ghiên cứu giải pháp gia cố nền đường bằng cọc xi măng đất ứng dụng xử lý nền đường sắt, lý trình KM 112 đến KM 112+ 550

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 phù hợp để

MỤC LỤC

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

3 Các tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 2

4 Kết quả dự kiến đạt được 2

1.1 Nguyên nhân gây mất ổn định nền công trình 3

1.1.1 Nền công trình mất ổn định do nền đất yếu 3

1.1.2.Nền công trình mất ổn định do sai sót trong giai đoạn khảo sát 4

1.1.3.Mất ổn định do tác động tải trọng 5

1.2 Các giải pháp gia cường nền đường 5

1.2.1 Các vấn đề cần đặt ra với nền đất yếu 6

1.2.2 Một số biện pháp xử lý nền hay dùng trong ngành xây dựng cầu đường 6

1.3 Kết luận chương 1 24

2.1 Tiêu chuẩn áp dụng tính toán thiết kế cọc xi măng đất 25

2.1.1 Tình hình nghiên cứu, ứng dụng phương pháp xử lý nền bằng cọc xi măng đất 25

2.1.2 Tiêu chuẩn áp dụng tính toán thiết kế cọc xi măng đất 26

2.1.3 Nguyên tắc làm việc của cọc xi măng đất 26

2.2 Tính toán thiết kế cọc xi măng đất 27

2.2.1 Tính sức chịu tải của cọc 27

2.2.2 Đánh giá ổn định cọc xi măng đất theo trạng thái giới hạn 2 28

2.2.3 Phương pháp tính toán theo quan điểm như nền tương đương 29

2.2.4 Kiểm tra sức chịu tải của lớp đất yếu cần được xử lý 29

2.2.5 Kiểm tra ổn định sau khi thi công xong bằng phần mềm Plaxis 31

2.3 Bố trí cọc 31

2.5 Một số hình ảnh về thi công cọc xi măng đất 49

2.6 Kết luận chương 2 50

3.1 Giới thiệu công trình 51

3.1.1 Tài liệu về công trình 51

3.2.1 Tài liệu về địa chất 52

3.2 Phân tích điều kiện công trình và tải trọng 54

3.2.1 Phân tích tài liệu về địa chất 54

3.2.2 Phân tích các biện pháp xử lý nền 55

3.3 Ứng dụng kỹ thuật giải pháp gia cố nền bằng cọc xi măng đất để gia cố nền đường sắt tại KM 112 + 200 57

