CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU CỌC ĐẤT XI MĂNG KẾT HỢP LƯỚI ĐỊA KỸ THUẬT ĐỂ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU
1.1 Khái quát về đất yếu, cọc đất xi măng, lưới địa kỹ thuật và các giải pháp xây dựng công trình trên nền đất yếu
1.1.3 Cọc đất xi măng và lưới địa kỹ thuật
1.1.3.1 Cọc đất xi măng và các phương pháp tính toán
a. Một số nghiên cứu tiêu biểu về cọc đất xi măng trên thế giới và Việt Nam
Cọc đất xi măng (ĐXM) được sử dụng để cải tạo nền đất từ nhiều thập kỷ trước.
Mục đích của phương pháp này là cải thiện các đặc trưng của nền đất yếu như tăng cường độ chống cắt, giảm tính thấm và tính nén lún bằng cách trộn xi măng (hoặc vữa
xi măng) tương tác với đất nền, xảy ra phản ứng hóa học để tạo ra cọc ĐXM với khả năng chịu lực cao và biến dạng ít hơn so với đất nền ban đầu.
Quá trình nghiên cứu cọc ĐXM bắt đầu tại Viện Cảng và Tàu thủy Nhật Bản và tại Viện Địa kỹ thuật Thụy Điển từ những năm 1970. Ban đầu vôi bột chưa tôi được sử dụng để tạo cọc đất vôi. Tuy nhiên việc bảo quản vôi bột khó khăn và giá thành cao, những nhà nghiên cứu Thụy Điển và Nhật Bản chuyển sang sử dụng xi măng để thay thế. Từ đó, cọc ĐXM ra đời với ưu điểm vượt trội và chi phí thấp hơn cọc đất vôi [55], [57].
Việc hình thành cường độ cọc ĐXM xảy ra thông qua quá trình ninh kết của hỗn hợp đất và xi măng. Khi ximăng được trộn với đất, ximăng phản ứng với nước tạo ra Calci hyđrôxit Ca(OH)2, từ đó kết hợp với đất nền tạo ra keo ninh kết CSH, đây là quá trình hydrat hoá. Phản ứng này diễn ra nhanh và mạnh, toả ra một nhiệt lượng lớn và giảm bớt lượng nước có trong đất gia cố. Hợp chất hydrat này tạo ra một hỗn hợp liên kết các thành phần hạt trong đất gia cố, tạo thành khoáng chất nền bền vững, cứng.
Hiện nay phổ biến hai nhóm công nghệ thi công cọc ĐXM là: nhóm công nghệ trộn khô (Dry Jet Mixing) và nhóm công nghệ trộn ướt (Wet Mixing). Trong phương pháp trộn khô, không khí dùng để dẫn xi măng bột vào đất (độ ẩm của đất không nhỏ hơn 20%). Trong công nghệ trộn ướt, vữa xi măng là chất kết dính. Với ưu điểm của mình, cọc ĐXM được sử dụng rộng rãi trên thế giới, đặc biệt được sử dụng nhiều nhất tại Nhật Bản và các nước vùng Bắc Âu với khối lượng hàng năm thi công khoảng 2 triệu m3 trong các lĩnh vực xây dựng công trình như: ổn định đường đắp, giảm lún đường đầu cầu, ổn định thành và đáy hố đào, móng nhà cao tầng, tường chống thấm...
Cùng với sự hình thành và phát triển của cọc ĐXM, trên thế giới có nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của tỷ lệ hàm lượng xi măng, nước và loại đất đến cường độ của cọc
ĐXM, cũng như nghiên cứu về ứng suất - biến dạng cọc ĐXM khi chịu lực, tiêu biểu như [28], [32], [51], [70], [82]. Một số nghiên cứu có chú ý đến sự cố kết của đất nền cải tạo bằng cọc ĐXM bằng các mô hình vật lý để sáng tỏ việc cọc ĐXM làm việc trong điều kiện thoát nước [28], [35], [74]...
