PHẦN II: NGHIÊN CỨU ĐI SÂU VÀ PHÁT TRIỂN CHệễNG 2: NGHIÊN CỨU VỀ ĐẤT YẾU VEN SÔNG ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG
2.4 Thống kê các chỉ tiêu cơ lý của đất nền
2.4.1 Cơ sở lý thuyết để xác định trị tiêu chuẩn và trị tính toán các chỉ tiêu cơ lý của đất nền
Trị số tiêu chuẩn của chỉ tiêu A nào đó (trừ c và ϕ) được xác định như sau:
Atc= Atb = n 1 ∑n Ai
1
Trong đó :
- Ai là trị số riêng của chỉ tiêu
- n là số lượng trị số riêng (số lượng mẫu).
Theo quy phạm TCXD 45-78 chỉ tiêu tính toán được tính như sau:
Att= Atc ± n
1 . tα. σ Trong đó:
A = Atc là trị trung bình của tập hợp σ : độ lệch quân phương của tập hợp
tα : hệ số phụ thuộc xác xuất tin cậy α đã chọn và phụ thuộc số bậc tự do của tập hợp thống kê (bằng n-1 cho γ và các chỉ tiêu khác, bằng n-2 cho c và ϕ )
Chỉ tiêu này dùng cho γ và các chỉ tiêu độc lập khác và cho chỉ tiêu c, ϕ neáu soá maãu n<6.
Att= Atc ± tα. σΑ
Đối với γ cũng như các đại lượng ngẫu nhiên độc lập khác độ lệch σΑ (của tập hợp thống kê của nó) tính theo biểu thức:
σΑ= n− ∑n Atb−Ai
1
2 ) 1 (
1
Cách lựa chọn xác xuất tin cậy α đã được TCXD 45-78 quy định:
- Khi tính nền theo cường độ (trạng thái giới hạn thứ 1), chọn α = 0.95 - Khi tính nền theo cường độ (trạng thái giới hạn thứ 2), chọn α = 0.85
25
Chỉ tiêu tính toán:
Với biến độc lập:
Att= Atc ± n
1 . tα. σ Với biến c, ϕ:
Att= Atc ± tα. σ Ctt= C tc- tα. σc
σc= σt. 1 2
∑1
∆
n
Pi
στ= (Pi. tg tc Ctc- )2 2
1
∑1 +
−
n
n ϕ τ
tg ϕtt= tg ϕtc- tασ.tgφtc
Trong đó:
Pi là ứng suất pháp trong thí nghiệm cắt trực tiếp σtgϕ= σt.
∆ n
Xác định trị số tiêu chuẩn của sức chống cắt C và ϕ:
Ctc= ∆ ∑ ∑n i n pi −∑ ∑n pi n i pi
1 1
1 1
. . 2
1.( τ τ )
tg ϕtc= ∆ ∑n i pi∑n pi −∑ ∑n i n pi
1 1
1 1
. 2
. .
1.( τ τ )
Trong đó :
∑
=
∆ n n pi
1
2 . - (∑n
ín
pi)2
τi, pi : trị số sức chống cắt và áp lực nén
Mặt khác, độ lệch γ (của tập hợp thống kê của nó) tính theo công thức:
26
σΑ= n− ∑n Atb−Ai
1
2 ) 1 (
1
còn đối với c, ϕ (trị số trung bình được xác định theo phương pháp bình phương cực tiểu) thì độ lệch của chúng tính qua độ lệch của τ theo biểu thức:
σtgϕ= σt.
∆ n
σc= σt. 1 2
∑1
∆
n
Pi
Trong đó:
στ= (Pi. tg tc Ctc- )2 2
1
∑1 +
−
n
n ϕ τ
2.4.2 Thực hiện thống kê số liệu địa chất công trình cụ thể:
Ở đây thực hiện thống kê cho công trình cầu Tắc Vân trên quốc lộ 1 thuộc tỉnh Cà Mau. Nếu số mẫu đất các hố khoan thí nghiệm n <6 thì tất cả các chĩ tiêu đều dùng trị số trung bình cộng (Att=Atc), nếu số mẫu n>6 thì dùng phương pháp trình bày như trên để xác định các đặc trưng tiêu chuẩn và tính toán của c, ϕ.
Kết quả thống kê các chỉ tiêu cơ lý địa chất cầu Tắc Vân trình bày ở bảng 2-2, 2.5 Mặt cắt địa chất tiêu biểu ven sông.
Mặt cắt địa chất tiêu biểu khu vực xem hình 2.5 , là mặt cắt địa chất công trình cầu Mỹ Thanh thuộc tỉnh Sóc Trăng.
