Cọc đất xi măng – Giải pháp nền móng thân thiện môi trường cho công trình xây dựng

Bài viết trình bày một số kết quả nghiên cứu thực nghiệm về cường độ vật liệu cọc đất xi măng và hiệu quả ứng dụng cho một số công trình thực tế trên địa bàn thành phố Đà Nẵng và Quảng Nam.

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(96).2015, QUYỂN 29 CỌC ĐẤT XI MĂNG – GIẢI PHÁP NỀN MÓNG THÂN THIỆN MƠI TRƯỜNG CHO CƠNG TRÌNH XÂY DỰNG THE SOIL CEMENT PILE – AN ENVIRONMENT- FRIENDLY FOUNDATION ALTERNATIVE FOR CONSTRUCTION WORKS Đỗ Hữu Đạo1, Phan Cao Thọ2 Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; huudaod1203@gmail.com Trường Cao đẳng Cơng nghệ, Đại học Đà Nẵng; pctho@dut.udn.vn Tóm tắt - Cọc đất xi măng (viết tắt cọc SCP) với nhiều ưu điểm xử lý móng như: giảm lún, cải tạo đất yếu, tăng khả chịu tải cho cơng trình, sử dụng vật liệu đất chỗ v.v Đối với khu vực có đất cát thành phố Đà Nẵng vùng lân cận có điều kiện địa chất tương tự, cường độ vật liệu cọc đất xi măng cao 10 đến 20 lần so với đất sét với hàm lượng xi măng thêm vào Sức chịu tải từ thí nghiệm nén tĩnh cọc đơn đạt từ 800kN đến 1500kN Cọc ứng dụng chịu lực cho móng cơng trình xây dựng dân dụng thay cho loại cọc truyền thống cọc ép, cọc ống, cọc khoan nhồi điều kiện phù hợp địa chất tải trọng cơng trình Với ứng dụng cọc đất xi măng không sử dụng vật liệu cát, đá xay, thép cho việc chế tạo cọc, giảm lượng đất thải, giảm sử dụng lượng sản xuất vật liệu xây dựng, góp phần làm giảm nhiễm mơi trường Bài báo trình bày số kết nghiên cứu thực nghiệm cường độ vật liệu cọc đất xi măng hiệu ứng dụng cho số cơng trình thực tế địa bàn thành phố Đà Nẵng Quảng Nam Abstract - The soil cement pile (CSP) has many advantages in soil treatment such as reduction of foundation settlement, improvement of soft soil, increase in load capacity for ground works, use of local soil, etc For sandy soil areas in Danang city and the neighbouring ones with similar geological conditions, the unconfined compressive strength (UCS) of the soil cement pile is from 10 to 20 times higher than that of clay with the same amount cement added The load bearing capacity from static compression tests of single piles ranges from 800kN to 1500kN This type of piles can be used to bear the foundations of construction works as a substitute for the traditional type of piles like concrete piles, pre-stressed pipe piles, bored piles under suitable conditions of geology and workload The employment of soil cement piles does not entail sand, crushed rock, steel, bentonite, thereby reducing the amount of waste soil and energy used in the manufacture of materials, thus helping to lessen environmental pollution This paper presents the results of an experimental study on the strength of soil cement pile materials and the efficiency of their application in some practical works in Danang and Quangnam Từ khóa - cọc đất xi măng; đất cát; địa chất; cường độ; sức chịu tải; giảm lượng; môi trường Key words - soil cement pile; sandy soil; geological; UCS; load bearing capacity; reducing energy; environmental Đặt vấn đề Cọc đất xi măng sản phẩm công nghệ khoan trộn xi măng dạng khô vữa vào đất, sau thời gian ninh