CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN BẰNG CỌC ĐẤT - VÔI - XI MĂNG CHO CÔNG TRÌNH NHÀ TỪ 3 ĐẾN 6 TẦNG
1.2. Lịch sử phát triển và ứng dụng của giải pháp cọc đất-vôi-ximăng
Từ rất lâu , phương pháp trộn vôi, ximăng đã được dùng để cải tạo nền đất yếu.
Phương pháp gia cường đất sét với vôi đã được thực hiện cách đây 5000 năm. Do vậy đã có nhiều nước trên thế giới áp dụng để gia cố nền cho các công trình xây dựng.
a. Tại các nước trên thế giới.
Ngay từ đầu năm 1925, ở Liên Xô cũ người ta đã dùng vôi tôi cải tạo tính chất của đất để phục vụ xây dựng đường giao thông, thuỷ lợi, xây dựng dân dụng và công nghiệp. Gia cố nền đất yếu bằng vôi là một phương pháp được biết từ lâu và đã được một số tổ chức nghiên cứu tiêu chuẩn hoá để áp dụng cho thiết kế xây dựng đường giao thông (ví dụ : Ministèra del'Equipement, 1972); nhưng quy trình chỉ xác định cho lớp đất mặt gia cố dày 0,3m.
Vào năm 1954, IU.B.Osiopv đã dùng vôi sống để cải tạo tính chất xây dựng của đất ; theo ông vôi sống có khả năng ngưng kết ( hoá cứng ) trong vòng 5 - 10 phút ở điều kiện xác định, tức là nó ngưng kết nhanh gấp 50 + 100 lần vôi tôi.
Cũng 1954 , Công ty lntrusion Prepakt (Mỹ) ứng dụng và phát triển kỹ thuật.
Cọc Trộn Tại Chỗ ( MIP - Mix ln Place). Vào những năm 1960, qui trình gia cố
nền đất bằng vôi trộn đất cho lớp đất mặt dày 1m đã được thực hiện ở Mỹ và Đức bằng cách nhồi vôi vào các lỗ khoan sẵn đường kính 100mm. Đến 1961, kỹ thuật MIP đã được áp dụng tại Nhật Bản với hơn 300.000m dài cọc dùng gia cố hố đào và kiểm soát mực nước ngầm. Tiếp tục đến những năm đầu của thập niên 70. Công ty Seiko Kogyo đã thực hiện thành công kỹ thuật tường ngăn SMW ( Soil Mixture Wall) và DMM.
Cũng năm 1967 , Kjeld Paus, Linden Alimak AB , và Byggproduktio AB tiến hành nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và ngoài thực địa cho phương pháp cọc vôi Thuỵ Điển để xử lý đất sét yếu dưới nền đường.
Năm 1967, Viện Nghiên Cứu Hải Cảng và bến Tàu ( PHRI - Port and Harbour Research institute ) thuộc Bộ Giao Thông vận Tải Nhật Bản bắt đầu tiến hành các thí nghiệm trong phòng sử dụng vôi cục hoặc vôi bột để xử lý cải tạo đất biển bằng phương pháp Deep Lime Mixing DLM- Phương pháp trộn vôi dưới sâu . Đề tài nghiên cứu này do Okumura Terashi chủ trì nhằm .
+ Nghiên cứu phản ứng xảy ra giữa vôi và đất biển.
+ Nghiên cứu việc chế tạo các thiết bị trộn phù hợp. Những thiết bị trộn được sử dụng đầu tiên để thử nghiệm gần sân bay Hameda.
Năm 1973, Abelev đã mô tả phương pháp xử lý nền đất áp dụng ở Barnaul ở Buston ở Liên Xô cũ. Ở Barnaul, người ta xử lý lớp bùn sét dày 30m (γ = 15 - 16 kN/m2, Wn = 23 = 26 %) bằng cọc vôi sống đường kính 0,5m, dài 7m, các tim cọc cách nhau 2m, hàm lượng nước của đất sét giảm trung bình 5%, các thông số về cường độ kháng cắt tăng từ C’= 12 - 21kPa và ϕ = 13 - 140 đến C’ = 30 - 37 kPa và ϕ 17 - 200; và mô đun biến dạng của đất giữa các cọc tăng từ 1000 - 1600kP a lên 2900 - 38000 kPa . Ở Buston , người ta tiến hành các thí nghiệm chất tải trước và sau khi xử lý nền đất bùn sét (γ = 17 - 18 kN/m3, Wn= 25 - 28%) với cọc vôi đường kính 0,265m và dài 5m. Kết quả thí nghiệm bàn nén hiện tượng thực hiện 36 ngày sau khi xử lý cho thấy rõ được hiệu quả của phương pháp xử lý .