2.6 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐẤT YẾU ĐẾN CỌC KHOAN NHỒI DƯỚI CÔNG TRÌNH CẦU LỚN.
2.6.1 Aûnh hưởng của ma sát âm đến cọc khoan nhồi
Đối với công trình cầu, đất đắp đầu cầu nơi tiếp giáp sau mố thường có chiều cao lớn.
Nếu không có xử lý trước thì sẽ gây ra hiện tượng lún,hoặc nặng hơn là trượt đất phạm vi mố. Hiện tượng lún của các lớp đất yếu sẽ gây ra ma sát âm lên các cọc khoan nhồi
27
tại mố, làm ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của cọc. Khi thi công cọc khoan nhồi tại mố phải có biện pháp phòng tránh ma sát âm (sẽ được trình bày ở chương sau).
2.6.2 Các đặc điểm của các loại đất thường gây ra sự cố cho cọc khoan nhồi và giải pháp xử lý:
a. Tính hấp phụ của keo đất:
Hấp phụ là một trong những biểu hiện rõ rệt về khả năng đặc biệt của các hạt sét. Sự hấp phụ được chia làm 5 loại như sau:
1. Hấp phụ cơ học:
Là khả năng giữ lại các hạt lơ lửng trong nước (dd bentonite) khi nó thấm qua đất. Loại hấp phụ này đặc trưng cho đất cát, nó phụ thuộc vào độ rỗng, tỷ lệ các cấp phối hạt của cấu trúc đất và thể hiện ở khả năng giữ lại các hạt hoà lẫn trong dung dòch khi dung dòch thaám qua.
2. Hấp phụ lý học:
Hấp phụ lý học hay khả năng hút lý học của đất, đặc trưng khả năng hút các vật chất xung quanh do bề mặt tự do trên mặt tiếp xúc giữa các hạt đất với dung dịch bentonite hình thành các màng hấp phụ và tạo sức căng bề mặt ảnh hưởng đáng kể đến độ ổn định của đất vách hố khoan.
3. Hấp phụ hoá học:
Đặc trưng khả năng giữ lại trên bề mặt của hạt đất các chất hoà tan ở dạng kết tủa không tan hoặc tan bằng các phản ứng hoá học xảy ra trong dung dịch đất tạo ra các muối ít tan trong môi trường axit từ các chất ban đầu là Ca2+,SO42-, Fe3+, PO43-.Các phản ứng hóa học như sau:
Na2SO4 + CaCl2 → CaSO4 + 2NaCl Al3+ + PO43- → AlPO4
Fe3+ + PO43- → FePO4
3Ca2+ + 2PO43- → Ca3(PO4)2
28
4. Hấp phụ lý-hoá học(hấp phụ trao đổi):
Tính chất này thể hiện qua phản ứng lý – hoá học giữa keo đất với ion trong dung dịch đất. Đất có thể trao đổi những cation bị hút đến bề mặt các hạt nhỏ từ trước (như Ca2+, Mg2+, Na+, v.v...) lấy những cation của dung dịch đang sắp tiếp xúc với nó trên cơ sở tương quan về đương lượng dẫn đến sự thay đổi rõ rệt các tính chất cơ lý của đất tùy thuộc vào thành phần vật chất có trong dung dịch đất.
PH càng lớn thì hấp phụ càng mạnh.
5. Hấp phụ sinh học:
Là hấp phụ làm cho đất (thổ nhưỡng) giàu những chất tính lũy được trong quá trình hoạt động sống của các vi sinh vật, Nó là yếu tố quan trọng của quá trình tạo thành thổ nhưỡng và cũng có ảnh hưởng lớn đến tính chất của đất.
Tóm lại: Các loại hấp phụ trên không xảy ra riêng lẻ từng loại, mà chúng xảy ra cùng một lúc.Độ pH càng lớn thì khả năng hấp phụ càng mạnh. Trong đất cát, chủ yếu chỉ xảy ra hấp phụ cơ học và lý học; trong đất sét mềm thì hấp phụ lý học và lý-hoá học là chủ yếu, tạo thành lớp áo sét tương đối mỏng, còn đối với đất sét cứng thì chủ yếu là quá trình trao đổi ion ở chỗ tiếp giáp giữa vữa bentonite va đất vách, tạo thành một lớp màng áo sét rất mỏng.