3.3.1 Các tiêu chuẩn tính toán 57

3.3.2 Các phần mềm sử dụng 58

3.3.3 Thông số tính toán 58

3.3.4 Tính toán mặt cắt KM 112+200 60

3.3.5 Tính toán ổn định tại mặt cắt KM 112 + 200 63

3.3.6 Tính toán kiểm tra sức chịu tải của nền tại mặt cắt KM112 + 200 67

3.3.7 Tính toán độ lún của cọc xi măng đất tại mặt cắt KM112 + 200 68

3.4 Tiến hành tính toán tương tự với các mặt cắt khác có kết quả như sau 71

3 .1 Kết quả tính ổn định 71

3 .2 Kết quả kiểm tra sức chịu tải của nền 78

3.4.3 Kết quả tính biến dạng 78

3 Kết luận chương 3 79

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 80

Kết luận 80

Kiến nghị 80

III Một số tồn tại và hướng nghiên cứu tiếp theo 81

1 Một số điểm còn tồn tại 81

2 Hướng nghiên cứu tiếp theo 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Đệm cát 7

Hình 1.2 Cọc cát 10

Hình 1.3 Thiết bị đóng cọc bằng chấn động 11

Hình 1 Sơ đồ cấu tạo giếng cát 12

Hình 1 Các điều kiện địa chất công trình để dùng phương pháp gia tải 13

Hình 1.6 Gia cố bằng điện hóa học 19

Hình 2.1 Sơ đồ tính lún 28

Hình 2.2 Bố trí cọc trộn khô 32

Hình 2.3 Bố trí cọc trùng nhau theo khối 32

Hình 2.4 Bố trí cọc trộn ướt trên mặt đất 32

Hình 2.5 Bố trí cọc trộn ướt trên biển 33

Hình 2.6 Công nghệ thi công cọc xi măng đất 33

Hình 2.7 Phạm vi ứng dụng của các loại khoan phụt 42

Hình 2.8 Công nghệ đơn pha 42

Hình 2.9 Công nghệ hai pha 43

Hình 2.10 Công nghệ ba pha 43

Hình 2.11 Sơ đồ thiết bị công nghệ JG 46

Hình 2.12 Một số hình ảnh về thi công cọc xi măng đất 49

Hình 2.13 Xe khoan Kobelco DJM-2090 và xe khoan Nippon Sharyo DHP-70 49

Hình 2.14 Một số hình ảnh về thí nghiệm cọc xi măng đất 50

Hình 3.1 Mặt cắt ngang nền đường 51

Hình 3.2 Mô phỏng mặt cắt 63

Hình 3.3 Sơ đồ tính toán mặt cắt KM112+200 64

Hình 3.4 Tổng chuyển vị sau khi thi công xong 65

Hình 3 Kích thước móng quy ước 68

Hình 3.7 Sơ đồ tính lún công trình 69

Hình 3.8 Mô hình tính toán mặt cắt KM112+350 72

Hình 3.9 Tổng chuyển vị sau khi thi công xong 73

Hình 3.10 Kết quả tính toán ổn định : ∑Msf = 1,65 73

Hình 3.11 Mô hình tính toán mặt cắt KM112+450 74

Hình 3.12 Tổng chuyển vị sau khi thi công xong 75

Hình 3.13 Kết quả tính toán ổn định: ∑Msf = 1,73 75

Hình 3.14 Mô hình tính toán mặt cắt KM112+550 76

Hình 3.15 Tổng chuyển vị sau khi thi công xong 77

Hình 3.16 Kết quả tính toán ổn định : ∑Msf = 1,609 77

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Phân loại chung các thiết bị trộn sâu 34

Bảng 2.2: Sơ đồ thi công trộn khô 35

Bảng 2.3 So sánh công nghệ trộn Bắc Âu và Nhật Bản 36

Bảng 2 Đặc tính kỹ thuật công nghệ trộn của Bắc Âu và Nhật Bản 37

Bảng 2 Sơ đồ thi công trộn ướt 39

Bảng 2.6 Công nghệ trộn ướt châu Âu và Nhật Bản 40

Bảng 2.7 Đặc tính kỹ thuật công nghệ trộn ướt châu Âu và Nhật Bản 41

Bảng 2.8 Các thông số kỹ thuật thông dụng 45

Bảng 3.1 Các thông số cơ bản 52

Bảng 3.2 Chỉ tiêu cơ lý đặc trưng của các lớp đất 53

Bảng 3.3 Chỉ tiêu của đất đắp 54

Bảng 3.4 Chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất 54

Bảng 3.5 Phân tầng các lớp đất (m) 55

Bảng 3.6 Các thông số tính toán lấy từ tài liệu địa chất 58

Bảng 3.7 Chiều sâu cắm cọc vào các lớp đất 59

Bảng 3.8 Kết quả tính toán nền tương đương 60

Bảng 3.9 Tính sức chịu tải của cọc theo điều kiện làm việc của đất nền 62

Bảng 3.10 Tính giá trị độ lún S1 tại KM 112+200 70

Bảng 3.11 Tính giá trị độ lún S2 tại KM 112+200 71

Bảng 3.12 Tổng hợp kết quả tính ổn định của các mặt cắt với chiều dài cọc kiểm tra 72 Bảng 3.13 Kiểm tra sức chịu tải của nền tại các mặt cắt với chiều dài cọc kiểm tra 78