Cũng vào năm 1974 , người ta tiến hành các thử nghiệm với cọc vôi (limepiles) tại sân bay Ska Edeby, Thụy Điển với cọc dài 15m, đường kính 0,5m.
Năm 1974 Viện Nghiên Cứu Hải Cảng và bến Tàu ( PHRI - Port and Harbour Research institute ) báo cáo tổng kết bằng phương pháp DLM - Deep Lime Mixing, Trộn vôi dưới sâu đã được áp dụng rộng rãi tại Nhật bản. Công ty FU DO Construction Co., Ltd đã sử dụng thiết bị Mark VI đầu tiên vào việc cải tạo nền đất sét yếu tại Chiba.
Cũng vào năm 1974, Arrasson, Linden Alimark AB và một số nhà nghiên cứu khác đã công bố chi tiết của phương pháp cọc vôi.
Cũng vào năm 1974, tại Phần Lan, lần đầu tiên người ta sử dụng phương pháp cọc vôi Thụy Điển để xử lý nền đất sét yếu : nền đường cao ôm, cọc vôi-ximăng đường kính 0,5m.
Năm 1975, PHRI đã nghiên cứu phát triển phương pháp trộn ximăng dưới sâu (CDM - Cement Deep Mixing ) bằng việc sử dụng vữa ximăng lỏng và áp dụng xử lý nền đất sét yếu bờ biển.
Năm 1976, Viện Nghiên Cứu Công Trình Công Cộng ( PHRI - Port and Harbour Research institute ) thuộc Bộ xây Dựng Nhật Bản hợp tác với Viện Nghiên Cứu Máy xây Dựng Nhật bản bắt đầu nghiên cứu phương pháp DJM - Deep Jet Mixing Trộn phun khô sử dụng bột ximăng khô hoặc đôi khi sử dụng vôi sống.
Giai đoạn thử nghiệm đầu tiên hoàn thành vào năm 1980.
Cũng vào năm 1976, ở Ấn Độ, HUNAD SM.Etel thuộc Viện kỹ thuật và công nghệ Shri (Shri G.S. Lnstitute of Technoloyy and Science) và tiếp sau đó Swarajyamal Hunad đã nghiên cứu và đề xuất sử dụng cọc vôi (lime piles ) để xử lý đất yếu trương nở là loại đất phổ biến khắp miền Trung Ấn Độ với diện tích khoảng 500.000km2.
Ở Thuỵ Điển, năm 1977 Viện Địa Kỹ Thuật Thuỵ Điển SG ( Swedish Geotechnical lnstitute ) đã xuất bản đầu tiên sách Hướng dẫn thiết kế cọc vôi ( nghĩa là cọc sét mềm gia cố bằng vôi ) ( Assarson Broms & Bowman ). Kỹ thuật này bao gồm việc trộn tại chỗ với tỉ lệ 6% vôi sống ( quicklime CaO) với đất sét mềm bằng máy khoan ( auger). Kết quả ghi nhận ở các cọc vôi nói trên cho thấy sau một năm cường độ đạt được gấp 50 lần cường cường độ đất chưa xử lý, sau một tháng đạt được 1/3 và sau hai tháng đạt được 1/2. Các cọc vôi cũng trở nên thấm nước hơn đất chưa xử lý và chúng làm việc như một giếng cát thoát nước thẳng đứng để tăng nhanh quá trình cố kết .
Năm 1977, lầu đầu tiên phương pháp trộn ximăng dưới sâu CDM (cement Deep Mixing) áp dụng cho các công trình thực tế tại Nhật Bản.
Năm 1980 , phương pháp DJM được áp dụng thực tế tại Nhật Bản.
Những năm đầu thập niên 80, Hiệp hội DJM thành lập tại Nhật Bản.
