Nghiên cứu ứng dụng giải pháp cột vữa bê tông (CMC) trong việc xử lý nền đất yếu dưới công trình nhà công nghiệp

Cho đến nay, các công nghệ thường được sử dụng là đệm cát, giếng cát, cọc cát, bấc thấm, cột xi măng – đất, cột đá, cọc bêtông cốt thép … Thế nhưng, với mỗi công nghệ lại bộc lộ các khuy

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-oOo -

NGUYỄN HỮU BẢO TOÀN

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG GIẢI PHÁP CỘT VỮA BÊTÔNG (CMC) TRONG VIỆC XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU DƯỚI CÔNG TRÌNH NHÀ CÔNG NGHIỆP

Chuyên ngành: ĐNA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

Mã số ngành: 60.58.60

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, 07/2010

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

- - - -X Z- - -

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS TRẦN XUÂN THỌ

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Bùi Trường Sơn

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Lê Bá Vinh

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại

HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 01 tháng 09 năm 2010

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm có:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

Tp HCM, ngày 02 tháng 07 năm 2010

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: NGUYỄN HỮU BẢO TOÀN Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 19 / 04 / 1984 Nơi sinh: Tp Hồ Chí Minh Chuyên ngành: Địa kỹ thuật Xây dựng Khóa: 2008

MSHV: 00908552

1- TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG GIẢI PHÁP CỘT VỮA BÊTÔNG (CMC) TRONG VIỆC XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU DƯỚI CÔNG TRÌNH NHÀ CÔNG NGHIỆP 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan về đất yếu và các giải pháp xử lý

Chương 2: Các kết quả nghiên cứu về Cột vữa bêtông (CMC)

Chương 3: Cơ sở lý thuyết tính toán cột vữa bêtông (CMC)

Chương 4: Ứng dụng tính toán cột vữa bêtông (CMC) xử lý nền đất yếu cho công

trình Nhà máy đóng tàu Sài Gòn

Kết luận và kiến nghị

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02-07-2010

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS TRẦN XUÂN THỌ

TS Trần Xuân Thọ PGS TS Võ Phán

LỜI TRI ÂN

Luận văn Thạc sĩ này được hoàn thành bằng sự nổ lực của bản thân, cùng sự hướng dẫn và truyền dạy kiến thức tận tình của Quý Thầy Cô,với những động viên khích lệ từ gia đình, bạn bè trong suốt quá trình học tập và rèn luyện

Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Trần Xuân Thọ đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình học tập và thực hiện Luận văn này

Xin chân thành cảm ơn toàn thể Quý Thầy Cô bộ môn Địa

Cơ Nền Móng đã tham gia giảng dạy và truyền đạt kiến thức, tạo mọi điều kiện tốt nhất trong suốt quá trình học tập và thực hiện Luận văn

Xin cảm ơn bạn bè trong và ngoài nước đã luôn sẵn sàng giúp đỡ trong việc tìm kiếm và cung cấp tài liệu để hoàn thành Luận văn này

Cuối cùng và không thể thiếu là xin cảm ơn gia đình đã luôn bên cạnh để động viên, khích lệ, tạo chỗ dựa tinh thần vững chắc nhất trong suốt thời gian học tập và thực hiện Luận văn

Với những hiểu biết của bản thân, chắc chắn không tránh khỏi những sai sót khi thực hiện Luận văn, kính mong Quý Thầy

Cô, bạn bè góp ý chân thành để tôi hoàn thiện thêm kiến thức của mình

Một lần nữa xin chân thành cảm ơn

Nguyễn Hữu Bảo Toàn

số liệu quan trắc hiện trường để đánh giá độ tin cậy của lời giải phương pháp phần tử hữu hạn Giải pháp xử lý nền bằng cột vữa bê tông CMC rất hiệu quả và có thể tiết giảm được

độ lún của nền trong quá trình sử dụng

Kết quả nghiên cứu này có thể dùng để tham khảo và áp dụng cho các công trình nhà công nghiệp chịu tải trọng lớn, và có yêu cầu thi công nhanh để nhanh chóng đưa vào

sử dụng, trên phạm vi cả nước

These obtained results can be consulted and applied for the industrial structures bearing heavy loads, and required fast construction so that the structures can be put into operation early, in Vietnam

1.2.1 Khái niệm về công trình công nghiệp 6

1.3 Giải pháp xử lý nền đất yếu dưới công trình nhà công nghiệp 7

1.3.1 Gia tải trước có kết hợp thoát nước trong nền đất 8

Chương 2: Các kết quả nghiên cứu về cột vữa bêtông (CMC)

2.1 Hệ nền cột vữa bêtông CMC gánh đỡ công trình đất đắp – Ví dụ

thực tế (C Plomteux, A Porbaha, C Spaulding – 2004) 21

2.1.2 Các phương án gia cố được xem xét 22

2.1.4 Nhận xét 27

2.2 Nghiên cứu thực nghiệm cho phương pháp Cột vữa bêtông CMC

(L Miao, F Wang, Y Zhang, C Zhang – 2009) 28

2.2.2 Các bước thí nghiệm 28

2.3 Phân tích ứng xử của cột vữa bêtông (C Plomteux - 2008) 32

2.3.1 Khái niệm và thiết kế 32

Chương 3: Cơ sở lý thuyết tính toán cột vữa bêtông CMC

3.1 Cơ sở lý thuyết dựa trên nền tảng giải tích và thực nghiệm 36

3.1.1 Sức chịu tải của một cột vữa bêtông CMC 36

3.1.1.2 Sức chịu tải dọc trục theo chỉ tiêu trạng thái của đất nền 36

3.1.1.3 Sức chịu tải dọc trục theo cường độ đất nền 37

3.1.1.4 Sức chịu tải dọc trục theo thí nghiệm CPT 37

3.1.2 Bố trí lưới cột vữa bêtông CMC và tải trọng tác đông lên

3.1.2.1 Bố trí lưới cột vữa bêtông CMC 39

3.1.2.2 Tải trọng tác động lên từng cột vữa bêtông CMC 39

3.1.6.2 Theo các lý thuyết truyền thống 47

3.2 Cơ sở tính toán dựa trên nền tảng phần tử hữu hạn 49

Chương 4: Ứng dụng tính toán cột vữa bêtông CMC xử lý nền đất yếu cho công

trình Nhà máy đóng tàu Sài Gòn

4.8 So sánh kết quả phân tích từ phương pháp phần tử hữu hạn với số liệu

quan trắc hiện trường 83

Tài liệu tham khảo

Trang 1

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, cùng với sự tăng trưởng nhanh về kinh tế của đất nước và yêu cầu phát triển kinh tế đồng đều giữa các miền, các tỉnh thành, nhu cầu về cơ sở hạ tầng phục vụ kinh tế là rất lớn Trên cơ sở đó việc thành lập các Khu Công Nghiệp để thu hút vốn đầu

tư đang rất được chú trọng Tuy nhiên, không phải lúc nào công trình cũng được xây dựng trên một nền địa chất tốt, thuận lợi cho việc thi công và bền vững khi sử dụng Từ thực tế đó, nhiều biện pháp xử lý nền đất yếu tiên tiến trên thế giới đã được áp dụng nhằm kiểm soát được biến dạng và ổn định cho công trình Cho đến nay, các công nghệ thường được sử dụng là đệm cát, giếng cát, cọc cát, bấc thấm, cột xi măng – đất, cột đá, cọc bêtông cốt thép … Thế nhưng, với mỗi công nghệ lại bộc lộ các khuyết điểm cố hữu

và khó có thể khắc phục như vấn đề thời gian trong thi công, chi phí vật tư – vật liệu, khó thi công trên diện rộng, xây chen, khó kiểm soát được chất lượng thi công, … Từ những vấn đề này, các nước phát triển đã nghiên cứu các biện pháp mới, có thể khắc phục các khuyết điểm cũ nhưng không tạo ra quá nhiều khuyết điểm mới, và hiệu quả hơn các biện

pháp cũ, như là: Xử lý nền bằng vỏ chai nén khí, đầm động (Dynamic compaction - DC), cột vữa bêtông (Controlled modulus columns - CMC) …

