Nghiên cứu ứng dụng cọc đất xi măng theo công nghệ tạo cọc bằng thiết bị trộn kiểu tia phun xi măng (jet – grouting) cho địa bàn thành phố hải phòng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG VŨ VĂN KHÁNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CỌC ĐẤT XI MĂNG THEO CÔNG NGHỆ TẠO CỌC BẰNG THIẾT BỊ TRỘN KIỂU TIA PHUN XI MĂNG (JET – GROUTING) CHO ĐỊA BÀN THÀNH PHỐ HẢI PHÒNG LUẬN VĂN THẠC SỸ CHUN NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: GS.TSKH Nguyễn Văn Quảng Hải Phòng, tháng 01 năm 2017 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan tồn nội dung Luận văn tơi thực hướng dẫn GS TSKH Nguyễn Văn Quảng Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả Luận văn Vũ Văn Khánh LỜI CẢM ƠN Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật chun ngành Kỹ thuật cơng trình xây dựng với đề tài “Nghiên cứu ứng dụng cọc đất xi măng theo công nghệ tạo cọc thiết bị trộn kiểu tia phun xi măng (Jet-grouting) cho địa bàn thành phố Hải Phòng.” thành kiến thức thu nhận Học viên năm học Trường đại học Dân lập Hải Phòng Học viên xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TSKH Nguyễn Văn Quảng - người trực tiếp hướng dẫn, bảo tận tình suốt thời gian nghiên cứu hoàn thành Luận văn; Ban lãnh đạo Nhà trường tồn thể thầy thuộc khoa Xây dựng - Trường đại học Dân lập Hải Phòng, người giúp đỡ cổ vũ tạo điều kiện cho Học viên suốt trình học tập, định hướng nghiên cứu thực Luận văn Học viên xin cám ơn ủng hộ, động viên tinh thần nhiệt tình gia đình, bạn bè, đồng nghiệp thời gian thực Luận văn MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài: Đất nước ta đường công nghiệp hóa, đại hóa điều kiện kinh tế thị trường, ngành xây dựng tất yếu cần phải phát triển không ngừng ngày lớn mạnh Tiếp cận công nghệ tiên tiến giới đưa vào ứng dụng nước để tạo sản phẩm có chất lượng, đạt hiệu kinh tế cao phần chiến lược phát triển khoa học công nghệ Quốc gia Để nâng cao chất lượng lĩnh vực xử lý cơng trình xây dựng, thủy lợi, giao thơng có nhiều cơng nghệ đưa vào ứng dụng rộng rãi bấc thấm, vải địa kỹ thuật, công nghệ xử lý đất yếu theo phương pháp ổn định tồn khối…và khơng thể khơng nói đến cơng nghệ khoan cao áp (Jet - Grouting) Tuy đời muộn công nghệ khoan cao áp nhà chuyên môn đón nhận đánh giá cao ưu điểm bật nó, đặc biệt để giải khó khăn thi cơng Việc sử dụng phương pháp gia cố cọc đất xi măng theo cơng nghệ Jet grouting Hải Phịng chưa áp dụng rộng rãi lý thuyết, phương pháp tính tốn giá thành máy móc, chưa có nghiên cứu nâng cao chất lượng q trình thi cơng Đặc biệt chưa có nghiên cứu ứng dụng chun sâu cơng nghệ Hải Phịng Với đặc điểm yêu cầu nêu trên, đề tài “Ứng dụng cọc đất xi măng theo công nghệ tạo cọc thiết bị trộn kiểu tia phun xi măng (Jet Grouting) cho địa bàn thành phố Hải Phòng” mang ý nghĩa thiết