Năm 1983, tại Helsink Phần Lan, Eggstad xuất bản báo cáo State - of-the-Art về hiệu quả gia cố của cọc vôi.
Năm 1985, Viện Kỹ Thuật Thuỵ Điển SGl (Sweden Geotechnics lnstitute) xuất bản tuyển tập tổng kết quá trình 10 năm phát triển của phương pháp trộn sâu DMM (Ahnberg & Bolm).
Năm 1986, Miura đã kết luận là việc cải tạo nền đất sét yếu Ariake ở Nhật Bản bằng cách trộn vôi sống có hiệu quả với đất sét đã cải tạo bằng phương pháp DJM, người ta đưa ra một tiêu chuẩn tạm thời (Miua, 1986); tiêu chuẩn yêu cầu độ bền nén nở hông của đất đã cải tạo tại hiện trường phải lớn hơn 400 kPa sau 28 ngày bảo dưỡng.
Năm 1986, SMW Seiko lnc , bắt đầu ứng dụng DMM tại Mỹ dưới sự bảo trợ của Công ty Seiko Tokyo Nhật Bản.
Năm 1987, từ kết quả nghiên cứu Cục Đường Bộ và Đường sắt Quốc Gia Pháp tài trợ Công ty Bachy ( Pháp) ứng dụng và phát triển qui trình Colmix trong đó việc thi công trộn và đầm chặt đất - ximăng được thực hiện bằng cách đảo ngược chiều xoay của máy khoan khi rút lên trên .
Năm 1989, các công ty Trevi tại ltaly phát triển DMM theo kỹ thuật riêng Trevimix method, trước hết bằng phương pháp phun trộn khô và tiếp theo là phương pháp trộn ướt.
Năm 1990, tại Phần Lan người ta sử dụng thiết bị trộn mới sử dụng ximăng và voâi.
Năm 1990, giáo sư Tersashi người đã có quá trình nghiên cứu DLM ( Deep Lime Mixing ), CDM ( Cement Deep Mixing ) và DJM ( Dry je1t Mixing ) từ năm 1970 với Viện Nghiên Cứu Hải Cảng và Bến Tàu PHRI Nhật Bản tổ chức các buội hội thảo tại Phần lan; trong đó, giới thiệu hơn 30 loại chất kết dính (binde) bao gồm thành phần xỉ, thạch cao, hoặc cement đang được sử dụng trong thực tế tại Nhật bản .
Năm 1991, Viện hàn Lâm Khoa Học Bungari công bố các kết quả nghiên cứu tại Bungari về gia cố bằng cọc - ximăng.
Trong thập niên 1990, việc sử dụng phương pháp gia cố sâu cho nền đất bằng cọc vôi - ximăng đã gia tăng ở Na Uy.
Năm 1993, Hiệp hội Deep jet Mixing - DJM Nhật Bản phát hành tài liệu hướng dẫn thiết kế và xây dựng theo phương pháp DJM.
Năm 1994, Hiệp hội DJM Nhật Bản tổng kết được 1820 dự án được hoàn thành sử dụng DJM.
Năm 1995, các nhà nghiên cứu Kukko và Ruohomaki báo cáo chương trình nghiên cứu qui mô lớn trong phòng thí nghiệm để phân tích các nhân tố ảnh hưởng phản ứng hoá cứng trong đất sét gia cố sử dụng các chất trộn vôi mới như xỉ, tro hay núi lửa ( tly ash).
Năm 1995, Chính phủ Thuỵ Điển thành lập Trung Tâm Nghiên Cứu Gia Cố Sâu Nền Đất Thuỵ Điển SD - Svensk Djupstablilisering tại Viện Nghiên Cứu kỹ thuật Thuỵ Điển SGl. Trung tâm này có nhiệm vụ chủ trì nghiên cứu gia cố, mô hình cấu trúc đất gia cố, qui trình đảm bảo chất lượng phương pháp thi công . Năm 1995 tại Thuỵ Điển có một công trình tiêu biểu đó là từ tháng 1 đến tháng 11 Công ty Hercules thi công hệ thống cọc vôi - ximăng cho Nhà thầu NCC-AB, Chủ đầu tư là Cục Đường Sắt Quốc Gia Thuỵ Điển (the Swekish National Railways Administration ) trong dự án mở rộng đường sắt West Coast nối liền Satinge và Lekarekulle:
* Số lượng cọc vôi - ximăng : 12.000 cọc
* Khối lượng cọc vôi - ximăng : 170.000m
* Chiều dài trung bình cọc vôi - ximăng : 14,6m
* Chiều cao lớn nhất của nền đất đắp : 14,6m.
