Các phương pháp tính toán và thiết kế cải tạo gia cố đất nền bằng công nghệ trộn sâu cọc đất – xi măng. Vi ệc tính toán thiết kế của nền đất gia cố bằng phương pháp trộn sâu dựa tr ên n[r]
(1)Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 19 – 8/2009 53
PHƯƠNG PHÁP GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG TRỤ ĐẤT – XIMĂNG
STABILIZATION OF SOFT SOIL BY THE SOIL CEMENT COLUMN METHOD
ThS ĐOÀN THẾ MẠNH Khoa Cơng trình thuỷ, Trường ĐHHH Tóm tắt
Một phương pháp gia cố đất đưa vào ứng dụng Việt nam gia cố
nền đất cọc đất-ximăng Tuy vậy, hiểu biết mạnh dạn áp dụng phương pháp gia
cố thực tế cịn có nhiều hạn chế, kết thi cơng nhiều chưa đáp ứng được yêu cầu đề Bài báo giới thiệu công nghệ thi công xử lý đất yếu cọc đất –ximăng
Abstract
Soil-cement column method is one of the newest applied stabilization methods of soft-soil in Vietnam However, the knowledge and the application experiences of this method still meet with difficulties The achieved result sometimes does not match the requirements This article introduces the technology of stabilization for soft-soil using soil-cement column method
1 Giới thiệu chung
Cọc đất–ximăng(Đ–XM) giải pháp xử lý đất yếu với khả ứng dụng tương đối rộng rãi như: làm tường hào chống thấm cho đê đập, gia cố móng cho cơng trình xây dựng, ổn định tường chắn, chống trượt mái dốc, gia cố đất yếu xung quanh đường hầm, gia cố đường, mố cầu dẫn So với số giải pháp xử lý có, cơng nghệ cọc Đ–XM có ưu điểm khả xử lý sâu (đến 50m), thích hợp với loại đất yếu (từ cát thơ bùn yếu), thi công điều kiện ngập sâu nước điều kiện trường chật hẹp, nhiều trường hợp đưa lại hiệu kinh tế rõ rệt so với giải pháp xử lý khác
1.1 Ứng dụng cọc đất – ximăng
- Làm giảm độ lún tăng độ ổn định đất đắp
- Làm tăng độ ổn định mái dốc, gia cố hố đào móng nơng - Nền móng cho cơng trình
- Giảm áp lực đất chủ động, tăng áp lực đất bị động lên tường cừ hố đào sâu 1.2 Các cơng trình thông dụng sử dụng công nghệ cột đất – ximăng:
- Cơng trình giao thơng: đắp đường bộ, đường sắt, đường dẫn đầu cầu, bến bãi đỗ xe, cảng container……
- Móng bồn bể chứa Nền móng nhà cơng nghiệp - Các loại hố đào
- Các vùng đất lấn biển, san lấp ven sông
1.3 Hiệu từ việc sử dụng công nghệ gia cố đất cột đất – ximăng: - Kinh tế, thời gian xử lý nhanh
- Không gây ảnh hưởng tới cơng trình lân cận
1.4 Tình hình nghiên cứu, ứng dụng phương pháp xử lý đất yếu cọc ximăng - đất trên giới
(2)Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 19 – 8/2009 54 nước vùng Scandinaver Theo thống kê hiệp hội CDM (Nhật Bản), tính chung giai đoạn 1980-1996 có 2345 dự án, sử dụng 26 triệu m3 BTĐ Riêng từ 1977 đến 1993, lượng đất gia cố xi măng Nhật vào khoảng 23,6 triệu m3 cho dự án biển đất liền, với khoảng 300 dự án Hiện hàng năm thi công khoảng triệu m3
Tại Trung Quốc, công tác nghiên cứu năm 1970, tổng khối lượng xử lý cọc Đ-XM Trung Quốc vào khoảng triệu m3
1.5 Tình hình nghiên cứu, ứng dụng phương pháp xử lý đất yếu cọc ximăng - đất ở Việt Nam:
Tại Việt nam, việc áp dụng thi công đại trà gia cố đất sử dụng công nghệ khô trộn sâu – thi công cọc Đ-XM bắt đầu tiến hành từ năm đầu kỷ 21 Năm 2001, tập đoàn Hercules Thuỵ điển hợp tác với Công ty CP Phát triển kỹ thuật xây dựng( TDC) thuộc Tổng công ty xây dựng Hà nội thi cơng xử lý móng cho 08 bể chứa xăng dầu có đường kính
