Luận văn Nghiên cứu tính toán ổn định mái đào trong đất yếu

Mục Đích Và Nhiệm Vụ Của Đề Tài1. Nghiên cứu phương pháp tính toán ổn định mái đào trong đất yếu có kể đến sự làm việc của cọc xi măng đất. 2. Xác định hệ số ổn định mái đào trong đất yếu có kể đến sự làm việc của cọc xi măng đất.3. Đưa ra quy trình tính và mô hình hoá khối vật liệu, qua đó tính chính xác số lượng cọc xi măng đất cần dùng.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2010

LỜI CẢM ƠN Luận văn “Nghiên cứu tính toán ổn định mái đào trong đất yếu”

được hoàn thành tại Khoa đào tạo đại học và sau đại học - Trường Đại học Thuỷ Lợi Hà Nôi

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Quốc Dũng đã tận tình hướng dẫn, dìu dắt tác giả hoàn thành luận văn này, xin trân

thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Khoa Công Trình - Trường đại học Thuỷ Lợi, các đồng nghiệp trong và ngoài nước đã cung cấp các tài liệu và số liệu cho luận văn nay

Tác giả xin trân thành cảm ơn cơ quan và các cá nhân nói trên đã chia

sẻ những khó khăn, truyền bá kiến thức, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi học tập và hoàn thành luận văn này

Tác giả có được kết quả hôm nay chính là nhờ sự chỉ bảo ân cần của các thầy cô giáo, cùng sự giúp đỡ, động viên của cơ quan, gia đình và bạn bè đồng nghiệp trong những năm qua Một lần nữa tác giả xin ghi nhớ tất cả các đóng góp to lớn đó

Với thời gian và trình độ có hạn, luận văn không tránh khỏi những sai sót Rất mong nhận được sự chỉ bảo và đóng góp trân tình của Quí thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp

Hà Nội, tháng 03 năm 2010

Tác giả

HOÀNG HẢI HÀ

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG

1.1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG ÁN GIA CỐ NỀN, MÁI

ĐÀO TRONG ĐẤT YẾU

1.1.1 Các phương pháp làm chặt đất ở dưới sâu bằng chấn động và

1.1.2.2 Bấc thấm và các vật thoát nước thẳng đứng chế tạo sẵn

1.1.3 Gia cố đất yếu bằng năng lượng nổ

1.1.4 Nén trước bằng tải trọng tĩnh

1.1.5 Gia cố đất yếu bằng vải địa kỹ thuật

1.1.6 Gia cố đất bằng các chất kết dính

1.1.6.1 Gia cố đất bằng phương pháp trộn vôi

1.1.6.2 Gia cố đất bằng phương pháp trộn xi măng

1.1.6.3 Gia cố đất bằng phương pháp trộn bitum

1.1.6.4 Gia cố đất bằng keo polime tổng hợp

1.1.7 Gia cố đất bằng phương pháp phụt dung dịch

1.1.7.1 Gia cố bằng phụt vữa xi măng

1.1.7.2 Gia cố đất yếu bằng phụt dung dịch silicat

1.1.7.3 Gia cố đất bằng phương pháp phụt nhựa bitum

1.1.8 Gia cố đất bằng một số phương pháp vật lý

1.1.8.1 Gia cố đất bằng phương pháp điện thấm

1.1.8.2 Gia cố đất bằng phương pháp điện hoá học

1.1.8.3 Gia cố đất bằng phương pháp điện silicat

1.1.8.4 Gia cố đất bằng phương pháp nhiệt

1.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ GIA CỐ ĐẤT YẾU

BẰNG XI MĂNG TRÊN THẾ GIỚI

1.3 CÔNG NGHỆ GIA CỐ ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT Ở VIỆT NAM

1.4 MỘT SỐ HÌNH ẢNH THI CÔNG CỌC XI MĂNG ĐẤT Ở VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI

2.1.1 Công nghệ đơn pha - xi măng đất S

2.1.2 Công nghệ hai pha - xi măng đất D

2.1.3 Công nghệ ba pha-xi măng đất T

2.2 PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG

2.2.1 Thiết bị thi công

3.3.1 Giới thiệu chung về phương pháp PTHH

3.3.1.1 Phần tử tam giác tuyến tính (T3)

3.3.1.2 Phần tử tứ giác tuyến tính (T4)

3.2 CÁC MÔ HÌNH VẬT LIỆU SỬ DỤNG TRONG TÍNH TOÁN

3.2.1 Mô hình vật liệu đàn hồi tuyến tính

3.2.2 Mô hình vật liệu đàn dẻo lí tưởng

3.3 PHẦN MỀM PLAXIS

3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG

CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG TÍNH TOÁN CHO CÔNG TRÌNH KÊNH XẢ LÀM MÁT NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN LONG PHÚ 1 4.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN LONG PHÚ 1

4.1.1 Thông tin cơ bản về dự án

4.1.2 Số liệu kỹ thuật và chỉ tiêu của nhà máy

4.2 KÊNH XẢ NƯỚC LÀM MÁT

4.3 PHÂN TÍCH VÀ TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH MÁI KÊNH XẢ

CÓ KỂ ĐẾN SỰ LÀM VIỆC CỦA CỌC XI MĂNG ĐẤT

4.3.1 Các mô hình tính toán chính

4.3.2 Các tổ hợp tính toán

4.3.3 Lựa chọn chỉ tiêu dùng cho cọc xi măng đất

4.3.4 Lựa chọn vị trí của trụ xi măng đất nhằm chống trượt cho mái kênh xả

4.3.5 Mô hình tính toán

4.4 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN

4.4.1 Trường hợp không gia cố

4.4.2 Trường hợp gia cố một hàng trụ xi măng đất

4.4.3 Trường hợp gia cố hai hàng trụ xi măng đất

4.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

5.1 KẾT LUẬN

5.2 HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP CỦA ĐỀ TÀI

TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Thi công cọc xi măng đất chống thấm nền đập

Hình 1.2: Một đoạn tường chống thấm được đào hở để kiểm tra

Hình 1.3: Hồ chứa sau khi tích nước

Hình 1.4: Thi công chống thấm đê quây

Hình 1.5: Hố móng công trình nhà máy thuỷ điện Sơn La

Hình 1.6: Thi công trộn sâu ở Nhật Bản

Hình 1.7: Thi công trộn sâu ở Hà Lan

Hình 1.8: Thi công trộn sâu ở Đức

Hình 2.1: Công nghệ đơn pha

Hình 2.2: Công nghệ hai pha

Hình 2.3: Công nghệ 3 pha

Hình 2.4: Mô tả quá trình thi công công nghệ KPCA

Hình 2.5: Phạm vi ứng dụng hiệu quả của các loại công nghệ khoan phụt Hình 3.1: Rời rạc hình tròn thành hữu hạn các phần tử tam giác với các sai

số biểu thị phần gạch chéo Hình 3.2: Độ chính xác lời giải phụ thuộc vào N

Hình 3.3: Các thành phần ứng suất biến dạng

Hình 3.4: Biểu diễn các thành phần ứng suất Phần tử tam giác tuyến tính Hình 3.5: Hệ toạ độ tự nhiên của phần tử tam giác tuyến tính

Hình 3.6: Thể hiện hàm dạng cho phần tử tam giác tuyến tính

Hình 3.7: Hệ toạ độ tự nhiên cho phần tử tứ giác tuyến tính

Hình 3.8: Thể hiện hàm dạng cho phần tử tứ giác tuyến tính

Hình 3.9: Một số phần tử có tỷ lệ đặc trưng cao không nên sử dụng trong

tính toán Hình 3.10: Một số phần tử có tỷ lệ đặc trưng nhỏ đựơc sử dụng trong tính

toán Hình 3.11: Các liên kết không đúng

Hình 3.12: Phần tử dầm phẳng

Hình 3.13: Quan hệ tuyến tính giữa ứng suất và biến dạng

Hình 3.14: a quan hệ giữa ứng suất và biến dạng

b Vòng tròn Mohr về ứng suất và đường bao phá hoại Hình 4.1: Mặt cắt ngang kênh xả