thực, cần thiết Cọc đất xi măng thi công theo công nghệ Jet Grouting với ưu điểm giá thành rẻ công nghệ khác không tốn nhiều vật liệu, tận dụng vật liệu chỗ, thiết bị thi công không phức tạp… tính tốn áp dụng thành cơng đạt hiệu lớn Mục tiêu nghiên cứu đề tài: - Một là, nắm đặc điểm kỹ thuật cọc đất xi măng quy trình thi công cọc đất xi măng theo công nghệ Jet – Grouting để có giải pháp quản lý đảm bảo chất lượng cơng trình; - Hai là, nghiên cứu phạm vi áp dụng cọc đất xi măng cho công trình xây dựng Hải Phịng; nghiên cứu khả áp dụng biện pháp xử lý cọc đất xi măng cho dạng đất yếu khác khu vực thành phố Hải Phòng; - Ba là, nghiên cứu tính tốn, thiết kế cọc đất xi măng để ứng dụng cho cơng trình xây dựng; - Bốn là, áp dụng giải pháp hợp lý để quản lý tổ chức thi công cọc đất xi măng theo công nghệ Jet - Grouting vào xử lý đất yếu Hải Phòng; - Năm là, đề xuất giải pháp để đảm bảo chất lượng kiểm tra đánh giá chất lượng q trình thi cơng nghiệm thu Hƣớng nghiên cứu, phƣơng pháp nghiên cứu  Thu thập tài liệu nghiên cứu lý thuyết: Tiêu chuẩn thiết kế nước, tài liệu, báo cáo khoa học, giáo trình hướng dẫn tính tốn thiết kế xử lý đất cọc đất xi măng theo công nghệ tạo cọc thiết bị trộn kiểu tia phun xi măng (Jet Grouting)  Thu thập phân tích số liệu kết thí nghiệm thi cơng dự án đầu tư xây dựng có sử dụng giải pháp cọc đất xi măng gia cố đất yếu triển khai  Nghiên cứu ứng dụng cọc đất xi măng theo công nghệ tạo cọc thiết bị trộn kiểu tia phun xi măng (Jet Grouting) cho địa bàn thành phố Hải Phòng  Để áp dụng cọc đất xi măng cách phổ biến xây dựng cơng trình Việt Nam nói chung Hải Phịng nói riêng, nội dung nghiên cứu đề tài tập trung nghiên cứu làm rõ vấn đề sau đây: sở lý thuyết tính tốn kết cấu cọc, sức chịu tải cọc, quy trình cơng nghệ thi cơng cọc đất xi măng thiết bị trộn kiểu tia phun xi măng (Jet Grouting) cho địa bàn thành phố Hải Phòng  Thu thập số liệu địa chất khu vực thuộc địa bàn thành phố Hải Phịng, từ nghiên cứu, tính tốn áp dụng cho khu vực Kết dự kiến đạt đƣợc Tổng quan thi công cọc đất xi măng theo công nghệ Jet – Grouting ứng dụng vào cơng trình Việt Nam giới Từ đó, đề xuất giải pháp hợp lý việc ứng dụng công nghệ Jet Grouting để xử lý đất yếu cho địa bàn thành phố Hải Phòng Các kết nghiên cứu Luận văn sử dụng làm tài liệu tham khảo, nghiên cứu áp dụng cho chuyên ngành địa kỹ thuật, thi công xây dựng công trình hạ tầng thị, hồn thiện thêm, sở khoa học để kiến nghị sử dụng rộng rãi phương pháp gia cố cọc xi măng đất thực tiễn xây dựng cơng trình Hải Phịng CHƢƠNG I TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CỌC ĐXM THEO CÔNG NGHỆ JET GROUTING Jet Grouting kỹ thuật gia cố cách sử dụng tia nước/vữa/khí với áp lực cao để cắt đất, sau trộn vữa với đất vừa bị cắt tạo thành hỗn hợp đất – xi măng (soilcrete) có cường độ tốt