Bảng 3.14 Kiểm tra sức chịu tải của nền tại các mặt cắt với chiều dài cọc thiết kế 78

Bảng 3.15 Tổng hợp kết quả tính biến dạng các mặt cắt 79

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong xu thế hội nhập và phát triển ngày này, việc xây dựng tuyến đường sắt là một công trình trọng điểm trong việc phát triển kinh tế ở nước ta Những tuyến đường sắt

có nhiều đoạn nằm trên nền đất yếu Vì vậy, giải pháp xử lý nền đất yếu là hết sức quan trọng, quyết định đến tính khả thi của dự án

Cùng với những tiến bộ về khoa học kỹ thuật nói chung, xử lý nền đất yếu ngày càng được cải tiến và hoàn thiện Hiện nay, có nhiều giải pháp để xử lý nền đất yếu như: cọc cát, vải địa kỹ thuật kết hợp gia tải trước, hút chân không, cọc xi măng đất, cọc tre, cọc tràm, cọc bê tông cốt thép , mỗi giải pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng

Vì vậy, việc lựa chọn giải pháp tối ưu nhất về kinh tế, kỹ thuật đòi hỏi người thiết kế phải tính toán và so sánh giữa các giải pháp xử lý nền đất yếu với nhau

Dự án tuyến đường sắt lý trình KM112 đến KM112+550 từ Nam Định đi Ninh Bình nằm trên nền đất yếu Để tuyến đường có độ ổn định cao, sử dụng lâu dài và giảm giá thành xây dựng thì mục đích đặt ra là phải nghiên cứu, lựa chọn giải pháp xử lý nền móng tối ưu nhất Thực tế giải pháp xử lý công trình hiện nay có nhiều giải pháp xử lý nền công trình Các giải pháp này phụ thuộc vào nhiều điều kiện xung quanh vì vậy

mà mức độ ổn định cũng như giá thành xây dựng khác nhau nhiều Giải pháp sử dụng cọc xi măng đất trong đất để xử lý nền là một trong những giải pháp mới được áp dụng

ở nước ta

Tuy chưa ở mức độ phổ biến nhưng đã phản ánh nhiều ưu điểm vượt trội của giải pháp Vì vậy Đề tài “Nghiên cứu giải pháp gia cố nền đường bằng cọc xi măng đất Ứng dụng xử lý nền đường sắt, lý trình KM 112 đến KM 112+ 0” có tính khoa học

và thực tiễn, giải quyết cấp bách tình trạng thực tế xây dựng hiện nay

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Ứng dụng xử lý nền đường sắt, lý trình KM 112 đến KM 112+550

3 Các tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

- Thu thập, tổng hợp và phân tích tài liệu thực tế (tài liệu khảo sát địa chất, tài liệu thiết kế, tài liệu hoàn công…) để làm rõ nguyên nhân gây mất ổn định nền đường

- Phân tích lý thuyết gia cố nền bằng cọc xi măng đấtvà nguyên tắc thiết kế tính toán

- Mô hình hóa bài toán ứng dụng

4 Kết quả dự kiến đạt được

- Phân tích cơ sở khoa học nguyên nhân dẫn đến sự cố mất ổn định nền công trình;

- Tổng hợp cơ sở lý thuyết nghiên cứu gia cố nền bằng cọc xi măng đất;

- Ứng dụng giải pháp gia cố nền bằng cọc xi măng đất cho công trình thực tế

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC GIẢI PHÁP GIA CỐ NỀN BẰNG CỌC

XI MĂNG ĐẤT

1.1 Nguyên nhân gây mất ổn định nền công trình

Nền công trình là điều kiện tiên quyết để công trình tồn tại lâu dài trong suốt quá trình

sử dụng, nền phải ổn định, chịu được tải trọng lâu dài và có sự biến dạng trong giới hạn cho phép

1.1.1 Nền công trình mất ổn định do nền đất yếu

Nền đất yếu đến nay chưa có khái niệm chính thức, nhưng cơ bản là nền đất không đủ sức chịu tải, không đủ độ bền và biến dạng nhiều, do vậy không thể làm nền thiên nhiên cho công trình xây dựng

