Cọc cắt đầm chặt, công nghệ thi công và khả năng ứng dụng để xử lý nền đường đất yếu đoạn từ km 96+300 đến km 105+417 thuộc đường cao tốc hà nội hải phòng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT LÊ THỊ THANH NHÀN CỌC CÁT ĐẦM CHẶT, CÔNG NGHỆ THI CÔNG VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG ĐỂ XỬ LÝ NỀN ĐƯỜNG ĐẤT YẾU ĐOẠN TỪ KM 96+300 ĐẾN KM 105+417 THUỘC ĐƯỜNG CAO TỐC HÀ NỘI - HẢI PHÒNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT LÊ THỊ THANH NHÀN CỌC CÁT ĐẦM CHẶT, CÔNG NGHỆ THI CÔNG VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG ĐỂ XỬ LÝ NỀN ĐƯỜNG ĐẤT YẾU ĐOẠN TỪ KM 96+300 ĐẾN KM 105+417 THUỘC ĐƯỜNG CAO TỐC HÀ NỘI - HẢI PHÒNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chun ngành: Địa chất cơng trình Mã số: 60.44.65 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Đỗ Minh Toàn HÀ NỘI - 2013 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài tơi thực Những tài liệu số liệu sử dụng luận văn hồn tồn thật, có nguồn gốc rõ ràng Đề tài luận văn mà nghiên cứu hoàn toàn mới, chưa làm trước đây, hồn tồn khơng có chép đề tài Tác giả luận văn Lê Thị Thanh Nhàn MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan Mục lục Danh mục bảng Danh mục hình MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CỌC CÁT ĐẦM CHẶT VÀ BƯỚC ĐẦU ÁP DỤNG ĐỂ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU Ở VIỆT NAM 1.1 Khái quát chung phương pháp làm tăng độ chặt đất cọc cát 1.1.1 Cơ chế làm việc cọc cát 1.1.2 Đặc điểm làm việc cọc cát 1.1.3 Tính ưu việt phạm vi áp dụng cọc cát 1.1.4 Nguyên lý thi công cọc cát 1.1.5 Kiểm tra chất lượng cọc cát thi công xong 1.2 Xử lý đất yếu cọc cát đầm chặt 1.2.1 Đặc điểm phương pháp cọc cát đầm chặt 1.2.2 Phạm vi áp dụng phương pháp cọc cát đầm chặt (SCP) 10 1.2.3 Thiết bị thi công 10 1.2.4 Yêu cầu vật liệu cát 12 1.2.5 Quản lý chất lượng 13 1.3 Trình tự thiết kế cọc cát đầm chặt 18 1.3.1 Điều kiện thiết kế cọc cát đầm chặt 19 1.3.2 Thiết kế xử lý đất yếu đất rời cọc cát đầm chặt 21 1.3.3 Thiết kế xử lý đất yếu đất dính cọc cát đầm chặt 26 1.4 Trình tự thi cơng cọc cát đầm chặt 39 CHƯƠNG 2: ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT CƠNG TRÌNH TUYẾN ĐƯỜNG CAO TỐC HÀ NỘI - HẢI PHÒNG ĐOẠN TỪ KM96+300 ĐẾN KM 105+417 43 2.1 Vị trí địa lý đoạn tuyến từ Km 98+860 đến Km 99+100 43 2.2 Đặc điểm địa hình địa mạo 43 2.3 Sơ lược đặc điểm khí tượng thuỷ văn, địa chất thuỷ văn 44 2.4 Đặc điểm địa tầng tính chất lý đất 44 2.4.1 Lớp 1: Đất lấp đất trồng trọt 44 2.4.2 Lớp 2: Sét pha, trạng