21m, cao 9m ( dung tích 3000m3/ bể) cơng trình Tổng kho xăng dầu Cần thơ cọc đất xi măng Từ năm 2002 đến 2005 có số dự án bắt đầu ứng dụng cọc Đ-XM vào xây dựng cơng trình đất, như: Dự án cảng Ba Ngòi (Khánh Hòa) sử dụng 4000m cọc Đ-XM có đường kính 0,6m , gia cố móng cho nhà máy nước huyện Vụ Bản (Hà Nam), xử lý móng cho bồn chứa xăng dầu Đình Vũ (Hải Phịng), dự án nước khu thị Đồ Sơn - Hải Phòng, dự án sân bay Cần Thơ, dự án cảng Bạc Liêu, dự án sử dụng công nghệ trộn khô, độ sâu xử lý khoảng 20m
Năm 2004, Viện Khoa học Thủy lợi tiếp nhận chuyển giao công nghệ khoan cao áp (Jet-grouting) từ Nhật Bản Đề tài ứng dụng công nghệ thiết bị nghiên cứu sức chịu tải cọc đơn nhóm cọc, khả chịu lực ngang, ảnh hưởng hàm lượng XM đến tính chất cọc Đ-XM, nhằm ứng dụng cọc Đ-XM vào xử lý đất yếu, chống thấm cho cơng trình thuỷ lợi Nhóm đề tài sửa chữa chống thấm cho Cống Trại (Nghệ An), cống D10 (Hà Nam), Cống Rạch C (Long An) Tại thành phố Đà Nẵng, cọc Đ- XM ứng dụng Plazza Vĩnh Trung hình thức: Làm tường đất làm cọc thay cọc nhồi
Tại Tp Hồ Chí Minh, cọc Đ-XM sử dụng dự án Đại lộ Đông Tây, building Saigon Times Square Hiện nay, kỹ sư hãng Orbitec đề xuất sử dụng cọc Đ-XM để chống ổn định cơng trình hồ bán nguyệt – khu đô thị Phú Mỹ Hưng, dự án đường trục Bắc – Nam (giai đoạn 3) kiến nghị chọn cọc Đ-XM xử lý đất yếu
2 Nguyên tắc gia cố đất
Cọc Đ-XM gia cố hỗn hợp đất nguyên trạng nơi gia cố với hỗn hợp ximăng phun xuống thông qua thiết bị khoan trộn Cột gia cố tạo thành hỗn hợp đất chỗ chất kết dính, mà thơng thường vơi ximăng Mũi trộn đưa xuống đất cách khoan xoay, tới độ sâu thiết kế, mũi trộn đảo chiều ngược lại đồng thời rút dần lên, trộn đất chỗ với chất gia cố Trong suốt trình rút lên, hỗn hợp chất gia cố phun vào khí nén đầu mũi trộn, tới cao độ đầu cột dừng lại
Hình 1- Cơng nghệ thi công cọc xi măng - đất P
(3)Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 19 – 8/2009 55 Việc hình thành cường độ xảy thơng qua q trình ninh kết hỗn hợp Đ– XM Khi ximăng trộn với đất, ximăng phản ứng với nước tạo Canxi hyđrơxit Ca(OH)2 từ đókết hợp
với đất tạo keo ninh kết CSH, trình Hydrat hoá Phản ứng diễn nhanh mạnh toả nhiệt lượng lớn giảm bớt lượng nước có đất gia cố.Hợp chất Hydrat tạo hỗn hợp liên kết thành phần hạt đất gia cố hình thành lên khống chất bền vững, cứng
Ximăng + H2O → Keo CSH + Ca(OH)2
3.Công nghệ thi công
Hiện phổ biến hai công nghệ thi công cọc Đ-XM là: Công nghệ trộn khô (Dry Jet Mixing) Cơng nghệ trộn ướt (Wet Mixing hay cịn gọi Jet-grouting)
Trong phương pháp trộn khô, không khí dùng để dẫn xi măng bột vào đất ( độ ẩm đất cần phải không nhỏ 20%) Trong phương pháp trộn ướt, vữa xi măng chất kết dính Trộn khơ chủ yếu dùng cải thiện tính chất đất dính, phun ướt thường dùng đất rời 3.1 Công nghệ thi công trộn khô
Nguyên tắc chung phương pháp trộn khô thể hình.1 Khí nén đưa xi măng vào đất Quy trình thi cơng gồm bước sau:
a) Định vị thiết bị trộn
b) Xuyên đầu trộn xuống độ sâu thiết kế đồng thời phá tơi đất; c) Rút đầu trộn lên, đồng thời phun xi măng vào đất
