rõ ràng có khoa học

Xuất phát từ thực tế trên, tôi chọn đề tài "Nghiên cứu sử dụng cọc đất xi măng gia cố nền đất yếu cho công trình đập Đức Lợi, tỉnh Quảng Ngãi” làm đề tài nghiên cứu

2 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu

Nghiên cứu giải pháp xử lý nền đối với đập Đức Lợi Phương

án chọn là cọc đất xi măng

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Xử lý nền đất yếu bằng cọc đất xi măng để đảm bảo ổn định công trình

- Phạm vi nghiên cứu: Nền đất yếu thuộc công trình đập Đức Lợi, tỉnh Quảng Ngãi

4 Phương pháp nghiên cứu

- Thu thập và phân tích tài liệu khảo sát và các thông số kỹ thuật công trình đã có, đưa ra các giải pháp xử lý, phân tích, so sánh

ưu nhược điểm về mặt kỹ thuật và kinh tế để chọn giải pháp xử lý phù hợp đối với tầng địa chất của công trình

- Luận văn sử dụng 02 phần mềm Geoslope/Sleep kiểm tra thấm nền và Plaxis để kiểm tra ổn định lún công trình trước và sau khi gia cố nền bằng cọc đất xi măng

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Việc nghiên cứu, đề xuất giải pháp xử lý nền đảm bảo ổn định công trình bằng phương pháp cọc đất xi măng ở đập Đức Lợi sẽ là cơ sở để vận dụng thực hiện xử lý nền móng cho một số công trình tương tự khác

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Khái quát về khu vực xây dựng công trình:

1.1.1 Vị trí địa lý

Đập Đức Lợi thuộc khu vực cửa Lở sông Vệ, thuộc xã Đức Lợi, huyện Mộ Đức, tỉnh Quảng Ngãi, cách UBND xã Đức Lợi khoảng 0,5 km về hướng Đông Nam, cách thị trấn Mộ Đức khoảng 16,2 km về hướng Tây Nam; cách cửa Lở sông Vệ 1,6 km về hướng Đông Tây, có tọa độ địa lý vào khoảng 15004’50’’ vĩ độ Bắc và

108053’49’’ kinh độ Đông

Vị trí công trình được chụp trên Google earth như H1.1:

Hình 1.1: Vị trí thiết kế công trình

1.1.2 Nhiệm vụ công trình

- Ngăn mặn, giữ ngọt cho đất sản xuất nông nghiệp của 4 xã: Đức Lợi, Đức Thắng, Đức Chánh, Đức Nhuận (ngăn mặn 170 ha, giữ ngọt 350 ha);

- Bảo vệ khu dân cư, tăng khả năng tiêu thoát lũ và hạn chế tình trạng ngập lụt kéo dài trong vùng dự án;

- Kết hợp giao thông qua lại; cứu hộ, cứu nạn trong mùa mưa bão và neo đậu tàu thuyền

1.1.3 Sự cần thiết của dự án

Đập Đức Lợi thuộc khu vực cửa Lở sông Vệ, trên địa bàn xã Đức Lợi, huyện Mộ Đức, tỉnh Quảng Ngãi đã được xây dựng hơn 35 năm, hiện nay phần vai, thân đập đã bị hư hỏng nặng; đập không còn đảm nhận mục tiêu như ngăn mặn, giữ ngọt, tiêu thoát lũ, trú tàu thuyền, … ảnh hưởng đến đời sống sinh hoạt của 1.818 hộ dân thuộc xã Đức Lợi; đầu tư dự án là ước nguyện của nhân dân trong vùng

Hình ảnh hiện trạng đập Đức Lợi như sau:

Hình 1.2: Lan can cầu bị hư gây mất an toàn

Hình 1.3: Đường hai đầu cầu bằng đất chưa kiên cố

Hình 1.5: Đường hai đầu cầu bị nứt, mất an toàn

1.2 Các thông số kỹ thuật, chủ yếu của công trình

Bảng 1.1: Thông số kỹ thuật chủ yếu của công trình

- Vật liệu cửa Thép không rỉ Sus 304

8 Chiều dài sân trước m 8,00

9 Cao trình đáy sân

1 Kết cấu cầu Bê tông cốt thép M300

2 Tải trọng cầu qua

3 Chiều dài 1 nhịp cầu m 12,25

1.3 Kết luận chương 1

Đập Đức Lợi đã bị hư hỏng, không còn khả năng đảm nhận nhiệm vụ, việc đầu tư công trình đập Đức Lợi cần thiết và cấp bách; để đảm bảo công trình đáp ứng độ bền và sức chịu tải khi bị tác động tải trọng phải đánh giá địa chất nền từ đó đưa ra giải pháp thiết kế hợp

2 Chiều dài đường dẫn m 288,00

4 Gia cố mái đường dẫn

BT tấm lát M250 đặt trong khung BTCT M250, chân mái gia cố bằng đá hộc lát khan

IV Kè bảo vệ bờ tả

1 Chiều dài kè bờ tả m 118,75

3 Kết cấu

Chân kè bằng đá hộc thả rời, phía trên mặt là lớp đá hộc xếp khan; mái kè bằng đá xây vữa M100, dày 25cm, phía dưới là lớp sỏi dày 5cm

Chương 2 LỰA CHỌN GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT

YẾU 2.1 Khái niệm nền đất yếu

- Nền đất yếu là nền đất không đáp ứng đủ độ bền và sức chịu tải Khi xây dựng có thể đất sẽ bị biến dạng nhiều khiến công trình không ổn định và không đảm bảo tuổi thọ

- Tùy thuộc vào tính chất, đặc điểm của đất nền mà áp dụng phương pháp gia cố nền đất yếu phù hợp Việc xử lí nền đất yếu để công trình đáp ứng đủ điều kiện khai thác, giảm độ lún, tăng sức chịu tải

- Các loại nền đất yếu thường gặp: Đất sét mềm; Đất bùn; Đất than bùn; Cát chảy; Đất ba dan

2.2 Một số giải pháp xử lý nền đất yếu hiện nay

Một số biện pháp xử lý như sau: Phương pháp thay nền; Các phương pháp cơ học; Phương pháp vật lý; Phương pháp nhiệt học; Các phương pháp hóa học; Phương pháp sinh học; Các phương pháp thủy lực; Ngoài ra còn có các phương pháp mới được nghiên cứu như rung hỗn hợp, đâm xuyên, bơm cát

2.3 Đánh giá hiện trạng địa chất nền đập Đức Lợi

Đặc điểm phân bố và các đặc tính cơ lý của các lớp đất phân

bố trên tuyến theo thứ tự từ trên xuống dưới như sau:

- Lớp 1: Cát hạt nhỏ màu xám vàng, phía trên mặt đến độ sâu 0,3m có lớp dăm sạn của đá granít phong hóa mãnh liệt lẫn sét màu nâu đỏ Lớp này chỉ xuất hiện ở hố khoan HK1 (khu vực thềm trái đầu vai đập) với chiều dày 1,5m;

- Lớp 2: Cát hạt thô lẫn ít sạn sỏi, màu xám vàng, kết cấu xốp đến chặt vừa, nguồn gốc bồi tích sông (aQ)