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 4.1: Các đặc trưng cơ lý của đất nền

Bảng 4.2: Các đặc trưng cơ lý của trụ xi măng đất

Tính toán ổn định mái đào trong đất yếu, các kỹ sư mới chỉ mô tả sự làm việc của khối đất, từ đó họ tính được hệ số mái đào phù hợp Thực tế, khi đưa cọc xi măng đất vào mái đào trong đất yếu thì tại đó ngoài vật liệu là khối đất ra còn kể tới vật liệu là cọc xi măng đất Các cọc xi măng đất trong khối đất cũng tham gia vào thành phần chống trượt của mái đào trong đất yếu Nếu chỉ rõ ra được cọc xi măng đất làm việc cùng với khối đất như thế nào trong khối đó thì ta sẽ tính chính xác được lượng cọc xi măng đất cần để tham gia chống trượt cho mái đào

Việc tính toán chính xác được lượng cọc xi măng đất tại các khối đất

đó cũng là điều kiện để hạ giá thành công trình đáng kể

Vì vậy đề tài “Nghiên cứu tính toán ổn định mái đào trong đất yếu”

là hết sức cần thiết, có ý nghĩa đối với khoa học và thực tiễn

MỤC ĐÍCH VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI

1 Nghiên cứu phương pháp tính toán ổn định mái đào trong đất yếu có

kể đến sự làm việc của cọc xi măng đất

2 Xác định hệ số ổn định mái đào trong đất yếu có kể đến sự làm việc của cọc xi măng đất

3 Đưa ra quy trình tính và mô hình hoá khối vật liệu, qua đó tính chính xác số lượng cọc xi măng đất cần dùng

CÁCH TIẾP CẬN, PHƯƠNG PHÁP, ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

1 Cách tiếp cận

Qua tìm hiểu các dự án nước ngoài thiết kế, như kênh Nhiêu Lộc- Thị Nghè, kênh xả nhà máy nhiệt điện Phú Mỹ… gia cố mái kênh bằng trụ xi măng đất Tuy nhiên hiện nay chưa có tài liệu hướng dẫn tính toán ổn định mái gia cố trụ xi măng đất Việc chứng minh khả năng gia tăng ổn định khi có trụ xi măng đất cần được phân tích, làm rõ

2 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu tài liệu: Các tài liệu về đất yếu và công nghệ xử lý đất yếu Các tài liệu về vật liệu xi măng đất, các đề tài dự án đã thực hiện ở Việt Nam ứng dụng công nghệ trụ xi măng đất

- Sử dụng các phần mềm thương mại để phân tích ổn định mái dốc như GeoSlope, Plaxis…

- Ứng dụng tính toán cho một công trình cụ thể để chứng minh hiệu quả kinh tế, kỹ thuật…

3 Đối tượng nghiên cứu

Mái đào bể chứa thải của nhà máy nhiệt điện Long Phú I,

Địa điểm dự án: Xã Đức Long, huyện Long Phú, tỉnh Sóc Trăng

KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC

Tìm được phương pháp tính toán ổn định mái đào trong đất yếu (có kể đến sự làm việc của cọc xi măng đất) hợp lý để xác định hệ số ổn định mái đào chính xác

Vận dụng thành thạo chương trình tính toán Plaxis

Tính toán cụ thể ổn định mái đào trong đất yếu có kể đến cọc xi măng

đất của kênh xả làm mát nhà máy nhiệt điện Long Phú 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG

1.1 TỔNG QUAN CÁC HÌNH THỨC MẤT ỔN ĐỊNH MÁI ĐÀO TRONG ĐẤT YẾU

Chuyển động do trượt: Hiện tượng đất sườn dốc chuyển động do trượt được chia thành các loại sau:

1.1.1 Trượt theo mặt phẳng:

Một lớp đất có tính chất cơ lý yếu kém nằm trên mặt nghiên của lớp đất

đá cứng bên dưới sẽ gây hiện tượng trượt phẳng

Hình 1-1: Trượt mặt phẳng

1.1.2 Trượt vòng cung đơn giản

Trượt mái dốc theo mặt trượt vòng cung đơn giản là thường hay xảy ra nhất Đường trượt thường có dạng đơn giản giống như hình trụ Phân tích khả năng trượt mái dốc có thể áp dụng phương pháp kinh điển

Loại trượt này có thể được phân biệt bởi các dấu hiệu sau:

- Phía đỉnh mái dốc xuất hiện các vết nứt do lực đất kéo xuống

- Xuất hiện một khoảng trống phía đỉnh khối trượt

- Xuất hiện khối trồi phía chân khối trượt

Khi mặt trượt có dạng cung tròn ta gọi là trượt cung tròn Trượt cung tròn thường xảy ra trong phần lớn các trườnghợp trượt mái dốc Ngược lại, đường trượt không có dạng hình tròn ta chỉ gọi là trượt vòng cung

Hình 1-2: Trượt vòng cung

1.1.3 Trượt vòng cung phức hợp

Trượt trên một mái dốc tạo ra nhiều khối trượt hình vòng cung chồng lên nhau, gọi là trượt vòng cung phức hợp Mỗi khối trượt chồng lên khối tiếp theo là nguyên nhân làm cho khối tiếp theo trượt và cú thế liên tiếp trên một mái dốc dài

Hình 1-3: Trượt vòng cung phức hợp

Mái dốc do đào đât và mái dốc đất đắp nằm trên nền đất không chịu nén Các loại mái dốc này cùng có đặc điểm chung là bị trượt theo đường trượt cung tròn

Có thể phân chia thành các loại trượt cung tròn sau:

- Trượt cung tròn lưng dốc

- Trượt cung tròn chân dốc

- Trượt cung tròn sâu

Hình 1-4: Các loại trượt cung tròn trên mái dốc

- Trượt lưng dốc thường xảy ra ở chỗ đất không đồng nhất Đáy của vòng cung trượt tròn nằm trên mặt một lớp đất cứng hơn,

- Trượt cung tròn chân dốc thường gặp nhất trong loại mái dốc kiểu này,

- Trượt cung tròn sâu chỉ xảy ra khi đất nền dưới chân dốc quá yếu

1.2 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG ÁN GIA CỐ MÁI ĐÀO TRONG ĐẤT YẾU

1.2.1 Ổn định mái đào bằng cách tạo cơ hoặc giảm mái dốc

Trường hợp mái dốc cao và địa chất phức tạp, mái dốc thường được bố trí thêm cơ nhằm tăng ổn định mái và thuận lợi thi công Nếu bố trí cơ mà mái dốc vẫn không đảm bảo ổn định cần tăng hệ số mái dốc thoải hơn

1: m11: m2

Hình 1-5: Mái dốc có cơ và hệ số mái thay đổi

1.2.2 Ổn định mái đào bằng tường vây

Tường vây chắn giữ có các loại chủ yếu sau đây:

- Tường chắn bằng xi măng đất trộn ở tầng sâu: Trộng cưỡng chế đất với xi măng thành cọc xi măng đất, sau đó đóng rắn lại sẽ thành tường chắn có

dạng bản liền khối đạt cường độ nhất định, dùng để đào loại móng có độ sâu 3-6m

- Cọc bản thép: dùng cọc ván thép sấp ngửa móc vào nhau hoặc cọc ván thép khóa miệng bằng thép hình với mặt cắt chữ U và chữ Z Dùng

phương pháp đóng hoặc rung để hạ chúng vào trong đất, sau khi hoàn thành nhiệm vụ chắn giữ, có thể thu hồi sử dụng lại, dùng cho loại hố móng có độ sâu 3- 10m

- Cọc bản bê tông cốt thép: cọc dài 6-12m, sau khi đóng xuống đất, trên đỉnh cọc đổ một dầm vòng bằng bê tông cốt thép đặt một dây chắn giữ hoặc thanh neo, dùng cho loại hố móng có độ sâu 3-6m

