Công nghệ cột đất trộn xi măng là giải pháp gia cố nền đất yếu vốn đã được ứng dụng ở nhiều nước trên thế giới và cũng đã được ứng dụng nhiều ở Việt Nam trong thời gian gần đây. Trong bài viết này các tác giả phân tích và đánh giá các quan điểm tính toán thiết kế theo các qui trình của Nhật Bản, Thụy Điển, Trung Quốc. Qua phân tích các kết quả lý thuyết và thực nghiệm tại dự án sân bay Cần Thơ nhằm tổng kết các vấn đề trong việc áp dụng công nghệ cột đất trộn xi măng ở khu vực Đồng bằng sông Cửu Long. Từ đó rút ra các nhận xét, kết luận về phương pháp tính tốnn gia cố nền đất yếu bằng giải pháp cột đất trộn xi măng.
Trang 1NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU DƯỚI NỀN ĐƯỜNG BẰNG CỘT ĐẤT TRỘN XI MĂNG
STUDY ON THE CALCULATION METHODS OF EMBANKMENT
ON THE SOFT GROUND REINFORCED BY DEEP MIXING
COLUMNS
Lê Bá Vinh Nguyễn Thị Thúy Hằng
TÓM TẮT
Công nghệ cột đất trộn xi măng là giải pháp gia cố nền đất yếu vốn đã được ứng dụng ở nhiều nước trên thế giới và cũng đã được ứng dụng nhiều ở Việt Nam trong thời gian gần đây Trong bài viết này các tác giả phân tích và đánh giá các quan điểm tính toán thiết kế theo các qui trình của Nhật Bản, Thụy Điển, Trung Quốc Qua phân tích các kết quả lý thuyết và thực nghiệm tại dự án sân bay Cần Thơ nhằm tổng kết các vấn đề trong việc áp dụng công nghệ cột đất trộn
xi măng ở khu vực Đồng bằng sông Cửu Long Từ đó rút ra các nhận xét, kết luận về phương pháp tính tốnn gia cố nền đất yếu bằng giải pháp cột đất trộn xi măng.
ABSTRACT
Deep mixing method has been widely applied in Vietnam, and several countries in the world In this paper the authors analyzed the calculation methods of Japan, China, and Sweden in the conditions of Cantho Airport Project By means of theoretical and practical examinations, the authors obtained the remarks, and conclusions of the suitable calculation methods of deep mixing method.
I ĐẶT VẤN ĐỀ
Ở Việt Nam, từ đầu những năm 80 đã dùng kỹ thuật của hãng Linden-Alimak (Thụy Điển) làm cọc đất – xi măng/vôi đường kính 40cm, sâu 10m cho công trình nhà 3-4 tầng Trong khoảng thời gian gần đây giải pháp này đã được ứng dụng nhiều trở lại cho nhiều loại công trình khác nhau, như đại lộ
Trang 2Đông – Tây, sân bay Cần Thơ, tổ hợp trung tâm thương mại, khách sạn Vĩnh Trung Plaza, … Trước tháng 12 năm 2006 thì Việt nam vẫn chưa có qui trình cụ thể về thiết kế, thi công giải pháp này Mới gần đây, tháng 12 năm 2006 thì mới có tiêu chuẩn TCXDVN 385 : 2006 Về tổng thể thì tiêu chuẩn này về
cơ bản là dựa trên qui trình của Thụy Điển đã có, tuy vậy vẫn chưa thực sự chi tiết về nhiều vấn đề tính toán Do vậy, sau đây sẽ tìm hiểu cách tính toán cột đất trộn xi măng theo quy trình của một số nước có thế mạnh về giải pháp cột đất trộn xi măng như: Thụy Điển, Thành phố Thượng Hải-Trung Quốc, Nhật Bản, để từ đó rút ra cách tính toán nền đất có gia cố bằng cột đất trộn xi măng (sau đây xin gọi tắt là nền đất gia cố) một cách phù hợp với điều kiện Việt Nam
Hình 1: Thi công thử nghiệm cột đất xi măng ở sân bay Cần Thơ
II TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH VÀ BIẾN DẠNG CỦA NỀN ĐẤT GIA CỐ THEO QUI TRÌNH THỤY ĐIỂN SGF 4:95E (1)
II.1 Khả năng chịu tải của cột đơn
II.1.1 Khả năng chịu tải theo vật liệu
Khả năng chịu tải của cột đơn theo vật liệu cột được quyết định chủ yếu bởi khả năng chịu cắt theo vật liệu cột dọc theo mặt trượt Khả năng chịu
VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM 723
Trang 3cắt này phụ thuộc vào vị trí các cột và dạng phá hoại Có thể xác định khả năng chịu tải của cột đơn theo biểu thức:
Ccol: Độ bền chống cắt không thoát nước của cột
h: Tổng áp lực ngang tác dụng lên cột tại mặt tới hạn
trọng công trình
Cusoil: Độ bền chống cắt không thoát nước của đất sét không gia cố xung quanh
II.1.2 Khả năng chịu tải theo đất nền
Khả năng này tùy thuộc vào sức chống của đất dưới đáy cột và ma sát của đất lên thân cột Khả năng chịu tải giới hạn ngắn hạn của cột đơn được xác định theo công thức sau:
Qult,soil = (pdLcol + 2.25pd2)Cusoil (3)
Trường hợp nền nhiều lớp, công thức trên có thể biến đổi như sau:
usoil
2 uisoil
i soil
(4)
Trong đó: d: Đường kính của cột
Lcol: chiều dài cột
Nhận xét: Cách tính này dựa trên cách tính của móng cọc, tuy nhiên có một số điều chỉnh để phù hợp với cột đất – xi măng
II.2 Khả năng chịu tải của nhóm cột
Sự phá hoại quyết định bởi khả năng chịu tải của khối với các cột hay khả năng chịu tải của khối ở rìa khi các cọc đặt xa nhau
Khả năng chịu tải cực hạn của nhóm cột khi phá hoại toàn khối được xác định theo biểu thức:
Trang 4Cọc vôi/ xi măng
2
h
2 Sét 2
tải trọng đơn vị q
o
H Đất sét yếu
h
+
1
1
Hình 2: Dạng phá hoại khối của nhóm cột
Qult,group = 2CusoilH[B+L]+(6-9)CusoilBL (5)
Trong đó: B, L: chiều rộng của nền đường và chiều dài của cột
(Hệ số 6 khi móng chữ nhật và 9 khi móng hình vuông, tròn)
Khả năng chịu tải cực hạn của nhóm cột khi phá hoại cục bộ được xác định theo biểu thức sau:
Hình 3: Dạng phá cục bộ của nhóm cột
qult = 5.5 Ctb(1+0.2(b/l)) (6)
II.3 Tính toán độ lún của nền gia cố
Có hai trường hợp:
Trường hợp A: Tải trọng tác dụng tương đối nhỏ và cọc chưa bị rão Trường hợp B: Tải trọng tương đối cao và tải trọng dọc trục ứng với giới hạn rão của cọc
nền đất là:
VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM 725
Trang 5Hình 4: Mô hình tính toán lún trường hợp A
Độ lún cục bộ phần cọc vôi- xi măng Dh1 được xác định theo giả thiết độ tăng ứng suất q không đổi suốt chiều cao khối và tải trọng trong khối không giảm:
D
soil col
q h
Trong đó: a: Diện tích tương đối của cột đất-xi măng
Ecol và Esoil lần lượt là mô đuyn biến dạng của cột đất-xi măng, và của đất
Độ lún Dh2 dưới đáy cột đất tính theo phương pháp cộng lớp phân tố Với cách tính nêu trên thì không xét đến ứng suất phụ thêm do trọng lượng bản thân của cột đất-xi măng
III TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH VÀ BIẾN DẠNG CỦA NỀN ĐẤT GIA CỐ THEO QUI TRÌNH THƯỢNG HẢI, TRUNG QUỐC (2)
III.1 Khả năng chịu tải của cột đơn
Khả năng chịu tải cho phép của cột đất trộn xi măng được xác định theo thí nghiệm tuy nhiên có thể ước tính theo công thức sau và lấy trị số nhỏ hơn:
p cu
Hoặc P a U pqs i l i A p q p (10)
Trong đó:
fcu: Cường độ chịu nén của mẫu thử đất-xi măng trong phòng thí nghiệm, ở 90 ngày tuổi trong điều kiện bảo dưỡng tiêu chuẩn(kPa)
Ap: Diện tích của mặt cắt cột (m2)
: Hệ số triết giảm cường độ thân cột, có thể lấy = 0,3-0, 4
Trang 6Up: Chu vi của cột (m)
qsi: Lực ma sát cho phép của lớp đất thức i xung quanh cột
li: Chiều dày của lớp đất thứ i
qp: Khả năng chịu tải của móng đất thiên nhiên tại mũi cột
: Hệ số triết giảm khả năng chịu tải của móng đất thiên nhiên ở mũi cột, thể lấy =0,4-0, 6
III.2 Khả năng chịu tải cho phép của khối móng tổ hợp
s p
a
A
P m
(11)
Trong đó:
m: Tỷ diện tích thay thế
fs: Khả năng chịu tải của đất giữa các cột
: Hệ số triết giảm khả năng chịu tải của đất giữa các cột, thể lấy = 0,4-0, 6
III.3 Tính toán độ lún của nền gia cố
Độ lún của móng khối quy ước bao gồm độ lún của khối thân cột và tổng độ lún của lớp đất yếu không gia cố dưới mũi cột:
Độ lún của khối thân cột được tính theo công thức sau:
sp
oz o
l ).