thái dẻo mềm 45 2.4.3 Lớp 3: Sét, trạng thái dẻo mềm 46 2.4.4 Lớp 4: Sét, trạng thái dẻo cứng 47 2.4.5 Lớp 5: Sét pha, trạng thái dẻo mềm 48 2.4.6 Lớp 6: Cát hạt vừa, kết cấu chặt 49 2.4.7 Lớp 7: Cát hạt nhỏ, kết cấu chặt 50 2.5 Nhận xét 51 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC CÁT ĐẦM CHẶT TUYẾN ĐƯỜNG CAO TỐC HÀ NỘI - HẢI PHÒNG, ĐOẠN TỪ KM 96+300 ĐẾN KM 105+417 52 3.1 Tiêu chuẩn yêu cầu thiết kế 52 3.1.1 Các tiêu chuẩn áp dụng 52 3.1.2 Các yêu cầu thiết kế xử lý đất yếu 52 3.2 Phương pháp tính tốn 54 3.2.1 Kiểm toán ổn định đoạn tuyến đường từ Km 98+860 đến Km 99+100 54 3.2.2 Cơ sở lý thuyết số liệu tính tốn cọc cát đầm chặt 65 3.2.3 Xác định chiều sâu, phạm vi xử lý 67 3.2.4 Phần mềm 67 3.3 Phân tích lựa chọn tiêu lý đất để thiết kế xử lý đường 67 3.3.1 Khối lượng thể tích đơn vị 68 3.3.2 Cường độ kháng cắt khơng nước ban đầu 69 3.3.3 Hệ số cường độ kháng cắt khơng nước 71 3.3.5 Tóm tắt tính chất lý, giá trị đất tính tốn để thiết kế xử lý đất yếu 75 3.4 Thiết kế xử lý đất yếu 76 3.4.1 Thiết kế xử lý đất yếu cho đoạn đường từ Km 98+860 đến Km 99+100 76 3.4.2 Sử dụng phần mềm tính độ lún K-embankment tính trượt Geoslope kiểm tra lại 78 3.4.3 Chi phí thi công xử lý đất yếu cọc cát đầm chặt đoạn đường Km 98+860 - Km 99+100 80 3.4.4 Tóm lại 81 3.5 Các công tác quan trắc địa kỹ thuật 81 3.5.1 Quan trắc lún 82 3.5.2 Quan trắc mực nước đất 82 3.5.3 Quan trắc chuyển vị ngang 82 3.5.4 Đo áp lực nước lỗ rỗng 83 CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ CỦA PHƯƠNG PHÁP CỌC CÁT ĐẦM CHẶT ĐÃ ỨNG DỤNG TẠI VIỆT NAM 84 4.1 Thiết kế xử lý đường đất yếu phương pháp bấc thấm cho Km 98+860 đến Km 99+100 84 4.1.1 Xác định thông số lý đường đất yếu phương pháp bấc thấm cho Km 98+860 đến Km 99+100 84 4.1.2 Tính chiều cao đắp đường theo giai đoạn 85 4.1.3 Thời gian chờ giai đoạn đắp 90 4.1.4 Kết luận 94 4.1.5 Chi phí thi cơng xử lý đất yếu bấc thấm đoạn đường Km98+860 - Km99+100 96 4.2 Phân tích hiệu phương pháp cọc cát đầm chặt 96 4.2.1 Tính ưu việt kỹ thuật 96 4.2.2 Tính ưu việt kinh tế 99 KẾT LUẬN 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG STT Tên bảng Trang Bảng 1.1: Các phương pháp kiểm toán lún đất sau gia cố 35 Bảng 2.1: Tổng hợp tiêu lý lớp 45 Bảng 2.2: Tổng hợp tiêu lý lớp 46 Bảng 2.3: Tổng hợp tiêu lý lớp 47 Bảng 2.4: Tổng hợp tiêu lý lớp 48 Bảng 2.5: Tổng hợp tiêu lý đặc trưng lớp 50 Bảng 2.6: Tổng hợp tiêu lý lớp 50 Bảng 3.1: Bảng tính ứng suất tim đường đường đắp 59 Bảng 3.2: Bảng tính giá trị độ lún cố kết đất 61 Bảng 3.3: Góc ma