29
Hạt
seùt Al + 2Na CO + H O + Al(OH) + 2CO seùt
H Hạt Na
Na Na Na
2.6.3 Các đặc điểm của các loại đất sét yếu thường gây ra sự cố cho cọc khoan nhoàiù:
Đặc điểm địa chất vùng đồng bằng sông Cửu Long đều xuất hiện lớp đất yếu dạng bùn sét với chiều dày từ 15 đến 30m, trong các hoạt động thi công đào hố khoan hạ cọc khoan nhồi đều phải xuyên qua tầng đất nêu trên. Nếu trong đất đào tồn tại các cation có khả năng hấp phụ và trao đổi cation càng yếu (tức là cation có hoá trị nhỏ, nồng độ thấp, độ pH thấp và bán kính hydrad hoá lớn) thì khả năng lắng đọng bùn đất xuống đáy hố khoan càng cao.
Nếu trong đất đào có càng nhiều chất CaCl2 và Na2CO3 thì khả năng đông tụ bentonite càng mạnh xuống đáy hố khoan theo phản ứng sau:
Nếu trong đất có nhiều khoáng sét Kaolinite thì sẽ làm tăng khoáng này trong dung dịch bentonite dẫn đến đông tụ nhiều bentonite xuống đáy lỗ khoan.
Trường hợp trong đất có nhiều khoáng sét Montmorillonite thì sẽ làm các tính năng của dung dịch bị thay đổi và nhất là khi độ nhớt tăng càng cao thì bề dày của bentonite bán quanh cốt thép (nhất là thép gân) càng lớn.
2.6.4 Các đặc điểm của các loại đất cát thường gây ra sự cố cho cọc khoan nhoài
Theo phân bố tầng địa chất vùng đồng bằng sông Cửu Long thường tầng đất cát có mặt ở hầu hết các vùng, nằm bên dưới tầng đất yếu và xen lẫn với các tầng đất sét, xuất hiện ở các trạng thái từ chặt đến xốp rời, với các tên gọi theo thành hạt như cát to đến cát bụi.
30
- Đặc diểm chung của các loại đất cát là: thành phần hạt dạng cấp phối, các hạt rời rạc không liên kết với nhau, độ rỗng tương đối lớn và thường trong tầng cát có chứa nước ngầm đến nước áp lực.
- Do vậy, thành vách đào trong tầng cát thường sạt lở (không ổn định) và nhất là khi trong tầng cát có nước ngầm có áp, khi đó sẽ xuất hiện hiện tượng cát chảy.
- Đối với tầng cát rời xốp thì dễ gây ra sự cố cho cọc khoan nhồi như: thành vách hố khoan bị sạt lở, thân cọc bị phình, có dạng rể cây.
* Aûnh hưởng của hiện tượng cát chảy:
Do dòng bùn cát chảy vào trong hố khoan dưới tác dụng của lực thủy động và đặc biệt là nước có áp làm cho vách hố khoan bị sạt lở rộng ra và có thể làm sập tầng đất khác bên trên. Để có đề ra các giải pháp xử lý thích hợp ta cần điểm qua về qui luật, điều kiện phát sinh hiện tượng cát chảy.
* Điều kiện phát sinh hiện tượng cát chảy:
Hiện tượng cát chảy chỉ xảy ra khi: đất là đất cát, cát pha bụi ( lực dính kết c rất nhỏ ) và lỗ rỗng chứa đầy nước và nhất là nước có áp.
Nguyên nhân chính của cát chảy là áp lực thuỷ động của dòng nước ngầm truyền vào cát hạt đất khi khoan lỗ. Do tính thấm nước yếu của cát chảy nên áp lực thủy động gây ra áp lực thấm truyền vào hạt cát làm cho hạt cát di chuyển theo hướng giảm gradien thấm. I.V.Pôpôv đã xác định rằng: Trị số gradien thấm làm cho cát chuyển sang trạng thái chảy, tính theo công thức:
Igh = (γo – 1)(1 - n) Trong đó: γo : Trọng lượng hạt đất;
n: Độ rỗng của đất;
Khi áp lực thủy động bằng hay vượt hơn dung trọng đẩy nổi của hạt đất, sẽ làm cho đất chuyển sang trạng thái lơ lững và sẽ di chuyển.