Bảng 2.1: Các chỉ tiêu cơ lý lớp đất 2

TT Các chỉ tiêu Đơn vị Giá trị tiêu chuẩn

1 Thành phần hạt P%

+ Hạt sét (d<0.005mm) % 0,3

2 Khối lượng riêng,  g/cm3 2,66

3 Hệ số rỗng khi rời, emax - 0,961

4 Hệ số rỗng chặt nhất, emin - 0,488

5 Góc nghỉ khi khô , k độ 320 43’

6 Góc nghỉ khi ướt , ư độ 250 25’

Bảng 2.2: Các chỉ tiêu cơ lý lớp đất 3

TT Các chỉ tiêu Đơn vị Giá trị tiêu chuẩn

2 Khối lượng riêng,  g/cm3 2,66

3 Hệ số rỗng khi rời, emax - 1,188

4 Hệ số rỗng chặt nhất, emin - 0,535

5 Góc nghỉ khi khô , k độ 330 00’

6 Góc nghỉ khi ướt , ư độ 220 59’

Bảng 2.3: Các chỉ tiêu cơ lý lớp đất 4

TT Các chỉ tiêu Đơn vị Giá trị tiêu chuẩn

2 Khối lượng riêng,  g/cm3 2,65

3 Hệ số rỗng khi rời, emax - 0,903

4 Hệ số rỗng chặt nhất,

emin

5 Góc nghỉ khi khô , k độ 340 28’

6 Góc nghỉ khi ướt , ư độ 290 43’

và 3 là các lớp cát, cát pha lẫn sạn sỏi nguồn gốc bồi, lũ tích sông (a, apQ) đến trầm tích pha sông biển (a,mQ) Các lớp đều có diện phân

bố khá đều khắp, chiều dày tương đối lớn và ít biến động theo không gian

- Về điều kiện địa chất công trình cho thấy: Các lớp đất tại nền có sức chịu tải và tính nén lún từ trung bình đến khá, có thể cho phép làm lớp đặt móng của công trình; tuy nhiên, do đặc điểm thành tạo, các lớp đất tại nền đều có hàm lượng hạt cát cao, kết cấu rời rạc kém ổn định trong nước; đồng thời, các lớp đất đều có tính thấm nước từ trung bình đến mạnh là các yếu tố liên quan đến ổn định của nền móng công trình và cần được hết sức quan tâm

2.4 Kết quả tính toán thấm và ổn định lún của địa chất nền hiện trạng

(+1.35 m)

Mực nước triều min (-0.3 m)

Lớp 2: 9,1.10-6 Lớp 3: 3,2.10-6

2

Mực nước lũ thiết kế P2%

(+1.35 m)

Mực nước triều thường xuyên (0.00 m)

Lớp 2: 9,1.10-6 Lớp 3: 3,2.10-6

3

Giữ

ngọt

Mực nước giữ ngọt (+0.5 m)

Mực nước triều min (-0.3 m)

Lớp 2: 9,1.10-6 Lớp 3: 3,2.10-6

ngọt (+0.5 m)

Mực nước triều thường xuyên (+0.00 m)

Lớp 2: 9,1.10-6 Lớp 3: 3,2.10-6

5 Ngăn Mực nước min Mực nước triều Lớp 2: 9,1.10-6

Lớp 2 : 9,1.10-6 Lớp 3 : 3,2.10-

6 2.4.1.3 Tính thấm bằng phần mềm Geostudio/Seep

- Điều kiện ổn định thấm cho phép

Điều kiện để không xảy ra hiện tượng xói cục bộ ở hạ lưu công trình: Jra max < [J] = 0,45

- Kết quả tính toán thấm dùng phần mềm Geoslope đối với các trường hợp ứng với các tổ hợp từ 1-:6 như sau:

+ Tổ hợp 1:

Hình 2.6: Kết quả tính thấm, tổ hợp 1

+ Tổ hợp 2:

Hình 2.7: Kết quả tính thấm, tổ hợp 2

- Nhận xét: Trên cơ sở kết quả trên tổng hợp được Bảng 2.5 như sau:

Bảng 2.5: Kết quả của các tổ hợp tính toán nền hiện trạng

(+1.35 m)

Mực nước triều min (-0.3 m)

Nền thấm Jra max =0,5 > [J]

Mực nước triều min (-0.3 m) Không thấm

4

Mực nước giữ ngọt (+0.5 m)

Mực nước triều thường xuyên (+0.00 m)

Mực nước triều P5% (+1.08 m) Không thấm

ngọt (+0.5 m)