p p
(
(12)
Trong đó:
po: Áp lực trung bình tại đỉnh cột
poz: Áp lực tại mũi cột
l: Chiều dài cột
Esp: Môđuyn co nén của thân cột
Esp = m.Ep + (1-m).Es (13)
Ep: Môđuyn co nén của cột đất trộn xi măng
Ep = (100-120)fcu (14)
Es: Môđuyn co nén của đất xung quanh cột
Nhận xét: cách tính như trên có khác so với cách tính theo qui trình của
Thụy Điển hay Nhật Bản khi có xét tới ứng suất phụ thêm do trọng lượng bản thân của cột đất trộn xi măng
VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM 727
Trang 7Độ lún của đất sét không ổn định phía dưới mũi cột:
Xem khối gia cố ở phía trên như một móng khối quy ước, độ lún S2 của đất yếu phía dưới khối gia cố được tính theo phương pháp phân tầng cộng lún
IV TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH VÀ BIẾN DẠNG CỦA NỀN ĐẤT GIA CỐ THEO QUI TRÌNH NHẬT BẢN (3)
IV.1 Khả năng chịu tải của cột đơn
Khả năng chịu nén của cột đất xi măng cần được kiểm tra theo điều kiện sau:
Trong đó:
P: Tải trọng của nền đắp do một cột đỡ
(kN)
Dp: Tổng tải trọng phân bố của nền đắp
(kN/m2)
A: Diện tích nền đất do một cột đỡ(m2),
Pa: Lực nén lớn nhất mà cột có thể chịu
được (kN)
Pa=qu.Ap (17)
qu: Cường độ chịu nén của cột (kN/m2)
Ap: Diện tích của cột (m2)
IV.2 Sức chịu tải của cột đất – ximăng theo đất nền
i di pu
R (18)
Trong đó:
Ru: Sức chịu tải cực hạn của cọc gia cố
Rup: Sức chịu tải mũi cực hạn của cọc gia cố
di: Ma sát thành cực hạn của cọc gia cố
hi: Chiều dày phân tố
L: Chu vi cọc gia co.á
Sức chịu tải mũi phụ thuộc vào loại đất
Đất rời:
Hình 5: Nền đất gia cố cột đất xi măng
Trang 8pu 75 N A
Trong đó:
N: Số SPT trung bình 1d trên và 1d dưới mũi cọc
Đất dính:
P
pu 6 c A
Trong đó:
c: Lực dính của đất nền
Ma sát thành bên của cọc tính toán theo các công thức sau:
3
N 10
c
di
Sức chịu tải cho phép cho trường hợp cọc gia cố làm việc đơn lẻ là:
f S
1
F
1
IV.3 Tính toán độ lún của nền gia cố
Độ lún tổng cộng: S = Dh1 + Dh2
Dh1: Độ lún trong phần đất được gia cố
Dh2: Độ lún của lớp đất yếu nằm dưới cột đất - xi măng
Độ lún Dh 1
Độ lún của nền đất có thể tính theo công thức sau:
n
1 S
) 1 n ( a 1
1
Trong đó:
ap: Tỷ diện tích thay thế
n: Tỷ lệ ứng suất
n EEsoilcol (26)
(Theo hiệp hội đường Nhật Bản, 1986)
Độ lún Dh 2 :
VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM 729
Trang 9Xem khối gia cố ở phía trên như một móng khối quy ước, độ lún Dh2
của đất yếu phía dưới khối gia cố được tính theo phương pháp phân tầng cộng lún
Nhận xét: Về cơng thức tính độ lún Dh1 của Nhật cĩ dạng hơi khác so với dạng cơng thức của Thụy Điển nhưng nếu biến đổi tiếp cơng thức của Nhật thì cũng sẽ thu được dạng cơng thức như Thụy điển
V TỔNG HỢP PHÂN TÍCH SỨC CHỊU TẢI CỦA CỘT ĐẤT - XI MĂNG TỪ KẾT QUẢ TÍNH TOÁN THEO LÝ THUYẾT VÀ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM NÉN TĨNH Ở HIỆN TRƯỜNG TẠI SÂN BAY CẦN THƠ V.1 Giới thiệu về công trình