kết tạo cọc [3], [5], [8] Đối với đất tốt cát, cát, sản phẩm phương pháp trộn sâu ướt cho cọc đất xi măng có cường độ cao, sử dụng làm cọc chịu lực cho cơng trình xây dựng [2] Với nhiều ưu điểm sử dụng vật liệu chỗ, không sử dụng vật liệu cát, đá xay, thép nên sử dụng cọc đất xi măng giảm thiểu sử dụng lượng, giảm ô nhiễm môi trường Phần lớn nghiên cứu giới nước tập trung cho ứng dụng cọc đất xi măng để cải tạo xử lý đất yếu cho đường, khối đắp cao, đường sắt, đường băng sân bay.v.v [5], [8] Ứng dụng cọc đất xi măng chịu lực cho móng cơng trình xây dựng cịn hạn chế Đối với đất cát vùng Đà Nẵng tỉnh miền trung có điều kiện địa chất tương tự, cọc đất xi măng cho cường độ chịu nén UCS cao đến 10Mpa [5], cọc sử dụng làm cọc chịu lực cho móng cơng trình đặc biệt cơng trình nhà cao tầng đến cấp II (dưới 17 tầng) [2] Như giải pháp cọc đất xi măng xem giải pháp cọc hợp lý, giá thành thấp loại cọc khác đồng thời góp phần giảm nhiễm mơi trường Các kết tập hợp báo làm sở khoa học cho mục đích ứng dụng cọc đất xi măng làm việc cọc Giải pháp tính tốn - thiết kế - thi cơng Đối với cọc đất xi măng chịu lực, thiết kế thông thường, cọc đất xi măng thiết kế liền sát Sức chịu tải cọc xác định cọc đơn kiểm tra thơng qua thí nghiệm thử tải tĩnh Đối với nhóm cọc tính sức chịu tải theo khối theo quan điểm móng cọc làm việc theo “Bock” Bergado (Hình 1) [1] Tuy nhiên với cọc đất xi măng cát, cọc có chất lượng tốt, cường độ cao, cho sức chịu tải cao, cọc dịch để huy động sức kháng bên, nâng cao sức chịu tải cọc nhóm cọc Khoảng cách tim cọc đề nghị d/D=(1,52,0) để đảm bảo yêu cầu kỹ thuật kinh tế Sức chịu tải nhóm cọc đề nghị tính theo phương pháp làm việc nhóm Terzaghi Peck (Hình 2) [4] Giải pháp cấu tạo: Đối với cọc đất xi măng chịu lực cho cơng trình dân dụng, địi hỏi cọc phải có khả tiếp thu tải trọng ngang momen, giải pháp cấu tạo phần đầu cọc ngàm vào đài 20cm Hình thể cấu tạo móng cọc đất xi măng, cọc có đường kính D800, chiều dài 10m, d/D=1,5 chịu tải trọng thẳng đứng thiết kế 1000 Giải pháp thi công: Đối với đất cát cát, độ ẩm tự nhiên thường nhỏ 40%, phương pháp trộn ướt xem hợp lý so với phương pháp trộn khô Mũi khoan cấu tạo cánh tĩnh để chống hình thành trụ vữa xoay thi công 30 Đỗ Hữu Đạo, Phan Cao Thọ Qug  n1 n2 Qu q Fz My 1400 1600 Fy 200 H 800 800 800 800 800 Cu 900 4800 1200 2400 1200 (6-9)Cu 900 600 Màût phạ hoải 2400 1200 600 Cu 600 1200 1200 1200 B 3000 1200 600 3000 6000 Hình Sơ đồ cấu tạo móng cọc đất xi măng L Hình Sơ đồ tính theo khối “Block” Bergado, 1994 [1] N Qf M Coüc SCP H H Hình Phối cảnh tòa nhà FPT Complex Qr Nghiên cứu ứng dụng cơng trình FPT Complex Cc SCP 3.1 Thơng số kỹ thuật Hình Sơ đồ tính nhóm “Group” theo Terzaghi&Peck đề nghị [4] Cơng thức tính sức chịu tải nhóm cọc theo Bergado [1]: Qug  2Cu L p [ B  L]  (6  9)Cu BL Cơng thức tính sức chịu tải nhóm cọc theo Terzaghi&Peck [4]: Cơng trình Khu phức hợp văn phòng FPT xây dựng phương Hòa Hải, quận Ngũ Hành Sơn – thành phố Đà Nẵng Cơng trình thiết kế hình vành khuyên bao bọc trống đồng, ý tưởng thiết kế tịa nhà xanh, thơng minh, giảm sử dụng lượng Cơng trình có kết cấu 07 tầng, xây dựng với cơng làm tịa nhà văn phịng trung tâm công viên phần