Gần đây, một số nghiên cứu về tính toán của nhóm cọc ĐXM như [30], [35], [56]. Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu này bị hạn chế do việc nghiên cứu sức chịu tải của cọc ĐXM chưa tính đến áp lực nước lỗ rỗng và và sự phân bố lại ứng suất.
Mô hình phá hủy, lực cắt, momen, mặt phá hoại của nhóm cọc đã được kết luận phụ thuộc vào nhiều yếu tố ảnh hưởng như thông số đất nền, tải trọng ngoài và vị trí của cọc trong nhóm cọc ĐXM trong các nghiên cứu của [30], [33], [35].
Phương pháp tính toán đơn giản được đề xuất để dự báo khả năng chịu tải dọc trục của nhóm cọc ĐXM đã được trình bày trong [32]. Sau đó, nghiên cứu của [30] đã đề xuất cải tiến công thức tính sức chịu tải giới hạn cho nhóm cọc ĐXM. Tuy nhiên, mô hình mặt trượt trong các nghiên cứu trên chưa có thực nghiệm đánh giá.
Tại Việt Nam, việc áp dụng thi công đại trà để gia cố, xử lý nền đất sử dụng cọc ĐXM bằng công nghệ trộn khô bắt đầu được tiến hành từ những năm đầu thế kỷ 21.
Năm 2001, tập đoàn Hercules của Thụy Điển hợp tác với Công ty cổ phần Phát triển kỹ thuật xây dựng (TDC) thuộc Tổng công ty xây dựng Hà nội đã thi công xử lý nền móng cho 08 bể chứa xăng dầu có đường kính 21m, cao 9m (dung tích 3000 m3/bể) của công trình Tổng kho xăng dầu Cần Thơ bằng cọc ĐXM. Từ năm 2002 đến 2005 đã có một số dự án bắt đầu ứng dụng cọc ĐXM vào xây dựng các công trình trên nền đất, như: Dự án cảng Ba Ngòi (Khánh Hòa) đã sử dụng 4000m cọc ĐXM có đường kính 0,6m , gia cố nền móng cho nhà máy nước huyện Vụ Bản (Hà Nam), xử lý móng cho bồn chứa xăng dầu ở Đình Vũ (Hải Phòng), dự án thoát nước khu đô thị Đồ Sơn - Hải Phòng, dự án sân bay Cần Thơ, dự án cảng Bạc Liêu, các dự án trên đều sử dụng công nghệ trộn khô, độ sâu xử lý trong khoảng 20m [21].
Một số nghiên cứu tiêu biểu về lựa chọn tỷ lệ nước, xi măng: Lựa chọn tỷ lệ xi măng với đất khi chế tạo cọc xử lý nền đất yếu [23]; Lựa chọn hàm lượng xi măng và tỉ lệ nước-xi măng hợp lý cho gia cố đất yếu vùng ven biển đồng bằng sông Cửu Long
[20] chỉ ra rằng việc lựa chọn tỷ lệ xi măng với đất để xử lý nền đất yếu bằng cọc ĐXM là rất phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố và chi phối chất lượng, giá thành xây dựng công trình. Đây là một chỉ tiêu quan trọng cần phải được nghiên cứu tỉ mỉ kể cả lý thuyết
10
và thí nghiệm để lựa chọn được một tỷ lệ thích hợp mang lại hiệu quả cao khi xử lý nền đất yếu. Ngoài ra còn có các nghiên cứu về công nghệ thi công cọc ĐXM: Nghiên cứu ứng dụng cọc ĐXM theo công nghệ tạo cọc bằng thiết bị trộn kiểu tia phun xi măng (jet – grouting) cho địa bàn thành phố Hải Phòng [13] hay các nghiên cứu về cường độ cọc ĐXM sử dụng cho công trình xây dựng giao thông và dân dụng [9], [12].
