Đồ án Thi công đường Sắt Gia cố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất

Khi thi công các công trình xây dựng gặp các loại nền đất yếu, tùy thuộc vào tính chất của lớp đất yếu, đặc điểm cấu tạo của công trình mà người ta dùng phương pháp xử lý nền móng cho ph

MỤC LỤC

PHẦN 1 NỀN ĐẤT YẾU MỘT SỐ BIỆN PHÁP GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU 5

I ĐẶT VẪN ĐỀ 6

II LỊCH SỬ RA ĐỜI PHƯƠNG PHÁP GIA CÔ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 7

III GIẢI PHÁP GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 7

IV TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XIMĂNG - ĐẤT TRÊN THẾ GIỚI 8

V TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XIMĂNG - ĐẤT Ở VIỆT NAM: 9

VI NGUYÊN TẮC GIA CỐ ĐẤT NỀN 9

1 Quá trình nén chặt cơ học 10

2 Quá trình cố kết thấm 11

3 Quá trình gia tăng cường độ của cọc gia cố và sức kháng cắt của đất nền 13

PHẦN 2 THI CÔNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 15

I GIỚI THIỆU 16

4 Lịch sử phát triển 16

5 Nguyên lý gia cố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất 17

6 Tác dụng cải thiện tính chất cơ lý của cọc xi măng đất 17

a) Làm tăng cường độ và sức kháng 17

b) Đẩy nhanh quá trình cố kết thấm 18

c) Tăng module biến dạng của đất nền 19

7 Ứng dụng của cọc xi măng đất 19

II THI CÔNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 21

1 Phân loại phương pháp thi công 21

a) Phân loại 21

b) Tiêu chí lựa chọn phương pháp thi công cọc 21

c) Một số cách bố trí cọc xi măng đất 21

2 Qui trình thi công cọc xi măng đất 23

a) Giai đoạn chuẩn bị 23

b) Giai đoạn thi công chính 26

c) Giai đoạn hoàn thiện 29

3 So sánh hai hình thức thi công cọc xi măng đất 29

III KIỂM ĐỊNH CHẤT LƯỢNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 31

1 Xác định số lượng mẫu thí nghiệm 31

2 Kiểm định chất lượng cọc 33

PHẦN 3 ỨNG DỤNG CỌC XI MĂNG ĐẤT ĐỂ XÂY DỰNG KÈ CHỐNG SÓI LỞ

TẠI KHU ĐÔ THỊ MỚI AN PHÚ THỊNH TP QUY NHƠN, BÌNH ĐỊNH 35

I VỊ TRÍ ĐỊA LÝ VÀ SỐ LIỆU ĐỊA CHẤT 36

1 Vị trí địa lý 36

2 Địa hình, địa chất khu vực 36

a) Địa hình 36

b) Điều kiện địa chất 37

c) Điều kiện thủy văn 37

II QUI TRÌNH THI CÔNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 38

1 Mặt bằng thi công 38

2 Máy móc, thiết bị thi công 39

a) Phần di động 39

b) Phần cố định 40

3 Nhân công 41

4 Trình tự thi công cọc xi măng đất 41

III KIỂM TRA, ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 43

1 Máy móc, thiết bị 43

2 Qui trình kiểm tra 43

3 Đánh giá kết quả kiểm tra 46

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 01 Sơ đồ phân loại chung các thiết bị trộn sâu 16

Hình 02 Minh họa phương pháp gia cố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất 17

Hình 03 Ứng dụng của cọc xi măng đất 19

Hình 04 Công trình đường Lương Định Của sử dụng cọc xi măng đất D800 gia cố nền đất yếu và giảm độ lún 20

Hình 05 Công trình Saigon Pearl (quận Bình Thạnh, TP HCM) sử dụng cọc xi măng đất làm tường chắn đât, thi công 3 lớp hàng cọc, D1000, L=12m 21

Hình 06 Công trình bờ kè ở Quận 7 - TP HCM, dự án xây dựng hồ xử lý nước thải kênh Nhiêu Lộc 21

