MỞ ĐẦU 1. Vấn đề thực tiễn và tính cấp thiết của đề tài Trong những năm gần đây cùng với sự phát triển của kinh tế đất nước, trên con đường công nghiệp hóa, hiện đại hóa trong điều kiện nền kinh tế thị trường, ngành xây dựng tất yếu cần phải phát triển không ngừng và ngày càng lớn mạnh. Trong thời kỳ hội nhập kinh tế, khoa học kỹ thuật thế giới việc tiếp nhận các công nghệ kỹ thuật tiên tiến đưa vào ứng dụng trong thực tiễn đất nước để tạo ra một sản phẩm có chất lượng, đạt hiệu quả kinh tế cao là một chiến lược phát triển khoa học công nghệ của đất nước ta trong thời điểm hiện tại và tương lai. Để phát triển được nền kinh tế trong thời điểm hiện tại việc làm đầu tiên là phải phát triển cơ sở vật chất trong nước một cách đồng bộ, khoa học ngày càng vững mạnh. Nhu cầu xây dựng cơ sở vật chất, cơ sở hạ tầng cả nước nói chung và tại khu vực đồng bằng sông Cửu Long nói riêng là điều kiện cần thiết để phát triển nền kinh tế xã hội, đảm bảo an ninh quốc phòng một cách bền vững nhất. Phần lớn các công trình tại khu vực Tây Nam Bộ được xây dựng trên nền đất tự nhiên trong những điều kiện môi trường khác nhau. Do đó, nhiều khu vực nền đất tự nhiên chưa đáp ứng được sự ổn định, khả năng chịu tải của đất nền của các công trình như nhà cửa, cầu cống, đê đập, đường xá… xây dựng trên chúng. Hay nói cách khác, khả năng chịu tải của chúng kém hơn so với tải trọng thiết kế dự kiến. Thực tế này đòi hỏi con người phải tìm ra và phát triển các công nghệ thích hợp cho ngành xây dựng để xử lý nền đất yếu nhằm tăng khả năng chịu lực, ổn định và giảm độ lún cho công trình đạt hiệu quả nhất. Khu vực Đồng bằng Sông Cửu Long có điểm chung là một trong những nơi có tầng đất yếu với bề dày là rất lớn, chiều dày tầng đất yếu dao động từ 10m đến 30m, có nơi lên đến 40m. Thêm vào đó khu vực này có cao độ tự nhiên trung bình tương đối thấp nên thường xuyên bị ngập nước gây ảnh hưởng lớn đến khả năng chịu lực, ổn định của nền đất khi xây dựng công trình. Đã có nhiều công trình xảy ra sự cố (Sụp lún kè cạnh bờ sông, sụp lún nền kho, lún lệch đường dẫn vào cầu, sụp lún khi thi công các công trình ven biển,...) gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng công trình nguyên nhân là do công tác khảo sát thăm dò địa chất chưa thật sự toàn diện đồng thời chưa đưa ra được giải pháp nền móng tối ưu nhất cho nền đất yếu. Khu vực ven biển nước ta nói chung, vùng Duyên Hải – Trà Vinh nói riêng có đặc trưng địa chất là phù sa bồi đắp lâu năm, cát mịn bùn và lớp sét dẻo với chiều dày khá lớn lên đến hơn 40m. Vì thế việc xây dựng phần kết cấu nền móng công trình, gia cố nền đất yếu cho những công trình có diện tích xây dựng lớn tại khu vực này đòi hỏi chi phí xây dựng khá cao, mất thời gian tồn tại nhiều rủi ro gây e ngại cho người đầu tư. Để khắc phục được các nhược điểm trên đến mức hiệu quả nhất, thì từ lâu nhiều nước trên thế giới đã áp dụng giải pháp gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng xử lý tại chỗ cho vùng đất yếu cần nghiên cứu. Từ những năm 1970 trên thế giới đã áp dụng công nghệ trụ đất xi măng một cách rộng rãi, tuy nhiên giải pháp này chưa được ứng dụng nhiều tại Việt Nam nói chung và khu vực vùng đất ven biển Duyên Hải – Trà Vinh nói riêng. Đã có nhiều nghiên cứu đi trước nhưng chủ yếu chỉ tập trung ở một số lĩnh vực là thực hiện nghiên cứu đối với gia cố thành hố đào sâu, hạn chế lún lệch đường dẫn vào cầu,... ở nhiều địa điểm có địa chất khác nhau. Việc thực hiện nghiên cứu ứng dụng của trụ đất xi măng trong việc gia cố nền đất yếu dưới nền cống thoát – xả nước làm mát phục vụ cho nhà máy nhiệt điện Duyên Hải – Trà Vinh là hết sức cần thiết với những công trình có đặc điểm: dòng nước di chuyển liên tục và tải trọng toàn phần khá lớn trong điều kiện địa chất vùng bồi lấp ven biển khá phức tạp. Vì thế, được sự đồng ý của Thầy hướng dẫn, tác giả đã mạnh dạn đề xuất đề tài : “Ứng dụng công nghệ trộn xi măng dưới sâu và các phương pháp thí nghiệm xác định tính chất của nó trong điều kiện đất yếu khu vực Duyên Hải – Trà Vinh” nói riêng và Việt Nam nói chung trong điều kiện đất yếu là một nhiệm vụ quan trọng và cấp bách nhằm góp phần nâng cao hiệu quả đầu tư xây dựng và nghiên cứu này trở thành một trong những giải pháp nền móng hợp lý cho các loại công trình, mở rộng phạm vi ứng dụng của trụ đất xi măng.
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CỬU LONG
HUỲNH NGUYỄN NGỌC TIẾN
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TRỘN XI MĂNG DƯỚI SÂU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH TÍNH CHẤT CỦA NÓ TRONG ĐIỀU KIỆN ĐẤT YẾU KHU VỰC
DUYÊN HẢI – TRÀ VINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH
DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP
VĨNH LONG, 2016
Trang 2MỞ ĐẦU 1
1 Vấn đề thực tiễn và tính cấp thiết của đề tài 1
2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 3
3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4
4 Phương pháp nghiên cứu 4
5 Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài 5
6 Hạn chế của đề tài 5
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP GIA CỐ NỀN ĐẤT
YẾU BẰNG TRỤ ĐẤT XI MĂNG 6
1.1 Lịch sử hình thành và phát triển công nghệ trộn sâu 6
1.2 Phương trình bố trí trụ đất xi măng [06]: 10
1.3 Công ngệ thi công trụ đất xi măng 10
1.4 Công nghệ trộn khô DJM (Dry Jet Mixing methods) 10
1.5 Công nghệ trộn ướt (Wet – Mixing) 11
1.5.1 Cánh trộn bằng kim loại DMM 11
1.5.2 Phương pháp trộn bằng tia áp lực cao (Jet - Grouting) 12
1.6 Nhận xét: 14
1.7 Ứng dụng của trụ đất xi măng 14
1.8 Các kết quả nghiên cứu trong nước về trụ đất xi măng 15
1.9 Một số công trình ứng dụng trụ đất xi măng trong và ngoài nước 16
1.9.1 Một số ứng dụng trụ đất xi măng trên thế giới 16
1.9.2 Một số công trình ứng dụng trụ đất xi măng tại Việt Nam 16
1.10 Nhận xét chương 1: 18
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TRỤ ĐẤT XI MĂNG 19
Trang 32.1.1 Phương pháp tính toán theo quan điểm trụ đất xi măng làm việc như cọc 20
2.1.1.1 Tính toán ổn định của trụ đất xi măng theo trạng thái giới hạn thứ nhất 20
2.1.1.2 Tính toán ổn định của trụ đất xi măng theo trạng thái giới hạn thứ hai 20
2.1.2 Tính toán theo quan điểm nền tương đương 20
2.2 Khả năng chịu tải giới hạn theo quan điểm Viện Địa Kỹ Thuật Châu Á 21
2.2.1 Khả năng chịu tải giới hạn của cọc đơn 21
2.2.2 Khả năng chịu tải giới hạn của nhóm cọc 22
2.3 Tính toán khả năng biến dạng 22
2.4 Tính toán các thông số, bố trí hình học của trụ đất xi măng 24