V.1.1 Số liệu địa chất công trình
Theo kết quả khảo sát địa chất công trình phục vụ cho công tác thiết kế
kỹ thuật thi công công trình “Cải tạo, nâng cấp, mở rộng đường HCC, đường
lăn, sân đỗ máy bay CHK Cần Thơ” cho thấy địa tầng khu vực được cấu tạo
theo thứ tự từ trên xuống dưới được phân thành các lớp như sau:
- Lớp 1: Lớp sét màu xám, xám ghi, trạng thái dẻo mềm Lớp này chỉ xuất hiện tại khu vực đường HCC hiện hữu và nằm bên dưới lớp cát hạt mịn, màu xám vàng, xám xanh Lớp này có chiều dày trung bình khoảng 1,42m
- Lớp 2: Lớp bùn sét màu xám xanh, lẫn mùn hữu cơ, trạng thái chảy Lớp 2 xuất hiện rộng khắp khu vực khảo sát, tại khu vực dự kiến làm sân đỗ máy bay Tại khu vực đường HCC, lớp này nằm bên dưới lớp sét màu xám xanh, xám ghi trạng thái dẻo mềm (lớp 1) Tại khu vực dự kiến xây dựng đường lăn mới, lớp 2 xuất hiện ngay phía dưới lớp đất màu trên mặt Lớp 2 có bề dày trung bình là 11,8m
- Lớp 3: Bùn sét pha màu xám, xám xanh, xám ghi, lẫn mùn hữu cơ, trạng thái chảy Lớp 3 có bề dày trung bình 14,85m
- Lớp 4: Sét màu nâu, xám nâu, lẫn ít hữu cơ, trạng thái dẻo chảy Lớp 4 xuất hiện tại 2 hố khoan sâu 40m (Xuất hiện ở độ sâu 28,4m ở hố khoan K13 và 29,0m ở hố khoan K15), nằm ngay phía dưới lớp đất bùn sét pha màu xám, xám xanh, xám ghi, lẫn mùn hữu cơ, trạng thái chảy Tại độ sâu 40m chưa khoan qua bề dày lớp sét này
Bảng 1: Các chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất nền
Trang 10Khối lượng riêng hạt g/cm3 2,71 2,65 2,65 2,69
Số liệu về cột đất – xi măng: Các cột có đường kính là 0,6m, Chiều dài cột: 5,7m, Khoảng cách giữa các cột: 1m; Tỷ lệ trộn: 65kg/m dài
Hình 6: Mặt cắt ngang điển hình xử lý khu vực đường HCC
V.2 Các kết quả tính toán theo lý thuyết và thực nghiệm hiện trường
V.2.1 Tổng hợp kết quả tính toán sức chịu tải cho phép của cột đất xi măng
theo các quy trình, và theo thí nghiệm nén tính tại hiện trường
Vị trí Q TĐ a
TH a
NB a
NT a
VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM 731
Trang 11Cụm 3 5,44 6,75 6,91 4,11
Trong đó: QTĐ
a: Sức chịu tải cho phép của cột đất - xi măng, tính theo qui trình Thụy Điển
QTH
a: Sức chịu tải cho phép của cột đất - xi măng, tính theo qui trình Thượng Hải, Trung Quốc
QNB
a: Sức chịu tải cho phép của cột đất - xi măng, tính theo qui trình Nhật Bản
QNT
a: Sức chịu tải cho phép của cột đất - xi măng, tính theo thí nghiệm nén tĩnh hiện trường
Nhận xét:
Lấy sức chịu tải cho phép của cột đất - xi măng theo kết quả nén tĩnh ở hiện trường làm chuẩn để đánh giá sai số của sức chịu tải cho phép tính theo các quy trình khác nhau, được kết quả như sau:
Sức chịu tải tính theo quy trình Thụy Điển có sai số nhỏ nhất, khoảng 20-28%