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 phù hợp để tăng sức chịu tải của nền dất, giảm độ lún, đảm bảo điều kiện khai thác bình thường cho công trình

a) 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, có cường độ thấp;

- Đất bùn gồm các loại đất tạo thành trong môi trường nước, thành phần hạt rất mịn, ở trạng thái luôn no nước, hệ số rỗng rất lớn, rất yếu về mặt chịu lực;

- Đất than bùn là các loại đất yếu có nguồn gốc hữu cơ, được hình thành do kết quả phân hủy các chất hữu cơ có ở các đầm lầy (hàm lượng hữu cơ từ 20 - 80%);

- Cát chảy gồm các loại cát mịn, kết cầu hạt rời rạc, có thể bị nén chặt hoặc pha loãng đáng kể, loại đất này khi có tải trọng động thì chuyển sang trạng thái chảy gọi là cát chảy;

- Đất bazan là loại đất yếu có độ rỗng lớn, dung trọng khô bé, khả năng thấm nước cao, dễ bị lún sụt [25]

b) Một số đặc điểm của nền đất yếu:

- Thuộc loại nền đất yếu thường là đất sét có lẫn nhiều hữu cơ;

- Hàm lượng nước trong đất cao, độ bão hòa nước G > 0,8, dung trọng bé

Các loại đất yếu nói trên sức chịu tải rất nhỏ không thể đặt trực tiếp công trình lên đó

vì dễ bị mất ổn định hoặc có độ lún lớn gây phá hoại vì nứt vỡ Độ lún của công trình

có khi lớn đến hàng mét, nếu không có biện pháp xử lý thích đáng thì không đảm bảo

sử dụng an toàn [25]

1.1.2.Nền công trình mất ổn định do sai sót trong giai đoạn khảo sát

Trong thực tế xây dựng, có rất nhiều công trình bị lún, sập khi xây dựng trên nền đất yếu do có sai sót trong hoạt động khảo sát xây dựng từ đó 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

Không phát hiện được hoặc phát hiện không đầy đủ quy luật phân bố không gian (theo chiều rộng và chiều sâu) các phân vị địa tầng, đặc biệt các đất yếu hoặc các đới yếu trong khu vực xây dựng và khu vực liên quan khác

Đánh giá không chính xác các đặc trung tính chất xây dựng của các phân vị địa tầng có mặt trong khu vực xây dựng, thiếu sự hiểu biết về nền đất hoặc do công tác khảo sát địa kỹ thuật sơ sài, đánh gia sai về các chỉ tiêu cơ lý của nền đất

Không phát hiện được sự phát sinh và chiều hướng phát triển của các quá trình địa kỹ thuật có thể dẫn tới sự mất ổn định của nền công trình xây dựng như động đất,…

Không điều tra, khảo sát các công trình lân cận đã xây dựng trước đó, tham khảo các khảo sát địa chất nền của các công trình đó để từ đó xác định một cách chính xác các tầng đất, tính chất cơ lý của đất trong và gần phạm vi xây dựng công trình

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

1.1.3.Mất ổn định do tác động tải trọng

Tải trọng là các loại ngoại lực tác dụng xuống nền Đó là trọng lượng bản thân các bộ phận công trình và các tác động lâu dài và tạm thời trong thời gian sử dụng công trình Dưới tác dụng của tải trọng công trình và trọng lượng bản thân của đất, nền sẽ bị biến dạng và làm cho công trình bị lún Trong nhiều trường hợp tải trọng công trình tác dụng chưa đạt đến giới hạn về cường độ nhưng đất nền đã bị biến dạng quá lớn làm ảnh hưởng đến sự làm việc bình thường của công trình Độ lún mà toàn bộ công trình

mà đều thì không gây những ứng suất phụ thêm trong kết cấu của nó, nhưng khi độ lún của từng phần công trình mà khác nhau thì sẽ gây ra các ứng suất phụ cho móng và kết cấu bên trên ảnh hưởng xấu đến độ bền công trình Vì vậy khi thiết kế cần phải khống chế độ lún tuyệt đối cũng như độ lún không đều giữa các bộ phận của công trình trong một giới hạn cho phép

