Một số kết quả thí nghiệm về sức chịu tải của cọc xi măng - đất thi công bằng khoan phụt cao áp

Ứng dụng đầu tiên của phương pháp phun vữa tại Việt Nam là được thực hiện bởi Trung tâm công nghệ cao Hòa Lạc của Viện Tài nguyên nước Việt Nam vào tháng 6 năm 2004. Với các ứng dụng thành công trong một số dự án tại Việt Nam, phương pháp đã được chứng minh là có hiệu quả cao trong việc này loại dự án, trong đó cả hai khả năng chịu lực và tính thấm phải được giải quyết. Nó cũng Cho thấy phạm vi ứng dụng rộng hơn nhiều, đặc biệt là cải thiện nền móng cho việc xây dựng, đường giao thông, cầu, bến cảng và đường hầm, cấu trúc.

Một số kết thí nghiệm sức chịu tải cọc xi măng - đất thi công khoan phơt cao ¸p Nguyễn Quốc Dũng*, Nguyễn Quốc Huy*, Vũ bá Thao* * Viện KHTL 171 Tây Sơn - Đống Đa - Hà Nội Tel/Fax: 8537083/5632827 The results of testing bearing capacity and other parameters of soil-cement columns was created by jet-grouting method Abstract: While searching for technological solution to repair downgrading hydraulic structures, the researcher team of the Vietnam Institute for Water Resources have found jet-grouting method, one the most advance ground improvement techniques The first application of jet-grouting method in Vietnam was executed by the Hoa Lac high tech Centre of the Vietnam Institute for Water Resources in June 2004 With the successful applications in some projects in Vietnam, the method proved to be highly effective in such type of projects, where both of ground bearing capacity and permeability are to be addressed It also suggests a much wider range of applications, particularly in improvement of foundation for building, roads, bridges, harbors and tunnels, structures and so on This paper will introduce the results of testing bearing capacity and other parameters of soil-cement columns and comparing these results with other 1 Giới thiệu công nghệ Khoan cao áp (KPCA) phương pháp xử lý tiên tiến sử dụng rộng rãi giới Được phát minh năm 1970 Nhật Bản, công nghệ chứng tỏ tính ứng dụng cao nhiều cơng trình nước phát triển Nhật Bản, Anh, Mỹ, v.v KPCA thực chất phương pháp tạo cọc xi măng đất kiểu trộn ướt, để so sánh với phương pháp tạo cọc xi măng - đất xi măng - vôi - đất, kiểu trộn khô nghiên cứu sử dụng nước ta năm gần KPCA có nguồn gốc từ việc sử dụng tia nước cao áp để xẻ vỉa than Về sau, đưa vào lĩnh vực xây dựng để xử lý đất yếu Thiết bị dùng công nghệ gồm máy khoan máy bơm cao áp Hai thiết bị kết hợp lại để đưa tia vữa có áp lực lớn vào lịng đất để đánh nhuyễn trộn hỗn hợp vữa với đất Quy trình thi cơng gồm có bước (Hình 1): Từ mặt đất tự nhiên, khoan xuống đến cao trình đáy lớp cần xử lý Phụt vữa theo phương ngang với áp suất cao (200-400 atm) Trong trình vữa, cần khoan vữa xoay vừa rút lên dần, tạo cột vữa hình trụ Tiến hành cao trình đỉnh lớp cần xử lý Hình 1: Các bước thi cơng KPCA Các ưu điểm KPCA gồm có: - Thiết bị thi cơng gọn nhẹ, triển khai địa bàn chật hẹp, có chiều cao hạn chế - Đường kính khoan nhỏ (40-90mm) tạo cọc xi măng đất đường kính lớn (600-1000mm) ngầm lòng đất Đây ưu khai thác cơng tác