2.2 Tổng quan về các phương pháp xử lý nền đất yếu
2.2.6 Phương pháp xử lý nền bằng cọc đất – xi măng
Cọc đất – xi măng (ĐXM) là một trong những giải pháp xử lý nền đất yếu có khả năng ứng dụng rộng rãi cho nhiều công tác khác nhau trong nhiều loại công trình khác nhau. Cọc đất – xi măng được gia cố là hỗn hợp giữa đất nguyên trạng nơi gia cố với hỗn hợp xi măng được phun xuống thông qua thiết bị khoan phụt. Cột gia cố được tạo thành bởi đất tại chỗ và xi măng.
2.2.6.1 Lịch sử hình thành và phát triển
Từ rất lâu, phương pháp cọc đất – xi măng đã được dùng để cải tạo đất.
Mục đích của phương pháp này là cải thiện các đặc trưng của đất, như tăng cường độ kháng cắt, giảm tính nén lún, bằng cách trộn đất nền với xi măng để chúng tương tác với đất. Sự đổi mới tốt hơn nhờ trao đổi ion tại bề mặt các hạt sét, gắn kết các hạt đất và lấp các lỗ rỗng bởi các sản phẩm của phản ứng hóa học. Trộn sâu phân loại theo chất kết dính (xi măng, vôi, thạch cao, tro bay…) và phương pháp trộn (khô/ướt, quay/phun tia, guồng xoắn hoặc lưỡi cắt).
Phát triển cọc đất – xi măng bắt đầu tại Thụy Điển và Nhật Bản từ những năm 60. Phun khô dùng vôi bột chưa tôi được dùng ở Nhật Bản từ những năm 70. Khoảng thời gian đó cọc đất - vôi cũng ra đời ở Thụy Điển. Trộn ướt dùng vữa xi măng cũng được Nhật Bản áp dụng trong những năm 70. Phương pháp được phổ biến ra thế giới, gần đây hỗn hợp xi măng, vôi với thạch cao, tro bay, xỉ cũng đã được giới thiệu. Thiết bị trộn đã được cải tiến. Phương pháp đã được áp dụng tại nhiều nước còn để giải quyết các vấn đề môi trường như để ngăn chặn và xử lý các vùng bị ô nhiễm.
Gần đây, công nghệ tổ hợp được phát triển kết hợp trộn với phun tia, máy trộn bề mặt.
Hiện nay, nước ứng dụng công nghệ xi măng đất nhiều nhất là Nhật Bản và các nước vùng Scandinaver. Theo thống kê của hiệp hội CDM (Nhật Bản), tính chung trong giai đoạn 80-96 có 2345 dự án, sử dụng 26 triệu m3 xi măng đất. Riêng từ 1977 đến 1993, lượng đất gia cố bằng xi măng o Nhật vào khoảng 23.6 triệu m3 cho các dự án ngoài biển và trong đất liền, với khoảng 300 dự án.
Hiện nay hàng năm thi công khoảng 2 triệu m3.
Tại Trung Quốc,công tác nghiên cứu bắt đầu từ năm 1970, mặc dù ngay từ cuối những năm 1960, các kỹ sư Trung Quốc đã học hỏi phương pháp trộn vôi dưới sâu và CDM ở Nhật Bản.
Thiết bị trộn sâu dùng trên đất liền xuất hiện năm 1978 và ngay lập tức được sử dụng để xử lý nền các khu công nghiệp ở Thượng Hải. Tổng khối lượng xử lý bằng công nghệ trộn sâu ở Trung Quốc cho đến nay vào khoảng 1 triệu m3. Từ năm 1987 đến 1990, công nghệ trộn sâu đã được sử dụng ở cảng Thiên Tân để xây dựng hai bến cập tàu và cải tạo nền cho 60 ha khu dịch vụ. Tổng cộng 513000 m3 đất được gia cố, bao gồm móng kè, móng của các tường chắn phía sau bến cập tàu.