2.5 Nhận xét chương II 25
CHƯƠNG 3: THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC CHỈ TIÊU ĐẶC TRƯNG CỦA TRỤ ĐẤT XI MĂNG 26
3.1 Dụng cụ thiết bị thí nghiệm và chuẩn bị vật tư 26
3.1.1 Thí nghiệm xác định đặc trưng cơ lý của đất nền 26
3.1.2 Thí nghiệm xác định đặc trưng cơ lý của xi măng 26
3.1.3 Thí nghiệm xác định chỉ tiêu của nước 26
3.2 Quy trình chế bị mẫu 29
3.2.1 Xác định tỷ lệ xi măng 29
3.2.2 Chế bị mẫu 31
3.2.3 Chế độ bảo dưỡng mẫu sau khi chế bị 32
3.2.4 Trình tự thí nghiệm 32
3.2.5 Thí nghiệm nén đơn trục không hạn chế nở hông 33
3.2.6 Kết quả thí nghiệm nén đơn trục không hạn chế nở hông 33
3.2.7 Thí nghiệm cắt trực tiếp mẫu đất trộn xi măng [5] 42
Trang 43.2.9 So sánh các kết quả thí nghiệm và hiện trường qua thông số qu (kPa) 46
3.2.10 Phân tích dữ liệu thí nghiệm và lựa chọn kết quả dựa trên phương trình hồi quy tuyến tính: 47
3.2.11 Nhận xét chương 3 50
CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG TRỤ ĐẤT XI MĂNG ĐỂ XỬ LÝ GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU DƯỜI NỀN CỐNG XẢ NƯỚC LÀM MÁT 54
4.1 Giới thiệu công trình 54
4.2 Điều kiện địa chất của công trình 57
4.3 Tính toán ổn định – biến dạng của trụ đất xi măng bằng phương pháp giải tích dựa trên nền tảng phần mềm Microsoft Excel 2013 59
4.3.1 Theo quan điểm hỗn hợp của Viện địa kỹ thuật Châu Á AIT (dựa theo quy trình Thụy Điển SGF 4:95E) 59
4.3.2 Tính toán ổn định và biến dạng của trụ đất - xi măng theo quy trình Thượng Hải Trung Quốc 66
4.3.3 Tính toán ổn định và biến dạng theo quy trình Nhật Bản 70
4.3.4 Tính toán ổn định và biến dạng theo quan điểm Viện địa kỹ thuật Châu Á AIT (dựa theo quy trình Thụy Điển SGF 4:95E) khi thực hiện thay đổi đường kính trụ (D), khoảng cách bố trí (S), chiều dài trụ (L) và cách bố trí hình học (bố trí hình vuông và hình tam giác) so với ban đầu 77
4.4 Phân tích ổn định – biến dạng của trụ đất xi măng bằng phương pháp phần tử hữu hạn (mô phỏng bằng phần mềm Plaxis 3D) 81
4.4.1 Giới thiệu 81
4.4.2 Mô hình, kết quả bài toán thông qua phần mềm mô phỏng Plaxis 3D 82
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 99
KẾT LUẬN 99
KIẾN NGHỊ 101
TÀI LIỆU THAM KHẢO 102
Trang 5DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Ccol (kN/m2) : Lực dính trụ đất xi măng
Csoil (kN/m2) : Lực dính của đất yếu được gia cố
Ctđ (kN/m2) : Lực dính của nền tương đương
Cu (kN/m2) : Sức chống cắt trung bình của đất xung quanh trụ
Cu.col (kN/m2) : Sức chống cắt trung bình của trụ đất xi măng
φcol (o) : Góc ma sát trong trụ đất xi măng
φsoil (o) : Góc ma sát trong của đất yếu được gia cố
φtđ (o) : Góc ma sát trong của nền tương đương
σz (kN/m3) : Ứng suất thẳng đứng do trọng lượng bản thân các lớp đất
as (m2) : Diện tích tương đối của trụ đất xi măng
Acol (m2) : Diện tích trụ đất xi măng
Asoil (m2) : Diện tích của đất yếu được gia cố
Ecol (kN/m2) : Module biến dạng trụ đất xi măng
Esoil (kN/m2) : Module biến dạng của đất yếu được gia cố
col (kN/m3) : Trọng lượng riêng của trụ đất xi măng
soil (kN/m3) : Trọng lượng riêng của đất yếu được gia cố
tđ (kN/m3) : Trọng lượng riêng của nền tương đương
Trang 6fq : hệ số riêng phần đối với tải trọng ngoài
Qult.soil (kN) : Khả năng chịu tải trọng tới hạn theo đất nền của trụ đất xi măng
Qult.group (kN) : Khả năng chịu tải trọng tới hạn theo cơ chế phá hoại khối
Qult (kN) : Khả năng chịu tải trọng tới hạn theo cơ chế phá hoại cục bộ
Qcreep.col (kN) : Khả năng chịu tải có kể đến từ biến
Trang 7MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP GIA CỐ NỀN ĐẤT
YẾU BẰNG TRỤ ĐẤT XI MĂNG 8
Bảng 1-1: So sánh công nghệ thi công trụ đất xi măng 13
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TRỤ ĐẤT XI MĂNG 19
CHƯƠNG 3: THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC CHỈ TIÊU ĐẶC TRƯNG CỦA TRỤ ĐẤT XI MĂNG 26
Bảng 3-1 Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý của đất tự nhiên 27
Bảng 3-2 Các chỉ tiêu cơ lý của xi măng khi làm thí nghiệm 27
Bảng 3-3 Các chỉ tiêu cơ lý của nước trộn mẫu 28
Bảng 3-4 Các chỉ tiêu cơ lý của nước tại vị trí lấy mẫu [02] 28
Bảng 3-5 Chế bị mẫu đất trộn xi măng ở tuổi 7,14, 28 và 90 ngày 30
Bảng 3-6 Bảng tổng THKQTN cắt trực tiếp ở tuổi 7,14, 28 và 90 ngày 43
Bảng 3-7: Bảng kết quả phương trình hồi quy thí nghiệm nén đơn trục 48
Bảng 3-8: Bảng kết quả phương trình hồi quy thí nghiệm cắt trực tiếp 49
CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG TRỤ ĐẤT XI MĂNG ĐỂ XỬ LÝ GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU DƯỜI NỀN CỐNG XẢ NƯỚC LÀM MÁT 54
Bảng 4-1: Tổng hợp kết quả theo quan điểm Thụy Điển, Nhật Bản, Trung Quốc 76 Bảng 4-2 Kết quả tính toán khi thay đổi đường kính trụ đất – xi măng 77
Bảng 4-3 Kết quả tính toán khi thay đổi khoảng cách bố trí (S) trụ đất – xi măng 78 Bảng 4-4 Kết quả tính toán khi thay đổi chiều dài trụ (L)trụ đất – xi măng 78
Bảng 4-5 Kết quả tính toán khi thay đổi cách bố trí hình học trụ đất – xi măng 79 Bảng 4-6 Thông số đầu vào khi thực hiện mô phỏng phần mềm Plaxis 3D 83
Trang 8MỞ ĐẦU 1
Hình i: Bản đồ phân bố vùng đất yếu Nam Bộ 3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG TRỤ ĐẤT XI MĂNG 8
Hình 1.1: Các phương pháp làm việc của công nghệ trộn sâu [10] 8
Hình 1.2: Phương pháp trộn sâu ở Nhật Bản 9
Hình 1.3: Phương pháp trộn sâu ở Hà Lan 9
Hình 1.4: Phương pháp trộn sâu ở Đức 9
Hình 1.5: Bố trí trụ đất xi măng điển hình 10
Hình 1.6: Quy trình thi công bằng công nghệ trộn khô 11
Hình 1.7: Máy khoan và lưỡi khoan theo công nghệ trộn khô 11
Hình 1.8: Sơ đồ thi công trộn khô 11
Hình 1.9: Máy khoan và lưỡi khoan theo công nghệ trộn ướt bằng cánh kim loại 12
Hình 1.10: Quy trình thi công bằng công nghệ trộn ướt 12
Hình 1.11: Trụ đất xi măng ứng dụng dưới bồn chứa xăng dầu Cần Thơ 17
Hình 1.12: Hình ảnh chống thấm cho đê quai công trình Sơn la 17
Hình 1.13: Thi công tường chống thấm nền đập Đá Bạc (Hà Tĩnh) 17
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TRỤ ĐẤT XI MĂNG 19
Hình 2.1: Phương trình tính lún trường hợp A 23
Hình 2.2: Phương trình tính lún trường hợp A 24
CHƯƠNG 3: THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC CHỈ TIÊU ĐẶC TRƯNG CỦA TRỤ ĐẤT XI MĂNG 26
Hình 3.1: Máy trộn mẫu và tủ sấy xác định độ ẩm 26