sửa chữa, gia cố cho cơng trình sẵn có - Có thể xử lý cục tầng đất lớp xen kẹp yếu nằm sâu - Có thể thi cơng mực nước ngầm - ứng dụng với loại đất Các ứng dụng KPCA gồm có: - Làm móng cơng trình - Gia cường móng sẵn có - Tạo tường chắn, tường chống thấm - Gia cố mái dốc - Tạo vỏ cho đường hầm Tài liệu khoa học công nghệ nước có Trong "Sổ tay xử lý cố cơng trình xây dựng" (Tập 1) tác giả Trung Quốc Vương Hách, phương pháp gọi phương pháp phun xoay bơm vữa Cuốn sách cung cấp số liệu thực tế bổ ích, dùng để so sánh, đối chiếu Ngoài ra, "Hư hỏng, sửa chữa, gia cường móng" Lê Văn Kiểm có đề cập đến phương pháp để gia cường Tuy nhiên hai tài liệu nói dừng mức giới thiệu sơ lược với số liệu lấy từ cơng trình thi cơng nước ngồi Việc đưa thiết bị chuyển giao công nghệ vào nước ta Trung tâm Công nghệ cao thuộc Viện Khoa học Thủy lợi thực vào tháng năm 2004, sau đưa vào sử dụng công tác xử lý chống thấm mang cống đê cho số cơng trình Nghệ An Hà Nam ghi nhận thành công Tuy nhiên, ứng dụng gia cố, nâng cao sức chịu tải làm móng cho cơng trình đến chưa phát huy Để tìm hiểu khả ứng dụng này, số thí nghiệm Trung tâm thực Trạm nghiên cứu tài nguyên đất - nước ven biển Đồ Sơn, Hải Phòng Bài báo trình bày kết chủ yếu thu qua thí nghiệm sức chịu tải cọc xi măng - đất Kết thí nghiệm 2.1 Thí nghiệm nén tĩnh trường Bãi thử cọc xi măng - đất nằm khuôn viên Trạm nghiên cứu tài nguyên đất - nước ven biển Đồ Sơn, Hải Phòng Các cọc xi măng đất thi cơng phương pháp KPCA có đường kính 600mm, chiều dài cọc 8m Thí nghiệm nén tĩnh trường tiến hành 05 điểm nhằm xác định sức mang tải cọc nhóm cọc sở tiêu chuẩn TCXD 190: 1996 (móng cọc tiết diện nhỏ) Cơng tác thí nghiệm thực vào đầu tháng 10 năm 2004 Để thí nghiệm sức chịu tải phức hợp, tức làm việc đồng thời cọc nền, ba cọc xi măng - đất bố trí ba đỉnh tam giác đều, khoảng cách từ tâm đến tâm cọc 1,5m Trên đổ bê tông cốt thép dày 40cm, mặt bê tông tiếp xúc đồng thời với ba đầu cọc diện tích cọc Vị trí cọc thể hình Hình 2: Sơ đồ bố trí cọc thí nghiệm Hình 4: Bố trí kích nén ngang Các cọc thí nghiệm có chiều dài xác định trước 8,0m nằm từ độ sâu -1m đến -9m phục vụ công tác thí nghiệm xác định khả gia cố khu vực đất yếu Theo kết khoan khảo sát địa chất cơng trình, phía lớp đất lấp (lớp 1) dày khoảng 2,2m lớp sét pha xen kẹp cát pha màu xám đen lẫn vỏ sò, hữu trạng thái chảy (lớp 2) dày khoảng 8,0m, lớp đất yếu độ lún lớn Sét màu xám tro trạng thái dẻo mềm (lớp 3) nằm Một số tiêu chủ yếu đất tóm tắt bảng sau: Các cọc thí nghiệm có số đặc điểm trình bày bảng sau: Các cọc thí nghiệm đến phá hoại Biểu đồ quan hệ tải trọng độ lún tiêu biểu hình 5, hình hình Hình 3: Bố trí kích nén phức hợp Bảng 1: Chỉ tiêu lý đất Chỉ tiêu - Độ sâu đáy lớp (m): - Bề dày lớp (m): - Khối lượng thể tích ướt ( (kN/m3) - Độ ẩm (%) - Hệ số rỗng (e) - Độ sệt Is (Đất lấp) 2,0-2,4 2,0-2,4 - Lớp đất (Sét pha-chảy) 10,0 - 10,2 7,6 - 8,0 1,82 32,23 0,953 1,26 (Sét xám - dẻo mềm) 14-15 4-5 1,86 48,12 1,150 0,54 - Lực dính C (102.kPa) 0,07 - Góc ma sát ( (độ) 6o14' - Hệ số nén lún (a) (102 kPa)-1 0,125 - Sức chịu tải quy ước (Ro*) (102.kPa) 