Hình A – Hư hỏng nền nhà

Nứt (75mm)

Lún sụt (150mm)

Lún sụt

Hình B – Hư hỏng đà kiềng

Hình C – Hư hỏng đà kiềng

Hiện tại, các công nghệ mới trên đã và đang được áp dụng vào Việt Nam, nhưng vẫn do các công ty của các nước phát triển làm chủ công nghệ, độc quyền trong việc tính toán thiết kế và thi công Vì vậy, vấn đề cần thiết được quan tâm là tìm hiểu các biện pháp xử lý nền mới nhưng đang được sử dụng tại Việt Nam Qua đó nắm bắt được công nghệ, cũng như cách tính toán, biện pháp thi công và cuối cùng là các doanh nghiệp trong nước có thể tự mình thi công mà không còn phụ thuộc vào các đơn vị thi công nước ngoài

Do hạn chế về mặt thời gian, kinh phí nên đề tài luận văn này chỉ nghiên cứu một phương pháp đang được áp dụng rộng rãi trên thế giới nhưng mới được áp dụng ở một vài dự án ở Việt Nam, đó là: cột vữa bêtông (hay còn gọi là cột có kiểm soát mođun –

Lún sụt

Nứt

Trang 3

Controlled modulus columns – CMC) Đây là một biện pháp khá mới ra đời vào thập niên

1990, được phát triển dựa trên việc tối ưu hóa sự làm việc đồng thời giữa cột gia cố và đất nền, nhằm tăng khả năng chịu tải và giảm độ lún, cũng như kiểm soát tốt chất lượng thi công

Mục tiêu nghiên cứu

Cùng với những lý do trên, lựa chọn giải pháp xử lý nền đất yếu bằng cột vữa

bêtông CMC để nghiên cứu là mục tiêu nghiên cứu chính của đề tài Mục tiêu cuối cùng

kỳ vọng có thể cung cấp các kiến thức cơ bản về cột vữa bêtông (CMC), các nghiên cứu - ứng dụng về cột vữa bêtông (CMC) ở nước ngoài, lý thuyết và các mô hình tính toán, và cuối cùng là kết quả ứng dụng giải pháp cột vữa bêtông (CMC) cho công trình thực tế tại Việt Nam, trong đó, luận văn có tiến hành làm một bài toán kinh tế nhỏ nhằm đánh giá mặt kinh tế của phương pháp Từ đó, thấy được những mặt mạnh và yếu của phương pháp, và khả năng áp dụng rộng rãi giải pháp này ở đất nước ta

Nội dung nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu của đề tài là Nghiên cứu ứng dụng giải pháp cột vữa

bêtông (CMC) trong việc xử lý nền đất yếu dưới công trình nhà công nghiệp, bao

gồm các nội dung chính như sau:

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan về đất yếu và các giải pháp xử lý

Chương 2: Một số kết quả nghiên cứu về cột vữa bêtông (CMC)

Chương 3: Cơ sở lý thuyết tính toán cột vữa bêtông (CMC)

Chương 4: Ứng dụng tính toán cột vữa bêtông (CMC) xử lý nền đất yếu cho công trình Nhà máy đóng tàu Sài Gòn

Kết luận và kiến nghị

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu của Luận văn được thực hiện theo các bước:

1 Tổng kết một số kết quả nghiên cứu về cột vữa bêtông của các tác giả nước ngoài

2 Tính toán cột vữa bêtông CMC dựa theo các cơ sở lý thuyết bằng giải tích thông qua các công thức tính toán như: sức chịu tải, độ lún, …

3 Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng và phân tích tính toán cho một công trình thực đã áp dụng biện pháp xử lý nền này thông qua phần mềm

vi tính, cuối cùng là so sánh với thực nghiệm

Tính khoa học và thực tiễn

Từ các vấn đề được nghiên cứu trong đề tài này, ta sẽ có được cái nhìn tổng quan

về phương pháp xử lý nền mới: cột vữa bêtông (CMC) Thông qua đó, ta có thể làm chủ được công nghệ, dần có thể tách ra khỏi các đơn vị nước ngoài và độc lập trong việc áp dụng phương pháp bằng cách tự mình thiết kế - thi công

Phạm vi nghiên cứu

Việc xử lý nền đất yếu bằng cột vữa bêtông (CMC) có thể được áp dụng cho nhiều loại công trình như nền đường, nền đập, tường chắn, cảng, … Tuy nhiên, trong điều kiện hạn hẹp, đề tại chỉ nghiên cứu việc xử lý nền đất yếu cho công trình công nghiệp, có tải trong phân bố rộng khắp, lực truyền xuống nền thông qua diện truyền tải bằng tấm nền bêtông cốt thép đặt trên nền cát phủ đầu cột

Bên cạnh đó, việc phân tích tính toán cũng chưa xét đến khả năng chịu tải trọng ngang của cột vữa bêtông (CMC)

Trang 5

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU VÀ CÁC GIẢI PHÁP XỬ LÝ

1.1 Tổng quan về đất yếu

Đất yếu, hiện tại, chưa có một khái niệm rõ ràng và thống nhất Do trong mối quan

hệ tương tác giữa nền đất và công trình thì tuỳ thuộc vào quy mô của công trình và tải trọng khác nhau, nền đất sẽ ứng xử khác nhau Vì vậy, có khi nền đất được gọi là yếu đối với công trình này, nhưng lại không yếu đối với công trình khác Nhìn chung, có đến nay, tồn tại hai quan điểm về đất yếu Theo quan điểm thứ nhất, cũng là quan điểm trong các

tiêu chuNn nước ta (TCVN , TCXD, TCN ) thì “Đất yếu là loại đất phải xử lý, gia cố mời

có thể dùng làm nền móng công trình Các loại đất yếu thường gặp là bùn, đất loại sét (sét, sét pha, cát pha) ở trạng thái dẻo nhão Những loại đất này thường có độ sệt lớn (IL>1), có hệ số rỗng lớn (e>1), có góc ma sát nhỏ (ϕ<10 o ), có lực dính theo kết quả cắt nhanh không thoát nước C < 15Kpa, có lực dính theo kết quả cắt cánh tại hiện trường Cu

< 35 Kpa, có sức chống mũi xuyên tĩnh qc < 0.1 MPa, có chỉ số xuyên tiêu chuẩn SPT là