1.2 Các giải pháp gia cường nền đường

Khi xây dựng các công trình dân dụng, cầu đường, thường 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

Xử lý nền đường nhằm mục đích làm tăng sức chịu tải của nền đất, cải thiện một số tính chất cơ lý của nền đất yếu như giảm hệ số rỗng, giảm tính nén lún, tăng độ chặt, tăng trị số modun biến dạng, tăng cường độ chống cắt của đất,…

1.2.1 Các vấn đề cần đặt ra với nền đất yếu

Các công trình và móng của đường, nhà cửa và các dạng công trình khác đặt trên nền đất yếu đặt ra các vấn đề sau:

- Độ lún: Độ lún có trị số lớn, ma sát âm tác dụng lên cọc do tính nén của nền đất

- Độ ổn định: Sức chịu tải của móng, độ ổn định của nền đắp, ổn định mái dốc, áp lực đất lên tường chắn, sức chịu tải của cọc

- Thấm: Hiện tượng cát xủi, thấm thấu, phá hỏng nền do bài toán thấm và dưới tác dụng của áp lực nước (đối với nền đường thì ít xét đến vần đề này)

- Hóa lỏng: Đất bị hóa lỏng do tải trọng của tàu hỏa, ô tô và động đất[25]

1.2.2 Một số biện pháp xử lý nền hay dùng trong ngành xây dựng cầu đường

1.2.2.1 Các biện pháp cải tạo sự phân bố ứng suất của nền

a) Phương pháp thay đất (đệm cát)

Đệm cát thường sử dụng khi lớp đất yếu ở trạng thái bão hòa nước như sét nhão; cát pha bão hòa nước, sét pha nhão; bùn; than bùn có chiều dày lớp đất cần thay thế không lớn lắm (nhỏ hơn 3m) Người ta bóc bỏ các lớp đất yếu này và thay thế bằng lớp cát có khả năng chịu lực lớn hơn

qH là ứng suất do trọng lượng bản thân đất ở độ sâu H

k0 là hệ số tính ứng suất pháp thẳng đứng của các điểm nằm dưới trọng tâm diện tích tải trọng

- Lớp đệm cát đóng vai trò như một lớp chịu lực tiếp thu tải trọng công trình truyền xuống lớp đất thiên nhiên Làm tăng sức chịu tải của đất nền

- Làm giảm độ lún của móng; giảm độ lún lệch của móng do có sự phân bố lại ứng suất do tải trọng ngoài gây ra trong đất nền ở dưới tầng đệm cát

- Giảm chiều sâu chôn móng từ đó giảm khối lượng vật liệu xây móng

- Tăng nhanh tốc độ cố kết của nền, do đó làm tăng nhanh sức chịu tải của nền và rút ngắn quá trình lún

Tuy nhiên, khi sử dụng biện pháp đệm cát cần phải chú ý đến trường hợp sinh ra hiện tượng cát chảy, xói ngầm trong nền do nước ngầm hoặc hiện tượng hóa lỏng do tác dụng của tải trọng động[10]

* Những trường hợp sau đây không nên sử dụng đệm cát:

- Lớp đất phải thay thế có chiều dày lớn hơn 3m, lúc này đệm cát có chiều dày lớn, thi công khó khăn, không kinh tế

- Mực nước ngầm cao và có áp Lúc này hạ mực nước ngầm rất tốn kém và đệm cát không ổn định

Kích thước đệm cát được xác định bằng tính toán nhằm thoả mãn 2 điều kiện: ổn định

về cường độ và đảm bảo độ lún của công trình sau khi có đệm cát nằm trong giới hạn cho phép [10]