Hình 1-6: Ổn định mái đào bằng tường vây

1.2.3 Ổn định mái đào bằng vải địa kỹ thuật

Trong những năm gần đây, vải địa kỹ thuật được dùng khá rộng rãi để gia cố nền đất yếu, ổn định mái kênh, mái đào trong đất yếu Tuỳ theo mục đích sử dụng, vải địa kỹ thuật có thể đáp ứng được các yêu cầu khác nhau:

- Làm chức năng như một mặt phân cách: Các lớp đất yếu không ổn

định có thể được làm ổn định bằng cách sử dụng kết hợp vải địa kỹ thuật với các vật liệu chất lượng tốt Dùng vải địa kỹ thuật đặt trên bề mặt lớp đất yếu, sau đó đắp bằng vật liệu tốt, đất đắp lên sẽ không bị chìm vào lớp nền dẫn đến chiều dày lớp đất đắp ít bị thay đổi do đó làm giảm chiều cao đắp Dùng vải địa kỹ thuật phân cách lớp đất đắp và nền đất yếu cũng làm giảm sự phá hoại

các đặc tính cơ học của các lớp đất nền, làm giảm ứng suất cắt

- Làm giảm chức năng như vật liệu tiêu nước: Vải địa kỹ thuật xốp, cấu

tạo kiểu không gian 3 chiều và có khả năng thấm nước cao nên được sử dụng như một loại vật liệu tiêu nước tốt Nó cho phép tiêu nước theo cả phương thẳng đứng và trên mặt nằm ngang và xem như thiết bị tiêu tán áp lực nước

dư trong lỗ rỗng được hình thành trong đất sau khi xây dựng Tiêu nước tốt có thể đảm bảo ổn định hoặc làm tăng cường độ của các lớp đất và như vậy sẽ làm tăng tính ổn định của nền đất yếu, mái đào trong đất yếu

Ngoài ra, vải địa kỹ thuật còn được dùng để chống xói mòn, bảo vệ các công trình dẫn nước, bờ kênh, bờ sông, …

Hình 1-7: Ổn định mái đào bằng vải địa kỹ thuật

1.2.4 Ổn định mái đào bằng tường chắn

Hình 1-7: Ổn định mái đào bằng tường chắn đất

1.2.5 Ổn định mái đào bằng neo

Hình 1-7: Ổn định mái đào bằng neo

1.2.6 Ổn định mái đào bằng băng thoát nước khoan vào mái

B¨ng tho¸t n-íc

Hình 1-7: Ổn định mái đào bằng băng thoát nước khoan vào mái

1.2.7 Ổn định mái đào bằng biện pháp cải tạo mái

1.1.2.1 Giếng cát, cọc cát

Dùng giếng cát, cọc cát là một trong những phương pháp hiệu quả và kinh tế gia cố đất sét yếu, có tác dụng tăng nhanh tốc độ cố kết của đất, làm cho công trình xây dựng ở trên nhanh chóng đạt đến giới hạn ổn định về lún, đồng thời làm cho đất có khả năng biến dạng đồng đều Dùng giếng cát, cọc cát còn làm tăng độ chặt của đất và do đó sức chịu tải của nền tăng lên một cách đáng kể Tuỳ thuộc vào đặc điểm công trình xây dựng và điều kiện nền đất mà lựa chọn dùng giếng cát hay cọc cát để gia cố nền đất, gia cố mái đào trong đất yếu Giếng cát đóng vai trò thoát nước trong đất là chính, nó giúp tăng nhanh tốc độ cố kết của nền Do vậy, gia cố bằng giếng cát thường phải

đi kèm với biện pháp gia tải để nước thoát ra được dễ dàng Khi gia cố đất yếu bằng cọc cát, tác dụng nén chặt đóng vai trò chính, do đất được nén chặt

mà độ rỗng, độ ẩm của đất giảm đi, trọng lượng thể tích, modun biến dạng, lực dính và góc ma sát trong tăng lên, sức chịu tải của nền tăng lên

Để thi công giếng cát, cọc cát thường dùng cách đóng ống thép xuống đất bằng búa hoặc bằng chấn động đến độ sâu thiết kế, sau đó nhồi cát và đầm chặt theo từng lớp từ dưới lên trên Giếng cát thường được dùng để gia cố cải tạo các công trình đường giao thông khi xây dựng trên nền đất sét yếu có bề dày lớn và cần có thời gian đủ dài (thường từ 6 đến 18 tháng) để đạt được hiệu quả gia cố Cọc cát được dùng trong gia cố nền đất yếu phục vụ xây dựng các công trình nhà dân dụng và công nghiệp, nền kho bãi, bể chứa, Phần lớn độ lún của đất có cọc cát kết thúc trong quá trình thi công Do đó, công trình mau chóng đạt giới hạn ổn định và có thể sử dụng ngay không cần thời gian chờ đợi

1.2.4.1 Gia cố bằng cọc xi măng đất

Khi xây dựng các công trình có tải trọng lớn trền nền đất yếu cần phải

có các biện pháp xử lý đất nền bên dưới móng công trình, nhất là những khu vực có tầng đất yếu khá dày như vùng Nhà Bè, Bình Chánh, Thanh Đa ở thành phố Hồ Chí Minh và một số tỉnh ở đồng bằng sông Cửu Long

Cọc xi măng đất -(Deep soil mixing columns, soil mixing pile) là một trong những giải pháp xử lý nền đất yếu đặc biệt là trong điều kiện đất yếu quá dày, mực nước ngầm cao hoặc nền ngập nước và hiện trường thi công chật hẹp Khả năng ứng dụng tương đối rộng rãi như: Làm tường hào chống thấm cho đê đập, gia cố nền móng cho các công trình xây dựng, sửa chữa thấm mang cống và đáy cống, ổn định tường chắn, chống trượt mái dốc, gia

cố đất yếu xung quanh đường hầm, gia cố nền đường, mố cầu dẫn

So với một số giải pháp xử lý nền hiện có, công nghệ cọc xi măng đất

có ưu điểm là khả năng xử lý sâu (đến 50m), thích hợp với các loại đất yếu (từ cát thô cho đến bùn yếu), thi công được cả trong điều kiện nền ngập sâu trong nước hoặc điều kiện hiện trường chật hẹp, trong nhiều trường hợp đã đưa lại hiệu quả kinh tế rõ rệt so với các giải pháp xử lý khác.(nếu sử dụng phương pháp cọc bê tông ép hoặc cọc khoan nhồi thì rất tốn kém do tầng đất

yếu bên trên dày Với 1 trường hợp đã áp dụng với lớp đất dày 30m, thì khi sử dụng phương pháp cọc- đất xi măng tiết kiệm cho mỗi móng xi lô khoảng 600 triệu đồng

Cọc xi măng đất là hỗn hợp giữa đất nguyên trạng nơi gia cố và xi măng được phun xuống nền đất bởi thiết bị khoan phun Mũi khoan được khoan xuống làm tơi đất cho đến khi đạt độ sâu lớp đất cần gia cố thì quay ngược lại và dịch chuyển lên Trong quá trình dịch chuyển lên, xi măng được phun vào nền đất (bằng áp lực khí nén đối với hỗn hợp khô hoặc bằng bơm vữa đối với hỗn hợp dạng vữa ướt)

1.2.5 Phân tích ưu nhược điểm của các phương án gia cố

Khi ứng dụng cho đối tượng nghiên cứu của dự án bãi thải xỉ nhà máy nhiệt điện Long Phú I, ưu nhược điểm của các phương pháp gia cố ở trên:

1.2.5.1 ổn định mái đào bằng cách tạo cơ hoặc giảm mái dốc

Ưu điểm: + đơn giản, dễ thi công, rẻ

Nhược điểm: + với vùng dự án do đất quá yếu nên yêu cầu m=5~6 mới đảm

bảo ổn định Dẫn đến diện tích chiếm đất lớn, tăng giá đền bù

+ Thi công đào đất trong điều kiện nước ngầm cao cũng rất phức tạp

1.2.5.2 ổn định bằng vây

Ưu điểm: + Do mái gần như thẳng đứng nên diện tích chiếm đất nhỏ,

Nhược điểm: + Chi phí cao, đòi hỏi máy móc thiết bị đắt

+ Thi công tường vây có thể gây tiếng ồn, ô nhiễm môi trường

1.2.5.3 Ổn định bằng vải địa kỹ thuật bố trí nhiều lớp

Ưu điểm: + giảm được độ dốc mái

Nhược điểm: Thi công mất nhiều thời gian, do phải đào ra đắp vào, đắp theo

lớp Thi công đào trong điều kiện nước ngầm cao cũng rất phức tạp

1.2.5.4 Ổn định mái dốc bằng neo:

Không thích hợp với đất yếu, do phải phụt gia cố đất xung quanh neo

1.2.5.5 Tường chắn:

Không thích hợp do phải gia cố ổn định đáy tường

1.2.5.6 Băng thoát nước:

Không thích hợp với đất yếu

1.2.5.7 Ổn định mái bằng biện pháp cải tạo đất khu vực mái dốc

Bản chất làm thay đổi tính chất cơ lý (, , c, E…) vùng mái trong phạm vi ảnh hưởng của công trình

+ Biện pháp cải tạo bằng cọc cát, giếng cát:

Ưu điểm: Tốc độ thi công nhanh, giá thành rẻ

Nhược điểm: với đất yếu bão hòa nước thì hiệu quả thấp

+ Biện pháp cải tạo bằng cọc xi măng đất:

Ưu điểm: Thi công được trong điều kiện bất lợi như nền ngập sâu trong nước

hoặc điều kiện hiện trường chật hẹp So với phương pháp gia cố bằng tường vây thì rẻ hơn

1.3 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ GIA CỐ ĐẤT YẾU BẰNG TRỤ XI MĂNG TRÊN THẾ GIỚI

Trên thế giới, việc gia cố đất yếu bằng xi măng đã phát triển từ rất lâu, xuất phát từ nhu cầu thực tế khi xây dựng các công trình trên nền đất yếu Nhiều phương pháp gia cố đất yếu được áp dụng nhưng chủ yếu là các phương pháp làm chặt đất trên mặt Ngày nay, phương pháp trộn sâu (deep mixing method - DMM) dùng để cải tạo đất yếu đã được ứng dụng rất rộng rãi và hiệu quả

Năm 1954, Công ty Prepakt Co (Mỹ) đã phát triển phương pháp trộn tại chỗ và dùng phương pháp cọc (lưỡi khoan đơn) Phương pháp này hầu như chỉ được sử dụng ở Mỹ

Năm 1966, phương pháp trộn tại chỗ và được sử dụng dưới dạng bản quyền cho hơn 300.000m cọc dài ở Nhật Bản dùng để gia cố hố đào và điều tiết nước ngầm Nó được tiếp tục đến đầu năm 1970 bởi Công ty Seiko Kogyo

đã thành công về kỹ thuật màng - tường chống thấm Cùng năm này, Công ty Port và Havber thuộc Viện Nghiên cứu Bộ Giao thông Vận tải (PHRI) đã sử

dụng bột đá vôi cho xử lý đất yếu Năm 1967, Viện Nghiên cứu Bờ biển và Cảng Bộ Giao thông Nhật Bản đã bắt đầu thí nghiệm trong phòng, đã sử dụng hạt thô hoặc bột vôi để xử lý đất yếu có nguồn gốc biển Nghiên cứu này được tiếp tục ở Okumura, terashi và những người khác đến những năm 1970 Các nghiên cứu của họ gồm: Nghiên cứu sự tương tác giữa vôi và đất sét nguồn gốc biển; Phát triển phương pháp trộn; thí nghiệm cường độ kháng nén không nở hông (Unconfined compressive strengths - UCS) từ 0.101MPa Các máy Mark I - IV đã dùng thử nghiệm lần đầu tiên tại sân bay Hameda

Trong vài năm sau đó, các thí nghiệm trong phòng và hiện trường đã bắt đầu được thực hiện để nghiên cứu về phương pháp cọc đất - vôi - xi măng cho xử lý đất sét yếu dưới các nền công trình đất đắp bởi các Công ty Kjed Paus, Linden - Alimak AB và Viện Địa kỹ thuật Thuỵ Điển (SGI) hợp tác cùng một số nước Châu Âu Vấn đề này đã được quan trắc dựa theo Công ty Kjed Paus và thi công cột vôi ở Mỹ

Năm 1974, tại Viện Nghiên cứu Bờ biển và Cảng của Nhật Bản, phương pháp trộn sâu vôi - ximăng đã được áp dụng hoàn thiện Ứng dụng đầu tiên là gia cố đất sét yếu ở ChiBa với máy Mak - IV được phát triển bởi Công ty xây dựng Fudo Các ứng dụng ở những nước Đông Nam Châu Á cũng đã được thực hiện trong năm này Phương pháp này tiếp tục được phổ biến đến tận năm 1978 Phương pháp thử nhanh với cọc vôi - ximăng tại sân bay Ska Edeby của Thuỵ Điển đã tiến hành những thử nghiệm cơ bản và đánh giá về tương tác nước thoát từ cọc với chiều dài cọc 15m, đường kính là 0,5m Lần đầu tiên phương pháp cọc đất - vôi - ximăng được mô tả chi tiết bởi Arrason và những người khác thuộc Công ty Linden Alimak AB

Cũng vào những năm 1974, lần đầu tiên khối đắp thử theo phương pháp

xử lý cột đất - vôi - ximăng trong đất sét yếu ở Phần Lan (chiều cao khối đắp

là 6m, dài 8m dùng cột đất vôi - ximăng đường kính 0,5m)

Năm 1975, dựa trên kết quả nghiên cứu từ năm 1973 - 1974, Viện Nghiên cứu Bờ biển và Cảng của Nhật Bản đã phát triển phương pháp trộn xi măng sâu dùng dung dịch xi măng và phụt và đã ứng dụng cho một dự án lớn

xử lý đất nhiễm mặn vùng ven biển Ở Thuỵ Điển, lần đầu tiên bắt đầu sử dụng cột đất vôi – xi măng để gia cố hố đào, ổn định khối đất đắp, gia cố móng nông ở gần Stockholm bởi Công ty Linden Alimak AB và SGI

Năm 1976, Viện Nghiên cứu Công trình Công cộng thuộc Bộ Xây dựng Nhật Bản liên kết với Viện Nghiên cứu Máy xây dựng đã bắt đầu nghiên cứu phương pháp phụt khô sử dụng xi măng khô Giai đoạn thực nghiệm đầu tiên được hoàn thành vào cuối năm 1980

Năm 1977, lần đầu tiên cuốn sổ tay về cột đất - vôi ra đời của tác giả Broms và Boman xuất bản bởi Viện Nghiên cứu Địa kỹ thuật Thuỵ Điển Trong cuốn này chỉ mô tả về ứng dụng của cột đất - vôi

Cũng vào những năm 1977 lần đầu tiên phương pháp trộn khô xi măng được sử dụng ở Nhật Bản và phát triển nhanh chóng tiếp sau đó Năm 1981 Giáo sư Jim Mitchell đã trình bày báo cáo tổng quát tại hội nghị quốc tế về cơ học đất và nền móng tại Stockholm về cột đất - vôi – xi măng cho xử lý đất dính, đất dẻo và phương pháp này đã được phát triển mạnh mẽ trên thế giới

Năm 1983, Eggestad đã xuất bản báo cáo Helsinki về vấn đề các chất phụ gia, gia cố cho phương pháp cột đất - vôi – xi măng

Năm 1985, lần đầu tiên bắt đầu sử dụng phương pháp cột đất - vôi – xi măng ở Phần Lan Cũng vào năm này, Thuỵ Điển đã xuất bản tổng quan về

10 năm nghiên cứu phương pháp cột đất - vôi – xi măng Giữa năm 1980 phương pháp này được ứng dụng ở Na Uy dưới sự hướng dẫn của chuyên gia Thuỵ Điển