Những năm gần đây, công nghệ xử lý nền đất yếu bằng cọc ĐXM ngày càng được ứng dụng phổ biến trong xây dựng tại Việt Nam nói chung, xây dựng công trình giao thông nói riêng, đặc biệt tại các khu vực đắp cao, yêu cầu độ lún dư nhỏ như đường đầu cầu Trần Thị Lý (Đà Nẵng), đường đầu cầu Bạch Đằng (Hải Phòng)... b. Các phương pháp tính toán cọc đất xi măng [4], [8], [21], [32]
Do ứng xử phức tạp trong hệ cọc ĐXM khi xử lý nền đất yếu, hiện nay trên thế giới việc tính toán cọc ĐXM theo ba quan điểm sau:
- Quan điểm coi cọc ĐXM là cọc cứng
Trong sơ đồ tính coi cọc ĐXM có độ cứng tương đối lớn và tải trọng ngoài truyền chủ yếu thông qua cọc. Cọc làm việc như sơ đồ cọc chống (khi mũi cọc đặt ở tầng đất chịu tải) hoặc sơ đồ cọc ma sát (khi mũi cọc vẫn ở trong tầng đất yếu, không đặt ở tầng đất chịu tải). Khi đó, cọc ĐXM được đánh giá ổn định theo hai trạng thái giới hạn.
+ Trạng thái giới hạn 1 (TTGH1): vật liệu cọc ĐXM phải đủ khả năng chịu tải và đảm bảo chuyển vị, thỏa mãn công thức 1.4:
Nội lực lớn nhất trong một cọc: Nmax < [N]
Mômen lớn nhất trong một cọc: Mmax < [M]
Chuyển vị của khối móng:
trong đó: [N] - nội lực giới hạn của cọc ĐXM; [M] - mômen giới hạn của cọc ĐXM;
[Ay] - chuyển vị cho phép.
+ Trạng thái giới hạn 2 (TTGH2): đảm bảo móng cọc không phát sinh biến dạng và lún quá lớn, thỏa mãn công thức 1.5:
Si < [S]
trong đó: Si - độ lún tổng cộng của móng cọc; [S] - độ lún cho phép.
Thực tế, quan điểm tính toán trên có nhiều hạn chế, đặc biệt là việc xác định sự phân bố ứng suất trong cọc là rất khó khăn, việc tính toán sức chịu tải hay độ lún thường phải giả thiết. Ngoài ra, độ cứng cọc ĐXM thường thay đổi nhiều trong quá trình chịu lực, nên quan điểm là cọc cứng sẽ khó phản ánh đúng sự làm việc của hệ cọc. Chính vì
(1.5)
những lý do đó nên phương pháp tính toán cọc ĐXM dựa trên quan điểm cọc cứng ít được dùng trong tính toán.
- Quan điểm nền tương đương
Cọc được coi là cọc mềm, có độ cứng nhỏ và được xem như vật liệu đất nền. Nền được gia cố cọc ĐXM coi như một nền mới đồng nhất. Khi đó, cọc ĐXM biến dạng đồng thời với nền đất dưới tác dụng của tải trọng. Theo quan điểm trên, hệ nền cọc đồng nhất bằng cách quy đổi các đặc trưng độ bền, độ cứng trung bình theo tỷ lệ diện tích gia cố ac từ độ bền, độ cứng tương ứng của cọc và đất yếu xung quanh theo công thức 1.6:
= a c . c + (1 − a c ). s
c = a c .c c + (1 − a c ).cs
E = a c .E c + (1 − a c ).Es
trong đó: ac = Ac/ (Ac+As) - tỷ lệ diện tích gia cố; Ac - diện tích cọc; As - diện tích đất giữa các cọc trong hệ nền - cọc tính toán; s, cs, Es, c, cc, Ec, , c, E - tương ứng là góc ma sát trong, lực dính đơn vị, mô đun đàn hồi của đất tự nhiên, của cọc ĐXM và hệ nền
- cọc gia cố.
Khi có các chỉ tiêu của nền đồng nhất, các bước tính toán tiếp theo tương tự như cho nền đất tự nhiên bao gồm kiểm tra điều kiện giới hạn về cường độ (TTGH1) và điều kiện giới hạn về biến dạng (TTGH2).