sát tỷ lệ phân chia ứng suất theo tỷ lệ thay 66 Bảng 3.4: Các giá trị Co điển hình từ kết thí nghiệm 70 Bảng 3.5: Kiến nghị giá trị Cc, Cv Kv lớp đất cho việc thiết kế 75 Bảng 3.6: Bảng tiêu lý đất cho thiết kế xử lý đất yếu 75 Bảng 3.7: Vị trí đoạn phạm vi từ Km 96+300 đến Km 105+417 xử lý phương pháp cọc cát đầm chặt 76 Bảng 3.8: Thông số thiết kế xử lý cọc cát đầm chặt 77 Bảng 3.9: Thông số đầu vào cho phần mềm K-embankment 78 Bảng 3.10: Kết tính tốn phần mềm K-embankment 79 Bảng 3.11: Kết hệ số an toàn Fs từ phần mềm Geoslope 79 Bảng 3.12: Các thông số thiết kế xử lý phương pháp cọc cát đầm chặt Km98+860 đến Km 99+100 81 Bảng 4.1: Bảng số lượng bấc thấm 85 Bảng 4.2: Các giá trị hệ số an toàn F mặt cắt với chiều cao đắp Hđ1 =2m 87 Bảng 4.3: Chiều cao đắp cho giai đoạn 90 Bảng 4.4: Thông số thiết kế xử lý yếu bấc thấm Km 98+860 Km99+100 95 Bảng 4.5: Chi phí thi cơng hạng mục cơng việc khác 96 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ STT Tên hình Trang Hình 1.1: Sơ đồ thi công cọc cát thường Hình 1.2: Đầu mũi ống thép Hình 1.3: Đặt ống vách vị trí thi cơng Hình 1.4: Hạ ống vách thép vào đất yếu Hình 1.5: Đổ cát nước chuẩn bị sẵn qua "cửa sổ" đỉnh cọc ống thép Hình 1.6: Dùng phương pháp chấn động vừa rung vừa rút ống thép lên khỏi mặt đất Hình 1.7: Thiết bị thi cơng cọc cát đầm chặt 10 Hình 1.8: Đồ thị giới hạn thành phần hạt cát sử dụng để thi công cọc cát đầm chặt 12 Hình 1.9: Bảng mã hóa thơng tin cọc cát đầm chặt Excel 14 Hình 1.10: Các thành phần ứng suất tác dụng lên mẫu đất hỗn hợp 15 Hình 1.11: Công tác đo chuyển vị ngang sâu 17 Hình 1.12: Cơng tác quan trắc mực nước ngầm 17 Hình 1.13: Cơng tác đo áp lực nước lỗ rỗng 18 Hình 1.14: Sơ đồ bố trí cọc cát đầm chặt 18 Hình 1.15: Mặt bố trí cọc (a) mặt cắt dọc cọc cát (b) 20 Hình 1.16: Cọc chống 20 Hình 1.17: Cọc treo 21 Hình 1.18: Mối liên hệ độ chặt tương đối hệ số rỗng theo Masaki Kitazume[3] 22 Hình 1.19: Mối liên hệ số xuyên tiêu chuẩn đất chưa gia cố Ni với số Nti sau cải tạo theo Masaki Kitazume[3] 22 Hình 1.20: Mối quan hệ emax , emin với Fc 23 Hình 1.21: Quan hệ Fc s 24 Hình 1.22: Sơ đồ tính tốn xử lý đất đất rời 25 Hình 1.23: Phương pháp tính ổn định xét đến làm việc cọc đất 31 Hình 1.24: Phương pháp thi cơng cọc cát đầm chặt 40 Hình 1.25: Sự di chuyển đầu mũi ống dẫn 40 Hình 1.26: Sự thay đổi đường kính cọc cát đầm chặt 41 Hình 2.1: Mặt cắt địa chất cơng trình đoạn Km 98+860 đến Km 99+100 44 Hình 3.1: Sơ đồ tính tốn tải trọng giao thơng 53 Hình 3.2: Giá trị tải trọng phân bổ 54 Hình 3.3: Sơ đồ phá hoại đường có đáy rộng 55 Hình 3.4: Biểu đồ phân bố ứng suất tim đường 60 Hình 3.5: Sơ đồ bố trí quan niệm thiết kế Cọc cát đầm (SCP) 65 Hình 3.6: Sơ lược khối lượng thể tích đơn vị lớp đất 68 Hình 3.7: Tóm tắt thơng số thí nghiệm sức chống cắt khơng nước đất 70 Hình 3.8: Tóm tắt giá trị Co điển hình từ kết thí nghiệm 71 Hình 3.9: Giá trị m từ kết thí nghiệm CU giá trị đề nghị thiết kế 71 Hình 3.10: Mối quan hệ m số dẻo 72 Hình 3.11: Biến thiên PC với độ sâu so sánh với áp lực q tải 72 Hình 3.12: Tóm tắt giá trị Cc lớp đất 73 Hình 3.13: Đồ thị giá trị đặc trưng lớp đất 3[từ 8m trở lên] 73 Hình 3.14: Đồ thị giá trị đặc trưng lớp đất [từ 8m xuống] 74 Hình 3.15: Mối quan hệ Cc-e, Cv-e Kv-e xây dựng cho đất yếu đoạn đường 74 Hình 3.16: Mặt cắt ngang điển hình đoạn cần tính tốn thiết kế xử lý 78 Hình 3.17: Biểu đồ độ lún độ cố kết đất theo thời gian t (K-embankment) 79 Hình 4.1: Biểu đồ phân kỳ thi cơng xử lý bấc thấm 94 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài: Trong xây dựng, đặc biệt xây dựng giao thông thường gặp đất yếu, thi công cần phải có giải pháp xử lý để đảm bảo độ ổn định cơng trình Hiện Việt Nam áp dụng nhiều biện pháp để gia cố đất yếu như: - Phương pháp thay đất; - Giải pháp thoát nước thẳng đứng (bấc thấm, giếng cát ); - Phương pháp cọc đất xi măng; - Sàn giảm tải; - Phương pháp cọc cát, Phương pháp cọc cát đầm chặt để gia cố đất yếu sử dụng số nước Hàn Quốc, Nhật Bản bước đầu nghiên cứu áp dụng Việt Nam So với phương pháp làm chặt đất cọc cát thông thường cọc cát đầm chặt khác công nghệ thi công Giải pháp công nghệ thi công xử lý đất yếu cọc cát đầm chặt có ưu điểm: làm rút ngắn thời gian thi công, không cần đắp gia tải đồng thời, thi cơng đến độ sâu thiết kế xử lý đất yếu lớn Hơn nữa, cọc cát đầm chặt khác với cọc cát thơng thường chỗ có đường kính lớn nhiều  = 600mm-800mm, với công nghệ thi công ưu việt nên cọc cát đầm chặt có khả chịu tải cao hơn, làm cố kết đất nhanh cọc cát thơng thường Để tìm hiểu, phân tích tính ưu việt phương pháp cọc cát đầm chặt hướng tới khả ứng dụng rộng rãi phương pháp Việt Nam đề tài: “Cọc cát đầm chặt, công nghệ thi công khả ứng dụng để xử lý đường đất yếu đoạn từ Km 96+300 đến Km 105+417 thuộc đường cao tốc Hà Nội - Hải Phịng” có tính cấp thiết Mục đích luận văn: Nghiên cứu, tìm hiểu bước thiết kế cọc cát thi công việc xử lý đất yếu phương pháp đầm chặt; Ứng dụng thiết kế xử lý cho đoạn đường từ Km 96+300 đến Km 105+417 thuộc đường cao tốc Hà Nội - Hải Phịng; Bước đầu phân tích làm sáng tỏ tính ưu