hệ số thấm thấp (Choi 2005, Essler & Yoshida 2004, Xanthakos et al 1994) Trong hệ thống phương pháp xử lý nền, Jet Grouting phương pháp sử dụng linh hoạt cho nhiều mục đích khác như: gia cường móng cho cơng trình, làm tường chống thấm, làm giảm kiểm soát chuyển vị cho hố đào hay trình thi công hầm, v.v (Choi 2005, Essler & Yoshida 2004) Phương pháp Jet Grouting tạo khối soilcrete đảm bảo cường độ với hình dạng khác thông qua yếu tố tốc độ xoay, tốc độ nâng cần, cách xếp, bố trí lỗ khoan, v.v để phục vụ cho mục đích cụ thể (Choi 2005) Hình dạng phổ biến Jet Grouting dạng cột vữa, hình dạng tạo xoay nâng cần trình vữa, cần tạo kết cấu đạng q trình rút cần khơng xoay cần (Choi 2005) Các kết cấu dạng phức tạp khác tường dạng màng, móng băng, tường trọng lực tạo thành cách kết hợp cấu trúc dạng cột đề cập bên Các kết cấu tạo nên khối soilcrete ứng dụng địa kỹ thuật để giải nhiều vấn đề Tuy nhiên, phương pháp đòi hỏi khắt khe kỹ thuật thiết kế thi cơng, sai sót thiết kế hay cố thi công dẫn đến sản phẩm soilcrete không đạt chất lượng (Essler & Yashida 2004) TÌNH HÌNH CƠNG NGHỆ JET GROUTING TRÊN THẾ GIỚI a Lịch sử đời Khả xói tia nước sử dụng cho mục đích đào đất từ sớm, đặc biệt cơng nghiệp khai thác mỏ, chí có số tài liệu cho kỹ thuật áp dụng từ thời Trung Cổ (Essler & Yashida 2004) Kỹ thuật Jet Grouting sớm phát minh Anh vào thập niên 50, ứng dụng Nhật vào thập niên 70 (Essler & Yoshida 2004) Những nghiên cứu phát triển ban đầu sử dụng nguyên lý cắt xói đất vào khoảng năm 1965 Yamakado cộng (Xanthakos et al 1994 từ nguồn Miki & Nikanishi 1984) Trong giai đoạn Jet Grouting sử dụng để tạo tường ngăn nước (Essler & Yoshida 2004) (hình 1.1) Hình 1.1: Jet Grouting áp dụng ban đầu để tạo tường ngăn nước (Essler & Yoshida 2004) Vào đầu năm thập niên 70, vữa cao áp kết hợp xoay cần xuất Nhật kết cấu dạng khó tạo với bề dày khác có cường độ yếu (Essler & Yashida 2004) Cuối năm thập niên 70, hầu hết kỹ thuật Jet Grouting tìm chấp nhận khắp giới, trước tiên chủ yếu Đức, Pháp, Singapore Brazil (Xanthakos et al 1994) Phạm vi mở rộng đáng kể thập kỷ sau Ở Nam Mỹ, ý tưởng Jet Grouting đề cập lần vào năm 1979, 1984 số dự án nhỏ sử dụng hệ thống thi công phương pháp (Xanthakos et al 1994) Sự chấp nhận chậm công nghệ hạn chế gồm: rủi ro sử dụng biện pháp mới, tính pháp lý phương pháp mới, tính khơng phù hợp phương pháp địa phương, hay vấn đề kỹ thuật dẫn đến tính hiệu phương pháp, đơn giản kỹ thuật đắt tiền (Xanthakos et al 1994 từ nguồn Andromalos and Pettit 1986) Tuy nhiên, năm sau số lượng nhà thầu thi công công nghệ nhiều có kinh nghiệm hơn, đặc biệt mục đích chống đỡ cho cơng trình đất cát hay sỏi sạn (Xanthakos et al 1994) Cho đến năm 1987 Jet Grouting dùng Mỹ (Choi 2005 từ nguồn Schaefer 1997) Vào cuối thập niên 80, ý tưởng cho phương pháp Jet