N < 5 (TCXD 245-2000)” Tuy nhiên, phần lớn các nước trên thế giới lại thống nhất về

định nghĩa theo sức kháng không thoát nước Su và trị số N của xuyên tiêu chuNn SPT như sau: đất yếu có Su < 25 KPa hoặc N ≤ 4, đất rất yếu có Su < 12.5 KPa hoặc N ≤ 2

N guyên nhân của việc hình thành nên nền đất yếu chủ yếu do những nguyên nhân chính sau:

- Yếu vì kết cấu nền: N guyên nhân này thường gặp ở các điều kiện địa chất đất sỏi, đá cuội, đá tảng Các phần tử đất đá gối lên nhau không chắc chắn, ở một

số tải trọng nhất định, công trình lún ít do đất biến dạng không nhiều, ở các tải trọng lớn hơn xảy ra đứt gẫy hoặc lún lệch làm công trình đổ Hoặc do yếu tố thay đổi về kết cấu chịu lực của vùng như sập một vài mỏ khai thác đá ở Việt

N am trong những năm gần đây có thể một phần là do yếu tố này Cũng có trường hợp đất sét tạo gối nước trong lòng đất, công trình đặt lên làm nền đất biến dạng từ từ, hoặc khoan cọc móng tại vùng địa chất bên cạnh, dẫn tới nứt

ra những khe ngang làm nước thoát đi, độ lún biến đổi đột ngột, một số nhà cao tầng ở Thành phố Hồ Chí Minh có thể vì lí do này mà lún sập

- Yếu do độ Nm: N guyên nhân này thường gặp ở đất cát và đất sét, nước trong đất tồn tại dưới hai dạng chủ yếu là tự do và liên kết Đây là các tác nhân chính gây ra hiện tượng đàn hồi thủy lực và tính nén của đất Các nhân tố này gây ra

sự khó khăn lớn trong thi công, cản trở việc lắp đặt và sử dụng thiết bị gia cố Hiện tượng này phổ biến ở các vùng đồng bằng ven sông, ven biển, các vùng rừng lâu năm và là yếu tố chính đối với các công trình thi công trên biển

- Yếu do đặc tính sinh hóa: N guyên nhân này thường gặp ở các điều kiện địa chất đã được gia cố Trải qua thời gian, do các tác động sinh hóa, như phản ứng hóa học trong thành phần của chất gia cố với nước, hoạt động của sinh vật

và vi sinh vật, đất đã được gia cố trở nên yếu đi Đây là một vấn đề tương đối khó khăn đối với các công trình sử dụng biện pháp hóa học để gia cố đất như

xi măng, thủy tinh…

Đất yếu là một trong những đối tượng nghiên cứu và xử lý rất phức tạp, đòi hỏi công tác khảo sát, điều tra, nghiên cứu, phân tích và tính toán rất công phu Để xử lý đất yếu đạt hiệu quả cao cũng phải có yếu tố tay nghề thiết kế và bề dày kinh nghiệm xử lý của tư vấn trong việc lựa chọn giải pháp hợp lý

1.2 Đặc trưng về các công trình công nghiệp

1.2.1 Khái niệm về công trình công nghiệp

Công trình công nghiệp là các công trình được xây dựng nhằm mục đích phục vụ việc sản xuất công nghiệp, tạo ra các sản phNm cho nhu cầu sử dụng trong nước và xuất khNu Trong một công trình công nghiệp bao gồm ba hạng mục chính bao gồm cụm công trình chính là các nhà xưởng phục vụ sản xuất, văn phòng điều hành sản xuất …; cụm công trình phụ trợ là nhà ăn công nhân, nhà trọ công nhân, khu sinh hoạt chung … và cụm công trình phục vụ là khu vực xừ lý nước thải – trạm điện – bể nước – đường giao thông – mảng xanh … Trong phạm vi của đề tài, chỉ đề cập đến các vấn đến của nhà xưởng công nghiệp mà thôi

Trang 7 Kết cấu phổ biến của công trình nhà công nghiệp hiện nay là khung thép tiền chế

được lắp dựng trên hệ móng bêtông, nền bêtông cốt thép đặt trực tiếp lên nền đất (slab on

ground) N ền và móng hoàn toàn tách biệt, không liên kết chung với nhau Hệ bao che

thương là mái tôn, tường tôn hoặc tường gạch

1.2.2 Tải trọng tác động

Tải trọng tác động lên công trình được chia thành hai loại: thường xuyên và tạm thời

Tải trọng thường xuyên: Trọng lương bản thân công trình, trọng lượng đất san

lấp, các thiết bị - máy móc cố định đặt trên công trình (máy móc, cầu trục, …)

Tải trọng tạm thời: Tải trọng gây ra trong quá trình sản xuất – sử dụng, tải trọng

gió, tải trọng nước mưa trên mái, tác động của cầu trục khi di chuyển, các tải trọng đặc biệt khác

Tải trọng tác động lên công trình được truyền xuống đất nền theo hai hướng:

- Từ khung thép tiền chế, truyền xuống hệ móng được đặt lên đất nền

- Từ trên nền bêtông cốt thép đặt trực tiếp lên nền đất truyền xuống

Đối với các công trình được xây dựng trên nền đất yếu, thì thông thường vấn đề đáng quan tâm là nền bêtông cốt thép đặt trực tiếp trên nền đất Với hệ móng đỡ các khung thép tiền chế, thường được thiết kế với phương án duy nhất là móng sâu (cọc bêtông cốt thép, cọc nhồi …) N hưng, còn với nền bêtông cốt thép trên nền đất, để đảm bảo ổn định và bền vững, thì việc xử lý nền đất trước khi thi công là một yêu cầu bắt buộc Từ vấn đề này, sẽ xuất hiện các phương án xử lý có thể áp dụng và lựa chọn những phương án khả thi nhất

1.3 Giải pháp xử lý nền đất yếu dưới nền công trình nhà công nghiệp

N ội dung của các giải pháp xử lý nền đất yếu là tăng khả năng chịu tải của nền đất yếu, triệt tiêu các biến dạng lớn gây nguy hại đến công trình ở giai đoạn sử dụng, từ đó tăng khả năng bền vững với thời gian của công trình

Hình 1.1 – Các giải pháp xử lý nền tiêu biểu

Hình 1.2 – Phạm vi ứng dụng của từng giải pháp

Các biện pháp xử lý nền đất yếu tiêu biểu đã được áp dụng ở Việt N am bao gồm:

1.3.1 Gia tải trước có kết hợp thoát nước trong nền đất

Gia tải trước thường được dùng trong kỹ thuật nền móng là nhằm làm cho nền đất yếu lún trước, nền đất yếu sẽ giảm độ rỗng tương ứng với tải gia tăng trên mặt đất, sức chịu tải sẽ gia tăng Biện pháp gia tải trước là áp một tải trọng lên nền để gây cố kết trong nền đất trước khi đặt công trình bằng cách ép nước ra khỏi các lỗ rỗng trong đất Tuỳ theo yêu cầu của công trình mà ta xác định tải trọng cần gia tải, mức độ cố kết của nền trước khi đặt công trình Do vậy, vấn đề của bài toán là chọn gia tải sao cho phù hợp với