31
θ = Idn γn = γdn ; Idn = γdn/γ Trong đó: θ : áp lực thủy động;
γdn : dung trọng đẩy nổi;
γn : tỷ trọng nước;
Khi γn = 1 thì Idn = γdn , khi Idn lớn hơn Igh thì cát chảy bắt đầu xảy ra;
Đất cát chuyển sang trạng thái chảy sẽ mất liên kết kiến trúc. Các hạt chuyển sang trạng thái lơ lững;
2.7 NHẬN XÉT VỀ NGHIÊN CỨU ĐI SÂU VÀ PHÁT TRIỂN
1. Địa chất khu vực đồng bằng Sông cửu long hầu hết là đất yếu, lớp đất mặt là đất sét yếu pha lẫn hữu cơ với chiều dày từ 15-30m. Ở lớp đất mặt sức chống cắt nhỏ( 10 đến 20Kpa), độ nén lún cao (lớp bề mặt 20m là đất sét mềm với trị số Mv lên đến 1.5 m2/MN) và khả năng sạt lở mạnh;
2. Càng xuống sâu thì địa chất càng tốt. Theo chiều sâu, sức chống cắt của đất tăng lên, độ ẩm tự nhiên giảm xuống.
3. Lớp đất yếu lớn nên với chiều cao đất đắp đầu cầu cao sẽ gây ra hiện tượng ma sát âm làm xô lệch mố, gây lún công trình. Vì vậy khi tính toán cũng như trong qua trình thi công cần có biện pháp khắc phục.
4. Độ sâu chôn cọc khoan nhồi thường ở tầng đất sét , á sét cứng và cát mịn đến trung, các lớp này thường nằm ở độ sâu trên 25m. Độ sâu chôn cọc khoan nhồi đối với các công trình cầu lớn ở đồng bằng sông Cửu Long phổ biến từ 50-75m, riêng các cầu qua sông Tiền, sông Hậu chiều dài cọc lên đến 100m.
5. Hàm lượng sunphat và hàm lượng clorua trong nước khá cao, đặc biệt là các tỉnh ven biển. Số liệu khảo sát dọc quốc lộ 1 đoạn Cần Thơ - Cà Mau cho thấy hàm lượng clorua lên đến 14.800mg/lít, hàm lượng sulphat lên đến trên 3000mg/lít. Vì vậy khi khảo sát địa chất tính toán thiết kế và thi
32
công cọc khoan nhồi thì ngoài các tính chất cơ lý cần lưu ý khảo sát tính hoá học của nước, sự tương tác của chúng đối với bentonit, sự ăn mòn và xâm thực.
6. Mực nước sông cao, cộng với điều kiện lớp đất trên mặt rất yếu, độ ẩm tự nhiên và giới hạn chảy lớn. Vì vậy cần đặc biệt lưu ý đến việc giữ ổn định thành vách đối với lớp đất trên mặt.
33
CHệễNG 3
NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP HỢP LÝ CẤU TẠO CỌC KHOAN NHỒI Cấu tạo cọc khoan nhồi phụ thuộc vào thiết bị thi công, điều kiện địa chất và mực nước ngầm. Nghiên cứu cấu tạo cọc khoan nhồi bao gồm hình dạng cọc, cấu tạo lồng cốt thép, đường kính và chiều dài cọc (độ sâu chôn mũi cọc).
3.1 NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN HÌNH DẠNG CỌC KHOAN NHỒI:
Cọc khoan nhồi có thể có tiết diện hình chữ nhật hoặc hình tròn, tuy nhiên tiết diện hình tròn là tiết diện phổ biến và thích hợp nhất.
3.1.1 Cọc khoan nhồi hình chữ nhật
Loại cọc này thiết bị thi công đào sâu khó khăn nên không thích hợp đối với công trình cầu, đặc biệt là công trình cầu trên đất yếu vốn đòi hỏi chiều sâu chôn cọc lớn.
3.1.2 Cọc khoan nhồi mở rộng đáy
Tiết diện cọc hình tròn, đáy được mở rộng 1 tầng hoặc nhiều tầng. Việc mở rộng đáy làm tăng thêm kích cỡ chân đế cọc và do đó tăng thêm khả năng chịu tải dẫn đến số lượng cọc giảm nên hạ giá thành công trình. Dạng mở rộng đáy có thể là dạng chuông hình vòm, chuông nghiêng góc 45o hoặc 30o tùy thuộc vào thiết bị khoan sẵn có.
Nhược điểm của cọc khoan nhồi mở rộng đáy là thi công phức tạp, yêu cầu thiết bị khoan hiện đại và việc kiểm soát chất lượng phần mở rộng đáy khó khăn. Khi sử dụng cọc mở rộng đáy thì địa chất tại vị trí mở rộng đáy phải có độ dính cao, ít thấm và không có dòng chảy ngầm để đề phòng sập vách.
3.1.3 Cọc khoan nhồi thẳng
Cấu tạo dạng cọc khoan nhồi thẳng với tiết diện tròn là cấu tạo đang được sử dụng phổ biến nhất ở Việt Nam. Ưu điểm của loại cọc này là thi công đơn
34
giản hơn loại cọc mở rộng đáy, có thể tạo được cọc có khả năng chịu tải lớn với đường kính đến 2,5 hoặc 3m, chiều dài đến 100m.