Hình 07 Bố trị trụ trộn khô 22

Hình 08 Bố trí trụ trộn ướt trên cạn 22

Hình 09 Bố trí trụ trộn ướt trên biển 23

Hình 10 Các loại xe khoan 25

Hinh 11 Silo chứa xi măng và bồn tự trộn 25

Hinh 12 Thiết bị bơm và trộn vữa 25

Hình 13 Đầu khoan máy khoan thi công pheo phương pháp trộn ướt 26

Hình 14 Thiết bị điện toán, ghi chép tốc độ khoan xuống và lên 26

Hình 15 Sơ đồ thi công theo phương pháp trộn khô 27

Hình 16 Quy trình thi công cọc xi mặng đất theo công nghệ trộn ướt 28

Hình 17 Lấy mẫu thí nghiệm 32

Hình 18 Mẫu thí nghiệm cọc xi măng đất lấy từ hiện trường 32

Hình 19 Các thiết bị thí nghiệm 33

Hình 20 Vị trí khu đô thị và quy hoạch các đảo của khu đô thị 36

Hình 21 Mặt cắt đại diện tuyến kè 39

Hình 22 Sơ đồ hệ thống Jet Grounting 39

Hình 23 Giàn khoan phụt Jet Grounting 40

Hình 24 Máy trộn vữa và máy bơm trong thi công cọc xi măng đất 41

Hình Tia vữa phun tạo cọc xi măng đất 42

Hình 25 Trình tự đào lộ đầu cọc 44

Hình 26 Kiểm tra đường kính cọc bằng thước 44

Hình 27 Công tác khoan lấy mẫu 45

Hình 28 Công tác bảo dưỡng mẫu 45

Hình 29 Nén mẫu 46

DANH MỤC BẢNG

Bảng 01 Nhân công: một đội khoan gồm có các thành phần sau: 23

Bảng 02 Thiết bị thi công cọc xi măng đất theo phương pháp trộn khô 23

Bảng 03 Thiết bị thi công cọc xi măng đất theo phương pháp trộn ướt 24

Bảng 04 Đặc tính kỹ thuật công nghệ trộn khô của Bắc Âu và Nhật Bản 27

Bảng 05 So sánh công nghệ trộn khô Bắc Âu và Nhật Bản 27

Bảng 07 So sánh công nghệ trộn ướt trên cạn của châu Âu và Nhật Bản 29

Bảng 08 Khối lượng mẫu thí nghiệm tối thiểu dự kiến 33

Bảng 09 Chức năng của các loại thí nghiệm 33

Bảng 10 Các chỉ tiêu cơ lý của đất nền khu đô thị 37

PHẦN 1 NỀN ĐẤT YẾU MỘT SỐ BIỆN PHÁP

GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU

I ĐẶT VẪN ĐỀ

Nền đất yếu là nền đất không đủ sức chịu tải, không đủ độ bền và biến dạng nhiều, do vậy không thể xây dựng các công trình Đất yếu là một loại đất không có khả năng chống

đỡ kết cấu bên trên, vì thế nó bị lún tuỳ thuộc vào quy mô tải trọng bên trên

Khi thi công các công trình xây dựng gặp các loại nền đất yếu, tùy thuộc vào tính chất của lớp đất yếu, đặc điểm cấu tạo của công trình mà người ta dùng phương pháp xử lý nền móng cho phù hợp để tăng sức chịu tải của nền đất, giảm độ lún, đảm bảo điều kiện khai thác bình thường cho công trình

Trong thực tế xây dựng, có rất nhiều công trình bị lún, sập khi xây dựng trên nền đất yếu do không có những biện pháp xử lý hiệu quả, không đánh giá chính xác được các tính chất cơ lý của nền đất để làm cơ sở và đề ra các giải pháp xử lý nền móng phù hợp Đây là một vấn đề hết sức khó khăn, đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa kiến thức khoa học và kinh nghiệm thực tế để giải quyết, giảm được tối đa các sự cố, hư hỏng của công trình khi xây dựng trên nền đất yếu

Một số đặc điểm của nền đất yếu

Thuộc loại nền đất yếu thường là đất sét có lẫn nhiều hữu cơ; Sức chịu tải bé (0,5 – 1kg/cm2); Đất có tính nén lún lớn (a>0,1 cm2/kg); Hệ số rỗng e lớn (e > 1,0); Độ sệt lớn (B>1); Mô đun biến dạng bé (E<50kg/cm2); Khả năng chống cắt (C) bé, khả năng thấm nước bé; Hàm lượng nước trong đất cao, độ bão hòa nước G>0,8, dung trọng bé Các loại nền đất yếu chủ yếu và thường gặp