Đến năm 1992, một hợp tác giữa Nhật và Trung Quốc đã tạo ra sự thúc đẩy cho những bước đầu tiên của công nghệ CDM ở Trung Quốc, công trình hợp tác đầu tiên là cảng Yantai. Trong dự án này 60000 m3 xử lý ngoài biển đã được thiết kế và thi công bởi chính các kỹ sư Trung Quốc (Tang, 1996).
Ở Việt Nam, Viện khoa học công nghệ Xây dựng (IBST) là nơi đầu tiên đưa đất gia cố là xi măng vào ứng dụng, điều này được khẳng định trong hội nghị gia cố sâu tổ chức tại Stockholm năm 2001. Tại Việt Nam, phương pháp này được nghiên cưu từ những năm đầu của thập kỷ 80 (thế kỷ trước) với sự giúp đỡ của Viện Địa kỹ thuật Thụy Điển (SGI) với một thiết bị thi công, do TS Nguyễn Trấp là chủ trì. Đề tài được kết thúc vào năm 1986 thiết bị được chuyển giao cho LICOGI.
Vào năm 2000, do yêu cầu thực tế, phương pháp này được áp dụng trở lại trong lĩnh vực xăng dầu, khi công trình chấp nhận một giá trị độ lún cao hơn bình thường tuy nhiên có hiệu quả kinh tế cao. Đơn vị đưa trở lại phương pháp này ban đầu là COFEC và nay là C&E Consultants. Trong thời gian này song song với việc áp dụng rất nhiều thí nghiệm hiện trường (quan trắc công trình) đã được thực hiện. Những thí nghiệm mang tính nghiên cứu này được C&E đang thực hiện và quy mô của nó không thua kém các đồng nghiệp khác. Hiện nay C&E đang thực hiện thí nghiệm quan trắc sự thay đổi áp lực nước dưới đáy khối gia cố (ở độ sâu > 20 m) tại Tp. Hồ Chí Minh để xem xét lại tính thoát cố kết của
đất nền dưới đáy khối gia cố. Hai đầu đo đã được lắp đặt để tiến hành nghiên cứu lâu dài.
Năm 2004, Viện Khoa học Thủy lợi đã tiếp nhận chuyển giao công nghệ khoan phụt cao áp (Jet grouting) từ Nhật Bản. Đề tài đã ứng dụng công nghệ và thiết bị này trong nghiên cứu sức chịu tải của cọc đơn và nhóm cọc, khả năng chịu lực ngang, ảnh hưởng của hàm lượng xi măng đến tính chất của xi măng đất,…nhằm ứng dụng cọc xi măng đất vào xử lý đất yếu, chống thấm cho các công trình thủy lợi. Nhóm đề tài cũng đã sủa chữa chống thấm cho Cống Trại (Nghệ An), cống D10 (Hà Nam), cống Rạch C (Long An)…
Bảng 1.1 Số liệu về một số công trình khác sử dụng cọc đất xi măng ở Việt Nam
STT Tên công trình
Đường kính cọc (m)
Tổng mét dài đã
thi công (m) Công nghệ trộn
1
Đường vào sân đỗ cảng
hàng không Cần Thơ 0.6 32000 Trộn ướt
2
Nhà máy điện Nhơn
Trạch I Đồng Nai 0.6 15000 Trộn khô
3
Đường nối cầu Thủ Thiêm với đại lộ Đông
Tây 0.6 100000 Trôn khô
4
Hầm chui đường sắt vành đai đường láng Hòa
Lạc Km 7+358 0.6 150000 Trộn khô
5
Đường băng sân bay
Cần Thơ 0.6 300000 Trộn ướt
2.2.6.2 Ưu nhược điểm của phương pháp Ưu Điểm
- Phạm vi áp dụng rộng, thích hợp mọi loại đất từ bùn sét đến sỏi cuội.
- Có thể xử lý lớp đất yếu một cách cục bộ, không ảnh hưởng đến lớp đất tốt.
- Thi công được trong nước.
- Mặt bằng thi công nhỏ, ít chấn động, ít tiếng ồn, hạn chế tối đa ảnh hưởng đến các công trình lân cận.
- Rất sạch sẽ và giảm thiểu vấn đề ô nhiễm môi trường.
- Thiết bị nhỏ gọn, có thể thi công trong không gian có chiều cao hạn chế và đặc biệt là thi công nhanh, thời gian đất đạt yâu cầu kỹ thuật xử lý ngắn, đẩy nhanh được tiến độ cải tạo đất nền.
Nhược điểm
- Có thể gây ra trương nở? nền và gây ra các chuyển vị quá giới hạn trong lòng đất. Áp lực siêu cao? còn có khả năng gây nên rạn nứt nền đất lân cận và tia vữa có thể lọt vào các công trình ngầm sẵn có như hố ga, tầng hầm lân cận.
- Đối với nền đất chứa nhiều túi bùn hoặc rác hữu cơ thì axit humic trong đất có thể làm chậm hoặc phá hoại quá trình ninh kết của hỗn hợp xi măng - đất.
2.2.6.3 Các ứng dụng chủ yếu của phương pháp cọc đất - xi măng + Gia cố nền móng công trình
Tạo thành cọc chịu lực, thay thế cọc đóng, cọc ép, cọc nhồi trong gia cố nền móng. Đây là một trong những nhiệm vụ chính trong công tác gia cố đất của công nghệ này.
+ Gia cố thành hố đào
Kết hợp tính chống thấm và sức kháng cắt của vật liệu xi măng- đất có thể được dùng để giữ vách hố đào. Các bức tường cột xi măng- đất được thi công trước, sau khi đủ cường độ mới đào hố mở móng.
Bản đáy gồm các cọc xi măng- đất ngắn, ken sít cũng có thể được thi công tương tự. Hệ tường vây và bản đáy xi măng- đất đảm bảo hố đào được khô ráo và an toàn khi thi công.
+ Chống thấm
Do vật liệu ximăng - đất có hệ số thấm nhỏ, nó được dùng để chống thấm cho các công trình đê, đập.
Tường chống thấm xi măng- đất gồm một hoặc nhiều hàng cọc ken sít, liên kết với nhau.
+Ổn định tường chắn
Các tường chắn đất, do nhiều yếu tố, có thể bị mất ổn định và có nguy cơ sạt lở, ảnh hưởng đến an toàn của chính công trình cũng như các công trình lân cận. Để tránh sự cố xảy ra, có thể gia cố các khối xi măng - đất sau lưng tường chắn để giảm áp lực đất lên tường chắn và tăng sức chống cắt của toàn bộ hệ thống.
+ Gia cố đường hầm
Một ứng dụng ưu việt của công nghệ này là tạo lớp vỏ bọc bảo vệ và chống thấm cho các đường hầm và công trình ngầm. Đối với các tuyến đường hầm được thiết kế đi qua vùng đất yếu hoặc dưới mực nước ngầm, trước hết thi công các khối ximăng- đất đặc chắc, sau đó mới khoan, đào xuyên qua các khối gia cố. Như vậy sẽ đảm bảo vỏ hầm không bị sập hoặc bị nước thâm nhập trong quá trình đào hầm.
Kết luận
Đất yếu nói chung luôn có tác dụng bất lợi cho các công trình xây dựng trên nó. Hiện nay có rất nhiều phương pháp khác nhau nhằm khắc phục những bất lợi đó. Việc nghiên cứu đặc tính của nền đất yếu và lựa chọn giải pháp xử lý phù hợp có một ý nghĩa rất quan trọng. Việc lựa chọn giải pháp xử lý phù hợp dựa vào nhiều yếu tố khác nhau như đặc điểm cấu trúc nền, đặc điểm công trình và điều kiện công nghệ thi công phù hợp...
3 CHƯƠNG 2
ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH VÀ CẤU TRÚC NỀN KHU VỰC DỰ ÁN