áp lực công trình tác động lên nền trong tương lai

Tải

Trang 9

Ưu điểm: Tăng khả năng chịu tải của nền, giảm độ lún khi sử dụng (do đã lún trước một phần)

N hược điểm: Thời gian xử lý chậm, có thể gây trượt tại biên gia tải

Hình 1.3 – Gia tải kết hợp thoát nước đứng

Để giải quyết nhược điểm về thời gian, người ta thường kết hợp với bấc thấm (PVD) Bấc thấm (PVD) là có tác dụng thấm thẳng đứng để tăng nhanh quá trình thoát nước trong các lỗ rỗng của đất yếu Kết quả là làm tăng nhanh quá trình cố kết của nền đất yếu, tăng sức chịu tải và làm cho nền đất đạt độ lún quy định trong thời gian cho phép Bấc thấm được cấu tạo gồm 2 phần: Lõi chất dẻo được bao ngoài bằng vật liệu tổng hợp (thường là vải địa kỹ thuật Polypropylene hay Polyeste không dệt…)

hạt mịn chui vào làm tắc thiết bị Lõi chất dẻo có hai chức năng: vừa đỡ lớp bao bọc ngoài, và tạo đường cho nước thấm dọc chúng ngay cả khi áp lực ngang xung quanh lớn

N ếu so sánh hệ số thấm nước giữa bấc thấm PVD với đất sét bão hòa nước cho thấy rằng, bấc thấm (PVD) có hệ số thấm (K = 1 x 10-4m/s) lớn hơn nhiều lần so với hệ

số thấm nước của đất sét ( k = 10 x 10-5m/ngày đêm) Do đó, các bấc thấm (PVD) dưới tải trọng nén tức thời đủ lớn có thể ép nước trong lỗ rỗng của đất thoát tự do ra ngoài

Có hai phương pháp gia tải: (i) gia tải một lần kết hợp với bệ phản áp nhằm giữ ổn định bờ đất gia tải, phương pháp này thường được sử dụng cho những công trình cần nhanh chóng hoàn thành và điều kiện rộng rãi của công trường; (ii) đắp đất gia tải thành nhiều lớp, mỗi lớp đắp được giữ trong khoảng thời gian tính toán trước sao cho sức chịu của nền đất tăng lên thích hợp với tải cộng dồn cho lần đắp kế tiếp, phương pháp này thường được sử dụng rộng rãi trong các điều kiện hoàn toàn ngược lại với phương pháp (i)

1.3.2 Cọc cát

Phương pháp cọc cát đầm là một phương pháp để làm ổn định nền đất yếu bằng cách lèn chặt cát thành hình cột trụ vào trong đất yếu, tham gia cùng nền đất chống đỡ tải trọng công trình Phương pháp này tạo ra các ống thoát nước (là cọc cát) làm giảm mực nước ngầm trong đất, làm chặt đất và cải thiện chỉ tiêu cơ lý của đất nền Tuy nhiên, đã gọi là cọc nên bản thân cọc cát phải đồng nhất, tiết diện liên tục theo chiều sâu, sức chịu tải của vật liệu phải lớn hơn đất nền nhiều lần, không được hòa lẫn vào trong đất Do đó, không phải loại đất nào cũng có thể sử dụng cọc cát Kích thước cọc cát có thể thay đổi

từ 0.3 m đến 1m (có khi lớn hơn) Có các biện pháp thi công cơ bản sau:

Phương pháp nén chặt bằng tác động rung: Bộ phận rung chìm vào trong đất nhờ vào trong lượng bản thân cùng với chấn động rung Sau khi đạt đến chiều sâu định trước,

bộ phận rung được rút lên từ từ và đồng thời chỗ trống được lấp đầy bằng vật liệu cát

Phương pháp thay thế bằng rung động: Bộ phận rung được nhấn chìm vào trong đất dưới tác dụng của bản thân co rung động cùng với tia nước hoặc khí phun có tác dụng thổi rửa cho đất khi đạt chiều sâu nhất định

Trang 11 Phương pháp rung động kết hợp: Phương pháp này được dùng phổ biến ở N hật Cọc được xây dựng bằng cách đóng ống chống đến chiều sâu mong muốn, dùng búa rung thẳng đứng nặng đặt trên đầu ống Đổ vào một thể tích cát đã định rồi kéo ống lên từng nấc một, sau đó đóng chặt ống xuống nhằm ép lèn chặt cát sang hai bên Quá trình lặp lại cho đến khi toàn bộ cọc cát được xây dựng xong

Hình 1.4 – Cơ chế thi công cọc cát

Hình 1.5 – Thiết bị và biện pháp thi công

Kéo

lên

Đóng xuống

Lèn chặt Lèn chặt

Bơm áp lực cao

Cọc cát

Phễu rót cát

Phương pháp khoan tạo lỗ: Cát được đầm nén trong một lỗ khoan trước bằng một vật nặng rời từ độ cao 1 m đến 1.5 m Phương pháp này có thể thay thế được phương pháp nén chặt bằng rung động và có giá thành thấp hơn Tuy nhiên, tác dụng phá hoại và tái tạo lại đất sau đầm có ảnh hưởng rất lớn với cái loại đất yếu và nhạy

Ưu điểm: Tăng khả năng chịu lực của nền bằng cách làm chặt đất, nền đất và cọc cát như là một nền tự nhiên hoàn toàn

Khuyết điểm: Trong trường hợp làm chặt nền cần thận trọng vì những giả thiết để tính toán là không phù hợp với đất sét yếu bão hoà nước Giả thiết đưa ra là thể tích vùng gia cố là không thay đổi (không có dịch chuyển ngang và đất không trồi lên), như vậy nền sẽ được làm chặt, dung trọng của đất được tăng lên Giả thiết này chỉ phù hợp với đất thuộc loại hoàng thổ rời rạc, có mực nước ngầm nằm sâu Khi đóng tạo lỗ để thi công cọc cát với hiệu ứng rung đất sẽ được đầm chặt Còn đối với đất sét yếu bão hoà nước hiệu ứng nén chặt trong quá trình thi công cọc cát là không đáng kể vì sự nén chặt của nền đất

là quá trình cố kết và đòi hỏi phải có thời gian

Tóm lại, nền đất yếu là đất sét hoặc á sét có độ Nm W% lớn hoặc cát mịn bão hòa nước, hay mực nước ngầm cao là không dùng được biện pháp này

1.3.3 Cột xi măng – đất

Với đất yếu là bùn sét và bùn á sét có độ thấm kém hơn 10-6 cm/s, khả năng ứng dụng cọc cát là không hiệu quả vì đất yếu không thể nén chặt được trong quá trình thi công, nước lỗ rỗng trong bùn rất khó thoát đi để lỗ rỗng có thể giảm nhỏ lại Mặt khác, cọc cát có thể chìm dần trong bùn nên không giữ được hình dáng của cọc sau khi thi công Vì thế, các nghiên cứu sau đó đã thay dần cọc cát bằng phương pháp được cho là tối ưu hơn, đó là cột xi măng – đất