Trang 9Hình 3.3: Cân nước, xi măng và trộn mẫu đất xi măng 31 Hình 3.4: Chế bị mẫu đất trộn xi măng 31 Hình 3.5: Mẫu đất trộn xi măng trong thùng bảo dưỡng 32 Hình 3.6: Ghi nhận lại kích thước, trọng lượng của mẫu trước khi thí nghiệm 32 Hình 3.7: Thí nghiệm nén một trục không hạn chế nở hông 33 Hình 3.8: Ghi nhận kết quả thí nghiệm nén đơn trục 33 Hình 3.9: Biểu đồ quan hệ giữa sức kháng nén đơn và hàm lượng XM theo thời gian của thí nghiệm 1 34 Hình 3.10: Biểu đồ quan hệ giữa độ ẩm và hàm lượng XM theo thời gian của thí nghiệm 1 34 Hình 3.11: Biểu đồ quan hệ giữa qu(kPa) và ở 28 ngày tuổi và dung trọng 35 Hình 3.12: Biểu đồ quan hệ giữa sức kháng nén đơn và hàm lượng XM theo thời gian của thí nghiệm 2 36 Hình 3.13: Biểu đồ quan hệ giữa độ ẩm và hàm lượng XM theo thời gian của thí nghiệm 2 36 Hình 3.14: Biểu đồ quan hệ giữa qu(kPa) và ở 28 ngày tuổi và dung trọng 37 Hình 3.15: Biểu đồ quan hệ giữa sức kháng nén đơn và hàm lượng XM theo
thời gian của thí nghiệm 3 38 Hình 3.16: Biểu đồ quan hệ giữa độ ẩm và hàm lượng XM theo thời gian của thí nghiệm 3 38 Hình 3.17: Biểu đồ quan hệ giữa qu(kPa) và ở 28 ngày tuổi và dung trọng 39 Hình 3.18: Biểu đồ quan hệ giữa sức kháng nén đơn và hàm lượng XM theo
thời gian của thí nghiệm 4 40 Hình 3.19: Biểu đồ quan hệ giữa độ ẩm và hàm lượng XM theo thời gian của thí nghiệm 4 40
Trang 10Hình 3.21: Thí nghiệm cắt trực tiếp mẫu đất trộn xi măng 42
Hình 3.22: Biểu đồ quan hệ giữa lực dính, góc nội ma sát, thời gian W/C=0,8 44
Hình 3.23: Biểu đồ đường mối tương quan của (độ) và C (kPa) theo thời gian 45
Hình 3.24: Biểu đồ so sánh sức kháng nén đơn qu (kPa) của các thí nghiệm và hiện trường ở 28 ngày tuổi 46
Hình 3.25: Quan hệ giữa cường độ nén đơn và biến dạng theo hàm lượng xi măng 14% ở tuổi 28 ngày 53
CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG TRỤ ĐẤT XI MĂNG ĐỂ XỬ LÝ GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU DƯỜI NỀN CỐNG XẢ NƯỚC LÀM MÁT 54
Hình 4.1: Mặt bằng vị trí cống dẫn xả nước làm mát 54
Hình 4.2: Mặt cắt mẫu đất đại diện tại khu vực đất cần gia cố 57
Hình 4.3: Mặt cắt điển hình của công trình cống xả nước làm mát 58
Hình 4.4: Biểu đồ sức chịu tải và biến dạng của trụ đất- xi măng 76
Hình 4.5: Biểu đồ sức chịu tải và biến dạng của trụ đất- xi măng khi bố trí theo hình vuông và tam giác 79
Hình 4.6: Mô hình trụ đất xi măng 2D và 3D 84
Hình 4.7: Phân bố điểm dẻo và tổng độ lún của của nền đất sau khi được gia cố mô hình 85
Hình 4.8: Tổng độ lún theo phương đứng của nền sau khi được gia cố mô hình 1 86 Hình 4.9: Ứng suất hữu hiệu mô hình 1 87
Hình 4.10: Ứng suất tổng thể mô hình 1 88
Hình 4.11: Biểu đồ chuyển vị của tường vây và trụ đỡ 89
Hình 4.12: Biểu đồ 2 '(kN m/ ) của tường vây và trụ đỡ 89
Hình 4.13: Biểu đồ 2 (kN m/ ) của tường vây và trụ đỡ 89
Hình 4.14: Biểu đồ lực – chuyển vị U(y) tại giai đoạn đặt tải 89
Trang 11Hình 4.16: Phân bố điểm dẻo và tổng độ lún của của nền đất sau khi được gia
cố mô hình 2 91
Hình 4.17: Tổng độ lún theo phương đứng của nền sau khi được gia cố mô hình 1 92
Hình 4.18: Ứng suất hữu hiệu mô hình 2 93
Hình 4.19: Ứng suất tổng thể mô hình 2 94
Hình 4.20: Biểu đồ chuyển vị của tường vây và trụ đỡ 95
Hình 4.21: Biểu đồ 2 '(kN m/ ) của tường vây và trụ đỡ 95
Hình 4.22: Biểu đồ 2 (kN m/ ) của tường vây và trụ đỡ 95
Hình 4.23: Biểu đồ lực – chuyển vị U(y) tại giai đoạn đặt tải 95
Hình 4.24: Độ lún U(y) theo giai đoạn thi công của cả hai mô hình 96
Hình 4.25: Biểu đồ so sánh kết quả tính lún U(y) theo giải tích và Plaxis 3D 97
Trang 12MỞ ĐẦU
1 Vấn đề thực tiễn và tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây cùng với sự phát triển của kinh tế đất nước, trên con đường công nghiệp hóa, hiện đại hóa trong điều kiện nền kinh tế thị trường, ngành xây dựng tất yếu cần phải phát triển không ngừng và ngày càng lớn mạnh Trong thời kỳ hội nhập kinh tế, khoa học kỹ thuật thế giới việc tiếp nhận các công nghệ kỹ thuật tiên tiến đưa vào ứng dụng trong thực tiễn đất nước để tạo ra một sản phẩm có chất lượng, đạt hiệu quả kinh tế cao là một chiến lược phát triển khoa học công nghệ của đất nước ta trong thời điểm hiện tại và tương lai
Để phát triển được nền kinh tế trong thời điểm hiện tại việc làm đầu tiên là phải phát triển cơ sở vật chất trong nước một cách đồng bộ, khoa học ngày càng vững mạnh Nhu cầu xây dựng cơ sở vật chất, cơ sở hạ tầng cả nước nói chung và tại khu vực đồng bằng sông Cửu Long nói riêng là điều kiện cần thiết để phát triển nền kinh tế xã hội, đảm bảo an ninh quốc phòng một cách bền vững nhất Phần lớn các công trình tại khu vực Tây Nam Bộ được xây dựng trên nền đất tự nhiên trong những điều kiện môi trường khác nhau Do đó, nhiều khu vực nền đất tự nhiên chưa đáp ứng được sự ổn định, khả năng chịu tải của đất nền của các công trình như nhà cửa, cầu cống, đê đập, đường xá… xây dựng trên chúng Hay nói cách khác, khả năng chịu tải của chúng kém hơn so với tải trọng thiết kế dự kiến Thực tế này đòi hỏi con người phải tìm ra và phát triển các công nghệ thích hợp cho ngành xây dựng
để xử lý nền đất yếu nhằm tăng khả năng chịu lực, ổn định và giảm độ lún cho công trình đạt hiệu quả nhất
Khu vực Đồng bằng Sông Cửu Long có điểm chung là một trong những nơi
có tầng đất yếu với bề dày là rất lớn, chiều dày tầng đất yếu dao động từ 10m đến 30m, có nơi lên đến 40m Thêm vào đó khu vực này có cao độ tự nhiên trung bình tương đối thấp nên thường xuyên bị ngập nước gây ảnh hưởng lớn đến khả năng chịu lực, ổn định của nền đất khi xây dựng công trình Đã có nhiều công trình xảy ra
sự cố (Sụp lún kè cạnh bờ sông, sụp lún nền kho, lún lệch đường dẫn vào cầu, sụp lún khi thi công các công trình ven biển, ) gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất
Trang 13lượng công trình nguyên nhân là do công tác khảo sát thăm dò địa chất chưa thật sự toàn diện đồng thời chưa đưa ra được giải pháp nền móng tối ưu nhất cho nền đất yếu
Khu vực ven biển nước ta nói chung, vùng Duyên Hải – Trà Vinh nói riêng
có đặc trưng địa chất là phù sa bồi đắp lâu năm, cát mịn bùn và lớp sét dẻo với chiều dày khá lớn lên đến hơn 40m Vì thế việc xây dựng phần kết cấu nền móng công trình, gia cố nền đất yếu cho những công trình có diện tích xây dựng lớn tại khu vực này đòi hỏi chi phí xây dựng khá cao, mất thời gian tồn tại nhiều rủi ro gây
e ngại cho người đầu tư Để khắc phục được các nhược điểm trên đến mức hiệu quả nhất, thì từ lâu nhiều nước trên thế giới đã áp dụng giải pháp gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng xử lý tại chỗ cho vùng đất yếu cần nghiên cứu Từ những năm
1970 trên thế giới đã áp dụng công nghệ trụ đất xi măng một cách rộng rãi, tuy nhiên giải pháp này chưa được ứng dụng nhiều tại Việt Nam nói chung và khu vực vùng đất ven biển Duyên Hải – Trà Vinh nói riêng