Năm 1986, Công ty SMW Seko đã bắt đầu hoạt động ở Mỹ dưới bản quyền của Công ty mẹ Seiko Kogyo (Nhật Bản) và nó đã giới thiệu và sử dụng ở thị trường Mỹ phương pháp trộn khô xi măng

Năm 1987, Công ty Bachy của Pháp đã phát triển "Colmix" Phương pháp này đã dùng cách trộn và đầm nén đất, ximăng theo phương pháp quay đảo ngược liên hoàn của lưỡi khoan trong khi kéo lên Đây là kết quả nghiên cứu được tài trợ bởi Cục Đường sắt và Đường bộ Quốc gia Pháp Và sau này người Châu Âu đã phát triển phương pháp này ra bên ngoài bán đảo

Scadinavia

Năm 1987 - 1989, phương pháp trộn khô xi măng dùng dưới dạng khối lớn gia cố trong các chương trình chống động đất tại đập Jackson Lake Dam

Năm 1989 phương pháp cột đất - vôi – xi măng được phát triển mạnh

mẽ tại Thuỵ Điển

Năm 1990, các dụng cụ mới được phát triển ở Phần Lan dùng xi măng

và vôi, được cung cấp và trộn riêng rẽ Phương pháp này ứng dụng tốt cho những cọc có độ sâu lớn hơn 20m và đường kính 800mm

Vào năm này, Tiến sĩ Terashi đã phát triển phương pháp trộn khô cột đất - vôi – xi măng tại Viện Nghiên cứu Bờ biển và Cảng Nhật Bản Trong bài giảng tháng 11/1990, tại Phần Lan, giới thiệu cho hơn 30 nhà thầu thi công các phương pháp này, một số trong họ có dùng xỉ than, xỉ lò cao làm chất phụ gia

Năm 1991, Viện Nghiên cứu Khoa học Bungari đã có các báo cáo với các kết quả nghiên cứu về đất – xi măng

Năm 1992, những hướng dẫn thiết kế mới (STO - 91) đã được xuất bản

ở Phần Lan dựa trên những kinh nghiệm nghiên cứu từ những năm 1980 và các nghiên cứu bởi các tác giả Kujala và Lahtnen (đã thí nghiệm 3.000 mẫu từ

29 hiện trường thi công khác nhau)

Năm 1993, Viện Nghiên cứu liên hợp DJM đã xuất bản bổ sung những thiết kế mới và hướng dẫn thi công ở Nhật Bản

Năm 1994, liên doanh BJM đã thông báo rằng có 1.820 dự án hoàn thành từ trước đến nay với tổng thể tích cọc đất vôi xi măng đạt 12,6 triệu m3

1.4 CÔNG NGHỆ GIA CỐ ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT Ở VIỆT NAM

Vấn đề nghiên cứu gia cố đất yếu ở nước ta được tiến hành từ năm

1958 Năm 1963, mặc dù còn khó khăn về kinh nghiệm thiết kế và thi công nhưng đã áp dụng phương pháp nén chặt đất bằng cọc cát lần đầu tiên cho công trình dân dụng liên hợp 3,4 và 5 tầng N.Q ở Hà Nội Theo thiết kế, dùng các cọc cát đường kính 40cm, dài 4,5m, bố trí cách nhau 70cm theo lưới tam

giác đều, tổng số cọc là 566 chiếc Sau khi thi công đã tiến hành khoan lấy mẫu kiểm tra cho thấy, giá trị khối lượng thể tích, lực dính kết và góc ma sát trong của đất tăng lên rõ rệt Sau đó đã tiếp tục áp dụng gia cố bằng cọc cát cho công trình B19 với đường kính 12cm, dài 2,25m, bố trí dạng tam giác đều Thời gian này còn tiếp tục dùng cọc cát gia cố tại một số công trình khác

do Bộ Kiến trúc đảm nhiệm thiết kế thi công

Đến những năm 1966-1967, phương pháp gia cố đất nông bằng vôi phục vụ xây dựng đường giao thông trên nền đất yếu vùng đồng bằng Bắc Bộ phát triển mạnh Hàng loạt các công trình được gia cố đã đạt được kết quả tốt Đoạn đê bao thành phố Nam Định do Bộ Kiến trúc làm năm 1967 với kết cấu một lớp đã gia cố 9% xỉ vôi (chứa 40% Ca+MgO), tại Hà Nội dùng đất gia có vôi với hàm lượng từ 8 đến 12% khi cải tạo mở rộng đường Hàng Bột

Năm 1976, Tổ chức Huynh đệ Việt Nam tại Pháp giúp đỡ xây dựng các xilô 10.000 tấn chứa ngũ cốc đầu tiên tại Trà Nóc, Cần Thơ, để gia cố nền đất sét yếu tại đây đã dùng giải pháp giếng cát kết hợp đắp gia tải Các giếng cát

có đường kính 40cm bổ trí theo lưới tam giác đều, khoảng cách các giếng 3m,

độ sâu 14m Năm 1977 đã hoàn thành và đưa vào sử dụng

Từ 1980, Viện Khoa học Kỹ thuật Xây dựng kết hợp với Viện Địa kỹ thuật Thuỵ Điển áp dụng gia cố nền đất yếu bằng cọc đất - vôi và cọc đất - xi măng cho các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp ở một số nơi như

Hà Nội, Hải Phòng, Nam Định và đã đạt được một số kết quả đáng quan tâm

Trong thời kỳ này, đề tài áp dụng tiến bộ KHKT 26-03-07 "Gia cố nền đất

yếu bằng các phương pháp cọc đất vôi, đất xi măng và cốt thoát nước chế tạo sẵn" do Viện Khoa học Kỹ thuật Xây dựng chủ trì đã nghiên cứu và tiến hành

thực nghiệm tại một số công trình cụ thể như nhà 3 tầng tại 40 Lý Thường Kiệt, thư viện Kim Mã, Viện Hán Nôm, Uỷ ban nhân dân huyện Thanh Trì,

và một số công trình khác Liên hiệp các xí nghiệp thi công cơ giới (LICOGI) nhập máy LSP -3 do hãng Linden - Almak (Thuỵ Điển) sản xuất và được dùng thi công các cọc đất vôi và đất - xi măng đường kính 50 cm với chiều sâu 10 m

Trong thời gian khoảng 10 năm, từ 1980 công tác gia cố cải tạo nền đất yếu gần như không được phát triển Gần đây, khi nước ta bước vào thời kỳ công nghiệp hoá, hiện đại hoá, cùng với sự phát triển của các ngành kinh tế, công tác trong lĩnh vực xây dựng, công tác gia cố nền đất yếu cũng có nhiều tiến bộ nhờ việc tiếp thu và áp dụng những thành quả khoa học kỹ thuật của nước ngoài Hàng loạt các công trình xây dựng dân dụng, đường giao thông,

bể chứa trên vùng đất yếu được áp dụng các biện pháp gia cố đã đem lại những kết quả tốt

Công trình nhà 2 tầng hồ Ba Mẫu xây dựng năm 1989 trên nền đất bùn sét yếu có chiều dài đến 22m, để gia cố nền đã dùng cọc cát – xi măng có chiều dài 3,5m, đường kính 30 cm, thi công bằng búa rung, khoảng cách cọc 1,0m x1,10m Độ lún sau 2 năm xây dựng đạt yêu cầu Đến nay công trình vẫn sử dụng bình thường Cũng tại hồ Ba mẫu, khi cải tạo kè bờ trên lớp bùn yếu đã không thực hiện được do bị trượt 150m dọc bờ hồ Để thi công phải gia cố bằng cọc cát - xi măng đường kính 30 cm, chiều sâu gia cố từ 2 đến 3m, khoảng cách cọc 1,0mx1,3m, công trình hoàn thành vào năm 1995 đến nay vẫn ổn định

Khi xây dựng đường cao tốc Bắc Thăng Long - Nội bài qua vùng đất yếu từ km 0+280 đến km 0+730 đã gia cố đất bằng giếng cát, đệm cát vàng hạt khô đầm chặt đến hệ số rỗng e = 0,65 - 0,67 Bề rộng dải gia cố 40 m, các giếng cát bố trí theo mạng tam giác đều có cạnh 2m Sau gia cố, nền đường được đắp gia tải cao 2m Tính toán cho thấy sau 2 tháng nền lún 42% và sau 4 tháng đạt 78%