Cột xi măng – đất là hỗn hợp giữa đất nguyên trạng nơi gia cố và xi măng được phun xuống nền đất bởi thiết bị khoan phun hay còn gọi là phương pháp khoan trộn sâu Mũi khoan được khoan xuống làm tơi đất cho đến khi đạt độ sâu lớp đất cần gia cố thì quay ngược lại và dịch chuyển lên Trong quá trình dịch chuyển lên, xi măng được phun vào nền đất (bằng áp lực khí nén đối với hỗn hợp khô hoặc bằng bơm vữa đối với hỗn hợp dạng vữa ướt) Quá trình ninh kết hỗn hợp xi măng – đất sẽ phát sinh nhiệt làm một

Trang 13 phần nước xung quanh bị hút vào do quá trình thủy hóa, một phần khác thì bốc hơi đi Hiện tượng này làm đất xung quanh cột xi măng – đất tăng độ bền hơn trước Phương pháp xử lý bằng cột xi măng – đất khá đơn giản: bao gồm một máy khoan với hệ thống lưới có đường kính thay đổi tuỳ thuộc theo đường kính cột được thiết kế và các xi lô chứa

xi măng có gắn máy bơm nén với áp lực lên tới 12 kg/cm2 Các máy khoan của Thuỵ Điển và Trung Quốc có khả năng khoan sâu đạt đến 35 m và tự động điều chỉnh định vị cần khoan luôn thẳng đứng Trong quá trình khoan lưỡi được thiết kế để trộn đầu đất và

xi măng, xi măng khô được phun định lượng liên tục và trộn đều tạo thành những cọc đất

- xi măng

Quá trình phun (hoặc bơm) chất kết dính để trộn với đất trong hố khoan, tuỳ theo yêu cầu có thể được thực hiện ở cả hai pha khoan xuống và rút lên của mũi khoan hoặc chỉ thực hiện ở pha rút mũi khoan lên Để tránh lãng phí xi măng, hạn chế xi măng thoát

ra khỏi mặt đất gây ô nhiễm môi trường thông thường khi rút mũi khoan lên cách độ cao mặt đất từ 0.5m đến 1.5m người ta dừng phun chất kết dính, nhưng đoạn cột 0.5m đến 1.5m này vẫn được phun đầy đủ chất kết dính là nhờ chất kết dính có trong đường ống tiếp tục được phun (hoặc bơm) vào hố khoan

Hình 1.6 – Thiết bị thi công

NƯỚC MÁY PHÁT ĐIỆN

TRẠM TRỮ TRỘN BƠM MÁY KHOAN

Hình 1.7 – Biện pháp thi công

Cột xi măng – đất là loại cột mềm, có độ cứng tăng lên từ vài chục lần đến vài trăm lần so với đất tự nhiên Tuy nhiên hỗn hợp xi măng và đất sẽ đạt tốt nhất chỉ với một hàm lượng tối thuận của chất kết dính Do vậy, phải tiến hành hết sức cNn trọng nhiều thí nghiệm trong phòng để xác định hàm lượng tối ưu đó nhằm hướng dẫn cho hiện trường

So với một số giải pháp xử lý nền hiện có, công nghệ cột xi măng – đất có ưu điểm là khả năng xử lý sâu (đến 50m), thích hợp với các loại đất yếu (từ cát thô cho đến bùn yếu), thi công được cả trong điều kiện nền ngập sâu trong nước hoặc điều kiện hiện trường chật hẹp, trong nhiều trường hợp đã đưa lại hiệu quả kinh tế rõ rệt so với các giải pháp xử lý khác (nếu sử dụng phương pháp cọc đóng ép hoặc cọc khoan nhồi thì rất tốn kém do tầng đất yếu bên trên dày)

Ưu điểm nổi bật của cột xi măng – đất là:

Trang 15

- Thi công nhanh, kỹ thuật thi công không phức tạp, không có yếu tố rủi ro cao Tiết kiệm thời gian thi công đến hơn 50% do không phải chờ đúc cọc và đạt đủ cường độ

- Hiệu quả kinh tế cao Giá thành hạ hơn nhiều so với phương án cọc đóng, đặc biệt trong tình hình giá vật liệu leo thang như hiện nay

- Rất thích hợp cho công tác xử lý nền, xử lý móng cho các công trình ở các khu vực nền đất yếu như bãi bồi, ven sông, ven biển

- Thi công được trong điều kiện mặt bằng chật hẹp, mặt bằng ngập nước

- Khả năng sử lý sâu (có thể đến 50m)

- Địa chất nền là cát rất phù hợp với công nghệ gia cố ximăng, độ tin cậy cao Khuyết điểm: chất lượng của biện pháp phụ thuộc vào nhiều yếu tố như

- Loại xi măng nào sẽ được sử dụng, thành phần xi măng

- Loại đất cần gia cố, khoáng trong đất, độ pH của đất

- Biện pháp bảo dưỡng

- Công nghệ thi công

- Gia cố nền đất có nhiều tầng đất có sự thay đổi lớn về các đặc trưng vật lý

- N hiều thí nghiệm cho thấy rằng khó kiểm soát được mođun của cột xi măng – đất

Hình 1.8 – Thực tế thi công cột xi măng – đất

1.3.4 Cọc bêtông cốt thép

Với giải pháp này, ta có hai phương án: cọc được ngàm chặt vào nền bêtông cốt thép tạo thành hệ thống sàn – dầm – cọc (tương tự như móng cọc đài bè trong các công trình cao tầng), hoặc nền bêtông cốt thép được đặt trên nền cọc thông qua lớp đệm cát phủ đầu cọc Giải pháp xử lý nền có ưu điểm là tải trọng xuống cọc được phân bố hợp lí hơn; tính làm việc tổng thể của nhóm cọc tốt hơn Khi xem nền bêtông cốt thép là cứng thì các cọc ở biên sẽ chịu tải lớn hơn hoặc nhỏ hơn cọc ở giữa tùy theo trường hợp tải trọng Khoảng cách cọc nên gia tăng > 3d nhằm giảm bớt hiệu ứng nhóm cọc N ếu đạt 6d thì coi như không có hiệu ứng nhóm Khi đó sức chịu tải 1 cọc đơn lẻ coi là đồng nhất với sức chịu tải của từng cọc trong nhóm cọc

Hình 1.9 – Thực tế thi công cọc bêtông cốt thép

N ền bêtông cốt thép có nhiệm vụ liên kết và phân phối tải trọng từ trên mặt nền xưởng cho các cọc, đồng thời truyền một phần tải trọng xuống đất nền tại vị trí tiếp xúc giữa đáy nền xưởng và đất nền N ền xưởng có thể làm dạng bản phẳng hoặc bản dầm nhằm tăng độ cứng chống uốn Chiều dày tối thiểu của nền xưởng được xác định theo điều kiện chọc thủng do lực tập trung do phản lực cọc Để điều chỉnh lún không đều có thể làm nền bêtông cốt thép với chiều dày thay đổi

Các cọc làm nhiệm vụ truyền tải trọng xuống nền đất dưới chân cọc thông qua sức kháng mũi và vào nền đất xung quanh cọc thông qua sức kháng bên Có thể bố trí cọc