Sức chịu tải tính theo quy trình Thượng Hải - Trung Quốc và Nhật Bản có sai số gần bằng nhau (Thượng Hải: 36,8-40,9, Nhật Bản: 40,5-42,9) Qua phân tích ở trên, ta nhận thấy rằng sức chịu tải tính theo quy trình của ba nước đều có hệ số an toàn cao (do lớn hơn sức chịu tải cho phép xác định từ nén tĩnh 20-42,9%), tuy nhiên kết quả tính theo quy trình Thụy Điển là gần với thực tế nhất Vì vậy, để tính sức chịu tải cho phép của cột đất - xi măng, tác giả kiến nghị sử dụng công thức của quy trình Thụy Điển Khi dùng công thức của các quy trình khác nên kết hợp với các hệ số điều chỉnh thích hợp
V.2.2 Các kết quả tính lún
Nhận xét về công thức tính lún theo quy trình của ba nước thông qua kết quả tính toán lý thuyết như sau:
Độ lún tổng cộng tính theo quy trình Thụy Điển S = 10,05cm
Độ lún tổng cộng tính theo quy trình Thượng Hải-Trung Quốc S = 10,89cm
Độ lún tổng cộng tính theo quy trình Nhật Bản S = 10,05cm
Trang 12 Công thức tính lún của Thụy Điển và Nhật Bản hoàn toàn tương đương
Công thức tính lún theo Thượng Hải-Trung Quốc cho kết quả lớn hơn là do có xét đến ứng suất phụ thêm do trọng lượng bản thân của cột đất - xi măng
Nhìn chung, công thức tính lún của ba quy trình đưa ra đều giống nhau, kết quả tính toán theo các quy trình có sự chênh lệch không lớn Do đó, khi tính toán lún, chúng ta có thể tham khảo cả ba công thức trên và để thiên về
an toàn, chúng ta có thể sử dụng công thức của Thượng Hải-Trung Quốc
VI CÁC NHẬN XÉT, KẾT LUẬN
Qua việc nghiên cứu các quan điểm tính toán theo tiêu chuẩn của Thụy Điển, Nhật Bản và Thượng Hải – Trung Quốc cho phép rút ra các kiến nghị như sau:
Việc tiến hành thí nghiệm nén tĩnh dọc trục ngoài hiện trường để xác định sức chịu tải cho phép đối với các công trình sử dụng giải pháp cột đất trộn xi măng là hợp lý
Đối với cột đất gia cố xi măng, sức chịu tải cho phép theo nén tĩnh lấy bằng tải trọng tương ứng với s/d = 0,01
Sức chịu tải cho phép lần lượt có giá trị từ nhỏ đến lớn khi tính theo quy trình Thụy Điển, theo quy trình Trung Quốc, theo quy trình Nhật Bản
Công thức tính sức chịu tải theo quy trình Thụy Điển là hợp lý nhất, để đưa giá trị tính toán theo lý thuyết về gần với giá trị thực tế có thể nhân với các hệ số điều chỉnh như sau: Qa = 0,22 QTĐ
a + 2,99
Công thức tính lún của Thụy Điển và Nhật Bản hoàn toàn tương đương Kết quả tính toán lún theo ba quy trình cho kết quả chênh lệch không đáng kể Để thiên về an toàn có thể dùng công thức của Thượng Hải-Trung Quốc
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 Swedish Geotechnical Society SGF Report 4:95E, Lime and Lime Cement
Columns “Guide for Project planning, construction and Inspection”, Linkoping, 1997
2 Tiêu chuẩn thành phố Thượng Hải – Trung Quốc “Quy phạm kỹ thuật xử
lý nền móng – BDJ08-40-94” do Nguyễn Thị Cúc dịch, Nguyễn Trọng Đính hiệu
đính
VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM 733
Trang 133 Qui trình của Nhật bản: “Thiết kế và thi công cột đất gia cố xi măng” Nhật
Bản, 2004
Người phản biện: PGS.TS Trần Thị Thanh