d) Đầu trộn quay trộn xi măng với đất e) Kết thúc thi cơng
Hình - Sơ đồ thi cơng trộn khô 3.2 Công nghệ thi công trộn ướt
Ngun lý trộn ướt mơ tả hình.2
(4)Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 19 – 8/2009 56 Trộn ướt dùng vữa xi măng Khi cần cho thêm chất độn ( cát phụ gia) Khối lượng vữa thay đổi theo chiều sâu Khi chế tạo trụ đất rời dùng khoan guồng xoắn liên tục có cánh trộn cánh cắt hình dạng khác nhau, có đủ cơng suất để phá kết cấu đất trộn vữa
Cường độ tính thấm phụ thuộc vào thành phần đặc tính đất (hàm lượng hạt mịn, hàm lượng hữu cơ, loại sét, thành phần hạt…), khối lượng chủng loại vữa quy trình trộn Có thể ngưng trộn vữa chưa bắt đầu đông cứng, khởi động trộn lại độ sâu 0.5 m đất xử lý
Bơm để chuyển vữa đến lỗ phun cần phải có đủ cơng suất (tốc độ truyền áp lực) để truyền lượng vữa thiết kế an toàn
Được biết Việt Nam, Trung tâm Công nghệ Máy xây dựng Cơ khí thực nghiệm thuộc Viện Khoa học Cơng nghệ Giao thông Vận tải nghiên cứu chế tạo thành công thiết bị điều khiển định lượng xi măng để thi công cọc đất gia cố So với sản phẩm loại CHLB Đức, thiết bị Trung tâm chế tạo có tính kỹ thuật tương đương giá thành 30% So với thiết bị Trung Quốc, thiết bị có nhiều tính ưu việt hẳn: Do sử dựng máy sở loại búa đóng cọc di chuyển bánh xích, nên tính động cao, tốc độ làm việc thiết bị khoan lớn, suất gấp 1,5-2 lần Đặc biệt, tổ hợp thiết bị trang bị hệ thống điều khiển đại, toàn thao tác thi cơng cọc gia cố tự động hóa theo chương trình, số liệu lượng xi măng sử dụng mét cọc hiển thị, lưu giữ in thành bảng kết thi công cho cọc Đây tiêu quan trọng đánh giá chất lượng thiết bị chất lượng cọc gia cố thi công
4.Công tác khảo sát, thí nghiệm phục vụ tính tốn thiết kế cải tạo, gia cố công nghệ trộn sâu cột đất – ximăng
4.1 Công tác khảo sát trường
Mục đích: làm rõ yếu tố địa hình, địa mạo, tính chất lý đất tự nhiên, tầng lớp địa chất, tính chất thuỷ văn, mực nước ngầm…qua xác định tiêu:
+ Địa hình khu vực cần gia cố + Lát cắt địa chất
+ Các thí nghiệm xác định tiêu lý đất tự nhiên + Các điều kiện địa chất thuỷ văn, mực nước ngầm
+ Các hồ sơ, tài liệu cơng trình lân cận 4.2 Cơng tác thí nghiệm phịng
Mục đích: thơng qua thí nghiệm xác định hàm lượng chất kết dính phụ gia cần thiết để tạo loại đất gia cố có tiêu kinh tế kỹ thuật hợp lý, phục vụ cho tính tốn thiết kế
Giá trị cường độ thiết kế đất gia cố kết mẫu thí nghiệm tuổi 28 ngày Để xác định giá trị ta phải thực với nhiều tổ mẫu với hàm lượng ximăng khác Với loại tổ hợp không nhỏ mẫu Mỗi tổ hợp mẫu thí nghiệm để xác định tiêu độ tuổi ngày, 7ngày, 28 ngày Cần xác định tiêu:
+ Chỉ tiêu lý( γc, ,ωc, Δc, εc
)
+ Chỉ tiêu cường độ( chịu cắt, chịu nén…) + Môđun biến dạng đất trộn ximăng Ec
4.3 Thí nghiệm trường
(5)Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 19 – 8/2009 57 lớn điều kiện địa chất thuỷ văn ngồi thực tế Cơng tác thí nghiệm trường tiến hành trước thi công đại trà, khu vực thi cơng
Các thí nghiệm thường hay sử dụng gồm có: a.Thí nghiệm xun cắt thuận, xuyên cắt nghịch