Phương pháp nền tương đương là phương pháp tính toán đơn giản, thường được ứng dụng trong bài toán phân tích ổn định tổng thể. Tuy nhiên, vì coi là nền đồng nhất nên phương pháp này không phân biệt được sự khác nhau của ứng suất, chuyển vị tại vị trí đất nền và cọc. Điều này làm cho cọc ĐXM chịu tải trọng nhỏ hơn thực tế, trong khi đó đất nền xung quanh cọc chịu tải lớn hơn.
- Quan điểm tính toán hỗn hợp - hệ nền cọc
Dựa trên giả thiết cọc nửa cứng và mô hình phá hoại đồng thời cả cọc và nền đất yếu xung quanh cọc, phương pháp này yêu cầu phân tích ổn định sức chịu tải cọc theo phương pháp cọc nửa cứng và tính toán lún, ổn định tổng thể theo phương pháp nền tương đương.
Phương pháp tính toán hỗn hợp hệ nền cọc làm giảm được hạn chế của từng phương pháp cọc cứng (khi coi cọc chủ yếu chịu lực) hay phương pháp nền tương đương (khi cọc chịu tải ít hơn, đất nền chịu tải nhiều hơn thực tế), do đó phương pháp này được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi trong các tiêu chuẩn của Thái Lan, Nhật Bản, Trung
12
Quốc [21].
Hiện nay tại Việt Nam có hai tiêu chuẩn về cọc ĐXM xử lý nền đất yếu bao gồm:
TCVN 9403:2012 Gia cố nền đất yếu – Phương pháp trụ đất xi măng, sử dụng phương pháp nền tương đương để đánh giá ổn định tổng thể công trình, lún của hệ nền cọc và TCVN 9906:2014 Cọc đất xi măng theo phương pháp Jet grouting - Yêu cầu thiết kế thi công và nghiệm thu cho xử lý nền đất yếu, sử dụng phương pháp tính toán hỗn hợp - hệ nền cọc khi phân tích cho hệ cọc ĐXM.
1.1.3.2 Lưới địa kỹ thuật
Lưới địa kỹ thuật (ĐKT) được sản xuất đầu tiên năm 1978 tại Anh, bởi công ty Netlon (và hiện giờ là tập đoàn Tensar International). Lưới ĐKT là một loại cốt địa kỹ thuật, được chế tạo từ các polyme tổng hợp như PolyPropylen (PP), PolyEtylen (PE) và PolyEtylen -Terelat (PET), dạng tấm phẳng có lỗ hình vuông, chữ nhật hoặc oval, kích thước lỗ thay đổi tuỳ theo loại lưới có tác dụng cài chặt với đá, sỏi , đất… được sử dụng trong gia cố cơ bản, ổn định nền, chống xói lở [3].
Theo khả năng chịu lực, lưới ĐKT được chia thành 3 nhóm: lưới một trục, lưới hai trục, lưới ba trục (hình 1.1).
Lưới ĐKT 1 trục (uniaxial geogrid): loại lưới khi được trải ra thì lực căng được phân bổ theo 1 trục là toàn bộ chiều dài của cuộn (hay còn gọi là hướng dọc máy). Các mắt lưới được liên kết liên tục dọc theo chiều cuộn của lưới tạo nên một kết cấu vững chắc. Kết cấu này có ứng suất kéo và sức chịu kéo cao có thể từ 100 – 200 MPa, sức kéo của lưới địa còn cao hơn các loại thép có hàm lượng carbon thấp, ưu việt hơn hẳn so với các loại vật liệu gia cường truyền thống.
Lưới ĐKT 2 trục (biaxial geogrid): loại lưới có khả năng chịu kéo theo cả hai hướng dọc và ngang tương đương nhau. Với đặc điểm chịu lực này, lưới ĐKT 2 trục thường dùng để gia cố nền móng công trình khi mà ứng suất phân bố đều theo hướng dọc và ngang tương đương nhau.