* Thi công đệm cát:

Hiệu quả của đệm cát phụ thuộc phần lớn vào công tác thi công, do vậy phải đầm nén đảm bảo đủ độ chặt và không làm phá hoại kết cấu của lớp đất bên dưới Trường hợp không có nước ngầm, cát được đổ từng lớp dày khoảng 20cm, làm chặt bằng đầm lăn, đầm rung… khi có nước ngầm cao, phải có biện pháp hạ mực nước ngầm hoặc dùng biện pháp thi công trong nước

Sau khi đầm nén cần kiểm tra lại độ chặt của đệm cát bằng cách sử dụng xuyên tiêu

b) Bệ phản áp

Bệ phản áp thường được dùng để tăng độ ổn định của khối đất đắp của nền đường hoặc nền đê trên nền đất yếu Phương pháp đơn giản song có giới hạn là phát sinh độ lún phụ của bệ phản áp và diện tích chiếm đất để xây dựng bệ phản áp Chiều cao và chiều rộng của bệ phản áp được thiết kế từ các chỉ tiêu về sức kháng cắt của đất yếu, chiều dày, chiều sâu lớp đất yếu và trọng lượng của bệ phản áp Bệ phản áp cũng được

sử dụng để bảo vệ đê điều, chống mạch sủi và cát sủi

1.2.2.2 Các biện pháp làm tăng độ chặt của đất nền

a) Cọc cát

* Đặc điểm và phạm vi ứng dụng:

- Cọc cát được sử dụng trong các trường hợp sau đây : Công trình chịu tải trọng lớn trên nền đất yếu có chiều dày > 3m

Những trường hợp sau đây không nên dùng cọc cát :

+ Đất quá nhão yếu, lưới cọc cát không thể lèn chặt được đất (khi hệ số rỗng nén chặt

thiên nhiên hoặc nền gia cố bằng cọc cứng Phần lớn độ lún của công trình diễn ra trong quá trình thi công, do vậy công trình mau chóng đạt đến giới hạn ổn định

Sử dụng cọc cát rất kinh tế so với cọc cứng (so với cọc bê tông giá thành giảm 0%, so với cọc gỗ giảm 30%), không bị ăn mòn, xâm thực Biện pháp thi công đơn giản không đòi hỏi những thiết bị thi công phức tạp.[10]

Sau khi thi công cần kiểm tra lại bằng các phương pháp sau đây :

- Khoan lấy mẫu đất ở giữa các cọc cát để xác định trọng lượng riêng của đất được nén chặt nc, hệ số rỗng nén chặt enc và c,  sau khi nén chặt Từ đó tính ra cường độ của đất nền sau khi nén chặt

- Dùng xuyên tiêu chuẩn để kiểm tra độ chặt của cát trong cọc và đất giữa các cọc cát

- Thử bàn nén tĩnh tại hiện trường, trên mặt nền cọc cát Diện tích bàn nén phải lớn để trùm qua được ít nhất 3 cọc cát

Thông thường, nếu cọc cát được thi công tốt, sức chịu tải của đất nền có thể tăng lên gấp 2-3 lần so với ban đầu[10]

Hình 1.3 Thiết bị đóng cọc bằng chấn động

(kích thước trên hình tính bằng mm)

1 máy xúc có lắp cần trục; 2 cần trục; 3 Chỉnh góc nghiêng;

4 máy chấn động; đầu máy chấn động; 6 ống khoan bằng thép;

7 mũi ống thép tự mở; 8 cột dẫn hướng; 9 giá đỡ cột dẫn hướng;

10 cột dẫn hướng của máy chấn động

b) Giếng cát

Giếng cát là một trong những biện pháp gia tải trước được sử dụng đối với các loại đất bùn, than bùn cũng như các loại đất dính bão hòa nước, có tính biến dạng lớn… khi xây dựng các công trình có kích thước và tải trọng lớn thay đổi theo thời gian như nền đường, sân bay, bản đáy các công trình thủy lợi…