* Kích thước cọc : 0600mm.
* Hàm lượng pha trộn chất pha trộn : 30kg/m vôi/ximăng
* Tỉ lệ pha trộn vôi - ximăng : 50/50
Công tác gia cố trên đây được tiến hành trong điều kiện địa chất nền có lớp đất sét dày. Các cọc đất gia cố là cọc lơ lửng ở độ sâu từ 8m đến 20m.
Từ năm 1975 --> 1996, đã có hơn 5.000.000m cọc đất - vôi và đất - vôi - ximăng đã được thi công tại Thuỵ Điển.
Năm 1996, Hội nghị về DMM ( Deep Mixing Method ) được tổ chức tại Nhật bản.
Năm 1996, lần đầu tiên tại Mỹ Công ty Stabilator USA lnc, New York đã sử dụng cọc đất - vôi - ximăng trong thực tiễn .
Năm 1997, trong dự án xây dựng mới hệ thống đường bộ E 18/ E 20 Arboga - orebro - Thuỵ Điển , Công ty Hercules đã thi công đến 800.000m cọc vôi - ximăng. Công việc gia cố cọc đất - vôi - ximăng hoàn thành vào năm 1999, toàn bộ dự án hoàn thành năm 2000. Chủ đầu tư của công trình là NCC Anylaggning.
Năm 1998, Ratio lnc, lập văn phòng đại diện tại California, Mỹ nhằm ứng dụng kỹ thuật DMM của Nhật và trúng thầu dự án đầu tiên tại Califoria vào năm 1999.
Năm 1998 tại Na Uy, SINTEF Civil and Environmental Engineering ( Uỷ Ban Kỹ Thuật Công Chánh và Môi Trường SINTEF - Na Uy ) và Đại Học Khoa Học và Công Nghệ na Uy NTNU đã lập báo cáo tổng kết kinh nghiệm về việc sử dụng cọc vôi - ximăng để ổn định mái dốc và nền đất. Ngoài ta, dự án R&D- Grunforstekning Medkaksementpler do Cục Đường Sắt Na Uy hoàn thành trong năm 1998 cũng đã đóng góp phần làm sáng tỏ đặc tính làm việc của cọc vôi - ximăng một phần tử kết cấu tương tác với đất xung quanh (the behavior of lime- cement columns as a sstructural element interacting with the surrounding soil).
Năm 1999, Hội nghị quốc tế về DMM (Dry Mix Methods lnternational Conference for Deep soil stabilization) được tổ chức tại Stockhoim, Thuỵ Điển từ 13/10 đến 15/10 do Trung Tâm Nghiên Cứu Gia Cố Sâu Nền Đất Thuỵ Điển SD ( Swedish Deep Stabilization Center ). SD tiến hành chương trình nghiên cứu về gia cố sâu nền đất dưới sự tài trợ của chính phủ, các Nhà thầu, các Nhà tư vấn, Nhà sản xuất và các tổ chức nghiên cứu khác, đối tượng nghiên cứu bao gồm tất cả các hoạt động liên quan đến sự phát triển của lĩnh vực gia cố sâu nền đất đặc biệt là cọc vôi - ximăng. Chương trình SD kéo dài đến hết năm 2001.
Mục tiêu chính của hội nghị là nhằm phổ biến các thông tin liên quan đến lý thuyết và thực tiễn của việc sử dụng phương pháp DMM trong gia cố nén đất.
Hội nghị đã tổng kết như sau :
• Trong hơn 20 năm qua, DMM đã được xem là phương pháp rất có hiệu quả ở vùng Scandinavia. Hầu hết việc sử dụng DMM là cho công trình đường giao thông, gia cố nền đất cho hệ thống đường sắt.
• Đến nay đã có hơn 30 triệu m cọc gia cố được sự dụng ở các quốc gia Baéc AÂu.