Trang 17 trong nền xưởng thành nhóm hay riêng rẽ, bố trí theo đường lối hay bố trí bất kỳ tuỳ thuộc vào mục đích của người thiết kế, nhằm điều chỉnh lún không đều, giảm áp lực lên nền ở đáy nền xưởng hay giảm nội lực trong nền xưởng

Ưu điểm: Tăng tính ổn định cho công trình do tải trọng phần lớn được truyền lên cọc và phân tán vào nền đất tốt bên dưới lớp đất yếu, chỉ một phần tải trọng được truyền trực tiếp lên nền đất yếu (với trường hợp có đệm cát) hoặc không có tải trọng truyền lên nền đất (trường hợp sàn – cọc liên hợp)

Khuyết điểm: Chi phí lớn, thời gian thi công lâu, gây xung động ảnh hưởng đến các công trình lân cận, khó thi công trong môi trường chật hẹp, có nhiều mối nối, chiều sâu chống cọc giới hạn, …

1.3.5 Cột vữa bêtông (CMC)

Về công nghệ, biện pháp này chỉ cần một chiếc xe cơ giới được trang bị một cần khoan chuyên dụng nối với một máy bơm bêtông là có thể thực hiện được việc xử lý nền Cần khoan được hạ vào trong đất đến độ sâu thiết kế, trong quá trình khoan, đất nền không được lấy lên mà được ép chặt qua hai bên, làm tăng độ chặt cho đất nền Trong quá trình rút cần khoan lên, tương tự như cột ximăng – đất, vữa bêtông được bơm vào với một áp lực thấp, khoảng 10 kG/cm2, lấp đầy hố khoan mà không trộn lẫn với đất nền

N hằm đảm bảo không cho đất nền trong thành hố khoan bên trên mũi khoan không bị sạt xuống vữa bêtông trong quá trình rút mũi khoan lên, mũi khoan tiến hành xoay ngược chiều lúc khoan xuống, lèn ép đất xung quanh hố khoan một lần nữa Cùng với áp lực ngang do vữa bêtông đè vào thành hố khoan, đất nền xung quanh hố khoan được lèn chặt thêm và cứng hơn dưới tác dụng đóng cứng của vữa bêtông Vữa bêtông sử dụng trong biện pháp này có các yêu cầu gần giống với vữa bêtông cọc khoan nhồi, nhằm đảm bảo mức độ linh động và khả năng tự chảy của vữa bêtông trong suốt quá trình bơm

Biện pháp gia cố này dựa trên nguyên lý: đất yếu được lèn chặt bằng các cột vữa bêtông và sự chịu lực đồng thời giữa đất và cột (composite action) Việc gia cố đất yếu bằng CMC hầu như không gây ra bất cứ một xung động nào làm ảnh hưởng đến các công trình lân cận, không phải nạo vét đất thừa, thi công nhanh, sạch, không gây tiếng ồn lớn, cũng như kiểm soát được phần lớn chất lượng thi công

Hình 1.6 – Thiết bị thi công cột vữa bêtông CMC

Hình 1.7 – Công nghệ thi công cột vữa bêtông CMC

- Chiều dài cọc lớn nhất chỉ được 30 m

- Chi phí cao do phải sử dụng nhiều vữa

bêtông

Ưu điểm:

- Vữa / bêtông được nhồi vào đất nền mà

không phải nạo vét Đất xung quanh cọc được cải thiện nhờ sự ép chặt sang ngang

- Modun biến dạng cao gấp 100 đến 3000

lần đất Giải quyết được các vấn đề mà cọc đất trộn xi măng đang gặp phải

- Không bị phình ngang khi chịu tải dọc trục

trong trường hợp đất nền xung quanh quá yếu như trong cột đá / cột cát

- Kiểm soát được chất lượng thi công, thi công nhanh và có thể thi công trong môi

trường chật hẹp

- Cột làm việc như một cọc bêtông: có sức kháng thành bên và sức kháng mũi

- Do sự chịu lực đồng thời giữa cột vữa bêtông và đất, nên có thể không cần phải cắm mũi cọc vào lớp đất tốt, qua đó có thể rút ngắn được chiều dài cọc

CỌC BTCT CÔNG NGHỆ CMC PHÌNH NGANG CMC: KHÔNG

CỘT ĐÁ: PHÌNH NGANG

1.4 Nhận xét

Trong các giải pháp xử lý nền đất yếu trên, ta nhận thấy được rằng, giải pháp cột vữa bêtông (CMC) ra đời sau nhất, đã khắc phục được các khuyết điểm của các giải pháp trước đó và có khả năng ứng dụng cho nhiều công trình khác nhau Cột vữa bêtông (CMC) với nhiều ưu điểm, trong nhiều trường hợp giúp đem lại hiệu quả kinh tế rõ rệt so với các giải pháp xử lý khác

Vì vậy, việc lựa chọn nghiên cứu cột vữa bêtông CMC nhằm có cái nhìn tổng quan về nó là cần thiết và thỏa đáng Trong việc nghiên cứu, ta sẽ cố gắng làm rõ các vấn đề:

- Tổng hợp các nghiên cứu trước đây ở nước ngoài về cột vữa bêtông CMC

- Khả chịu lực của một cột vữa bêtông CMC và của nhóm cột CMC

- Việc tăng khả năng chịu lực và ổn định của đất nền, rút ngắn thời gian xây dựng công trình

- Khảo sát độ lún của công trình thực tế tại Việt N am sau khi đã có kết quả tính toán từ việc mô phỏng bài toán bằng phần mềm máy tính

Trang 21

CHƯƠNG 2

CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ CỘT VỮA BÊTÔNG (CMC)

2.1 Hệ nền cột vữa bêtông CMC gánh đỡ công trình đất đấp – Ví dụ thực tế

(Cyril Plomteux, Ali Porbaha và Charles Spaulding - 2004) [4]

Bài nghiên cứu này, với mục đích chính là nêu lên một ví dụ thực tế về việc ứng dụng hiệu quả cột vữa bêtông (CMC) cho công trình đất đắp phục vụ cho dự án đường xe lửa dài 17 km Công trình đất đắp có độ cao trung bình là 7.5 m, hoạt tải sử dụng vào khoảng 20 KPa, yêu cầu về độ lún trong quá trình sử dụng là không được vượt quá 10

mm cho một thập kỷ Biện pháp sử lý nền áp dụng cho cộng trình là Cột vữa bêtông CMC với tổng cộng 2193 cột, dài 12.5 m / cột, nhằm thoả yêu cầu lún của công trình và thời gian nhanh nhất đưa công trình vào sử dụng

2.1.1 Điều kiện đất nền dưới công trình đất đắp

Dữ liệu địa chất cho công trình này được dựa trên thí nghiệm CPT cho các điểm từ 0+420 đến 0+600 Kết quả từ trên xuống dưới như sau:

Hình 2.1 – Kết quả thí nghiệm CPT từ vị trí 0+420 đến 0+600

- Lớp phù sa rất mềm: pha trộn giữa đất loại sét, trạng thái rất mềm (wP = 60%,

wL = 150%, 60% < w < 150%) và sợi than bùn (wL = 480%, 250% < w < 450% , Cu = 33 kPa), trải dài khắp chiều dài công trình, chiều dài thay đổi từ 11m tại 0+420 và 6m tại 0+600 Thí nghiệm CPT cho giá trị qc nhỏ hơn 0.5 Mpa và các giá trị thường xuất hiện nhất vào khoảng 0.3 Mpa