- Đất sét mềm: Gồm các loại đất sét hoặc á sét tương đối chặt, ở trạng thái bão hòa nước,

- Đất bazan: là loại đất yếu có độ rỗng lớn, dung trọng khô bé, khả năng thấm nước cao,

dễ bị lún sụt

II LỊCH SỬ RA ĐỜI PHƯƠNG PHÁP GIA CÔ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT

Từ lâu ta đã biết nếu trộn đất sét với một lượng vôi , xi măng hoặc chất liên kết vô cơ tương tự thì sẽ được một vật liệu có tính chất cơ học cao hơn hẳn đất không gia cố

Kỹ thuật gia cố vôi đầu tiên được áp dụng và phát triển mạnh mẽ trong việc xây dựng các lớp móng đường Gần đây người ta áp dụng kỹ thuật này để cải thiện tính chất cơ

lý của đất sét yếu trên nền thiên nhiên

Trước đây người ta thường gia cố nền đất yếu bằng cọc vôi Để thi công cọc vôi người

ta đào hoặc khoan lỗ có đường kính 30–50 cm cách nhau từ 2-5m rồi cho vôi cục chưa tôi vào Khi tác dụng với nước , vôi sống được tôi sẽ tăng thể tích lên 60-80% , do đó tác dụng nén chặt đất xung quanh Đồng thời vôi còn tác dụng với đất xung quanh cọc làm tăng cường độ , hút nước rồi tỏa nhiệt , làm nước bốc hơi và làm giảm độ ẩm của đất yếu xung quanh cọc vôi Tuy nhiên do độ thấm của đất nhỏ nên sự lan truyền của vôi trong khối đất bị hạn chế , nên việc cải thiện tính chất của đất yếu của cột vôi còn rất cục bộ

Để giải quyết vấn đề này , năm 1975 các kỹ sư Thụy Điển đã trộn trực tiếp vôi với đất sét mềm ngay trong vùng đất yếu , làm thành các cọc gia cố vôi Kỹ thuật gia cố vôi của Thụy Điển là xây dựng ngay trong vùng đất yếu các cọc có đường kính 50 cm bằng một thiết bị trộn đặc biệt , kiểu khoan đĩa hoặc giống như một dụng cụ đánh trứng khổng

lồ Khoan được xoắn vào đất đến cao độ tương ứng với chiều dài cọc thiết kế và được rút lên khi xoay ngược chiều Tốc độ quay và khả năng chuyển vật liệu được điều chỉnh phù hợp với bước của dụng cụ để tránh làm xáo động đất Vôi sống sẽ được chuyển đồng thời bằng khí nén từ xi lô qua ông dẫn trong cần khoan vào đất Tốc độ rút lên cố thể được điều chỉnh phù hợp với tính chất đất Quá trình khuấy trộn đồng thời cũng làm chặt đất xung quanh cọc Tác dụng lý hóa giữa vôi và đất xảy ra , quá trình rắn chắc của đất gia cố phát triển theo thời gian tạo thành cọc có sức chịu tải nhất định

Đây là tiền đề cho các công nghệ gia cố phát triển sau này như gia cố cọc xi măng đất , gia cố cọc cát hay kết hợp cọc vôi , cát , xi măng

Cọc đất–ximăng(Đ–XM) là một trong những giải pháp xử lý nền đất yếu với 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, 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 Đ–XM 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

 Ứng dụng của cọc đất – ximăng

 - Làm giảm độ lún và tăng độ ổn định của nền đất đắp

 - Làm tăng độ ổn định của mái dốc, gia cố hố đào móng nông

 - Nền và móng cho công trình

 - Giảm áp lực đất chủ động, tăng áp lực đất bị động lên tường

cừ ở hố đào sâu

 Các công trình thông dụng sử dụng công nghệ cột đất – ximăng:

 - Công trình giao thông: nền đắp của đường bộ, đường sắt, đường dẫn đầu cầu, bến bãi đỗ xe, cảng container……

 - Móng bồn bể chứa Nền móng nhà công nghiệp

 - Các loại hố đào

 - Các vùng đất lấn biển, san lấp ven sông

 Hiệu quả từ việc sử dụng công nghệ gia cố đất nền bằng cột đất – ximăng:

 - Kinh tế, thời gian xử lý nhanh

 - Không gây ảnh hưởng tới các công trình lân cận

ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XIMĂNG - ĐẤT TRÊN THẾ GIỚI

Tại Châu Âu, công nghệ cọc Đ-XM được nghiên cứu và ứng dụng bắt đầu ở Thụy Điển

và Phần Lan bắt đầu từ năm 1967 Nước ứng dụng công nghệ Đ-XM nhiều nhất là Nhật Bản và các nước vùng Scandinaver Theo thống kê của hiệp hội CDM (Nhật Bản), tính chung trong giai đoạn 1980-1996 có 2345 dự án, sử dụng 26 triệu m3 BTĐ Riêng từ

1977 đến 1993, lượng đất gia cố bằng xi măng ở 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, tổng

khối lượng xử lý bằng cọc Đ-XM ở Trung Quốc cho đến nay vào khoảng trên 1 triệu m3

ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XIMĂNG - ĐẤT Ở VIỆT NAM:

Tại Việt nam, việc áp dụng thi công đại trà gia cố nền đất sử dụng công nghệ khô trộn sâu – thi công cọc Đ-XM bắt đầu được tiến hành từ những năm đầu thế kỷ 21 Năm

2001, tập đoàn Hercules của Thuỵ điển hợp tác với Công ty CP 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 3000m3 / bể) của công trình Tổng kho xăng dầu Cần thơ bằng cọc đất xi măng Từ năm 2002 đến 2005 đã có một số

dự án bắt đầu ứng dụng cọc Đ-XM vào xây dựng các công trình trên nền đất, như: Dự

án cảng Ba Ngòi (Khánh Hòa) đã sử dụng 4000m cọc Đ-XM 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 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 XM đến tính chất của cọc Đ-XM, nhằm ứng dụng cọc Đ-XM vào xử lý đất yếu, chống thấm cho các công trình thuỷ lợi Nhóm đề tài cũng đã sửa chữa chống thấm cho Cống Trại (Nghệ An), cống D10 (Hà Nam), Cống Rạch C (Long An) Tại thành phố Đà Nẵng, cọc Đ- XM được ứng dụng ở Plazza Vĩnh Trung dưới 2 hình thức: Làm tường trong đất và làm cọc thay cọc nhồi Tại

Tp Hồ Chí Minh, cọc Đ-XM được sử dụng trong dự án Đại lộ Đông Tây, building Saigon Times Square Hiện nay, các kỹ sư hãng Orbitec đang đề xuất sử dụng cọc Đ-

XM để chống mất ổn định công trình hồ bán nguyệt – khu đô thị Phú Mỹ Hưng, dự án đường trục Bắc – Nam (giai đoạn 3) cũng kiến nghị chọn cọc Đ-XM xử lý đất yếu

Cọc Đ-XM 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 trộn Cột gia cố tạo thành bởi hỗn hợp đất tại chỗ và chất kết dính, mà thông thường là vôi và ximăng Mũi trộn được đưa xuống đất bằng cách khoan xoay, khi tới độ sâu thiết kế, mũi trộn đảo chiều ngược lại và đồng thời rút dần lên, trộn đất tại chỗ với chất gia cố Trong suốt quá trình rút lên, hỗn hợp chất gia cố được phun vào bằng khí nén ở đầu mũi trộn, tới cao độ đầu cột thì dừng lại

1 Quá trình nén chặt cơ học

Gia cố nền bằng cọc xi măng đất là dùng thiết bị chuyên dụng đưa một lượng vật liệu vào nền đất dưới dạng cọc hỗn hợp cát - xi măng - vôi Lượng vật liệu cát, xi măng và vôi này sẽ chiếm chỗ các lỗ hổng trong đất làm cho độ lỗ rỗng giảm đi, các hạt đất sắp xếp lại, kết quả là đất nền được nén chặt Xét một khối đất có thể tích ban đầu Vo , thể tích hạt rắn Vho , thể tích lỗ rỗng ban đầu Vro, ta có:

có thể xác định như đối với cọc cát Còn chiều sâu gia cố phụ thuộc vào chiều sâu vùng hoạt động nén ép dưới đáy móng công trình, nghĩa là, tại độ sâu mà ở đó thoả mãn một trong các điều kiện sau đây:

- ứng suất nén ép (σ z ) nhỏ hơn hoặc bằng 0,1 ứng suất bản thân (σ bt) của đất

- ứng suất nén ép (σ z) nhỏ hơn hoặc bằng áp lực bắt đầu cố kết thấm của đất

hoặc dùng thí nghiệm xuyên tĩnh hay nén tĩnh nền Các công việc này đơn giản, dễ tiến hành

3CaO.SiO2 + nH2O ⇒ Ca(OH)2 + 2CaO.SiO2(n-1)H2O

2CaO.SiO2 + mH2O ⇒ 2CaO.SiO2mH2O

3CaO.Al2O3 + 6H2O ⇒ 3CaO.Al2O3.6H2O

4CaO.Al2O3Fe2O3 + nH2O ⇒ 3CaO.Al2O3.6H2O +CaO.Fe2O3.mH2O

Các sả n phẩm chủ y ế u được hình thành sau quá trình thuỷ hoá là Ca(OH)2, 3CaO.Al2O3.6H2O, 2CaO.SiO2mH2O và CaO.Fe2O3.mH2O Quá trình rắn chắc của

xi măng có thể chia ra làm 3 giai đoạn :

 Giai đoạn hoà tan: các chất Ca(OH)2, 3CaO.Al2O3.6H2O sinh ra sau quá trình thuỷ hoá hoà tan được trong nước sẽ ngay lập tức hoà tan tạo thành thể dịch bao quanh mặt hạt xi măng

 Giai đoạn hoá keo: đến một giới hạn nào đó, lượng các chất Ca(OH)2 , 3CaO.Al2O3.6H2O không hoà tan được nữa sẽ tồn tại ở thể keo Chất silicat bicalcit (2CaO.SiO2) vốn không hoà tan sẽ tách ra ở dạng phân tán nhỏ trong dung dịch, tạo thành keo phân tán Lượng keo này ngày càng sinh ra nhiều, làm cho các hạt keo phân tán tương đối nhỏ tụ lại thành

những hạt keo lớn hơn ở dạng sệt khiến cho xi măng mất dần tính dẻo và ninh kết lại dần dần nhưng chưa hình thành cường độ

 Giai đoạn kết tinh: các chất Ca(OH)2 , 3CaO.Al2O3.6H2O từ thể ngưng keo chuyển sang dạng kết tinh, các tinh thể nhỏ đan chéo nhau làm cho xi măng bắt đầu có cường độ, chất 2CaO.SiO2mH2O tồn tại ở thể keo rất lâu, sau đó có một phần chuyển thành tinh thể Do lượng nước ngày càng mất đi, keo dần dần bị khô, kết chặt lại và trở nên rắn chắc

Các giai đoạn hoà tan, hoá keo và kết tinh không xảy ra độc lập, mà xảy ra đồng thời với nhau, xen kẽ nhau Ngoài ra, vôi trong hỗn hợp tạo cọc có tác dụng như chất gắn kết giống như xi măng, đồng thời có khả năng hấp thụ nước lớn và toả nhiệt làm tăng sức kháng cắt của cọc và tăng nhanh quá trình cố kết của đất nền Quá trình thuỷ hoá vôi kèm theo sự toả nhiệt được biểu diễn bằng phản ứng sau :

CaO + H2O ⇒ Ca(OH)2 + 15,5 kcalo Cường độ củ a hỗn hợp tăng lên mộ t phần do phản ứng silicat, mộ t phần do phản ứng carbonat, lượng CaCO3 còn dư trong vôi sẽ trở thành những mầm kết tinh, bao quanh bởi các hạt keo và tinh thể, chúng phát triển và tăng dần cường độ

Mặt khác, nếu tỷ lệ phối trộn giữa xi măng, cát và vôi cũng như thành phần hạt của cát hợp lý thì cọc xi măng đất sau khi đông cứng vẫn có thể cho nước thoát qua và làm việc tương tự như một giếng thu nước thẳng đứng, giống như cọc cát Dưới tác dụng của tải trọng ngoài, cùng với thời gian, ứng suất hữu hiệu tăng lên, ứng suất trung tính giảm đi, nước trong lỗ rỗng của đất sẽ thấm theo phương ngang vào cọc rồi sau đó thoát ra ngoài dọc theo chiều dài cọc