0,534 Bảng 2: Thông số cọc thí nghiệm Nền phức hợp Cọc nén dọc trục Thơng số (03 cọc hình D1 D2 tam giác) Tiết diện cọc 60cm 60cm 60cm Ngày thi công 01-02/9/2004 2/9/2004 2/9/2004 Ngày thí nghiệm 4/10/2004 6/10/2004 6/10/2004 Cốt đầu cọc -1,2m -1,25m -1,25m Chiều dài cọc 8,0m 8,0m 8,0m Tải trọng thiết kế 450kN 120kN 120kN Tải trọng thí nghiệm Nén phá hoại 0,17 10o0,8' 0,048 1,052 Cọc nén ngang N1 N2 60cm 4/9/2004 8/10/2004 -1,3m 8,0m 35 kN 60cm 4/9/2004 8/10/2004 -1,4m 8,5m 35kN T¶i träng (tÊn) T¶i träng (tÊn) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 10 §é lón (mm) 30 40 50 20 60 30 70 80 40 Hình Biểu đồ quan hệ tải trọngchuyển vị ngang: Cọc đơn N1 Hình Biểu đồ quan hệ tải trọng- lún: Nền phức hợp T¶i träng (tÊn) 10 15 20 25 10 §é lón (mm) §é lón (mm) 20 20 30 40 50 60 Hình Biểu đồ quan hệ tải trọng- lún: Cọc đơn D1 30 Dựa vào biểu đồ quan hệ tải trọng - lún cọc thí nghiệm cho phép rút số nhận xét sức chịu tải cọc sau: + Sức chịu tải tính tốn cọc thí nghiệm tính theo cơng thức sau: Ptt = Pgh/F đó: + Pgh tải trọng giới hạn cọc lấy tương ứng với tải trọng thí nghiệm cọc bị phá hoại + Ptt sức chịu tải tính tốn cọc đơn nhóm cọc + F hệ số an tồn, với cọc thí nghiệm nén tĩnh lấy F = 2,0 Việc xác định sức chịu tải cho cọc xi măng đất chưa có tiêu chuẩn hay quy phạm, tuỳ thuộc mục đích sử dụng, độ lún cho phép cơng trình cần gia cố để chọn độ lún cho phù hợp Theo nội dung thí nghiệm phục vụ gia cố đất đê, đường khuyến nghị lấy độ lún 10% đường kính cọc Sức chịu tải thực tế cọc thí nghiệm trình bày bảng 3: Bảng 3: Sức chịu tải thực tế cọc thí nghiệm Số hiệu cọc Nền phức hợp (03 Cọc nén dọc trục Cọc nén ngang cọc hình tam giác) D1 D2 N1 N2 Sức chịu tải Pgh (tấn) 8,5 T 24 T 22 T 5T 5,2 T Sức mang tải tính tốn 42,5 T 12 T 11 T 2,5 T 2,6 T Ptt (tấn) 2.2 Thí nghiệm phịng Các mẫu thí nghiệm lấy khoan lấy lõi (11, 13, 15) từ cọc xi măng - đất thi công trước ngày, đường kính 150mm Các mẫu khoan bảo dưỡng điều kiện bình thường Việc khoan lấy lõi ngày tuổi sớm đặc tính dễ gẫy, vỡ vật liệu thân cọc nên gây nhiều khó khăn để lấy mẫu với đúch kính thước tiêu chuẩn Các mẫu trường thường khơng đồng thân cọc Vật liệu thân cọc có tỉ lệ hữu cơ, lẫn trầm tích ven biển vỏ sị, ốc cao thấy rõ tính phân tầng dọc theo chiều dài cọc Cường độ mẫu thời điển 14 ngày yếu, tốc độ phát triển cường độ vật liệu xi măng - đất, nên thí nghiệm tiến hành 21, 28 56 ngày tuổi Các mẫu đúc (D1, D2, D3) chế bị từ đất lấy trường trộn với xi măng Đất nguyên dạng đất sét pha có lẫn vỏ sị lấy từ độ sâu 1,5m, hệ số rỗng e = 0,953; độ ẩm 32,23%; Khối lượng thể tích tự nhiên ( = 1,82 (10 kN/m3) hệ số nén lún a1-2 = 0,125 (102 kPa)-1 Đất sau phơi khô, giã qua sàng 2mm, trộn với chất gia cố nước Chất gia cố dùng xi măng hàm lượng 100, 200, 300 kg/m3 Các mẫu đúc đường kính 150mm, cao 300mm bảo dưỡng điều kiện bình thường thời gian 21, 28, 56 ngày Kết thí nghiệm tập hợp mẫu thời điểm 21, 28, 56 ngày Kết thí nghiệm trình bày bảng Bảng 4: Quan hệ cường độ nén thời gian Cọc 11 13 15 D1 D2 D3 Hàm lượng Rn 21 Xm (Kg/m3) 100 1,64 200 2,35 300 7,50 100 5,08 200 13,84 300 14,69 