Đã có nhiều nghiên cứu đi trước nhưng chủ yếu chỉ tập trung ở một số lĩnh vực là thực hiện nghiên cứu đối với gia cố thành hố đào sâu, hạn chế lún lệch đường dẫn vào cầu, ở nhiều địa điểm có địa chất khác nhau Việc thực hiện nghiên cứu ứng dụng của trụ đất xi măng trong việc gia cố nền đất yếu dưới nền cống thoát – xả nước làm mát phục vụ cho nhà máy nhiệt điện Duyên Hải – Trà Vinh là hết sức cần thiết với những công trình có đặc điểm: dòng nước di chuyển liên tục và tải trọng toàn phần khá lớn trong điều kiện địa chất vùng bồi lấp ven biển khá phức tạp
Vì thế, được sự đồng ý của Thầy hướng dẫn, tác giả đã mạnh dạn đề xuất đề tài :
“Ứng dụng công nghệ trộn xi măng dưới sâu và các phương pháp thí nghiệm xác định tính chất của nó trong điều kiện đất yếu khu vực Duyên Hải – Trà Vinh” nói riêng và Việt Nam nói chung trong điều kiện đất yếu là một nhiệm vụ
quan trọng và cấp bách nhằm góp phần nâng cao hiệu quả đầu tư xây dựng và nghiên cứu này trở thành một trong những giải pháp nền móng hợp lý cho các loại công trình, mở rộng phạm vi ứng dụng của trụ đất xi măng
Trang 142 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Khái niệm đất yếu cho đến nay vẫn chưa thật sự rõ ràng Khái niệm này chỉ là tương đối, phụ thuộc và tương quan giữa khả năng chịu lực của đất với tải trọng công trình Đa số các nhà nghiên cứu gọi đất yếu là những lọai đất có lẫn nhiều hữu
cơ có khả năng chịu tải thấp vào khoảng 0,5 – 1 kg/cm2, khả năng biến dạng lớn Đất yếu hầu như hoàn toàn bão hòa nước (G>0.8), hệ số rỗng e>1, hệ số nén lún
Hình i: Bản đồ phân bố vùng đất yếu Nam Bộ
Xử lý nền đất yếu nhằm mục đích làm tăng sức chịu tải của đất nền, cải thiện một số tính chất cơ lý của nền đất yếu như: Giảm hệ số rỗng, giảm tính nén lún, tăng độ chặt, trị số mođun biến dạng, tăng cường độ chống cắt của đất…
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài tập trung giải quyết vấn đề nêu trên bao gồm các mục tiêu nghiên cứu cụ thể như sau:
Nghiên cứu, tính toán tối ưu hóa tỷ lệ hàm lượng đất/xi măng trong hỗn hợp trụ đất xi măng bằng phương pháp thực nghiệm
Xác định sự thay đổi về độ ẩm, tỉ trọng hạt và giới hạn chảy, giới hạn dẻo của hỗn hợp đất kết hợp với xi măng
Thông qua thí nghiệm nén một trục nở hông tập trung đánh giá sự thay đổi
về cường độ, module biến dạng của hỗn hợp đất kết hợp với xi măng theo các xi măng khác nhau theo thời gian
Trang 15 Từ thí nghiệm cắt trực tiếp đánh giá sự thay đổi của lực dính c và góc ma sát trong φ của hỗn hợp đất xi măng
Với kết quả thí nghiệm bên trên, tiến hành sử dụng phương pháp giải tích và phần mềm Plaxis 3D phân tích sự thay đổi ứng suất và biến dạng của trụ đất
xi măng ứng cho công trình cụ thể khu vực Duyên Hải – Trà Vinh
3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu chủ yếu của tác giả là hướng đến xử lý nền đất yếu tại khu vực Duyên Hải – Trà Vinh bằng trụ đất xi măng ứng với điều kiện tự nhiên tại địa phương Phạm vi nghiên cứu là đề ra giải pháp gia cố nền đất yếu cho các công trình xây dựng nằm ở khu vực ven biển có khả năng ứng dụng và kinh tế cao Tổng hợp các cơ sở lý thuyết về gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng, tính toán được khả năng chịu tải của trụ đất xi măng, đất nền dựa trên cơ sở lý thuyết của các tài liệu khác nhau nhưng chủ yếu là tính toán theo quan điểm như nền tương đương và quan điểm của Viện địa Kỹ thuật Châu Á
4 Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp lý thuyết: Nghiên cứu tổng quan về giải pháp sử dụng trụ đất xi
măng để gia cố nền đất yếu trong nước và ngoài nước Nghiên cứu các thí nghiệm trong phòng và hiện trường để xác định các chỉ tiêu cơ lý của đất nền trước và sau khi
gia cố
- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Tiến hành lấy mẫu đất ngoài hiện
trường ở độ sâu hơn 2m đem về phòng thí nghiệm thiết kế mẫu thử và tiến hành thí nghiệm với các thí nghiệm trong phòng để tìm ra kết quả hàm lượng tối ưu ứng với hàm lượng xi măng và đất tại chỗ theo thời gian Phân tích đánh giá tìm mối quan
hệ của chúng, ứng dụng kết quả vào tính toán ổn định gia cố nền đất yếu cho công trình cụ thể
- Phương pháp nghiên cứu mô phỏng: Sử dụng tính năng của phần mềm
Plaxis 3D để mô phỏng tính toán
Trang 165 Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài
Với việc xác định các chỉ tiêu cơ lý của đất nền và sự thay đổi của nó trong hỗn hợp trụ đất xi măng, đánh giá cường độ, xác định hàm lượng tối ưu theo hàm lượng xi măng sao cho đạt hiệu quả về kỹ thuật và kinh tế trong điều kiện đất nền thực tế, nghiên cứu này đưa ra các cơ sở, quy trình tính toán, thí nghiệm cho các đơn vị thiết kế,
kỹ sư xây dựng tham khảo như một tài liệu trong việc tính toán thiết kế trụ đất xi măng, song đó được các cấp thẩm quyền tại khu vực Duyên Hải – Trà Vinh nói chung và hơn nữa là các tỉnh miền Tây Nam Bộ khuyến khích sử dụng đại trà trong việc gia cố nền đất yếu như là một giải pháp tối ưu trong thời điểm hiện tại và tương lai
6 Hạn chế của đề tài
Do cơ chế làm việc của công trình có tải trọng tương đối lớn với nền đất bên dưới diễn ra rất phức tạp Điểm đặc biệt của công trình là phục vụ cho việc cung cấp, thoát nước làm mát cho nhà máy nhiệt điện với lưu lượng nước khá lớn ảnh hưởng của dòng thấm xuống bên dưới nền đất yếu, ảnh hưởng của độ mặn đến cường độ cọc đất xi măng, vì vậy cần phải nghiên cứu sự ảnh hưởng của các tác nhân trên gây ảnh hưởng đến chất lượng trụ đất xi măng và cần mở rộng nghiên cứu nhiều nhiều vùng đất yếu khác nhau của khu vực đồng bằng Sông Cửu Long để đưa
ra được so sánh, kiểm chứng chính xác hơn cho từng vùng địa lý với công nghệ gia
cố nền đất yếu bằng giải pháp trụ đất xi măng Hơn nữa cần có thêm một vài nghiên cứu về sự ảnh hưởng của nước biển, hàm lượng hữu cơ, thủy triều và ma sát âm ảnh hưởng đến tính ổn định và biến dạng của nền đất gia cố bằng trụ đất xi măng
Trang 17CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP GIA CỐ NỀN YẾU
BẰNG TRỤ ĐẤT XI MĂNG
1.1 Lịch sử hình thành và phát triển công nghệ trộn sâu
- Năm 1975, Viện nghiên cứu Hải cảng và Bến tàu (PHRI - Port and Habour Reseach Insititute) thuộc Bộ Giao thông vận tải Nhật Bản đã nghiên cứu phát triển phương pháp trộn xi măng dưới sâu (CDM - Cement Deep Mixing) bằng việc sử dụng vữa xi măng lỏng và áp dụng xử lý nền sét yếu bờ biển
- Năm 1976, Viện nghiên cứu công trình công cộng (PWRI - Public Works Reseach Insititute) thuộc Bộ Xây dựng Nhật Bản hợp tác với Viện nghiên cứu máy xây dựng Nhật Bản bắt đầu nghiên cứu phương pháp trộn phun khô dưới sâu bằng bột xi măng, bước thử nghiệm đầu tiên hoàn thành vào năm 1980