Bài toán cố kết thấm của nền đất khi gia cố bằng cọc xi măng đất cũng giống như bài toán cố kết thấm của nền khi dùng cọc cát và đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu Năm 1935, L.Rendulic đã đưa ra phương trình vi phân cố kết đối xứng để xác định trị

số áp lực nước lỗ rỗng trong nền và năm 1942, N.Carrillo đã phân bài toán cố kết thấm

3 chiều thành tổng hợ p củ a bài toán cố kế t thấm theo chiều thẳng đứng và theo hướng xuyên tâm K.Terzaghi đã dùng phương pháp giải tích để giải bài toán cố kết thấm theo chiều thẳng đứng, còn R.E.Glover, R.A.Barron đã giải bài toán cố kết thấm theo hướng xuyên tâm Năm 1948, R.A.Barron đã đưa ra lời giải toàn diện đầu tiên cho bài toán cố kết của trụ đất có chứa một cọc cát (cát - xi măng - vôi) ở giữa

Khi trong nền có các cọc xi măng đất, chiều dài đường thấm theo phương ngang sẽ nhỏ hơn nhiều lần chiều dài đường thấm theo phương đứng, do đó có thể coi vai trò thoát

nước theo phương ngang của cọc xi măng đất là chủ yếu Tuy vậy, trong tính toán quá trình cố kết của nền đất gia cố vẫn thường xác định độ cố kết toàn phần (kết quả tổng hợp của quá trình thoát nước theo phương ngang và theo phương đứng) bằng định đề Carrillo:

P = 1 - (1 - Ph)(1 - Pv) trong đó :

 P : độ cố kết toàn phần của đất

 Ph : độ cố kết trung bình của đất theo phương ngang

 Pv : độ cố kết trung bình của đất theo phương đứng

Hệ số thấm của cọc xi măng đất ảnh hưởng nhiều đến quá trình cố kết của nền đất Theo nhiều nghiên cứu, khi hệ số thấm ngang của nền đất kh < 1.10-7 cm/s hoặc hệ số cố kết theo phương ngang Ch < 1.10-4 m2/ng.đ thì tác dụng cố kết của nền đất sẽ bị hạn chế

Để đảm bảo cọc xi măng đất làm việc tốt trong quá trình cố kết thì hệ số thấm của vật liệu cọc cần lấy > 2÷ 3 m/ng.đ Muốn vậy, cần chế tạo mẫu chế bị với các tỷ lệ xi măng, cát và vôi khác nhau và tiến hành thí nghiệm mẫu xác định hệ số thấm Để đánh giá định lượng quá trình cố kết của nền đất khi gia cố bằng cọc xi măng đất có thể đặt các thiết

bị đo áp lực nước lỗ rỗng tại các thời điểm trước, sau khi gia cố và trong thời gian sử dụng công trình

3 Quá trình gia tăng cường độ của cọc gia cố và sức kháng cắt của đất nền

Khi gia cố nền đất yếu bằng cọc cát, sức kháng cắt của cọc cát dưới tác dụng của tải trọng ngoài xác định theo định luật Coulomb τ = σ tgϕ , với ϕ là góc ma sát trong của cát Khi trộn thêm xi măng và vôi vào cát, do hình thành liên kết xi măng - vôi trong cọc nên khả năng chịu lực nén và lực cắt của cọc gia cố tăng lên đáng kể Lúc đó, sức kháng cắt của cọc xi măng đất xác định theo biểu thức τ = σ tgϕ + Cxm , với Cxm là lực dính được tạo nên bởi liên kết xi măng - vôi Giá trị Cxm có thể xác định được nhờ thí nghiệm cắt các mẫu chế bị ở trong phòng

Như vậy, khác với cọc cát, cọc xi măng đất có độ bền lớn nhờ lực dính trong hỗn hợp tạo cọc tăng lên Độ bền của cọc xi măng đất phụ thuộc vào lực dính trong liên kết xi măng - vôi, nghĩa là phụ thuộc vào hàm lượng xi măng và vôi trong hỗn hợp tạo cọc Mặt khác, khi trộn xi măng, vôi vào trong cát và đưa vật liệu vào nền đất, ở mặt tiếp xúc giữa cọc và đất nền sẽ xảy ra quá trình trao đổi ion và phản ứng puzolan Các ion calci