mềm FPT với sức chứa 10.000 người Cơng trình có kết cấu nhịp lớn, dùng sàn dầm bê tông cốt thép dự ứng lực, số nhịp dầm lớn 20m, tải trọng truyền xuống chân cột số vị trí 10.000kN 3.2 Đặc điểm địa chất Đặc điểm địa chất tính chất lý đất tổng hợp Bảng ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(96).2015, QUYỂN 3.3 Giải pháp thiết kế Sử dụng cọc SCP đường kính D=800mm, chiều dài 10m, khoảng cách hai tim ọc gần 1,5D=1,2m Hàm lượng xi măng thiết kế 350kg/m3 đất, tỷ lệ N/X=0,8, vật liệu cọc có cường độ vữa thiết kế 3600kN/m2, hệ số điều kiện làm việc dài hạn: FSdh=3,0, ngắn hạn FSnh=1,5 3.4 Thông số kỹ thuật thi công Các bước triển khai thi công cọc đất xi măng thông số kỹ thuật sau: -Bước 01: Định vị tim cọc, kiểm tra cao độ mặt đất so với cao độ thiết kế máy toàn đạt điện tử -Bước 02: Di chuyển máy tới vị trí khoan cọc, định vị máy, cân máy để sẵn sàng khoan -Bước 03: Tiến hành chạy máy không tải trước từ từ hạ mũi khoan xuống đến cao trình mặt đất trạng 31 -Bước 04: Cần khoan tiếp tục xuống đồng thời bơm vữa xi măng Tốc độ mũi khoan xuống trung bình 0,5m/phút, tuỳ theo điều kiện địa chất mà tốc độ mũi khoan thay đổi từ 0,2m/phút đến 0,5m/phút ứng với lưu lượng vữa phun tương ứng; số vòng quay cánh trộn (3035)vòng/phút -Bước 05: Khi mũi khoan đến độ sâu thiết kế, ngắt dòng vữa nhồi đoạn đáy cọc chiều cao mũi khoan, tiếp tục cho quay ngược rút cần khoan lên từ từ tốc độ trung bình (0,50,7)m/phút Tại đầu cọc đất cát có độ chặt lớn, tốc độ xuyên lên xuống 2m đầu cọc đề nghị 0,1m/phút -Bước 06: Kết thúc quy trình cọc di chuyển máy khoan đến vị trí cọc khác tiến hành Hình ảnh minh họa cho bước thi cơng từ bước đến bước Hình Bảng Tổng hợp số liệu lớp địa chất Lớp đất Lớp đất Lớp đất Lớp đất Lớp đất Lớp đất Lớp đất Lớp đất Mô tả Cát mịn, trạng thái rời xốp Cát mịn, trạng thái chặt vừa Cát mịn, trạng thái chặt đến chặt Á sét dẻo mềm Cát bụi trạng thái chặt vừa đến chặt Á sét trạng thái dẻo cứng đến cứng Cát mịn trạng thái chặt đến chặt Bước Chiều dày(m) N30 W(%)  (kN/m3) e G Eo(kPa) C (kPa)  (độ) 4,4 6 2,1 1,7 4,8 17 58 41 19 46 29,1 23,9 18,6 36,4 22,.6 28,3 21,7 18,3 19,1 19,8 18,2 19,2 18,9 19,7 0,87 0,73 0,59 1,02 0,69 0,85 0,63 0,88 0,86 0,84 0,98 0,87 0,92 0,91 4725 10600 27560 5000 20400 8240 22200 12,9 17,8 - 25 28 42 10,2 37 18,7 38 Bước Bước Hình Trình tự bước triển khai khoan tạo cọc đất xi măng 3.5 Kết thí nghiệm cho cọc 3.5.1 Thí nghiệm vật liệu Triển khai thi cơng 12 cọc thử D800, chiều dài 12m tính đến cao trình mặt đất, khoan lõi xuyên tâm cho 05 cọc đường kính 72mm gia cơng mẫu H=2D, thí nghiệm nén lõi Cường độ qu mẫu đạt từ (3,6314,09) MPa [6], kết nén mẫu theo độ sâu 05 cọc thử thể Hình Kết cho thấy xuống sâu theo địa tầng đất cát có độ chặt lớn, số SPT N30=(5070) cường độ qu tăng dần với hàm lượng xi măng 350kg/m3 Bước 3.5.2 Thí nghiệm nén tĩnh Cọc có tải trọng thiết kế Ptk=650kN/cọc đơn, tiến hành thí nghiệm nén tĩnh theo tiêu chuẩn 9393:2012 [6] cho cọc đơn nhóm cọc đến tải trọng thí nghiệm Ptn=200% Ptk=1300kN/cọc đơn nén tĩnh cho nhóm 02 cọc Hình ảnh kết thí nghiệm Hình 7, 8, Nhận xét: Kết nén tĩnh cho thấy cọc đạt sức chịu tải cao đến 1300kN [6], nhiên chuyển vị đo đầu cọc nhỏ, tổng