Tiến hành thí nghiệm trước sau gia cố để đánh giá chất lượng đồng cọc Đ -XM hiệu gia cố so sánh với đất không gia cố Thơng qua thí nghiệm xác định được: sức kháng xun quc từ xác định cấu tạo địa tầng khu vực thí nghiệm, tiêu
cơ lý, cường độ trước sau gia cố, sức chịu tải cọc Đ-XM Hiện thí nghiệm dùng phổ biến Tuy nhiên, với phương pháp trộn ướt, thí nghiệm khơng thực
b Thí nghiệm khoan lấy lõi
Trong trường hợp dùng phương pháp trộn ướt để gia cố móng, khơng thể thực thí nghiệm xun cắt tiến hành khoan lấy lõi Dùng thiết bị chuyên dụng khoan lấy lõi cọc Đ-XM Mẫu nguyên dạng mang phịng thí nghiệm xác định tiêu lý mà thiết kế yêu cầu để kiểm tra đánh giá hiệu gia cố
c Thí nghiệm nén tải trọng tĩnh (cọc đơn nhóm cọc)
Xác định sức chịu tải nén cọc đơn, cụm cọc Qui trình gia tải, dỡ tải tuân theo tiêu chuẩn TCVN Căn vào yêu cầu tính toán thiết kế mà người thiết kế cần xác định thông số tương ứng phục vụ cho công tác Tuy nhiên hầu hết trường hợp cần xác định tieu lý, cường độ chịu nén Rnc, sức kháng cắt quc, môđun biến dạng hỗn hợp Đ-XM
Ec mức độ biến dạng cột đất
5 Các phương pháp tính tốn thiết kế cải tạo gia cố đất công nghệ trộn sâu cọc đất – xi măng
Việc tính tốn thiết kế đất gia cố phương pháp trộn sâu dựa nhiều giả thiết với quan điểm khác nhau, khái qt thành quan điểm chính:
- Quan điểm xem cọc Đ-XM đất tự nhiên chưa gia cố làm việc đồng thời tương đương Tính tốn thiết kế thơng thường( có chung tính chất lý)
- Quan điểm cọc Đ-XM làm việc cọc đơn chịu lực Tính tốn thiết kế móng cọc
- Quan điểm hỗn hợp: tính sức chịu tải tính với móng cột, cịn tính biến dạng tính tốn theo tương đương
Tuy nhiên phương pháp phụ thuộc nhiều vào công nghệ thi công điều kiện làm việc cột, điều kiện địa chất, tính chất lý… gia cố, việc tính tốn thiết kế cần đề cập đến hệ số kinh nghiệm
Ưu diểm công nghệ trộn sâu cọc đất – ximăng - Lượng chất gia cố trộn cọc xác - Có chất lượng tốt với đất có độ ẩm cao(> 75%)
- Cải thiện kết cấu đất khu vực gia cố 6 Kiểm soát chất lượng
Bao gồm trình chủ yếu sau đây:
- Kiểm sốt q trình thiết kế hàm lượng trộn thực phòng, bước đưa hàm lượng trộn cách thức trộn cách hợp lý
- Kiểm soát q trình thi cơng: số vịng quay mũi trộn, số lần trộn/ mét cột, lượng xi măng sử dụng
(6)Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 19 – 8/2009 58 7 Thiết bị thi công
Tổ hợp thiết bị thi công bao gồm:
- Máy khoan, máy phát điện, máy nén khí bình tích áp, máy sấy khí - Bình trộn ximăng, chứa ximăng, téc cung cấp ximăng
- Thiết bị định lượng ( cân khối lượng, đo độ sâu )
Thiết bị điện tử tích hợp máy khoan kiểm sốt chặt chẽ việc bơm phun gia cố: thông số cọc Đ-XM lưu vào thiết bị in dạng phiếu có đầy đủ thơng tin cọc đó: chiều sâu khoan, chiều sâu bơm phun, lượng ximăng phun mét dài cọc, khối lượng ximăng bơm phun cho toàn cọc, thời gian bắt đầu kết thúc cho cọc
Tổ hợp thiết bị giới hoá cao, vận chuyển lắp dựng thực nhanh chóng, di chuyển đất có cường độ thấp
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] TCXDVN 385 : 2006 Tiêu chuẩn thiết kế - thi công - nghiệm thu cọc đất- ximăng
[2] Hồ sơ thiết kế vẽ thi công Hạng mục gia cố kè sau cầu Cầu tầu 20.000DWT Công ty
cổ phần cảng dịch vụ dầu khí Đình vũ
[3] Http:// www.orbitec.vn: xử lý đất yếu cọc đất – ximăng Ths Nguyễn Duy Liêm