hoá trị 2 thay thế các ion natri và hydro hoá trị 1 ở trong lớp điện kép bao quanh mỗi hạt khoáng vật sét Vì cần ít hơn calci hoá trị 2 để trung hoà lưới điện âm trên mặt của mỗi khoáng vật sét nên giảm được kích thước của lớp điện kép và do đó làm tăng lực hút của các hạt sét, dẫn đến lực dính của đất tăng lên Hơn nữa, silic và nhôm trong khoáng vật sét sẽ phản ứng với silicat calci và hydrat nhôm calci trong phản ứng puzolan, tạo ra các hợp chất có độ bền cao và rất bền trong môi trường nước Những quá trình này làm tăng lực ma sát và lực dính của đất xung quanh cọc gia cố, dẫn đến làm gia tăng cường độ của đất nền

Cần phải nhấn mạnh rằng, tất cả các quá trình nén chặt cơ học, quá trình cố kết, quá trình gia tăng cường độ của cọc và đất nền khi gia cố bằng cọc xi măng đất đều có liên

hệ hữu cơ với nhau Các quá trình này không độc lập với nhau mà diễn ra đồng thời với nhau, là động lực thúc đẩy phát triển của nhau

PHẦN 2 THI CÔNG CỌC XI MĂNG ĐẤT

I GIỚI THIỆU

4 Lịch sử phát triển

Hình 01 Sơ đồ phân loại chung các thiết bị trộn sâu

Công nghệ gia cố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất bắt đầu được nghiên cứu và ứng dụng vào những năm 60 của thế kỷ XX tại Thụy Điển và Nhật Bản Kỹ thuật phun khô dùng vôi bột chưa tôi được dùng ở Nhật Bản từ nững năm 70 Khoảng thời gian đó trụ đất vôi cũng dùng ở Thụy Điển Trộn ướt vữa xi măng cũng được Nhật Bản áp dụng trong những năm 70 Phương pháp trôn khô và trộn ướt được phổ biến và ứng dụng rộng

rãi ở Nhật Bản và Châu Âu từ thập niên 80 để gia cố nền đất yếu, gia cố mái dốc, bờ kè, giải quyết vấn đề ô nhiễm của các bãi chôn lấp chất thải

Gần đây, công nghệ trộn tổ hợp được phát triển kết hợp với phun tia, máy trộn bề mặt

Sơ đồ phân loại thiết bị được tóm tắt trong hình xx

5 Nguyên lý gia cố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất

Hình 02 Minh họa phương pháp gia cố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất

Gia cố nền đất bằng cọc xi măng đất là sử dụng thiết bị chuyên dụng đưa chất kết dính (là xi măng hoặc hỗn hợp xi măng và các loại vật liệu khác như cát, nước, vôi,…) vào nền đất làm tăng các tính chất cơ lý nền đất Từ đó giúp đất nền giảm thể tích lỗ rỗng,

tăng cường độ và sức khác, đẩy nhanh quá trình cố kết thấm

6 Tác dụng cải thiện tính chất cơ lý của cọc xi măng đất

a) Làm tăng cường độ và sức kháng

Thứ nhất, Cường độ của nền đất được gia cố bằng cọc xi măng đất được cải thiện nhờ

góc ma sát trong, lực dính và trọng lượng thể tích của đất được tăng lên

 Theo mục 3.37 TCVN 45-78, cường độ chịu tải của đất nền được xác định theo công thức

 A,B,D là các hệ số phụ thuộc vào góc ma sát trong  của đất nền

 c là lực dính của lớp đất dưới đáy móng

  ,  lần lượt là trọng lượng thể tích trung bình của các lớp đất 'trên và dưới đáy móng

 b h, 0 là bề rộng đáy móng và độ sâu chôn móng

 m m k1, 2, tc là các hệ số xét đến điều kiện làm việc

Ta có thể thấy, cường độ chịu tải của đất nền phụ thuộc nhiều vào lực dính

 Khi xi măng trong đất rắn chắc, góc ma sát trong của nền đất cũng được cải thiện thêm

Thứ hai, nền đất trước khi được gia cố có sức kháng cắt    .tg c Khi được gia cố bằng cọc xi măng đất sức kháng cắt của đất nền cũng được cải thiện nhờ hai yếu tố Một

là, sức kháng cắt được bổ sung thành phần lực dính c xm được tạo nên bởi liên kết của xi măng với các hạt trong đất Hai là, góc ma sát trong được tăng lên theo tỉ lệ xi măng được thêm vào nền đất