Việc xây dựng công trình trên nền đất yếu đồng bằng sông Cửu Long, nói chung không thuận lợi vì phải xử lý nền đất tốn kém và phức tạp Tuỳ thuộc vào bề dày, các đặc trưng cơ lý của đất yếu và hạng mục công trình mà thường dùng các biện pháp cọc tràm, cọc bê tông hoặc áp dụng các biện pháp gia cố bằng cọc cát, bấc thấm và vải địa kỹ thuật Trên tuyến đường 1A từ thành phố Hồ Chí Minh đi Cần Thơ, tại các đoạn đường đắp vào cầu mới xây dựng và sử dụng các giếng cát đường kính 400 mm, bố trí theo hình tam giác,

khoảng cách giữa các giếng 2,4m với chiều sâu giếng tối đa 16m Các giếng cát thường được thi công bằng phương pháp búa rung và nén khí, búa đóng kết hợp nước nhồi cát các cầu Cai Lậy, An Cư, Huyền Báo, Cái Cam và 2 cầu Quang Trung, Sáng Trắng tại Cần Thơ)

Đến nay, trong các dự án cải tạo và xây dựng đường giao thông, việc gia cố nền đất yếu bằng giải pháp giếng cát, bấc thấm… đã trở nên phổ biến, hàng loạt các công trình cải tạo và mở rộng như quốc lộ 10, quốc lộ 18, quốc

lộ 1A, quốc lộ 51 - đường Láng - Hoà Lạc, … đã áp dụng có hiệu quả

Để làm nền móng cho các nhà dân dụng và công nghiệp hay các bể chứa, việc gia cố nền đất yếu bằng cọc đất - vôi, đất xi măng đã được áp dụng Hiện nay một số đơn vị dùng thiết bị máy khoan guồng xoắn của Liên

Xô trước đây để gia cố nền bằng cọc cát và cọc cát xi măng có kết quả tốt Công ty Phát triển Kỹ thuật Xây dựng, Công ty Liên doanh về Kỹ thuật Nền móng Công trình (COFEC), dùng thiết bị của Thuỵ Điển và áp dụng thành công xử lý nền đất yếu tại đồng bằng sông Cửu Long cho xây dựng móng để chứa và chống trượt lở các mái dốc ven sông

Trong công nghệ trộn sâu, trục khoan được thiết kế các cánh cắt đặc biệt, hoặc bố trí các lỗ phun các chất làm cứng hoá, khi thi công xong tạo ra các cột xi măng đất (XMĐ) có hình dạng và đặc tính khác nhau Các chất xử

lý sẽ lấp đầy kẽ hở của đất, cố kết đất, làm tăng cường độ đất, tăng khả năng chống thấm của đất Tính chất của vật liệu bê tông đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: công nghệ thi công, loại đất, loại xi măng (XM), hàm lượng XM trong một đơn vị thể tích XMĐ, thiết bị thí nghiệm

1.5 MỘT SỐ HÌNH ẢNH THI CÔNG CỌC XI MĂNG ĐẤT Ở VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI

1.5.1 Công trình hồ chứa Đá Bạc

Hình 1.1: Thi công cọc xi măng đất chống thấm nền đập

Hình 1.2: Một đoạn tường chống thấm được đào hở để kiểm tra

Hình 1.3: Hồ chứa sau khi tích nước

1.5.2 Xử lý chống thấm đê quây thượng hạ lưu nhà máy thuỷ điện Sơn La

Hình 1.4: Thi công chống thấm đê quây

Hình 1.5: Hố móng công trình nhà máy thuỷ điện Sơn La

1.5.3 Thi công trộn sâu trên thế giới

Hình 1.6: Thi công trộn sâu ở Nhật Bản

Hình 1.7: Thi công trộn sâu ở Hà Lan

Hình 1.8: Thi công trộn sâu ở Đức

1.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Như đã nói ở trên hiện nay nhân loại đang chứng kiến sự phát triển như

vũ bão của khoa học kỹ thuật và công nghệ Nhiều loại công nghệ mới ra đời

và được ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn, trở thành động lực thúc đẩy sự phát triển kinh tế và xã hội của nhiều quốc gia

Qua kết quả nghiên cứu tổng hợp và phân tích như trên, tác giả nhận thấy phương pháp gia cố nền bằng cọc xi măng đất thích hợp để áp dụng vào vấn đề nghiên cứu: gia cố kênh xả nhà máy nhiệt điện Long Phú Vì vậy trong luận văn đi sâu vào nghiên cứu và tính toán phương án gia cố bằng cọc xi măng

Vào những năm 1954, công nghệ gia cố đất yếu bằng xi măng ra đời như một sự kết hợp hài hòa, nhuần nhuyễn giữa các giải pháp về vật liệu xây dựng và công nghệ thi công trong lĩnh vực thiết kế và thi công các công trình trong đất yếu Với hiệu quả kinh tế và kỹ thuật cao, gia cố đất yếu bằng xi măng đã nhanh chóng được công nhận và áp dụng vào thực tiễn trên khắp thế giới

Với những ưu điểm vượt trội như vậy nhưng trong thực tế cũng tồn tại những vần đề như là khống chế tính đồng đều của cọc xi măng đất, lựa chọn

so lượng cọc hợp lý… Đặc biệt, việc gia cố mái đào trong đất yếu bằng cọc

xi măng đất đến nay vẫn chưa được áp dụng nhiều Như vậy, trong luận văn này tác giả đã nêu được những vấn đề cần lưu ý của các biện pháp gia cố ổn định nền, mái đào trong đất yếu cần phải kiểm chứng nghiên cứu những vấn

đề thực tế thi công mà trong thiết kế chưa đề cập đến để góp phần vào sự phát triển của công nghệ cọc xi măng đất

và tạo thành xi măng đất Trong suốt quá trình phụt vữa, cần khoan vừa xoay vừa nhấc dần lên.

Hiện nay trên thế giới đã phát triển ba công nghệ KPCA, đầu tiên là công nghệ đơn pha - xi măng đất S, tiếp theo là công nghệ hai pha - xi măng đất T, và gần đây là công nghệ ba pha-xi măng đất D

2.1.1 Công nghệ đơn pha - xi măng đất S (Hình 2.1)

Hình 2.1: Công nghệ đơn pha Công nghệ này vữa phụt ra với vận tốc 100 m/s, vừa cắt đất vừa trộn vữa với đất một cách đồng thời, tạo ra một cột đất-ximăng đồng đều với độ cứng cao và hạn chế đất trào ngược lên

Cấu tạo đầu khoan gồm một hoặc nhiều lỗ phun vữa Các lỗ phun có thể được bố trí ngang hàng hoặc lệch hàng, và có độ lệch góc đều nhau

Công nghệ đơn pha dùng cho các cột đất có đường kính vừa và nhỏ (0,50,8 m)

2.1.2 Công nghệ hai pha - xi măng đất D (Hình 2.2)

Hình 2.2: Công nghệ hai pha Đây là hệ thống phụt vữa kết hợp vữa với không khí Hỗn hợp vữa đất-ximăng được bơm ở áp suất cao, tốc độ 100 m/s và được trợ giúp bởi một tia khí nén bao bọc quanh vòi phun Dòng khí nén sẽ làm giảm ma sát và cho phép vữa xâm nhập sâu vào trong đất, do vậy tạo ra cột đất-ximăng có đường kính lớn Tuy nhiên, dòng khí lại làm giảm độ cứng của cột đất so với phương pháp phụt đơn tia và đất bị trào ngược nhiều hơn

Cấu tạo đầu khoan gồm có một hoặc nhiều lỗ phun (bố trí ngang hàng hoặc lệch hàng, có độ lệch góc đều nhau) để phun vữa và khí Khe phun khí nằm bao quanh lỗ phun vữa