chuyển vị đầu cọc đạt đến 8mm, cọc chưa phát huy hết khả chịu lực Sức chịu tải theo đất đạt cao điều kiện thí nghiệm cho phép 32 Đỗ Hữu Đạo, Phan Cao Thọ 0 10 15 0 10 15 0 12 0 12 -2 -2 -4 -4 -4 -4 -4 -6 -8 -6 -8 -6 -8 Độ sâu(m) -2 Độ sâu(m) -2 Độ sâu(m) -2 Độ sâu(m) Độ sâu(m) -6 -8 -10 -10 -10 -12 -12 -12 -12 -12 -14 -14 -14 qu(MPa) Cọc thử qu(MPa) Cọc thử -14 qu(MPa) Cọc thử -8 -10 qu(MPa) -6 -10 -14 qu(MPa) Cọc thử Cọc thử Hình Biểu đồ cường độ qu(MPa) theo độ sâu 05 cọc thử Cọc thi cơng xong Thí nghiệm nén tĩnh cọc đơn Thí nghiệm nén tĩnh nhóm cọc Hình Thí nghiệm nén tĩnh cọc đơn nhóm cọc đất xi măng Tải trọng (kN) 250 500 750 1000 1250 -4 -8 -20 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 -4 -8 -12 -12 -16 1500 Chuyển vị(mm) Chuyển vị(mm) Tải trọng (kN) Gia tải CK1 Giảm tải CK1 Gia tải CK2 Giảm tải CK2 Hình Kết nén tĩnh cọc đơn Đánh giá hiệu kinh tế kỹ thuật Kết ứng dụng dự án cơng trình dân dụng Đà Nẵng Quảng Nam, kết hợp so sánh giá thành với giải pháp cọc khác tập hợp Bảng Đánh giá tiêu kinh tế: Theo Hình 10 cho thấy tỷ lệ -16 -20 Gia tải CK1 Giảm tải CK1 Gia tải CK2 Giảm tải CK2 Hình Kết nén tĩnh nhóm 02 cọc giá thành cọc đất xi măng thấp có tỷ lệ từ (42,156,2)% so với cọc khoan nhồi, tỷ lệ từ (5875)% so với giá thành cọc bê tông cốt thép đúc sẵn cọc ống dự ứng lực Về yếu tố kỹ thuật: Giải pháp cọc đất xi măng đáp ứng ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(96).2015, QUYỂN yêu cầu kỹ thuật giải pháp cọc khác Tuy nhiên, điểm mạnh giải pháp cọc tiến độ thi 33 công nhanh đặc biệt hiệu dự án có số lượng cọc nhiều Bảng So sánh tiêu kinh tế cọc đất xi măng so với loại cọc khác Cơng trình Loại cọc Thông số D/B(mm) L(m) Pgh(kN) Khoan dẫn (m) Giá thành(đồng/kN) L(m) Pgh(kN) Khoan dẫn (m) Giá thành(đồng/kN) L(m) Pgh(kN) Khoan dẫn (m) Giá thành(đồng/kN) L(m) Pgh(kN) Giá thành(đồng/kN) L(m) Pgh(kN) Giá thành(đồng/kN) L(m) Pgh(kN) Khoan dẫn (m) Giá thành(đồng/kN) Showrooom KIA Trường Hải (TH1) Bệnh viện Đa khoa Điện Bàn (TH2) Chung cư thu nhập thấp An Trung (TH3) Khách sạn Sanouva (TH4) Vĩnh Trung Plaza (TH5) Khu phức hợp FPT Complex (TH6) Cọc nhồi 800 300 8.000 14.250 30 6.000 17.500 38 8.000 17.500 42 8.000 16.800 38 8.000 15.200 28 8.000 12.250 Cọc ống DƯL 500 37 3.500 11.257 28 2.600 15.653 35 3.200 12 16.625 34 3.400 12.000 34 3.500 10.686 23 3.200 10 8.844 Cọc ép BTCT 350*350 21 1.400 10.714 28 1.300 15.153 20 1.400 12 11.142 26 1.400 10.771 18 1.400 7.714 14 1.400 10 8.143 Cọc SCP 800 12 1.050 8.000 14 600 14.000 12 1.200 7.000 15 1.300 8.077 14 1.400 7.000 12 1.300 6.462 100 Tỷ lệ % 80 60 40 20 Cọc khoan nhồi D800 Cọc ống DUL D500 Trường hợp Cọc ép 350*350 Cọc SCP D800 Hình 10 Biểu đồ so sánh theo % giá thành loại cọc dự án Đánh giá lượng giảm vật liệu tác động môi trường Thống kê khái toán sử dụng vật liệu phục vụ cho thi công cọc dự án sử dụng lượng giảm vật liệu xây dựng so với phương án gốc cọc ép bê tơng cốt thép, chi phí thời gian thi công sơ tổng hợp Bảng Bảng tổng hợp cho thấy lượng giảm lớn thép, vật liệu cát, đá xay giảm chi phí xây dựng móng cơng trình, đồng thời tăng tiến độ thi công so với giải pháp cọc khác Về tác động môi trường: Khi thi công cọc đất xi măng