- Năm 1980, phương pháp trộn phun khô dưới sâu được áp dụng thực tế cho các công trình ở Nhật Bản
- Năm 1985, Viện địa kỹ thuật Thụy Điển SGI xuất bản tuyển tập quá trình 10 năm phát triển của phương pháp trộn sâu Năm 1986, phương pháp trộn dưới sâu được ứng dụng để gia cố nền đất yếu tại một số nơi ở Mỹ
- Năm 1987, từ kết quả nghiên cứu của Cục đường bộ và đường sắt Quốc gia Pháp tài trợ công ty Bachy (Pháp) ứng dụng và phát triển quy trình Colmix trong đó việc thi công trộn và đầm chặt đất - xi măng được thực hiện bằng cách đảo ngược chiều xoay của máy khoan trong khi rút lên trên
- Năm 1989, các công ty Trevi tại Ý phát triển DMM theo kỹ thuật riêng Trevimix Method, trước hết bằng phương pháp phun trộn khô và tiếp theo là phương pháp phun trộn ướt Tại Thụy Điển việc sử dụng cột hỗn hợp vôi + xi măng (LCC - Lime Cement Column) phát triển Năm 1990, tại Phần Lan người ta sử dụng thiết bị trộn mới giữa xi măng, vôi
- Năm 1990, giáo sư Tersashi người đã có quá trình nghiên cứu DLM (Deep Lime Mixing), CDM (Cement Deep Mixing) và DJM (Dry Jet Mixing) từ năm 1970 với Viện nghiên cứu Hải cảng và Bến tàu PHRI Nhật Bản tổ chức các buổi hội thảo
Trang 18tại Phần Lan, trong đó giới thiệu hơn 30 loại chất kết dính (Binder) bao gồm thành phần xỉ, thạch cao hoặc xi măng đang được sử dụng thực tế tại Nhật Bản
- Năm 1991, Viện khoa học Bungari công bố các kết quả nghiên cứu tại Bungari về gia cố bằng cột đất - xi măng Trong thập niên 1990, việc sử dụng phương pháp gia cố sâu cho nền đất bằng cột vôi - xi măng đã gia tăng ở Na Uy
- Năm 1993, hiệp hội Deep Jet Mixing - DJM Nhật Bản phát hành tài liệu hướng dẫn thiết kế và xây dựng theo phương pháp DJM Năm 1994, Hiệp hội Deep Jet Mixing - DJM Nhật Bản tổng kết được 1820 dự án được hoàn thành sử dụng DJM Năm 1995, các nhà nghiên cứu Kukko và Ruohomaki báo cáo chương trình nghiên cứu quy mô lớn trong phòng thí nghiệm để phân tích các nhân tố ảnh hưởng phản ứng hóa cứng trong đất sét gia cố sử dụng các chất trộn mới như xi măng, tro bay núi lửa
- Năm 1995, tại Thụy Điển có một công trình tiêu biểu đó là từ tháng 1 đến tháng 11, công ty Hercules thi công hệ thống cột đất - xi măng cho nhà thầu NCC -
AB, Chủ đầu tư là cục đường sắt Quốc gia Thụy Điển (The Swedish National Railway Administration) trong dự án mở rộng đường sắt West Coast nối liền Satinge và Lekarekulle: Số lượng cột đất - xi măng: 12.000 cặp; Khối lượng cột đất
- xi măng: 170.000m; Chiều dài trung bình của cột đất - xi măng: 14,6m; Chiều cao lớn nhất của nền đất đắp: 1,5m; Đường kính cột: ф600mm; Hàm lượng chất pha trộn: 30kg/m (vôi - xi măng); Tỉ lệ pha trộn vôi - xi măng: 50/50 Công tác gia cố trên đây được tiến hành trong điều kiện đất nền có lớp đất sét dày Các cột đất gia
- Năm 1997, trong dự án xây dựng hệ thống đường bộ E18/E20 Arboga - Orebo
- Thụy Điển, công ty Hercules đã thi công đến 800.000m cột đất - xi măng Công
Trang 19việc gia cố cột đất - vôi - xi măng hoàn thành vào năm 1999, toàn bộ dự án hoàn thành vào năm 2000 Chủ đầu tư của công trình là NCC Anylaggning Từ tháng 10/1997 đến tháng 12/1998 công ty Hercules đã thi công cột đất - xi măng cho dự
án đường bộ giữa Slyte và Grasnas: Chủ đầu tư: The Swedish National Railway Administration; Nhà thầu: NCC – AB; Số lượng cột đất - xi măng: 140.000 cặp; Khối lượng: 730.000m; Chiều dài trung bình của cột: 5,2m; Chiều cao lớn nhất của nền đất đắp: 4m; Đường kính cột: ф600mm; Hàm lượng chất pha trộn: 23kg/m (vôi
- xi măng); Tỉ lệ pha trộn vôi - xi măng: 50/50
- Năm 1998, Ratio Inc lập văn phòng đại diện tại California, Mỹ nhằm ứng dụng kỹ thuật DMM của Nhật Bản và trúng thầu dự án đầu tiên tại California vào năm 1999 Năm 1999, hội nghị quốc tế về DMM (Deep Mixing Method Internatoinal Conference for Deep Soil Stabilization) được tổ chức tại Stockholm, Thụy Điển từ 13/10 đến 15/10 do Trung tâm Gia cố sâu nền đất Thụy Điển SD (Swedish Deep Stabilization Center) SD tiến hành chương trình nghiên cứu về gia
cố sâu nền đất dưới sự tài trợ của Chính phủ, các nhà thầu, các nhà tư vấn, nhà sản xuất và các tổ chức nghiên cứu khác; đối tượng nghiên cứu bao gồm tất cả các hoạt động liên quan đến sự phát triển của lĩnh vực gia cố sâu nền đất, đặc biệt là cột đất -
xi măng Chương trình SD kéo dài đến hết năm 2001 Mục tiêu chính của hội nghị
là nhằm phổ biến các thông tin liên quan đến lý thuyết và thực tiễn của việc sử dụng phương pháp gia cố DMM trong gia cố nền đất
Hình 1.1: Các phương pháp làm việc của công nghệ trộn sâu [10]
Trang 20Hình 1.2: Phương pháp trộn sâu ở Nhật Bản
Hình 1.3: Phương pháp trộn sâu ở Hà Lan
Hình 1.4: Phương pháp trộn sâu ở Đức
Trang 211.2 Phương trình bố trí trụ đất xi măng [06] :
Tùy theo mục đích sử dụng có thể bố trí cọc theo các phương trình khác nhau
Để giảm độ lún bố trí cọc đều theo lưới tam giác hoặc ô vuông, để làm tường chắn thường bố trí thành dãy
Hình 1.5: Bố trí trụ đất xi măng điển hình
1.3 Công ngệ thi công trụ đất xi măng
Hiện nay phổ biến có ba công nghệ thi công trụ đất trộn xi măng là: công nghệ trộn khô DJM methods (Dry Jet Mixing methods), công nghệ trộn ướt bằng cánh kim loại DMM và công nghệ trộn ướt bằng tia áp lực cao (Jet - Grouting)
1.4 Công nghệ trộn khô DJM (Dry Jet Mixing methods)
Công nghệ này sử dụng cần khoan có gắn các cánh cắt đất, chúng cắt đất sau đó trộn đất với xi măng khô (có hoặc không có chất phụ gia) bơm theo trục khoan để tạo thành một trụ - cọc đất xi măng Ngoài xi măng, các loại bột khô và các thành phần kích thước hạt nhỏ hơn 5mm cũng có thể được sử dụng Chủng loại và chất lượng của hỗn hợp được sử dụng là độc lập với các tính chất của nền đất yếu cũng như yêu cầu cơ học của đất được xử lý Theo từng loại đất mà thiết kế hàm lượng xi măng phù hợp Thiết bị máy có hệ thống tự động cân chỉnh độ thẳng đứng cần khoan cũng như cung cấp các số liệu chính xác và liên tục về chiều sâu, tốc độ rút cần và tốc độ xoay cần khoan Quy trình thi công gồm các bước sau:
Trang 22Hình 1.6: Quy trình thi công bằng công nghệ trộn khô
Hình 1.7: Máy khoan và lưỡi khoan theo công nghệ trộn khô
Hình 1.8: Sơ đồ thi công trộn khô
1.5 Công nghệ trộn ướt (Wet – Mixing)
1.5.1 Cánh trộn bằng kim loại DMM