Công nghệ hai pha tạo ra các cọc có đường kính lớn hơn công nghệ một pha, có thể đạt tới 1,21,5 m

2.1.3 Công nghệ ba pha-xi măng đất T (Hình 2.3)

Hình 2.3: Công nghệ 3 pha Quá trình phụt có cả vữa, không khí và nước Không giống phụt đơn pha và phụt hai pha, nước được bơm dưới áp suất cao và kết hợp với dòng khí nén xung quanh vòi nước Điều đó đuổi khí ra khỏi cột đất gia cố Vữa được bơm qua một vòi riêng biệt nằm dưới vòi khí và vòi nước để lấp đầy khoảng trống của khí Phụt

ba pha là phương pháp thay thế đất hoàn toàn Đất bị thay thế sẽ trào ngược lên mặt đất và được thu gom, xử lý

Cấu tạo đầu khoan gồm một hoặc nhiều lỗ đúp để phun nước và khí đồng thời và một hoặc nhiều lỗ đơn nằm thấp hơn để phun vữa Nói chung mỗi cặp lỗ phun khí - nước và vữa đều nằm đối xứng nhau qua tâm trục của đầu khoan Các cặp lỗ được bố trí lệch góc đều nhau

Cọc xi măng đất tạo ra bằng công nghệ này có thể đạt đường kính lớn tới 3 m

2.2 PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG

Công tác khoan thực hiện bằng khoan xoay và xối nước qua cần khoan

và mũi khoan đặc biệt Sau khi đưa mũi khoan đến cao độ thiết kế, quá trình phụt vữa bắt đầu Vữa được phụt qua vòi phun với áp suất và vận tốc cao, làm phá vỡ kết cấu của đất và tạo thành Soilcrete Trong suốt quá trình phụt vữa, cần khoan vừa xoay vừa nhấc dần lên (hình 2.4)

2.2.1 Thiết bị thi công

Hình 2.4: Mô tả quá trình thi công công nghệ KPCA

Thiết bị thi công gồm có: (xem hình 2.4)

o Máy khoan

o Trạm trộn và bơm vữa

o Ống dẫn cao áp nối bơm với máy khoan

o Thiết bị điều khiển áp lực, lưu lượng, thể tích bơm, tốc độ xoay, tốc độ rút, chiều sâu khoan

trộn khô, thùng khuấy, bơm vữa cao áp;

o Đối với hệ hai pha (khí): giống như trên và có thêm một máy nén khí

o Đối với hệ ba pha: giống như hệ hai pha và có thêm một máy bơm nước cao áp

2.2.2 Trình tự thi công

Phương pháp xử lý bằng cọc đất - xi măng khá đơn giản: bao gồm một máy khoan với hệ thống lưới có đường kính thay đổi tuỳ thuộc theo đường kính cột được thiết kế và các xi lô chứa xi măng có gắn máy bơm nén với áp lực lên tới 12 kg/cm2 Các máy khoan của Thuỵ Điển và Trung Quốc có khả năng khoan sâu đạt đến 35 m và tự động điều chỉnh định vị cần khoan luôn thẳng đứng Trong quá trình khoan lưỡi được thiết kế để trộn đầu đất và xi măng, xi măng khô được phun định lượng liên tục và trộn đều tạo thành những cọc đất - xi măng đường kính 60 cm Thời gian khoan cho một bồn có đường kính 34 m từ 45 - 60 ngày

- Bước 1: Khoan:

Cần khoan có bố trí các lỗ phun và mũi khoan, cho phép khoan đến độ sâu yêu cầu Thông thường, hỗn hợp vữa để phun đồng thời cũng làm dung dịch giữ vách lỗ khoan

- Bước 2: Phun vữa:

Quá trình phun vữa được thực hiện từ dưới lên trên, vừa phun vừa xoay

và rút cần khoan lên Hỗn hợp đất-nước-ximăng thừa sẽ vận chuyển lên mặt đất theo vành khuyên tiếp giáp với lỗ khoan và dọc theo cần khoan Trong quá trình phụt phải liên tục theo dõi các thông số thiết kế

- Bước 3: Hỗn hợp vữa:

Sự hỗn loạn do tia vữa gây ra trong vùng ảnh hưởng có tác dụng trộn đều đất với dụng dịch phụt Trước khi phụt vữa thì phải rót dung dịch giữ vách vào trong lỗ khoan và bổ sung liên tục

Hiện nay ở Việt Nam, Trung tâm Công nghệ Máy xây dựng và Cơ khí thực nghiệm thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Giao thông Vận tải đã nghiên cứu và chế tạo thành công thiết bị điều khiển và định lượng xi măng

để thi công cọc đất gia cố Qua đó, Trung tâm đã làm chủ được việc chế tạo

hệ điều khiển, hệ định lượng và phun xi măng; tổ hợp thiết bị thi công cọc gia

cố đã được ứng dụng thành công và cho hiệu quả cao tại công trường

So với sản phẩm cùng loại của CHLB Đức, thiết bị do Trung tâm chế tạo có tính năng kỹ thuật tương đương nhưng giá thành chỉ bằng 30% So với thiết bị của Trung Quốc, thiết bị có nhiều tính năng ưu việt hơn hẳn: Do sử dựng máy

cơ sở là loại búa đóng cọc di chuyển bằng bánh xích, nên tính cơ động cao, tốc độ làm việc của thiết bị khoan lớn, năng suất gấp 1,5-2 lần Đặc biệt, tổ hợp thiết bị được trang bị hệ thống điều khiển hiện đại, toàn bộ các thao tác thi công cọc gia cố được tự động hóa theo các chương trình, các số liệu về lượng xi măng sử dụng trên từng mét cọc được hiển thị, lưu giữ và in thành bảng kết quả thi công cho từng cọc Đây chính là những chỉ tiêu rất quan trọng đánh giá chất lượng của thiết bị cũng như chất lượng của cọc gia cố được thi công và là lần đầu tiên ở trong nước chế tạo được tổ hợp thiết bị thi công cọc gia cố Thiết bị có giá thành thấp, phù hợp với khả năng tài chính của các đơn vị thi công Thiết bị cũng được các nhà thầu sử dụng để thi công tại sân bay Trà Nóc

2.3 PHẠM VI ỨNG DỤNG

Công nghệ KPCA có khả năng ứng dụng rộng rãi hơn các công nghệ

xử lý kiểu khoan phụt khác đã có Nó cho phép ứng dụng có hiệu quả để xử lý

từ loại đất sỏi nhỏ - cát - bùn - bùn sét (hình 2.5) Trong khi công nghệ khoan phụt kiểu nút bịt hoặc các công nghệ khoan phụt hoá chất truyền thống chỉ có hiệu quả đến đất cát

Cọc xi măng đất (XMĐ) được sử dụng nhiều trên thế giới Tại Mỹ, việc

xử lý và nâng cấp các đập đất nhằm đáp ứng mục tiêu an toàn trong vận hành

và ngăn ngừa hiện tượng thấm rất được quan tâm XMĐ đã được ứng dụng để nâng cấp các đập đất hiện có, tạo ra các tường chống thấm Để kiểm soát dòng thấm, các tường bằng bê tông đất được cắm vào đá gốc xuyên qua đập đất và lớp trầm tích Tường dày 0.6m và dài 51~61m, sâu 43m Tổng diện tích tường là 1733m2 Một trường hợp khác là ở hồ Jackson Lake, tường

chống thấm bằng bê tông đất được xây dựng để chống thấm và ngăn ngừa nền

có khả năng hoá lỏng khi có động đất Còn tại đập Lockington, tường bêtông đất làm nâng cao lõi chống thấm để đảm bảo yêu cầu an toàn

Hình 2.5: Phạm vi ứng dụng hiệu quả của các loại công nghệ khoan phụt

2.4 SẢN PHẨM CỌC XI MĂNG ĐẤT

Cọc XMĐ tạo ra cột đất gia cố từ vữa phụt và đất Nhờ tia nước và vữa phun ra với áp suất cao (200 - 700 atm), vận tốc lớn ( 100m/s), các phần tử đất xung quanh lỗ khoan bị xói tơi ra và hoà trộn với vữa phụt, sau khi đông cứng tạo thành một khối đồng nhất gọi là xi măng - đất (Soil Crete)