không sử dụng loại vật liệu thép, cát, đá xay Bảng nên giảm thiểu sử dụng lượng sản xuất loại vật liệu này, góp phần giảm nhiễm môi trường Đây xem giải pháp cọc thân thiện môi trường Bảng Tổng hợp lượng giảm vật liệu, chi phí thời gian thi cơng cho cơng trình Cơng trình Số tầng Số cọc Giảm thép (T) Giảm cát (m3) Giảm đá xay (m3) Giảm chi phí (%) Bệnh viện Điện Bàn 1300 138 720 1100 35 FPT Compex 1050 150 800 1120 36 Kết luận - Giải pháp cọc đất xi măng áp dụng chịu lực cho Chung cư Đại Địa Bảo 1200 132 680 1030 34 Vĩnh Trung Plaza 17 1350 270 1500 2220 38 Khách sạn Sanouva 17 700 120 700 1000 36 móng cơng trình xây dựng xem cọc chịu lực đất cát hướng áp dụng công nghệ 34 Đỗ Hữu Đạo, Phan Cao Thọ cọc này, đồng thời phương pháp tính cho cọc làm việc theo nhóm “Group” theo Terzaghi & Peck phù hợp - Việc ứng dụng cọc đất xi măng vào số công trình thực tiễn cho chất lượng cọc cao cường độ qu=(3,514)MPa sức chịu tải cọc 1300kN - Giải pháp cọc đất xi măng cho hiệu cao kinh tế kỹ thuật so với giải pháp cọc thông thường khác cọc ép bê tông, cọc ống, cọc khoan nhồi điều kiện - Cọc đất xi măng không sử dụng vật liệu cát, đá xay, thép, không sinh lượng đất thải, làm giảm sử dụng lượng xây dựng, góp phần giảm nhiễm mơi trường, nên xem giải pháp móng thân thiện môi trường - Trong trường hợp công trình nhà cao tầng đến cấp đất cát, việc sử dụng cọc đất xi măng đem lại hiệu kinh tế, kỹ thuật, cần phát triển ứng dụng khu vực có điều kiện phù hợp địa chất cơng trình tải trọng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bergado D.T., Chai J.C., Alfaro M.C., Balasubramanian A.S (1994), Những biện pháp kĩ thuật cải tạo đất yếu xây dựng, NXB Giáo dục, Hà Nội [2] Đỗ Hữu Đạo (2015), Nghiên cứu làm việc cọc đơn nhóm cọc đất xi măng cho cơng trình nhà cao tầng, Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, Đại học Đà Nẵng [3] JISA (2009), Tiêu chuẩn cọc vữa Nhật Bản, Hiệp hội đường ô tô Nhật Bản [4] Joseph E.Bowles,RE.,S.E (1997), Foundation analysis and design, TheMcGraw-HillCompanies,Inc [5] Kitazume, Terashi (2013), The Deep Mixing Method, ISBN 978-1138-00005-6 CRC PressBalkema P.O Box 11320, 2301 EH, Leiden,The Netherlands [6] Trung tâm nghiên cứu ứng dụng tư vấn kỹ thuật móng cơng trình, Kết thí nghiệm cọc đất xi măng cơng trình địa bàn Đà Nẵng – Quảng Nam, Đà Nẵng 2007-2015 [7] TCVN 9393_2012 (2012), Cọc - Phương pháp thử nghiệm trường tải trọng tĩnh ép dọc trục, NXB Xây dựng, Hà Nội [8] TCVN9403 (2012), Gia cố đất yếu - phương pháp trụ đất xi măng, NXB Xây dựng, Hà Nội (BBT nhận bài: 30/07/2015, phản biện xong: 09/09/2015) ... cọc đất xi măng vào số cơng trình thực tiễn cho chất lượng cọc cao cường độ qu=(3,514)MPa sức chịu tải cọc 1300kN - Giải pháp cọc đất xi măng cho hiệu cao kinh tế kỹ thuật so với giải pháp cọc. .. hợp cho thấy lượng giảm lớn thép, vật liệu cát, đá xay giảm chi phí xây dựng móng cơng trình, đồng thời tăng tiến độ thi công so với giải pháp cọc khác Về tác động môi trường: Khi thi công cọc đất. .. giải pháp cọc khác Tuy nhiên, điểm mạnh giải pháp cọc tiến độ thi 33 công nhanh đặc biệt hiệu dự án có số lượng cọc nhiều Bảng So sánh tiêu kinh tế cọc đất xi măng so với loại cọc khác Cơng trình