- Lớp đá phấn, không định hình được lấp đầy bởi bùn phù sa tại 0+420 và 0+500, xen kẽ bởi lớp cát trạng thái chặt vừa và cát mịn tại 0+500 và 0+600 Tại lớp đất này, thí nghiệm CPT cho các giá trị qc đều lớn hơn 3 Mpa Dựa vào tải trọng tác dụng, và điều kiện tác động của tải trọng, lớp đất này được xem là hợp lý cho việc cắm mũi cột CMC

- Tại một vài vị trí, có xuất hiện 1 lớp sét, trạng thái cứng ( qc > 20 MPa), dày 1 đến 2m, bên dưới lớp phù sa rất mềm Nhưng do chiều dày hạn hữu nên không được xem là lớp đất tốt để cắm mũi cột CMC, và trong tính toán được bỏ qua

để tăng tính an toàn

2.1.2 Các phương án gia cố được xem xét

Ba phương án gia cố nền được chọn cho công trình này là: gia tải trước kết hợp với thoát nước đứng bằng bấc thấm, cột đá và cột vữa bêtông CMC Vấn đề “thời gian”

là vấn đề được đặt lên hàng đầu, nên biện pháp gia tải trước kết hợp với thoát nước đứng bằng bấc thấm không được chấp nhận vì cần quá nhiều thời gian để xử lý trước khi có thề tiến hành thi công Bên cạnh đó, việc chọn cột vữa bêtông CMC thay cho cột đá vì các lý

do sau:

- Độ lún nền khi giá cố bằng cột đá được dự đoán lớn gấp đôi cột vữa bêtông CMC Và nếu để thoả độ lún yêu cầu, thì phải thiết kế cột đá với số lượng và kích thước lớn hơn, như thế sẽ không kinh tế

- Lớp phù sa mềm không đủ sức ôm giữ cho cột đá làm việc một cách an toàn Cùng với lớp đất sét mềm và bùn sét, cộng với tại trọng lớn từ lớp đất đắp (lên đến 155 KPa) sẽ gây ra hiện tượng phình cọc mà không có lực ngang đủ lớn để giữ lại, làm mất ổn định thành cột đá

Trang 23

Vì các lý do trên mà đối với công trình này, biện pháp xử lý nền dưới nền đất đắp được lựa chọn là hệ thống móng cột vữa bêtông CMC

2.1.3 Thiết kế cột vữa bêtông CMC

Tùy theo điều kiện đất nền tại từng vị trí, điều kiện tải trọng, yêu cầu về độ lún, các dữ liệu cần phải lựa chọn để thiết kế cột vữa bêtông CMC bao gồm các dữ liệu sau:

- Chiều dài của một cột vữa bêtông CMC và chiều sâu ngàm mũi vào lớp đất thuận lợi

- Đường kính của một cột vữa bêtông CMC

- Hệ lưới bố trí các cột vữa bêtông CMC

- Giá trị mođun biến dạng của một cột vữa bêtông CMC Giá trị mođun biến dạng này thay đổi tùy theo các dự án khác nhau, tuy nhiên, để dễ dàng áp dụng giải pháp xử lý nền này vào thực tế, nên lập sẵn một số giá trị tiêu biểu để áp dụng vào các dự án có công dụng và tính chất giống nhau

Việc tính toán thiết kế bao gồm ước lượng khả năng chịu tải của một cột vữa bêtông, kiểm tra việc tính toán bằng phương pháp số chạy trên các chương trình máy tính, kiểm tra ổn định, ra thiết kế cuối cùng

Khả năng chịu tải của một cột vữa bêtông CMC

Khả năng chịu tải của một cột vữa bêtông CMC được tính toán dựa trên công thức sức chịu tải cực hạn cho cọc trong đá phấn, được đề xuất của Sanglerat (1972):

( 2.1)

Với: k = 0.5, k1 = 0.5 (thông thường 0.5 < k1 < 0.9)

A: tiết diện ngang cột, φ = đường kính cột, Z = chiều sâu ngàm trong đất tốt FOS: hệ số an toàn (lấy bằng 2)

Dự án được chia thành hai khu vực dựa theo sự biến đổi của đất nền dưới công trình:

- Trường hợp 1: trường hợp phổ biến nhất (từ 0+460 đến 0+600) Trong khu vực này, chiều dày của lớp đất yếu nhỏ hơn 10 m, chiều sâu ngàm trong đất tốt là 1.5 m Khả năng chịu lực của một cột vữa bêtông CMC có đường kính 360 mm

là Qallow = 185 kN (đã tính đến hệ số an toàn FOS = 2)

- Trường hợp 2: ứng với giá trị thí nghiệm CPT ở điểm 0+420 có lớp đất sét rất mềm dày hơn 11 m nằm trên lớp đất sét cứng có giá trị qc = 3 MPa Trường hợp này chỉ chiếm một phần nhỏ trong toàn diện tích của sự án Tuy nhiên, theo báo cáo địa chất, chiều sâu ngàm mũi vào lớp đất tố chỉ được bằng 1m, để tránh xuyên mũi cột vào vùng đất yếu hơn Vì thế, đường kính của một cột vữa bêtông CMC phải được thiết kế to hơn, và khả năng chịu lực của một cột vữa bêtông CMC có đường kính 420 mm là Qallow = 153 kN (đã tính đến hệ số an toàn FOS = 2)

Lưới cột vữa bêtông CMC được thiết kế tùy thuộc vào khả năng chịu lực của từng cột vữa bêtông CMC, tải trọng đất đấp và tải trọng công trình Việc bố trí lưới đặt cột vữa bêtông CMC được tính toán đơn giản như sau: lấy khả năng chịu tải của 1 cột CMC đem chia cho tải trọng tác dụng Ví dụ: đất đắp cao 5m, ta có tải trọng lên nền là 5m x 18 kN/m3 = 90 kN/m2, khả năng chịu lực 1 cột CMC là 185 kN Vậy ta có 185/90 = 2.06 m2

Khả năng chịu lực (kN)

Chiều cao lớp đất đắp (m) 1.0 3.0 5.0 7.5 Lưới (m) Lưới (m) Lưới (m) Lưới (m)

11 420 153 - 1.7 1.3 1.0

10 360 185 - 1.7 1.4 1.2

Hình 2.2 – Sơ đồ bố trí lưới CMC

Trang 25

Kiểm tra thiết kế

Để kiểm tra lại kết quả thiết kế sơ bộ ban đầu, các tác giả sử dụng phần mềm tính toán địa kỹ thuật thông dụng là Plaxis Mô hình tính toán là tính toán với 1 cột vữa bêtông CMC, sử dụng bài toán đối xứng trục như hình 2.3

Hình 2.3 – Mô hình tính toán

Với mục đích phân phối lại biến dạng và ứng suất tác dụng giữa cột vữa bêtông CMC và đất, công trình sử dụng thêm một lớp đất cát đắp làm lớp đệm nằm trên lớp vải địa kỹ thuật (giá trị kéo đứt 84 kN/m và mođun bằng 630 kN/m) phủ trên đầu các cột vữa bêtông CMC