 .tg ' c c xm

     

b) Đẩy nhanh quá trình cố kết thấm

Sau khi được phun vào đất, xảy ra các chuỗi phản ứng hóa học phức tạp được phân chia làm hai thờ ký: ninh kết và rắn chắc

 Trong thời kỳ ninh kết vữa xi măng mất dần tính dẻo và đặc dần lại nhưng chưa có cường độ

 Trong thời kỳ rắn chắc, chủ yếu xảy ra quá trình thuỷ hoá các thành phần khoáng vật của clinke bao gồm các phản ứng

3CaO.SiO2 + nH2O  Ca(OH)2 + 2CaO.SiO2(n-1)H2O 2CaO.SiO2 + mH2O  2CaO.SiO2.mH2O

3CaO.Al2O3 + 6H2O  3CaO.Al2O3.6H2O 4CaO.Al2O3Fe2O3+nH2O 3CaO.Al2O3.6H2O+CaO.Fe2O3.mH2O

CaO + H2O  Ca(OH)2 + 15,5 kcalo Các phản ứng hóa học này sử dụng nước làm chất tham gia và tỏa ra một lượng nhiệt lớn làm thất thoát một lượng lớn nước lỗ rỗng trong đất Do đó cọc xi măng đất còn giúp đẩy nhanh quá trình cố kết của đất nền

c) Tăng module biến dạng của đất nền

Sau khi xi măng rắn chắc và hình thành cường độ, cường độ chịu nén cũng như cắt của nền đất được cải thiện Vì vậy module biến dạng của đất nền được tăng lên

7 Ứng dụng của cọc xi măng đất

Hình 03 Ứng dụng của cọc xi măng đất

Từ khi ra đời, cọc xi măng đất đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều công trình với mục đích tạm thời lẫn vĩnh cửu

Hình 04 Công trình đường Lương Định Của sử dụng cọc xi măng đất D800 gia cố nền đất

yếu và giảm độ lún

Hình 05 Công trình Saigon Pearl (quận Bình Thạnh, TP HCM) sử dụng cọc xi măng đất làm

tường chắn đât, thi công 3 lớp hàng cọc, D1000, L=12m

Hình 06 Công trình bờ kè ở Quận 7 - TP HCM, dự án xây dựng hồ xử lý nước thải kênh

Nhiêu Lộc

1 Phân loại phương pháp thi công

a) Phân loại

Dựa theo trạng thái xi măng được trộn vào đất, cọc xi măng đất được phân thành hai loại: cọc xi măng đất thi công theo phương pháp trộn khô và cọc xi măng đất thi công theo phương pháp trộn ướt

b) Tiêu chí lựa chọn phương pháp thi công cọc

Để xác định loại cọc xi măng đất phù hợp với địa chất của công trình, TCVN 9403 –

2012 phụ lục A, mục A.3.1 khuyến nghị: Phương pháp trộn khô, không khí dùng để dẫn

xi măng vào đất (độ ẩm của đất cần phải không nhỏ hơn 20%) Trong phương pháp trôn ướt, vữa xi măng là chất kết dính, Trộn khô chủ yếu dùng cải thiện tính chất của đất dính, trong khi phun ướt thường trong đất rời Trong một ít trường hợp như ngăn ngừa hiện tượng hóa lỏng, trộn khô dùng cho đất rời xốp

c) Một số cách bố trí cọc xi măng đất

Tùy theo loại cọc và vị trí công trình, cọc xi măng đất có nhiều cách bố trí

Hình 07 Bố trị trụ trộn khô

Hình 08 Bố trí trụ trộn ướt trên cạn

Hình 09 Bố trí trụ trộn ướt trên biển

2 Qui trình thi công cọc xi măng đất

Thi công cọc xi măng đất được phân thành 3 giai đoạn: chuẩn bị, thi công cọc và hoàn thiện

a) Giai đoạn chuẩn bị

Chuẩn bị các tài liệu cần thiết: bản vẽ thiết kế thi công (chiều sâu cọc, hàm lượng xi măng, nước,…), sơ đồ khoan, hồ sơ khảo sát địa chất, nhật ký khoan để ghi lại các thông

Bảng 02 Thiết bị thi công cọc xi măng đất theo phương pháp trộn khô