Biểu 4: Biểu đồ Phát triển cêng ®é theo thêi gian Rn 28 Rn 56 3,75 4,45 3,87 4,76 13,50 17,59 6,02 6,77 15,56 16,39 17,51 19,30 18 16 cêng ®é nÐn Rn (daN/cm2) TT 14 MÉu 11 MÉu 13 MÉu 15 MÉu D1 12 10 0 14 21 28 35 42 49 56 63 thêi gian (ngµy) Hình 8: Biểu đồ phát triển cường độ theo thời gian Đối với bê tông mẫu 28 ngày cường độ coi lớn nhất, xi măng - đất thành phần xi măng đất q trình đơng cứng hình thành nhiều phản ứng hóa học nên cường độ phát triển chậm theo thời gian Điển mẫu 15 mẫu D3, mẫu có hàm lượng xi măng cao 300 Kg/m3 Giữa mẫu KPCA thực tế mẫu trường có chênh lệch cường độ nên lớn, độ chênh lệch ngày giảm So sánh số liệu thí nghiệm mẫu 15 D3 21 56 ngày, cho chênh cường độ nén từ 78% xuống 10% Nguyên nhân điều kiện tạo mẫu phịng trường khác nhau, có chênh lệch mức độ đồng trộn xi măng vào đất điều kiện bảo dưỡng: thời gian thi công khác nhau; áp lực phun lượng đầm tạo mẫu khác Một số nhận xét kết luận Theo Vương Hách (t.225), tải trọng tới hạn thẳng đứng cọc đơn phương pháp ống đơn (đơn pha) 500 - 600 kN, tải trọng tới hạn ngang cọc đơn 30-40 kN Đây số liệu sử dụng cho thiết kế khơng có điều kiện thí nghiệm trường Tuy nhiên, trình bày trên, KPCA sử dụng cốt liệu sẵn có đất để tạo thành vật liệu xi măng - đất có cường độ cao đất tự nhiên Như vậy, cường độ vật liệu tạo phụ thuộc nhiều vào đặc tính địa kỹ thuật đất tự nhiên, thành phần hạt, độ rỗng, v.v Đồng thời, hàm lượng xi măng sử dụng đơn vị thể tích cọc yếu tố định cường độ cọc Ngoài ra, đặc điểm địa kỹ thuật vốn có đất có ảnh hưởng quan trọng đến tương tác cọc đất làm việc cọc Do tác giả Vương Hác không cung cấp số liệu nói trên, việc so sánh bất cập Tuy vậy, ta nhận xét giá trị thí nghiệm thấp giá trị Vương Hách không nhiều (10-25%) Các số liệu Lên Văn Kiểm (t 77-78) cung cấp lại cao nhiều: 200 kG/cm2 cuội sỏi, 150 kG/cm2 đất cát 80 kG/cm2 đất bùn, sét Do tài liệu giới thiệu sơ lược nên yếu tố địa kỹ thuật đất nền, công nghệ thi công, hàm lượng vữa, tiêu chuẩn thí nghiệm, v.v khơng rõ Vì vậy, khó so sánh trực tiếp với kết thực Đồ Sơn Bất kỳ cơng nghệ địi hỏi nhiều đầu tư thời gian vật chất để hoàn thiện, kiểm chứng tiến tới phổ biến rộng rãi Thí nghiệm Đồ Sơn thực thời gian ngắn với kinh phí hạn hẹp, chắn có nhiều thiếu sót Đây nhiều thí nghiệm cần tiếp tục thực với quy mô lớn chuyên sâu Vì vậy, cần phải tạo điều kiện cho đề tài nghiên cứu với đầu tư mức cơng nghệ nhằm hồn chỉnh phương pháp tính tốn, quy trình thi cơng kiểm tra, kiểm sốt chất lượng tiêu chuẩn liên quan, gồm ... nguyên đất - nước ven biển Đồ Sơn, Hải Phòng Bài báo trình bày kết chủ yếu thu qua thí nghiệm sức chịu tải cọc xi măng - đất Kết thí nghiệm 2.1 Thí nghiệm nén tĩnh trường Bãi thử cọc xi măng - đất. .. với tải trọng thí nghiệm cọc bị phá hoại + Ptt sức chịu tải tính tốn cọc đơn nhóm cọc + F hệ số an tồn, với cọc thí nghiệm nén tĩnh lấy F = 2,0 Việc xác định sức chịu tải cho cọc xi măng đất. .. quan hệ tải trọng - lún cọc thí nghiệm cho phép rút số nhận xét sức chịu tải cọc sau: + Sức chịu tải tính tốn cọc thí nghiệm tính theo cơng thức sau: Ptt = Pgh/F đó: + Pgh tải trọng giới hạn cọc