Mô phỏng bài toán trong cả hai điều kiện ngắn hạn và dài hạn, nhằm kiểm soát việc ứng xử của đất nền (biến dạng) theo thời gian Các giá trị để mô phỏng bài toán trong trường hợp dài hạn được lấy ra từ thí nghiệm CPT

Bảng 2.2 – Dữ liệu đầu vào

Vật liệu Sét mềm Lớp đất

thuận lợi

Lớp đất đệm

Lớp đất đắp Cột CMC Mođun, E (MPa) 1.5 15 35 80 11,000

Chiều dày (m) 7.0 – 11.0 3.0 0.5 0 – 7.5 7.5 – 12.5

Lực dính (kN/m2) 0 0 - 0 - Góc ma sát trong 18o 25o - 33o -

Lưu ý: vữa bêtông khi nén 1 trục đo cường độ ở 28 ngày, fc28, phải lớn hơn 11 MPa Khi

đó, mođun đàn hồi Young của cột CMC được xác định bằng 11,000 MPa

Đối với các số liệu của lớp đất yếu cho trường hợp ngắn hạn được tính toán từ công thức:

• Tải trọng đường: 20 KPa Lớp vải địa kỹ thuật dùng để tăng khả năng chịu ứng suất cắt tại đoạn gần đầu cột

và theo yêu cầu của tiêu chuNn Anh (BS) Tuy nhiên, kết quả tính toán sau cùng cho thấy rằng ứng suất kéo trong lớp vải địa là rất nhỏ

đường

Lún 9 mm 10 mm 5.5 mm 6 mm Ứng suất trong vải địa 1.4 kN /m 1.4 kN /m 0.72 kN /m 0.72 kN /m

và tăng khả năng chịu lực dưới tải trọng đất đắp do sự làm việc đồng thời giữa đất và hệ cột vữa bêtông CMC

Thời gian để gia cố nền theo biện pháp này là rất nhanh, hoàn thành 2193 cột CMC trên suốt công trình chỉ trong 2 tháng (bình quân 36.55 cột / ngày hay 456.875 m / ngày)

Để kiểm soát độ lún, các tác giả thực hiện quan trắc lún Độ lún trung bình khi đặt tải thiết kế 185 kN và 153 kN là khoảng 10 mm, đúng bằng độ lún yêu cầu Hơn nữa, khi thử tải tĩnh cho 1 cột CMC, các tác giả không thấy xuất hiện hiện tượng ma sát âm Điều này, các tác giả lý giải rằng do đất nền xung quanh cột và cột lún đồng thời, nên triệt tiêu được lực ma sát âm

2.2 Nghiên cứu thực nghiệm cho phuơng pháp Cột vữa bêtông CMC

(Linchang Miao, Fei Wang, Yajun Zhang và Chengxiang Zhang - 2009) [8]

Từ khi Cột vữa bêtông ra đời đến nay, nó đã được áp dụng tại nhiều nơi trên thế giới Vì thế, vấn đề cần thiết là phải nghiên cứu các tính chất riêng của cột vữa bêtông CMC, cũng như các ứng xử của nó khi làm việc Do đó, các tác giả đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm bằng mô hình trong phòng thí nghiệm cho phương pháp cột vữa bêtông CMC thay cho tiến hành ngoại thực địa vì các thí nghiệm trong phòng giúp kiểm soát tốt các vấn đề ảnh hưởng đến chất lượng kết quả thí nghiệm

2.2.1 Dụng cụ và mô hình thí nghiệm

Một hộp chứa đất có kích thước 50 x 80 x 70 cm3 MNu đất sét mềm được đặt vào hộp chứa theo 3 lớp, mỗi lớp dày 20 cm, dung trọng khô 14.8 kN /m3 Mẫu đất được bảo dưỡng trong vòng 1 tháng và giữ cho các chỉ tiêu về nước được cố định Ba cột vữa CMC được khoan nhồi vào mẫu đất, khoảng cách 20 cm theo hình tam giác bằng một máy chuyên dụng như hình vẽ Mỗi cọc đường kính 5cm, dài 50cm Tuy nhiên, trong nghiên cứu này, các tác giả chỉ nghiên cứu thí nghiệm cho một cột vữa CMC, và các cột CMC còn lại để cho các thí nghiệm ảnh hường của nhóm cột trong tương lai Cột vữa CMC được tạo thành từ hỗn hợp xi măng, cát và nước đã khử khí theo tỷ lệ về khối lượng là 20-60-20, cường độ nén 4.5 Mpa sau khi đóng cứng

2.2.2 Các bước thí nghiệm

Thí nghiệm bàn nén được sử dụng cho thí nghiệm này, sau khi mô hình đất và cột vữa CMC được hoàn thành 1 tháng, để đánh giá các tính chất và ứng xử của cột vữa CMC khi nằm trong đất

Trang 29Hai loại bàn nén được sử dụng trong thí nghiệm: tấm cứng (tấm thép) và tấm mềm (tấm gỗ) Cả hai tấm nén đều có đường kính là 21 cm Các cảm biến áp suất được đặt dưới tấm nén Đường kính của từng cảm biến áp suất là 2.8 cm Một cảm biến được đặt trên đỉnh của cột vữa CMC và nằm chính giữa tấm nén, hai cảm biến còn lại được đặt trên đất nền cách tâm cột vữa CMC 5 cm và 10 cm Cát phủ đầu cộc dày 3 cm nhằm tạo mặt phẳng tác dụng lực lên nền và cột vữa CMC

Tải trọng để gia tải là các khối thép nhỏ Tải tác dụng để thí nghiệm gồm 12 cấp tải Mỗi cấp tải được giữ cho đến khi độ lún đo được trong 2 giờ phải nhỏ hơn 0.01 mm, lúc đó mới được áp cấp tải mới lớn hơn

Hình 2.5 – Dụng cụ thí nghiệm mô hình cột vữa bêtông CMC Bảng 2.4 – Thông số đất thí nghiệm

a v

(MPa -1 )

E (MPa)

Ống dẫn vữa bơm

CNn khoan Thanh dẫn chuyển vị

Khung Tấm đệm Mũi khoan Hộp mẫu Mẫu đất

Hình 2.6 – Mô hình thí nghiệm bàn nén

2.2.3 Kết quả thí nghiệm

Để đánh giá hiệu quả của phương pháp cột vữa CMC, đất sét yếu không được xử

lý gia cố được nén thử bằng thí nghiệm bàn nén (sử dụng tấm cứng) để so sánh với kết quả của thí nghiệm nén với đất sét yếu đã xử lý như bên trên Tải trọng tác dụng trong thí nghiệm này chỉ gồm 8 cấp tải, mỗi cấp tăng 12 KPa Kết quả thí nghiệm được thể hiện bởi hình 2.7, trong đó gồm ba đường cong nén lún giữa tải trọng và độ lún đối với cả ba trường hợp thí nghiệm: đất chưa xử lý, đất xử lý với tấm cứng, đất xử lý với tấm mềm

Hình 2.7 – Biểu đồ quan hệ tải trọng và độ lún

Khối tải trọng bằng thép

Tải tác dụng, kN

Tấm cứng Tấm mềm Không xử lý

Độ lún, mm