Giếng cát có hai tác dụng chính :

- Giếng cát sẽ làm cho nước tự do trong lỗ rỗng thoát đi dưới tác dụng của gia tải vì vậy làm tăng nhanh tốc độ cố kết của nền, làm cho công trình nhanh đạt đến giới hạn

ổn định về lún, đồng thời làm cho đất nền có khả năng biến dạng đồng đều

- Nếu khoảng cách giữa các giếng được chọn thích hợp thì nó còn có tác dụng làm tăng độ chặt của nền và do đó sức chịu tải của đất nền tăng lên

- Giếng cát để thoát nước lỗ rỗng là chính, tăng nhanh quá trình cố kết, làm cho độ lún của nền nhanh chóng ổn định Làm tăng sức chịu tải của nền là phụ [10]

Hình 1.4 Sơ đồ cấu tạo giếng cát

c) Nén trước bằng tải trọng tĩnh

* Đặc điểm và phạm vi ứng dụng:

Nén trước bằng tải trọng tĩnh sử dụng trong trường hợp gặp nền đất yếu như than bùn, bùn, sét và sét pha dẻo nhão… Mục đích của gia tải trước là:

- Tăng nhanh thời gian cố kết, tức là làm cho lún ổn định nhanh hơn

Muốn đạt được mục đích trên, người ta dùng các biện pháp sau đây :

Chất tải trọng bằng cát, sỏi, gạch, đá… bằng hoặc lớn hơn tải trọng công trình dự định xây dựng để cho nền chịu tải trước và lún trước khi xây dựng

Dùng giếng cát (biện pháp ở phần trên) hoặc bản giấy thấm để thoát nước lỗ rỗng, tăng nhanh quá trình cố kết của đất nền [10]

* Điều kiện về địa chất công trình:

Để đạt được mục đích nén chặt đất và nước trong lỗ rỗng thoát ra, điều kiện cơ bản là phải có chỗ cho nước thoát ra được Những sơ đồ về địa chất sau đây được xem là phù hợp cho phương pháp này :

- Sơ đồ theo hình a: khi bị ép, nước sẽ bị ép xuống lớp cát bên dưới

- Sơ đồ theo hình b: khi bị ép, nước sẽ bị ép theo hai hướng lên trên và xuống lớp cát bên dưới

- Sơ đồ theo hình c: khi bị ép, nước sẽ thoát theo hướng lên lớp cát phía trên

Để đạt được hiệu quả tốt, chiều dày lớp đất yếu nên được hạn chế hđy  3m.[10]

Hình 1.5 Các điều kiện địa chất công trình để dùng phương pháp gia tải

* Biện pháp thi công:

Có hai cách gia tải nén trước :

- Chất tải trọng nén trước ngay trên mặt đất, tại vị trí sẽ xây móng, đợi một thời gian theo yêu cầu để độ lún ổn định, sau đó dỡ tải và đào hố thi công móng

- Có thể xây móng, sau đó chất tải lên móng cho lún đến ổn định, sau đó dỡ tải và xây các kết cấu bên trên

Lưu ý chất tải tăng dần theo từng cấp Mỗi cấp khoảng 15 – 20% tổng tải trọng Cần tiến hành theo dõi, quan trắc độ lún để xem độ lún có đạt yêu cầu không, nếu không đạt cần có biện pháp tích cực hơn để nước tiếp tục thoát ra.[10]

1.2.2.3 Các biện pháp xử lý nền bằng hóa lý

Gia cố đất theo phương pháp hóa học nói chung là phương pháp dùng các công cụ bơm ép các loại vật liệu ở trạng thái keo và trong tầng đất sâu, sau một thời gian keo khô đi, nó sẽ tăng cường kết cấu của đất, do đó sẽ nâng cao năng lực chịu tải trọng và giảm bớt độ thấm nước của đất