• Phương pháp phát triển DMM sẽ dẫn đến một phương pháp hiệu quả và kinh tế hơn và sẽ được áp dụng rộng rãi ngoài bán đảo Scandinavia.
• Phương pháp gia cố sâu là phương pháp có lợi thế hơn những kỹ thuật khác cả về yếu tố môi trường, thời gian thi công và giá thành thi coâng.
• Trong suốt thời gian ba ngày của hội nghị Stockholm, nhiều đề tài quan trọng liên quan đến DMM gia cố sâu nền đất đã được trình bày
và thảo luận bao gồm các lĩnh vực ứng dụng : cho nền đất gia cố thi công, thiết kế , thống kê địa kỹ thuật .
• Hội nghị được tài trợ bởi Uỷ Ban Kỹ thuật Gia Cố Nền Đất Technnical Committee TC - 17 - Ground lmprovement, Hiệp hội quốc tế về cơ học đất và địa kỹ thuật ISSMGE (lntemationa Society of Soilm Nechanics and Geotechnical Engineering ISSMGE) , Hiệp hội Địa kỹ thuật Thuỵ Điển SGF cũng như dự án EuroSoilStab do EC tài trợ .
Biện pháp xử lý nền bằng gia cố cọc vôi ximăng ngày càng phát triển thông qua thống kê của hãng HERCULES
Biểu đồ1.1. Sự gia tăng sản lượng cọc đất–vôi-ximăng của HERCULES b. Tại Việt Nam
Năm 1961 - 1962, cơ quan tiến hành những nghiên cứu sớm nhất ở Việt Nam về đất gia cố vôi dùng trong xây dựng mặt đường là bộ môn Đường trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội.
Khoảng giữa thập niên 70, trong một hiệp định hợp tác song phương, Công ty Linden - Alimak ( Thụy Điển ) đã xuất khẩu sang Việt Nam một dàn khoan thi công cọc vôi LPS4 trong số 6 dàn sản xuất đợt đầu ở Thụy Điển .
Năm 1985 đề tài nghiên cứu được Bộ Xây Dựng nghiệm thu và đưa vào sử dụng cho một số công trình dân dụng và công nghiệp ở Hà Nội và Hải Phòng.
Năm 2000 gia cố nền đất yếu của bồn dầu 10000m3 ở Tổng kho xăng dầu Nhà Beứ.
Năm 2001 gia cố nền đất yếu của bồn dầu 12500m3 ở Khu Công Nghiệp Trà Nóc TP. Cần Thơ.
Năm 2002 chúng ta cũng gia cố nên nhà máy điện Phú Mỹ 3 băng phương pháp cọc vôi ximăng
1.3 MỘT SỐ NHẬN XÉT ĐI SÂU VÀ PHÁT TRIỂN.
Như chúng ta đã thấy được các thành công của việc sử dụng cọc đất – vôi - ximăng ở một số nước trên thế giới. Tuy nhiên việc nghiên cứu áp dụng vào các công trình ở trong nước còn rất ít. Do đó chúng ta cần nghiên cứu và áp dụng hiệu quả việc gia cố nền bằng phương pháp cọc đất – vôi – ximăng cho các công trình xây dựng.
1.3.1. Nhận xét chung .
Từ những kết quả trên, tác giả nhận thấy để cải tạo đất tại các khu vực đất yếu tại Thành Phố Hồ Chí Minh bằng phương pháp cọc đất - vôi – ximăng cho các công trình xây dựng dân dụng và công nghịêp là phương án khả thi.
1.3.2 Mục đích nghiên cứu
Tác giả chọn hướng nghiên cứu ứng dụng phương pháp xử lý nền bằng cọc đất - vôi - xi măng cho công trình nhà từ 3 đến 6 tầng cho khu vực Quận 2.
Tìm hiểu điều kiện địa chất địa hình tại khu vực Quận 2 có liên quan đến ứng dụng phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc đất – vôi – ximăng cho công trình nhà từ 3 đến 6 tầng.
Đưa ra cấu tạo phương án tính toán phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc đất – vôi – ximăng cho công trình nhà từ 3 đến 6 tầng phù hợp điều kiện địa chất Quận 2.