Grouting, dùng hai tia giao để hạn chế khả cắt tia vữa áp lực cao – Crossjet Grouting Phương pháp cho đường kính cọc xác mong muốn áp dụng cho loại đất (Essler & Yoshida 2004) Đầu thập niên 90, phương pháp Jet Grouting, Supperjet Grouting, có khả gia tăng đường kính cọc phát triển Phương pháp tạo cọc có đường kính lớn 5m chí lên đến 9m đất yếu (Essler & Yoshida 2004) Hình cho thấy cột vữa thi cơng cơng nghệ Supper Jet Grouting với đường kính m Hình 1.2: Cột vữa thi cơng cơng nghệ SupperJet Grouting với đường kính 4m (Kazemian&Huat 2009 từ nguồn Ratio 2006) b Ứng dụng cọc đất xi măng giới Những nước ứng dụng công nghệ trộn sâu nhiều Nhật Bản nước vùng Scandinaver (Bắc Âu) Theo thống kê hiệp hội cọc trộn sâu (Cement deep mixing methods – CDM-Nhật Bản), tính chung giai đoạn 80~96 có 2345 dự án, sử dụng 26 triệu m3 hỗn hợp xi măng - đất Riêng từ 1977 đến 1993, lượng đất gia cố trộn sâu Nhật vμo khoảng 23.6 triệu m3 cho dự án ngoμi biển vμ đất liền, với khoảng 300 dự án Hiện hàng năm thi công khoảng triệu m3 Đến 1994, hãng SMW Seiko thi cơng 4000 dự án tồn giới với 12.5 triệu m2 (7 triệu m3) Tạp chí Tin tức kỹ thuật (ENR) thường xuyên thông báo thành tựu công nghệ trộn sâu (Deep mixing - DM) Nhật Bản, chẳng hạn số 1983 đăng kết ứng dụng cho cơng trình móng thi cơng nước, số 1989 tác dụng chống động đất, số 1986 tường chống thấm Hμng năm, hội nghị công nghệ gia cố tổ chức Tokyo, hội nghị nhiều thành tựu khoan phục DM trình bày Tại Trung Quốc, công tác nghiên cứu năm 1970, từ cuối năm 1960, kỹ sư Trung Quốc học hỏi phương pháp trộn vôi sâu CDM Nhật Thiết bị trộn sâu dùng đất liền xuất năm 1978 vμ đượcsử dụng để xử lý khu công nghiệp Thượng Hải Tổng khối lượng xử lý trộn sâu Trung Quốc vμo khoảng triệu m3 Từ năm 1987 đến 1990, công nghệ trộn sâu đượcsử dụng Cảng Thiên Tân để xây dựng bến cập tàu cải tạo cho 60 khu dịch vụ Tổng cộng 513000m3 đất gia cố, bao gồm móng kè, móng tường chắn phía sau bến cập tầu Một số nghiên cứu khác liên quan tới trộn sâu Đông Nam Á sử dụng cột vôi đất xử lý đất hữu Trung Quốc (Ho, 1996), hố đào sâu Đài Loan (Woo, 1991) số dự án khác Singapore (Broms , 1984) Tại Châu Âu, nghiên cứu vμ ứng dụng bắt đầu Thụy Điển vμ Phần Lan Trong năm 1967, Viện Địa chất Thụy Điển nghiên cứu cột vôi (SLC) theo đề xuất Jo Kjeld Páue sử dụng thiết bị theo thiết kế Linden- Alimak AB (Rathmayer, 1997) Thử nghiệm sân bay Ska Edeby với cột vôi có đường kính 0.5m vμ chiều sâu tối đa 15m cho kinh nghiệm cột vôi cứng hoá (Assarson vμ nnk, 1974) Năm 1974, đê đất thử nghiệm (6m cao 8m dμi) đượcxây dựng Phần Lan sử dụng cột vôi đất, nhằm mục đích phân tích hiệu hình dạng chiều dài cột mặt khả chịu tải (Rathmayer Liminen, 1980) Hình 4.11 Mặt bố trí cọc móng điển hình 2.2 Tính tốn Cọc xi măng đất thi công theo phƣơng pháp Jet - Grouting * Tính tốn theo