việt phương pháp cọc cát đầm chặt 94 Giả sử thời gian chờ giai đoạn giai đoạn t = 110 ngày, được: Tv  0, 0026.620  0, 0012 ; Tra bảng (3.2), Uv = 0; (37) 8.1,73 0, 0005.620 Th   1, 73 ; U h   e 2,523 0,6931,21  0,9 ; (1,365) Thay số vào (5.14), được: U   (1  0, 9).1  0,9 Như vậy: thời gian chờ sau đắp xong giai đoạn 110 ngày * Kết luận: Tổng thời gian chờ đắp giai đoạn biện pháp xử lý đất yếu bấc thấm độ cố kết đạt 90% (t4) 620 ngày Hình 4.1: Biểu đồ phân kỳ thi công xử lý bấc thấm 4.1.4 Kết luận + Như ta có kết thiết kế xử lý đất yếu cho đoạn sau: 95 Bảng 4.4: Thông số thiết kế xử lý yếu bấc thấm Km 98+860 - Km 99+100 Đoạn Km 98+860 đến Km 99+100 Chiều cao Giai đoạn Thời gian chờ đắp (tháng) Thiết kế xử lý đất yếu (m) #5 #4 5,79 2,5 #3 3,45 3,5 #2 2,3 2,5 #1 2,0 Tổng cộng (tháng) 53 Chiều dày đệm cát thoát nước 1,6 Vải địa kỹ thuật gia cường 2Layers/T=200KN/m PP thoát nước thẳng đứng bấc thấm Khoảng cách cắm bấc thấm 1,3 Chiều sâu xử lý 35 - Thời gian để thực việc thi công xử lý đất yếu bấc thấm đoạn đường Km 98+860 đến Km 99+100 là: t3 +t4=75+620= 695ngày + Khối lượng công việc: - Đệm cát: Chiều rộng mặt đệm cát chiều rộng đáy đường: B1=51,8m Chiều rộng đáy đệm cát :B2=51,8-2.hc=48,6m Khối lượng cát cần dùng làm đệm cát là: Vđc= 80,32 m3 - Vải địa kỹ thuật gia cường: Diện tích cần trải vải địa kỹ thuật gia cường là: Svđkt= 240x51,8 = 1243,2 m2 96 - Đất đắp: Khối lượng đất dùng để đắp gia tải trước là: Vđđ= (51,8+35)/2x20,54= 891,44 m3 4.1.5 Chi phí thi cơng xử lý đất yếu bấc thấm đoạn đường Km98+860 - Km99+100 Tương tự phần (3.4.3) Chương 3, ta có: + Thi cơng 1m dài bấc thấm có giá thành 11.370,807đ Như tính tốn (4.1.1.4) khối lượng bấc thấm cần dùng 298200m Do đó, chi phí thi cơng bấc thấm cho tồn đoạn đường là: 3,4 tỷ VND + Đơn giá công việc khác (đơn giá tổng hợp cuối cùng, bao gồm chi phí nhân cơng, thiết bị ) Bảng 4.5: Chi phí thi cơng hạng mục cơng việc khác STT Hạng mục Đơn vị Khối lượng Đơn giá (VND) Thành tiền Thi công tầng đệm cát m3 80,32 Rải vải địa kỹ thuật gia cường m2 1243,2 1.270 1.578.864 Đắp chất tải thêm m3 891,44 50.982 45.447.394 227.508 18.273.442 + Tồn chi phí hạng mục là: 4,053 tỷ VND 4.2 Phân tích hiệu phương pháp cọc cát đầm chặt 4.2.1 Tính ưu việt kỹ thuật 4.2.1.1 Vật liệu Về vật liệu cát dùng để thi công cọc cát đầm chặt giống cọc cát thường loại cát hạt to, hạt trung, yêu cầu phải không lẫn tạp chất bụi, tỷ lệ hạt bụi không vượt 3% , đồng thời không lẫn hạt to có kích thước lớn 6cm Cát để thi cơng cọc cát đầm chặt phải có hàm lượng hữu