Lưới ĐKT 3 trục (triaxial geogrid): loại lưới có khả năng chịu kéo phân bố đều theo các hướng do mắt lưới dạng tam giác đều. Lưới được sản xuất từ một tấm PolyPropylen được đóng lỗ và kéo theo ba hướng thẳng với nhiều những mấu lưới nguyên vẹn. Với đặc điểm chịu lực này, lưới ĐKT 3 trục phù hợp để gia cố kết cấu áo đường khi ứng suất phân bố đều theo các phương trong không gian.
Hình 1.1 Các loại lưới địa kỹ thuật
Lưới ĐKT cường độ cao có nhiều ưu điểm vượt trội hơn so với các loại cốt ĐKT thông thường khác như vải ĐKT hay màng ĐKT.
Về mặt cường độ, lưới ĐKT cường độ cao có sức chịu kéo rất lớn (cường độ chịu kéo của lưới từ 300 kN/m cho đến 1350 kN/m - tương đương với khả năng chịu kéo của thanh kim loại); lưới có độ bền ưu việt về chống ăn mòn và chống hóa chất (hệ số an toàn vật liệu có tính đến độ bền FD < 1,05), khả năng chịu va chạm khi thi công cao (hệ số an toàn vật liệu có tính đến tổn thương trong thi công FC < 1,03) và khả năng chống suy giảm cường độ theo thời gian rất tốt [64].
Bảng 1.1 Hệ số suy giảm cường độ theo thời gian của lưới cường độ cao [64]
Thời gian (năm)
Hệ số suy giảm cường độ à
Về khả năng gia cường, lưới ĐKT cường độ cao có hiệu quả hơn so với vải ĐKT.
Theo nghiên cứu của J. Zhang và G. Hurta năm 2008 [83], cơ chế gia cố nền đất của lưới ĐKT và vải ĐKT là khác nhau. Vải ĐKT nâng cao khả năng chịu lực của nền đất bằng cơ chế ma sát bề mặt (interface friction) với vật liệu đắp trong khi lưới ĐKT chủ yếu thông qua cơ chế cài chặt vật liệu (interlocking) [40]. Cơ chế cài chặt hiệu quả hơn so với cơ chế ma sát bề mặt. Ngoài ra, lưới ĐKT cường độ cao có độ cứng cao hơn nhiều lần so với vải ĐKT nên hạn chế bị chọc thủng hay rách khi rải trên đỉnh cọc, do đó lưới ĐKT cường độ cao được đánh giá phù hợp hơn trong ứng dụng giải pháp cọc kết hợp cốt ĐKT để xử lý nền đất yếu.
Việc thi công trải lưới ĐKT rất đơn giản, nhanh chóng nên tiết kiệm thời gian thi công, nhân lực và máy móc, phù hợp với các công trình đòi hỏi tiến độ thi công nhanh.
Trải qua nhiều thập kỷ nghiên cứu phát triển, thí nghiệm và áp dụng tại hàng chục nghìn dự án trên khắp toàn cầu, lưới ĐKT đang chứng tỏ được ưu điểm về tính kinh tế, tiến độ thi công cũng như khả năng thân thiện môi trường. Do đó lưới ĐKT nói chung và lưới ĐKT cường độ cao nói riêng ngày càng được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực
14
xây dựng công trình giao thông. Một số ứng dụng của lưới ĐKT như: ổn định nền móng, gia cố và nâng cao khả năng chịu tải nền đất; ngăn ngừa, giảm thiểu sự nứt vỡ, rạn nứt, nâng cao tuổi thọ của đường cao tốc, đường sắt, sân bay, cảng container, bãi đỗ xe; gia cường sườn dốc để chống lại sạt trượt nền đường giao thông; kết hợp với hệ cọc (cọc ĐXM, cọc bê tông cốt thép, cọc cát xi măng...) để tạo ra một giàn đỡ truyền tải trọng từ các công trình bên trên tới tất cả các cọc một cách hiệu quả, giúp tiết kiệm được số lượng cọc sử dụng.