tiêu chuẩn Trung Quốc DBJ -08-40-94 - Tính sức chịu tải cọc theo vật liệu cọc: Pa =η*qu*Ap =0,35*400*0,785=109,9 (T) Trong đó: Pa - sức chịu tải cho phép cọc đơn (T) qu - cường độ kháng nén cọc, qu =400(T/m2) η - hệ số chiết giảm cường độ thân cọc, η = 0,35 Ap - diện tích mặt cắt cọc, Ap = 0,785 (m2) - Tính sức chịu tải theo điều kiện đất nền: Pa = Up∑qsi*li + α*Ap*qp = 3,14*1,4*10+0,6*0,785*150=114,61 (T) Trong đó: Up - chu vi cột, Up =3,14 (m) qsi - lực ma sát cho phép lớp thứ i xung quanh cọc Theo DBJ -08-40-94: Đối với đất bùn, qsi = 5÷8 (kPa) = 0,5 ÷ 0,8 (T/m2) Đất lẫn bùn, qsi = 8÷12 (kPa) = 0,8 ÷ 1,2 (T/m2) Đất sét, qsi = 12÷15 (kPa) = 1,2 ÷ 1,5 (T/m2) Trong tính tốn lấy qsi = 1,4 (T/m2) li - chiều dày lớp đất thứ i, li = 10 (m) α - hệ số chiết giảm lực chịu tải đất móng thiên nhiên mũi cọc, α = 0,6 qp - sức chịu tải đất mũi cọc, qp = 150 (T/m2) [10, tr 141] (bảng 4.4, sách Nền móng, Lê Anh Hoàng, Nhà xuất Xây dựng) - Chn sc chu ti cc đơn: Pa = 109,9 (T) 2.3 Kiểm tra điều kiện biến dạng Hình 4.12 - Sơ đồ tính tốn biến dạng Độ lún đất (h) bao gồm độ lún xử lý (h1) độ lún đất bên khối xử lý (h2) h =h1 +h2 2.3.1 Độ lún xử lý cọc đất xi măng  Độ lún đất xử lý tính theo cơng thức: h1  qH a p E p  (1  a p ) Es Trong công thức trên: h tổng độ lún tính tốn gia cố cọc xi măng đất, tính m; q tải trọng tác dụng, tính T/m2; ap tỷ lệ diện tích gia cố tính %, ap= n.Ap/A= 6*0,785/17,5= 27% (trong n số cọc; Ap diện tích cọc; A diện tích đáy móng) H chiều dày lớp đất yếu gia cố, tính m; Ep mơ đun biến dạng cọc, tính kN/m2; Es mô đun biến dạng đất xung quanh cọc, tính kN/m2; Thay số vào cơng thức kết đây:  d (m) ap Ep (T/m2) Es (T/m2) q (T/m2) H (m) S1 (mm) 1,0 0,27 7500 229,4 10,4 10 47,4 Độ lún đất khối xử lý tính theo cơng thức: h2  Qc  '  q' 0,071 13,2  7,28 H ' lg  * lg =0,017m =1,7cm  e0  '0  1,363 13,2 q'  qB 10,4 * 3,5  =7,28 T/m2 H' B 3,5  2 Trong công thức trên: q' tải trọng tác dụng lên lớp đất yếu khơng gia cố mũi cọc, tính T/m2; H' chiều dày lớp đất yếu không gia cố mũi cọc, tính m; H’=3m Qc số nén lớp đất yếu mũi cọc; Qc=0,071 e0 hệ số rỗng tự nhiên lớp đất yếu mũi cọc; e0=1,363 0' ứng suất hiệu đáy khối gia cố, tính T/m2; 0'=11,5*1,147 =13,2 T/m2 h =h1 +h2=4,74+1,7=6,44cm < 8cm Thi công cọc đất xi măng 3.1 Yêu cầu vật liệu thiết bị thi công a Xi măng - - Xi măng dùng thi công thử cọc đất xi măng phải đạt mác PCB40 theo tiêu chuẩn TCVN 6260-1997 Chất lượng xi măng phải thí nghiệm kiểm tra theo tiêu chuẩn TCVN 6016-1995, TCVN 679-1989 Kết thí nghiệm phải đạt yêu cầu kỹ thuật đánh giá theo tiêu sau: Cường độ chịu nén (TCVN 6016-1995) không nhỏ 400kg/cm2 (R28 ngày) Thời gian đông kết: TCVN 6017-1995 (ISO 9597-1989) + Bắt đầu đông kết: không 45 phút + Kết thúc đông kết: không 170 phút Độ ổn định thể tích đo theo phương pháp LeChatelier