Trộn ướt là quá trình xáo tơi đất bằng cơ học tại hiện trường và trộn vữa xi măng gồm xi măng và nước, có hoặc không có phụ gia với đất khi cần có thể thêm chất độn (cát hoặc phụ gia) Khối lượng vữa được thay đổi theo độ sâu Khi chế tạo trụ trong đất rời dùng khoan guồng xoắn liên tục có cánh trộn, có đủ công suất để phá vỡ cấu trúc của đất và trộn đều vữa Công nghệ này thích hợp cho gia cố những công trình có mặt bằng lớn như: đường ô tô, bến cảng, sân bay…
Trang 23Hình 1.9: Máy khoan và lưỡi khoan theo công nghệ trộn ướt bằng cánh kim loại
Hình 1.10: Quy trình thi công bằng công nghệ trộn ướt
1.5.2 Phương pháp trộn bằng tia áp lực cao (Jet - Grouting)
Phương pháp mới này kết hợp lợi thế của trộn cơ học và phun vữa lỏng Máy có
cả đầu trộn và vòi phun, có thể tạo nên các trụ có đường kính lớn hơn đường kính đầu trộn
Phương pháp này dựa vào nguyên lý cắt nham thạch bằng dòng nước áp lực Khi thi công, trước hết dùng máy khoan để đưa ống bơm có vòi phun bằng hợp kim vào tới độ sâu phải gia cố (nước + xi măng) với áp lực khoảng 20 MPa từ vòi bơm phun xả phá vỡ tầng đất Với lực xung kích của dòng phun và lực li tâm, trọng lực
sẽ trộn lẫn dung dịch vữa, rồi sẽ được sắp xếp lại theo một tỉ lệ có qui luật giữa đất
và vữa theo khối lượng hạt Sau khi vữa cứng lại sẽ thành cột XMĐ
Hiện nay trên thế giới đã phát triển ba công nghệ Jet - Grounting là:
- Công nghệ đơn pha S (công nghệ phụt một ống JET 1- One jet technology
- Công nghệ hai pha (công nghệ D, JET 2- Two - jets technology)
- Công nghệ ba pha (công nghệ T, JET 3 - Three jets technology)
Trang 24Ưu điểm của công nghệ phụt vữa cao áp (Jet Grouting):
- Phạm vi áp dụng rộng, thích hợp với mọi loại đất từ bùn sét đến sỏi cuội
- Có thể xử lý các lớp đất yếu một cách cục bộ không ảnh hưởng đến các lớp đất tốt Có thể xử lý dưới móng hoặc các lớp kết cấu hiện có mà không ảnh hưởng đến kết cấu của công trình
Nhược điểm của công nghệ phụt vữa cao áp (Jet Grouting):
- Có thể gây ra trương nở nền và gây ra các chuyển vị quá giới hạn trong lòng đất, áp lực siêu cao có thể gây nên rạn nứt các nền đất lân cận và tia vữa có thể lọt vào các công trình ngầm Giá thành tương đối cao
- Đối với nền đất có chứa nhiều túi bùn hoặc rác hữu cơ thì axit humic trong đất
có thể làm chậm hoặc phá hoại quá trình ninh kết hỗn hợp đất xi măng
Bảng 1-1: So sánh công nghệ thi công trụ đất xi măng
(Dry Jet Mixing methods)
Công nghệ trộn ướt (Wet - Mixing)
Thiết bị nhỏ gọn, có thể thi công trong không gian có chiều cao hạn chế, nhiều chướng ngại vật
Chất lượng cọc xi măng đất độ đồng đều cao hơn so với trộn khô
Nhược
điểm
Do cắt đất bằng các cánh cắt nên hạn chế trong đất có lẫn rác, đất sét, cuội đá, hoặc khi cần xuyên qua các lớp đất cứng hoặc tấm bê tông
Hàm lượng xi măng sử dụng nhiều hơn trộn khô, thiết bị thi công phức tạp, người vận hành phải thành thạo Không thi công được nếu phần xử
Trang 25do nhiệt Hiện tượng này làm đất xung quanh trụ tăng độ bền hơn trước
- Ở những khu vực ven biển phổ biến đất yếu, có cấu tạo địa chất không đồng nhất lẫn san hô, trầm tích, cuội đá khi đó gia cố nền đất yếu tại khu vực ven biển này thì công nghệ thi công trụ đất xi măng phụt vữa dưới sâu có nhiều ưu điểm hơn: kinh
tế, thời gian được đảm bảo, chất lượng trụ đất xi măng đồng đều, thi công được trong điều kiện gặp nhiều chướng ngại vật Qua đánh giá trên tác giả sẽ ứng dụng công nghệ thi công trụ đất xi măng dưới sâu cho khu vực đất yếu Duyên Hải – Trà Vinh
1.7 Ứng dụng của trụ đất xi măng
Khi xây dựng các công trình có tải trọng lớn trên 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 Một trong những biện pháp xử lý hiệu quả và kinh tế là dùng trụ xi măng - đất
Công nghệ trụ xi măng - đất được áp dụng rộng rãi cho các lĩnh vực như sau:
- Gia cố tăng cường độ đất yếu; Gia cố xử lý nền đất yếu chống lún, tăng ổn định cho nền đường đắp cao, đường đầu cầu; Gia cố chống thấm cho đê đập; Gia cố tường chắn cho các công trình đào sâu; Gia cố giãm biến loãng do tác dụng động; Gia cố chống ô nhiễm môi trường; Gia cố chống trượt đất cho mái dốc
- Với những ưu điểm riêng trong công tác xử lý nền đất yếu, công nghệ trụ đất trộn xi măng được dùng rộng rãi để gia cố nền đường, khắc phục độ lún còn dư khi đưa công trình vào khai thác sử dụng đạt tiêu chuẩn 22TCN 262-2000 của Bộ Giao thông vận tải Tuy nhiên, chúng ta cần nghiên cứu kỹ lưỡng để có thể ứng dụng rộng rãi hơn, tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả trong việc ứng dụng công nghệ trên
Trang 261.8 Các kết quả nghiên cứu trong nước về trụ đất xi măng
Hiện nay trong nước có nhiều đề tài gia cố nền đất yếu liên quan đến trụ xi măng – đất tại khu vực vùng đất yếu Nam Bộ điển hình một số đề tài như:
Nguyễn Văn Kiệp, Luận văn thạc sỹ 2011 “Nghiên cứu tính toán các cơ chế phá hoại tường chắn loại cọc ximăng - đất để gia cố hố đào sâu”
Phạm Lê Thanh: Luận văn thạc sỹ 2013 “Nghiên cứu giải pháp dùng cọc xi măng đất để xử lý lún lệch giữa đường dẫn vào cầu và mố cầu cho một số công trình khu vực Cần Thơ”
Lê Nhật Trường, Luận văn thạc sỹ 2014 “Nghiên cứu giải pháp trụ xi măng đất
để gia cố nền đất yếu dưới nền đường đắp cao trong điều kiện Cà Mau”
Trần Quốc Hậu, Luận văn thạc sỹ 2015 “Ứng dụng trụ đất vôi xi măng xử lý nền nhà máy bao bì tỉnh Hậu Giang”
Đậu Văn Ngọ, Tạp chí phát triển KH&CN tập 12 số 05-2009 “Các nhân tố ảnh hưởng đến cường độ cọc xi măng đất” Trên đây là những nghiên cứu gần nhất về công nghệ trụ đất xi măng và còn nhiều nghiên cứu tiêu biểu khác
Nhìn chung kết quả của các nghiên cứu bên trên trên, đã đưa ra được nhiều nhận định có giá trị khoa học cao như tìm ra được những yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của cọc xi măng đất, khả năng và phạm vi ứng dụng của nó nhưng vẫn còn một số hạn chế nhất định chưa khai thác, ứng dụng nhiều cho vùng đất yếu ven biển
và chủ yếu tập trung cho khu vực nội địa đồng bằng Nhiều qua điểm tính toán sức chịu tải, tính lún chưa đạt được sự thống nhất cao Hi vọng kết quả nghiên cứu của tác giả dựa trên nền tiêu chuẩn hiện hành kết hợp với những nhận định có độ tin cậy cao sẽ góp phần khắc phục được các hạn chế trên
“Tiêu chuẩn hiện hành hiện nay về gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng là: Tiêu chuẩn 9403:2012 được chuyển đổi từ TCXDVN 385:2006 do Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng - Bộ xây dựng biên soạn, Bộ Xây dựng đề nghị, Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng thẩm định - Bộ Khoa học Công nghệ công bố”
Trang 271.9 Một số công trình ứng dụng trụ đất xi măng trong và ngoài nước
1.9.1 Một số ứng dụng trụ đất xi măng trên thế giới