Mực nước triều P5% (+1.08 m) Không thấm Nhận xét: Ứng mực nước lũ thiết kế P2% = 1,35m, Mực nước phía biển ứng với mực nước triều min = -0,3 m (H = 1,65 m ) thì Jra max= 0,5 > [J] =0,45, nền không ổn định về thấm

+max: ứng suất lớn nhất tác dụng lên nền

+[P]: Cường độ chịu tải giới hạn của nền đất

- Tính toán ứng suất nền: Kết quả tính toán ứng suất nền

(T/m2)

Ứng suất nền max

(T/m2)

1

Trường hợp 1: Trường hợp

thi công: Trường hợp đưa

vào tính toán là: Thân cống,

sàn thả phai, sàn công tác,

lan can đi lại vừa thi công

xong, trong cống chưa có

- Tính toán cường độ tiêu chuẩn của nền (P gh ):

Nhận xét: Căn cứ vào kết quả tính toán, nhận thấy rằng tb> [P], max>1,2.[P], lớp đất ngay dưới nền cống không đủ khả năng chịu tải dưới tác dụng của các lực bên trên

2.4.2.2 Điều kiện ổn định theo trạng thái giới hạn thứ hai (tổng độ lún): S<[S], trong đó:

- S: Tổng độ lún của nền

- [S]: =8cm

- Dùng phần mềm Plaxis kiểm tra tổng độ lún S, với các

thông số cơ lý địa chất nền như Bảng 2.8 như sau:

Bảng 2.8 Thông số địa chất để tính toán lún nền



Độ

C (T/m 2 )

Ứng với ứng suất

tb (T/m 2 )

1 Lớp 2 1,74 1,330 25 0 5,28

- Kết quả xuất từ phần mềm Plaxis như Hình 2.12:

Hình 2.12: Kết quả tính lún nền hiện trạng khi chưa gia cố Nhận xét: Kết quả tính toán cho thấy S=12,1cm > [S] = 8cm; Vậy nền không đảm bảo ổn định về lún

2.5 Đề xuất giải pháp:

2.5.1 Phân tích lựa chọn phương án xử lý nền:

2.5.1.1 Phương án thay bằng lớp đất mới:

2.5.1.2 Xử lý thấm bằng đóng một hàng cừ Larsen ở thượng lưu nhằm kéo dài đường viền thấm, thân đập gia xử lý lún bằng cọc

bê tông cốt thép

2.5.1.3 Xử lý nền bằng cọc đất xi măng

2.5.1.4 So sánh giải pháp kinh tế các phương án chọn

Nhận xét: Căn cứ phân tích ưu nhược điểm về kỹ thuật và kinh

tế của 3 phương án đã đề xuất Tác giả nhận thấy việc sử dụng phương án xử lý nền bằng cọc đất xi măng (phương pháp Jet – Grouting) cho hiệu quả tốt đã được kiểm định ở nhiều ở Việt Nam

và thế giới; đối với nền địa chất nêu ở trên, chênh lệch cột nước thượng hạ lưu lớn nhất là 1,65 m thì sử dụng cọc đất xi măng là phù

hợp, giá thành thấp, đảm bảo kỹ thuật

2.5.2 Phương án xử lý nền bằng cọc đất xi măng (phương pháp Jet – Grouting)

2.5.3 Giải pháp chống ăn mòn kết cấu bê tông và bê tông cốt thép do môi trường nước biển

2.6 Kết luận chương 2: Địa chất nền hiện trạng (khi chưa xử

lý) không đảm bảo về thấm và ổn định lún khi đặt công trình; chương

2 cũng đã đưa ra các phương án để xử lý nền, so sánh đánh giá ưu nhược điểm các phương án và phương án cọc đất xi măng là giải pháp tối ưu nhất, đảm bảo ổn định thấm và sức chịu tải nền khi đặt công trình; chương 3 tiếp theo của Luận văn phải tính toán đưa ra các thông số kỹ thuật về cọc, mật độ cọc và cách bố trí cọc với thông số

kỹ thuật của công trình nêu ở trên

Chương 3: TÍNH TOÁN PHƯƠNG ÁN CHỌN

3.1 Cở sở lý thuyết và chọn mô hình tính toán

- Phần mềm Geo-Slope;