2.4.1 Về cường độ

Cường độ chịu nén của xi măng đất từ 50  100 kG/cm2, phụ thuộc vào:

- Loại vữa, nếu là vữa xi măng thì phụ thuộc hàm lượng xi măng và tỷ

lệ nước - xi măng Thông thường N/X = 1,5;

- Loại đất nền, nếu nền bùn có thể đạt 5  20 kG/cm2, nếu nền cuội sỏi

- Hàm lượng xi măng trộn vào trong đất (kg/m3);

- Hàm lượng Bentonite trộn vào trong đất (kg/m3);

- Ngày tuổi của xi măng đất sau khi khoan phụt (7; 14; 28 và 90 ngày);

- Trị số áp lực cột nước tác dụng (m)

Những yếu tố trên lại phụ thuộc vào:

+ Đặc điểm địa chất vùng nghiên cứu và xử lý, nếu trong đất có kiềm (đất phèn) có khả năng hạn chế quá trình thuỷ hoá của xi măng

+ Điều kiện thi công cụ thể, nếu khi thi công có dòng trào ngược lớn thì

có khả năng làm hao hụt lượng xi măng

+ Độ bão hòa nước của đất

Như vậy, về cường độ và khả năng chống thấm của cọc xi măng đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố, cả yếu tố chủ quan và yếu tố khách quan

2.5 TÍNH TOÁN CỌC XI MĂNG ĐẤT

Bài toán gia cố đất có 3 tiêu chuẩn cần được thỏa mãn:

1 Tiểu chuẩn cường độ: c, phi của nền được gia cố phải thỏa mãn điều kiện sức chịu tải dưới tác dụng của tải trọng công trình

2 Tiêu chuẩn biến dạng: Mô đun biến dạng tổng của nền được gia cố phải thỏa mãn điều kiện lún của công trình

3 Điều kiện thoát nước: Áp lực nước lỗ rỗng dư trong đất cần được "giải phóng" càng nhanh càng tốt

2.5.1 Ổn định tổng thể của các cọc đất gia cố xi măng

Có hai dạng phá hoại chính cần phải xem xét đối với trường hợp mất

ổn định tổng thể đó là: mất ổn định do trượt ngang các cọc đất gia cố; mất ổn định khi khối cọc quay quanh mép của khối,

2.5.2 Ổn định cục bộ của các cọc đất gia cố xi măng

+ Một số cơ chế phá hoại: Về phương pháp tính nền gia cố bằng các loại columnar systems Khi tính toán sức chịu tải của nền gia cố bởi cọc, 4 giả thiết phá hoại sau đây thường được dùng để kiểm tra:

1 Trụ bị phá hoại do biến dạng nở hông (bulging deformation): Tất cả các loại cọc mềm (highly compressible) như trụ đá, trụ cát, trụ vữa xi măng đều có xu hướng biến dạng nở hông dưới tác dụng của tải trọng đứng Biến dạng nở hông thường xảy ra ở phần đầu trụ nơi ứng suất hông trong đất tương đối nhỏ Khi xảy ra biến dạng hông, ứng suất hông trong đất có thể giả thiết là đạt tới Rankine's passive limit (phá hoại bị động) Sức chịu tải của nền tính theo sơ đồ này được tính bằng tải trọng gây ra biến dạng nở hông cho từng trụ đơn lẻ

2 Phá hoại của đất dưới đầu mũi mỗi trụ đơn lẻ: Nếu trụ quá ngắn

3 Phá hoại xảy ra ngay trong vùng được gia cố (mắt trượt phá hoại chạy qua cả trụ lẫn đất): với kiểu phá hoại này các cọc đất gia cố và đất xung quanh các cọc di chuyển theo một khối khi mất ồn định Tính toán sức chịu tải của nền như cho trường hợp móng nông đặt trên nền không có trụ gia cố Dùng các công thức tính sức chịu tải nêu trên Tuy nhiên cần lưu ý là tính chất cơ lý (c, phi) của nền sẽ được xem là tổng hợp của c, phi của đất và trụ

4 Phá hoại xảy ra tại vùng đất dưới đầu mũi trụ Đây là dạng mất ổn định tổng thể là cả khối cọc và đất giữa các cọc quay quanh mép của khối cọc Tính toán tương tự như trường hợp 3 Tải trọng tác dụng trên bề mặt cộng với trọng lượng của khối trụ+đất sẽ được qui về thành tải trọng tương đương đặt lên lớp đất dưới đầu mũi trụ

Tính toán biến dạng của nền gia cố bằng trụ vật liệu rời thì phải tùy vào

độ cứng của trụ cũng như dạng liên kết đầu mũi trụ để đưa ra sơ đồ tính phù hợp Nếu trụ là dạng floating (không được đưa xuống tầng đất chịu tải) thì nên tính toán lún bằng cách qui đổi trụ+đất thành nền đồng nhất có E tương đương để tính Nếu trụ tương đối cứng lại được đưa xuống tầng chịu tải thì tính lún nền bằng độ lún của trụ có lẽ phù hợp hơn Lưu ý là trong tính toán lún nền gia cố bởi trụ, độ lún tổng không có ý nghĩa mấy Độ lún lệch quan trọng hơn rất nhiều Về chuyện lún lệch thì lại liên quan đến sự truyền tải trọng xuống trụ và đất nền như thế nào (arching effect)

Hiện nay có 3 quan điểm:

- Quan điểm xem cọc xi măng đất làm việc như cọc Sơ đồ này đòi hỏi trụ phải có độ cứng tương đối lớn (trụ đá hoặc trụ bê tông - vibro-concrete column) và các trụ phải được đưa xuống tầng đất chịu tải (bearing layer) Nếu tính theo sơ đồ này thì lực từ móng chuyền xuống sẽ chủ yếu đi vào các columns (đất nền dưới móng không chịu tải) Với trụ không được đưa xuống tầng chịu lực, có thể dùng phương pháp tính với cọc ma sát để tính

- Quan điểm xem các cọc và đất làm việc đồng thời Nền trụ+đất dưới móng được xem như nền đồng nhất với các số liệu cường độ c, phi được nâng cao (được tính từ c, phi của đất và của vật liệu làm trụ) Công thức qui đổi c, phi tương đương dựa trên độ cứng của trụ, đất và diện tích đất được thay thế bởi trụ.(tính tóan như đối với nền thiên nhiên)

- Một số các nhà khoa học lại đề nghị tính tóan theo ca 2 phương thức trên nghĩa là sức chịu tải thì tính tóan như "cọc" còn biến dạng thì tính tóan theo nền

Sở dĩ các quan điểm trên chưa thống nhất bởi vì bản thân vấn đề phức tạp, những nghiên cứu về lý thuyết và thực nghiệm còn hạn chế Ngoài ra các tác giả còn đề xuất cách tính toán như sau:

+ Tính sức chịu tải của một cọc như cọc cứng

+ Tính số cột cần thiết (Căn cứ lực tác dụng, khả năng chịu tải của đất móng giữa các cột)

+ Tùy thuộc tỷ lệ diện tích thay thế giữa cột va đất để tính tóan tiếp

- Nếu tỷ lệ này >20% thi coi khối đất+Cột là một khối và tính tóan như một khối móng quy ước

- Ngược lại thì tính toán như móng cọc

2.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG

Trong chương này, tác giả đã nêu được khá chi tiết về công nghệ khoan phụt cao áp bao gồm công nghệ đơn pha, hai pha, ba pha Tác giả cũng trình bày được phương pháp thi công gồm thiết bị phục vụ thi công, trình tự thi

công của công nghệ khoan phụt cao áp

Tác giả đã trình bày về phạm vi ứng dụng và sản phẩm cọc xi măng đất, đánh giá về cường độ và khả năng chống thấm của xi măng đất