Nước ứng dụng công nghệ xi măng đất nhiều nhất là Nhật Bản và các nước vùng Scandinaver Theo thống kê của hiệp hội CDM (Nhật Bản), tính chung trong giai đoạn 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 xi măng đất ở Trung Quốc cho đến nay vào khoảng trên 1 triệu m3 Tại Châu Âu, nghiên cứu và ứng dụng bắt đầu ở Thụy Điển và Phần Lan bắt đầu
từ năm 1967 Năm 1974, một đê đất thử nghiệm (cao: 6m; dài: 8m) đã được xây dựng ở Phần Lan sử dụng cột vôi đất, nhằm mục đích phân tích hiệu quả của hình dạng và chiều dài cột về mặt khả năng chịu tải
1.9.2 Một số công trình ứng dụng trụ đất xi măng tại Việt Nam
Công nghệ trộn sâu đã được miêu tả trong quyển “xử lý sự cố nền móng công trình” của giáo sư Nguyễn Bá Kế xuất bản năm 2000 Năm 2002 viện Khoa học Công nghệ đã có nghiên cứu về cột đất xi măng Hiện nay Bộ Xây dựng đã nghiên cứu ban hành tiêu chuẩn thiết kế cột đất xi măng Với công nghệ trộn cơ: Từ năm 2002, công trình đầu tiên ứng dụng cọc XMĐ vào Dự án cảng Ba Ngòi (Khánh hoà) đã sử dụng 4000m cọc XMĐ có đường kính 60cm thi công bằng phương pháp trộn khô, xử lý nền cho bồn chứa xăng dầu đường kính 35m, cao 4m ở Cần Thơ, Tường chống thấm cho đê quây giai đoạn II- Nhà máy thuỷ điện Sơn la bằng công nghệ cọc xi măng đất (tổng cộng 2411m; chiều dài 15m), Tường chống thấm Hồ Đá Bạc - Hà Tĩnh (tổng cộng 5125m; Chiều dài 18m) ….Và phát triển mạnh trong các dự án giao thông
Trang 28Hình 1.11: Trụ đất xi măng ứng dụng dưới bồn chứa xăng dầu Cần Thơ
Thi công tường xi măng đất Hố móng sau khi chống thấm
Hình 1.12: Hình ảnh chống thấm cho đê quai công trình Sơn la
Hình 1.13: Thi công tường chống thấm nền đập Đá Bạc (Hà Tĩnh)
Trang 291.10 Nhận xét chương 1:
Qua các đề tài, kết quả nghiên cứu về ứng dụng cọc đất xi măng trong gia cố nền đất yếu trong phòng thí nghiệm trong nước nói chung và khu vực Đồng bằng Sông Cửu Long nói riêng cho thấy:
- Công nghệ trộn đất xi măng dưới sâu trong việc gia cố nền đất yếu là giải pháp
có hiệu quả ứng dụng khá cao
- Chất lượng, độ bền của cọc xi măng đất được quyết định bởi nhiều thành phần nhân tố như: loại đất, độ tuổi, loại xi măng, hàm lượng xi măng, tỷ lệ nước pha trộn…
- Đa số các nghiên cứu trên thông qua phương pháp lý thuyết, thí nghiệm trong phòng nhưng chưa tổng quát với nhiều tỷ lệ và thành phần xi măng khác nhau đồng thời chưa đưa ra được nhận xét trực quan giữa kết quả nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm trong phòng so với kết quả thực tế thi công ngoài hiện trường đối với chỉ tiêu đánh giá chủ yếu là cường độ kháng nén đơn của mẫu Hơn nữa đa số các đề tài nghiên cứu tập trung vào gia cố nền đất yếu khu vực nội địa của ĐBSCL nơi có địa chất tương đối đồng đều nhau không có sự khác biệt lớn lớn từ điều kiện tự nhiên đến chất lượng cọc xi măng đất
- Khi gần đây khu vực Duyên Hải – Trà Vinh đã có công trình đã ứng dụng công nghệ thi công trộn xi măng đất dưới sâu để đánh giá được tương quan thực nghiệm của giải pháp này như thế nào, khả năng ứng dụng ra sao, những yếu tố ảnh hưởng và lưu ý khi ứng dụng giải pháp này cho vùng đất yếu ven biển Trong lần thực hiện nghiên cứu lần này, tác giả hi vọng sẽ đánh giá, trả lời được những khúc mắc trên Từ đó kết quả nghiên cứu sẽ là tài liệu tham khảo đáng tin cậy cho người đầu tư, đơn vị thiết kế, cho các đơn vị quản lý chất lượng công trình có thể đưa ra nhận xét, đánh giá sản phẩm trụ đất xi măng một cách hiệu quả xác nhất cho khu vực đất yếu vùng ven biển Đồng bằng Sông Cửu Long
Trang 30CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CỦA TRỤ ĐẤT XI MĂNG
2.1 Cở sở lý thuyết tính toán trụ đất xi măng [07], [04], [03]
Hiện nay có 3 quan điểm tính toán trụ xi măng – đất:
- Quan điểm xem trụ xi măng đất làm việc như cọc
- Quan điểm xem các trụ và đất làm việc đồng thời
- Một số các nhà khoa học lại đề nghị tính toán theo cả 2 phương thức trên nghĩa
là sức chịu tải thì tính toán như "cọc" còn biến dạng thì tính toán 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 Có người đề xuất cách tính toán như sau:
+ Tính sức chịu tải của một cọc như cọc cứng
+ Tính số trụ cần thiết (Căn cứ lực tác dụng, khả năng chịu tải của đất móng giữa các trụ)
+ Tùy thuộc tỷ lệ diện tích thay thế giữa trụ và đất để tính toán tiếp
- Nếu tỷ lệ này >20% thi coi khối đất và trụ là một khối và tính toán như một khối móng quy ước
- Ngược lại thì tính toán như móng cọc
Với mỗi quan điểm tính có phương pháp tính khác nhau Ở Việt Nam cũng như trên thế giới đã phát triển một số phương pháp tính toán cọc xi măng đất như: tính toán theo tiêu chuẩn gia cố cọc xi măng đất Việt Nam; tính toán theo tiêu chuẩn gia
cố cọc đất - vôi - xi măng Châu Âu; phương pháp tính toán theo quan điểm cọc đất
xi măng làm việc như cọc; tính toán theo tiêu chuẩn gia cố cọc đất – xi măng Thượng Hải – Trung Quốc; phương pháp tính toán theo quan điểm hỗn hợp của Viện kỹ thuật Châu Á
Trang 312.1.1 Phương pháp tính toán theo quan điểm trụ đất xi măng làm việc như cọc 2.1.1.1 Tính toán ổn định của trụ đất xi măng theo trạng thái giới hạn thứ nhất
- Để móng cọc đảm bảo an toàn cần thỏa mãn các điều kiện sau :
max
Q N
Fs
+ Moment lớn nhất trong 1 cọc Mmax M của vật liệu làm cọc
+ Chuyển vị của khối móng y y
2.1.1.2 Tính toán ổn định của trụ đất xi măng theo trạng thái giới hạn thứ hai
Theo điều kiện tính toán này đảm bảo cho móng cọc không phát sinh biến dạng
2.1.2 Tính toán theo quan điểm nền tương đương
Nền cọc và đất dưới đáy móng được xem như nền đồng nhất với các số liệu cường độ φtđ, Ctđ, Etđ được nâng cao Gọi as là tỉ lệ giữa diện tích trụ đất xi măng thay thế trên diện tích đất nền
s soil
AaA
Trang 32Trong đó: as :Diện tích tương đối của trụ đất xi măng (tỉ lệ bố trí cột đất xi măng)
Ecol, Ccol, φcol, Acol: Mô đun đàn hồi, lực dính, góc nội ma sát và diện tích của trụ đất xi măng
Esoil, Csoil, φsoil, Asoil : Mô đun đàn hồi, lực dính, góc nội ma sát và diện tích vùng đất yếu cần được gia cố xung quanh trụ đất xi măng
Etđ, Ctđ, φtđ : Mô đun đàn hồi, lực dính, góc nội ma sát tương đương của nền đất yếu được gia cố
Từ kết quả thí nghiệm nén đơn mẫu trụ đất xi măng trong phòng ta có công thức quy đổi: [8]
2.2 Khả năng chịu tải giới hạn theo quan điểm của Viện Địa Kỹ Thuật Châu Á 2.2.1 Khả năng chịu tải giới hạn của cọc đơn
Khả năng chịu tải giới hạn ngắn hạn của cọc đơn trong đất sét yếu được quyết định bởi sức kháng của đất sét yếu bao quanh (đất phá hoại) hay sức kháng cắt của vật liệu cọc (cọc phá hoại), theo tài liệu của D.T.Bergado:
Trang 33Khả năng chịu tải giới hạn ngắn ngày do cọc bị phá hoại ở độ sâu z, theo Bergado:
2.2.2 Khả năng chịu tải giới hạn của nhóm cọc
Khả năng chịu tải giới hạn của nhóm cọc xi măng đất được tính theo công thức:
2.3 Tính toán khả năng biến dạng
Độ lún tổng cộng của gồm 2 thành phần là độ lún cục bộ của khối được gia cố (Δh1) và độ lún của đất không ổn định nằm dưới khối gia cố (Δh2) Có 2 trường hợp xảy ra:
Trường hợp 1: Tải trọng tác dụng tương đối nhỏ, khi này cọc chưa đạt đến giới hạn rão
Trường hợp 2: Tải trọng tác dụng tương đối lớn và tải trọng dọc trục tương ứng với giới hạn rão của cọc
Trang 34Độ lún của lớp đất yếu bên dưới đáy khối gia cố được tính toán theo phương pháp cộng lớp phân tố với công thức sau: (trường hợp tổng quát)
C - chỉ số nén lún hay độ dốc của đoạn đường cong nén lún
σ’vo - ứng suất nén thẳng đứng do trọng lượng bản thân các lớp đất tự nhiên nằm trên lớp i
Δσ’v - gia tăng ứng suất thẳng đứng
S
soil soil
soil E a aE
E
)1(
Hình 2.1: Phương trình tính lún trường hợp A
Trang 35* Trường hợp 2
Trong trường hợp này, tải trọng tác dụng quá lớn nên tải trọng dọc trục tương ứng với giới hạn rão Tải trọng tác dụng được chia ra làm 2 phần, phần q1 truyền cho cọc và q2 truyền cho đất xung quanh Phần q1 được quyết định bởi tải trọng rão của cọc và tính theo biểu thức:
L B
A n
2.4 Tính toán các thông số, bố trí hình học của trụ đất xi măng
Chiều dài, đường kính cũng như mật độ cột gia cố được xác định theo điều kiện sức chịu tải và điều kiện biến dạng lún của hệ cột Các tiêu chuẩn về khống chế biến dạng lún của công trình trong giới hạn cho phép sao cho khi được xử lý hệ kết cấu
Trang 36làm việc đảm bảo các tiêu chuẩn cho phép theo quy định hiện hành đối với móng, mặt đường cứng hay mềm
Khoảng cách giữa các trụ đất xi măng
Qs
s
(f H f q)3
Trong đó: Qp: khả năng chịu tải mỗi trụ trong nhóm trụ
ffs: 1.3 hệ số riêng phần đối với trọng lượng đất
fq: 1.3 hệ số riêng phần đối với tải trọng ngoài H: chiều cao nền đắp (m); q: ngoại tải tác dụng (kN/m2) γ: dung trọng đất đắp (kN/m3)
2.5 Nhận xét chương II
- Tính toán ổn định và biến dạng của nền đất gia cố bằng trụ đất xi măng được tính toán dựa trên nhiều tiêu chuẩn và quan điểm khác nhau do trụ xi măng đất là một vấn đề khá phức tạp về độ bền cũng như khả năng chịu tải của nó
- Trong nghiên cứu lần này, tác giả sẽ tính toán sức chịu tải, độ lún của trụ đất
xi măng chủ yếu dựa theo quan điểm Viện địa kỹ thuật Châu Á Bên cạnh đó, cũng thực hiện tính toán ổn định và biến dạng của nền đất gia cố bằng trụ đất - xi măng dựa theo một vài quan điểm, quy trình tính toán ở một số quốc gia mạnh về phương pháp trộn sâu và được sử dụng nhiều hiện nay như: Quy trình Thụy Điển, Quy trình Thượng Hải – Trung Quốc và Quy trình tính toán của Nhật Bản
- Để thể hiện được điều này tác giả sẽ dựa trên kết quả thí nghiệm sau đó dựa trên phương pháp giải tích theo một số quy trình trên để góp phần đưa thêm nhận định, giải pháp nào tính toán đảm bảo an toàn và khả thi nhất cho trụ đất xi măng ứng với điều kiện thực tế công trình vùng đất ven biển vùng Đồng bằng Sông Cửu Long
Trang 37CHƯƠNG 3 THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC CHỈ TIÊU ĐẶC TRƯNG
CỦA TRỤ ĐẤT - XI MĂNG
3.1 Dụng cụ thiết bị thí nghiệm và chuẩn bị vật tư
- Mẫu đất được lấy từ hiện trường ở Duyên Hải – Trà Vinh về phòng thí nghiệm,
có độ sâu lớn hơn 2 m, được bảo dưỡng ở điều kiện tự nhiên, nước được lấy tại vị trí lấy mẫu dùng để trộn mẫu và bảo dưỡng mẫu
- Tiến hành thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý của đất nền, các chỉ tiêu của
xi măng và nước để phục vụ cho công tác chế bị mẫu
- Chuẩn bị dụng cụ thí nghiệm gồm: Khuôn mẫu là ống nhựa PVC có đường kính trong 50 mm và chiều cao 100 mm; Thanh gổ có đường kính 10 mm dài 400mm; Thước kẹp điện tử; Máy trộn; Bay; Dao; Lon thiếc dùng để xác định độ ẩm; Giấy nhám; Băng keo; Máy ảnh; Xi măng PCB 40; Thiết bị nén 1 trục không hạn chế nở hông; Máy nén cố kết; Máy cắt trực tiếp; Máy trộn hỗn hợp xi măng;
Thùng bảo dưỡng mẫu; Tủ sấy
Hình 3.1: Máy trộn mẫu và tủ sấy xác định độ ẩm
Hình 3.2: Máy nén một trục không hạn chế nở hông và máy cắt trực tiếp
Trang 383.1.1 Thí nghiệm xác định đặc trưng cơ lý của đất nền
Bảng 3-1 Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý của đất tự nhiên
w (%)
Dung trọng
tự nhiên
Hệ
số rỗng
e
Lực dính
C (kPa)
Góc
ma sát trong
φ (độ)
Giới hạn dẻo
WP (%)
Giới hạn nhão
WL (%)
Chỉ số dẻo
IP
Độ sệt
3.1.2 Thí nghiệm xác định đặc trưng cơ lý của xi măng
Bảng 3-2 Các chỉ tiêu cơ lý của xi măng khi làm thí nghiệm
tiêu
Kết quả thử mẫu
1 Khối lượng riêng (g/cm3) TCVN 4030-2003 - 2,96
2 Khối lượng thể tích (g/cm3) TCVN 1772-87 - 1,21
4 Thời gian bắt đầu đông kết (phút) TCVN 6017-1995 > 45 115
5 Thời gian kết thúc đông kết (phút) TCVN 6017-1995 < 420 320
Trang 39Bảng 3-3 Các chỉ tiêu cơ lý của nước trộn mẫu
Nước dùng để chế bị mẫu Kết quả TCXDVN302: 2004 (Mục đích 1)
Bảng 3-4 Các chỉ tiêu cơ lý của nước tại vị trí lấy mẫu [02]
Trang 403.2 Quy trình chế bị mẫu
Mẫu đất dùng để thí nghiệm trình bày trong nội dung luận văn được lấy ở huyện Duyên Hải – Trà Vinh Đất sau khi mang từ hiện trường về sẽ được tiến hành bảo dưỡng ở điều kiện tự nhiên để tránh mất độ ẩm Cân khối lượng đất tự nhiên mang
đi trộn, cân khối lượng xi măng và lượng nước thêm vào để làm cơ sở xác định hàm lượng xi măng và nước sau này
3.2.1 Xác định tỷ lệ xi măng
Dùng khối lượng đất tự nhiên để tính tỷ lệ xi măng Khối lượng xi măng được tính theo tỉ lệ % so với khối lượng tự nhiên: mxi măng = t * mđất tự nhiên (3.1)
Trong đó: m – khối lượng đất ở trạng thái tự nhiên; t – tỉ lệ xi măng dự kiến (%);
MẪU ĐẤT TRỘN XI MĂNG KHU VỰC DUYÊN HẢI - TRÀ VINH
Mẫu đất trộn
xi măng với tỷ lệ Nước/ XM = 0.8 (Nước sinh hoạt)
Mẫu đất trộn
xi măng với tỷ lệ Nước/
XM = 1 (Nước tại vị trí lấy mẫu)
Tác giả thực hiện lần lượt bốn thí nghiệm mẫu đất trộn xi măng với mẫu đất khu vực đất yếu ven biển vùng Duyên Hải – Trà Vinh Trong đó thí nghiệm 1, 2 và 3 sử dụng kết quả để đánh giá sự thay đổi về độ ẩm, dung trọng, cường độ và các tính chất đặc trưng của mẫu đất trộn xi măng khi thay đổi hàm lượng nước Ở thí nghiệm
4 tác giả sử dụng nước trộn mẫu là nước tại vi trí lấy mẫu (vùng ven biển Duyên Hải) để so sánh với khi trộn sử dụng nước sinh hoạt để trộn mẫu Sau đó sẽ tìm ra ở thí nghiệm nào đem lại hiệu quả khả thi nhất khi ứng dụng công nghệ trộn đất xi măng tại khu vực vùng ven biển Duyên Hải – Trà Vinh
Ứng với các hàm lượng xi măng tiến hành chế bị mẫu có kích thước D50x100mm
và D60x20mm Tất cả các mẫu được thử nghiệm ở tuổi 7, 14, 28 và 90 ngày