- Đối với phần mềm Plaxis

3.2 Tính toán thấm của nền khi gia cố

Hình 3.1: Mặt cắt điển hình

- Kiểm tra chiều dày tường lõi và lựa chọn số hàng cần khoan phụt: Chọn vị trí thi công tường chống thấm tại mép thượng lưu đập, tác giả chọn phương án 1 hàng cọc D80 cm, tạo ra chiều dày tường chống thấm hiệu dụng t=0,8 m, chiều dài cọc đất xi măng L = 7m (khoan cắm sâu vào lớp số 2), chi tiết bố trí lỗ khoan như hình 3.2, thiết kế này phù hợp với TCCS 05:2010/VKHTLVN [2]

Hình 3.2: Sơ đồ bố trí hàng cọc đất xi măng D80

- Kết quả tính toán trường hợp xử lý chống thấm cho nền bằng hàng cọc xi măng đất D80 cm cho các tổ hợp tính toán theo bảng

sau:

Bảng 3.1: Các tổ hợp tính toán nền đã gia cố cọc đất xi măng

(m/s)

Hệ số thấm cọc đất

Lớp 2: 9,1.10-6 Lớp 3: 3,2.10-6 2.10-8

Lớp 2: 9,1.10-6 Lớp 3: 3,2.10-6 2.10-8

Lớp 2: 9,1.10-6 Lớp 3: 3,2.10-6 2.10-8

Lớp 2: 9,1.10-6 Lớp 3: 3,2.10-6 2.10-8

(+1.08 m)

Lớp 2: 9,1.10-6 Lớp 3: 3,2.10-6 2.10-8

(+1.08 m)

Lớp 2: 9,1.10-6 Lớp 3: 3,2.10-6 2.10-8

- Kết quả thấm các Tổ hợp khi chạy chương trình:

+ Tổ hợp 1:

Hình 3.3: Kết quả tính thấm, tổ hợp 1:

+ Tổ hợp 2:

Hình 3.4: Kết quả tính thấm, tổ hợp 2:

Bảng 3.2: Kết quả tính toán các tổ hợp nền đã gia cố cọc đất xi măng

TT Tổ hợp Phía Sông Phía Biển Kết quả

1

Tiêu

thoát lũ

Mực nước lũ thiết kế P2%

(+1.35 m)

Mực nước triều min (-0.3 m)

Không thấm (Jra max= 0,14

Không thấm

3

Giữ ngọt

Mực nước giữ ngọt (+0.5 m)

Mực nước triều min (-0.3 m) Không thấm

4

Mực nước giữ ngọt (+0.5 m)

Mực nước triều thường xuyên (+0.00 m)

Mực nước triều P5% (+1.08 m) Không thấm

ngọt (+0.5 m)

Mực nước triều P5% (+1.08 m) Không thấm Nhận xét: Trường hợp 1 (bất lợi nhất) sau khi xử lý bằng một hàng cọc đất xi măng thì kết quả Jra max= 0,14 < [J] =0,45: Nền đã ổn

định về thấm

3.3 Tính ổn định lún của nền khi gia cố cọc đất xi măng 3.3.1 Tính toán bằng chương trình Plaxis:

3.3.1.1 Điều kiện ổn định theo trạng thái giới hạn thứ nhất

(Cường độ chịu tải của đất nền Pgh):

Bảng 3.3: Tính toán chỉ tiêu cơ lý tương đương

+ Chỉ tiêu cơ lý nền tự nhiên lớp đất 2 (Cát hạt vừa)

(T/m3)

E (T/m2)



Độ

C (T/m2)