3.1.4 Cọc khoan nhồi trong điều kiện đất yếu ở đồng bằng sông Cửu Long.
a. Cọc khoan nhồi thẳng tiết diệt tròn:
Ở đồng bằng sông Cửu Long trong điều kiện đất yếu, đặc biệt lớp đất mặt là lớp bùn yếu việc lựa chọn cọc khoan nhồi phải đảm bảo việc giữ ổn định thành vách thuận lợi, tránh được sạt lở , phù hợp với công nghệ thi công.
Trong điều kiện đó thì loại cọc khoan nhồi thẳng tiết diện tròn là phù hợp hơn cả.
b. Giữ ổn định thành vách bằng ống vách và dung dịch vữa sét bentonite
Với lớp bùn yếu trên mặt thành vách hố khoan sẽ được giữ ổn định bằng ống vách. Ống vách sẽ được rút lên sau khi đổ bê tông hoặc cũng có thể để lại.
Oáng vách sẽ xuyên qua toàn bộ lớp bùn yếu và cắm vào lớp đất dính khoảng 2m. Ống vách thường được sử dụng ống vách thép.
Với các lớp đất tốt hơn phía dưới, thành vách hố khoan sẽ được giữ ổn định bằng dung dịch vữa sét bentonite.
c.Mũi cọc và bơm vữa gia cố mũi cọc.
Do có đặc điểm là sử dụng dung dịch vữa sét để giữ ổn định thàng vách hố khoan, lớp địa chất ở đáy đáy hố khoan thường tồn tại 1 lớp cặn lắng là hỗn hợp của cát và bentonite. Để loại trừ lớp cặn lắng này trước khi đổ bê tông phải xử lý hút cặn lắng. Tuy nhiên sau khi đỗ bê tông hình thành cọc, sẽ vẫn phải tiến hành khoan (qua các ống đặt sẵn) kiểm tra chiều dày của lớp cặn lắng để có xử lý thích hợp. Nếu lớp mùn khoan lớn thì sẽ sử dụng biện pháp xói hút qua các ống đặt sẵn sau đó bơm vữa xi măng để xử lý.
Bơm vữa để gia cố mũi cọc:
35
Mục tiêu của gia cố chân cọc nhằm tăng cường phần mũi cọc bị xáo trộn trong quá trình thi công và đồng thời tăng cường độ cứng chống biến dạng của cọc dưới tác dụng của tải trọng. Bằng cách bơm vữa ximăng thông qua các chỗ nứt của bêtông phần chân cọc và nén, môi trường dưới chân cọc trở nên được tạo ứng suất trước.
d. Hình dạng cọc khoan nhồi trong thực tế thi công.
Ngoại trừ phần đầu cọc thường được giữ ổn định bằng ống vách, còn lại phần thân và mũi cọc thường không phải lúc nào cũng có hình dạnh tiết diện tròn, thẳng như thiết kế mong muốn. Ở các lớp đất cát yếu với hiện tượng cát chảy hoặc lớp đất dính bị sạt lở trong qua trình thi công, hình dạng cọc nhồi sẽ bị biến dạng phình ra, dạng rễ cây… để hạn chế các sự cố này sẽ phải có biện pháp phòng tránh thích hợp sẽ được thảo luận ở chương 5.
3.2 NGHIÊN CỨU CẤU TẠO LỒNG THÉP CỌC KHOAN NHỒI
Lồng cốt thép phải có cấu tạo đảm bảo yêu cầu thiết kế về khả năng chịu lực, đảm bảo thao tác thuận lợi trong thi công như cẩu, lắp đặt. Các thiết bị phụ trợ kiểm tra chất lượng như ống thăm dò cũng được lắp đặt trong lồng theùp.
3.2.1 Coát theùp chuû:
Cốt thép chủ có đường kính từ 12mm đến 32mm, đặc biệt có thể dùng cốt thép chủ có đường kính đến 40mm. Tuy nhiên ít khi dùng cốt thép có đường kính trên 25mm vì khó hàn và khó thao tác. Số lượng cốt thép chủ phải tuân theo đồ án thiết kế nhưng không ít hơn 3 thanh. Khoảng cách tối thiểu giữa các cốt thép chủ là 10cm, trung bình từ 15-18cm. Chiều dài cốt thép chủ phụ thuộc đoạn chia của lồng thép, để tránh nhiều mối hàn thì chiều dài cốt chủ nên chọn bằng chiều dài 1 thanh thép chủ thành phẩm (11,7m). Chiều dài tối đa của đoạn chia phụ thuộc vào chiều cao móc cẩu, thường lớn nhất là 15m.