Do vật liệu bơm vào đất khác nhau nên có nhiều phương pháp bơm chất keo nhưng chủ yếu là các phương pháp sau đây:

a) Bơm vữa xi măng

* Phạm vi và điều kiện áp dụng

Muốn dùng phương pháp này phải xét đến các điều kiện chủ yếu:

- Độ lớn của các vết nứt và khe hở trong tầng đất Phương pháp này thích hợp cho tầng

đá có vết nứt không nhỏ hơn 0,1 - 0,2 mm, nếu là tầng cát thì đường kính hạt cát bé nhất không nhỏ hơn 0, mm, có như vậy vữa xi măng có thể chảy đến các nơi trong đất một cách dễ dàng

- Lưu tốc của nước mạch: Muốn cho các hạt xi măng trong quá trình bơm ép vào trong đất không bị nước mạch cuốn trôi đi mất thì nên hạn chế áp dụng và chỉ dùng khi lưu

phải căn cứ vào thí nghiệm xem có dùng được không, nếu cần có thể dùng xi măng khô nhanh để rút ngắn thời gian khô

- Thành phần hóa học của nước: Phải xác định thành phần hóa học của nước xem có tác dụng ăn hỏng xi măng không, để quyết định có thể dùng phương pháp bơm xi măng hay không

* Phương pháp thi công

Đầu tiên khoan lỗ trong nền, sau đó đặt các ống bơm vào trong lỗ bơm vữa xi măng

Để tránh vữa xi măng tràn lên mặt đất, phải bịt chặt khe hở giữa ống bơm và thành lỗ khoan

Khi độ sâu bơm vữa lớn thì phải phân đoạn bơm từ dưới lên trên, chiều cao mỗi đoạn không quá 4 - 5 m

Áp lực bơm vữa tùy theo độ sâu của lỗ khoan, tính chất tầng đá, độ lớn vết nứt, độ đặc của vữa xi măng mà quyết định, nói chung có thể áp dụng khi lỗ sâu tăng 1m thì áp dụng lực tăng từ 0,2 - 0,25 atm

Độ đặc của vữa xi măng, nghĩa là tỷ lệ nước xi măng thì tùy theo độ lớn vết nứt của tầng đó hoặc độ lớn khe hở của đất mà định, phạm vi biến đổi của nó rất rộng có thể từ 0,7 -7,0

Cường độ của nền sau khi xi măng đông cứng có thể đạt đến 10 - 15 kG/cm2

.[1]

b) Trộn xi măng

* Giới thiệu chung

Một số công trình cầu đường trong quá trình khai thác đã và đang tồn tại hiện tượng khá phổ biến là lún lệch hai bên đầu cầu, hai bên cống hộp,… Sự lún lệch này là trở ngại lớn nhất trong lưu thông, gây hiện tượng nảy, xốc đột ngột rất dễ xảy ra tai nạn Đồng thời phát sinh hàng loạt các vấn đề khác như làm giảm năng lực khai thác của công trình do phải giảm tốc độ khi đi qua những vị trí lún lệch, làm tăng mức độ hao

Trong xây dựng tầng hầm các công trình cao tầng, nhất là các tầng hầm có chiều sâu lớn việc chống ổn định thấm bằng móng cọc bares hoặc tường cừ lá sen thường không đạt hiệu quả, nhiều công trình dẫn đến sự cố xói ngầm

Để giải quyết những vấn đề trên, hiện nay trên thế giới và nước ta đã ứng dụng công nghệ đất trộn xi măng bằng phương pháp trộn sâu

Phương pháp này là một kỹ thuật cải tạo đất để gia tăng cường độ, kiểm soát biến dạng

và giảm thấm nhờ đất được trộn với xi măng và các vật liệu khác Những vật liệu này

có liên quan đến chất kết dính và dưới dạng lỏng hoặc khô Điều này được thực hiện bằng các cọc xi măng - đất

* Cọc xi măng - đất

- Giới thiệu

Cọc xi măng - đất (hay còn gọi là cột xi măng - đất, trụ 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 sau 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 chất kết dính khô “xi măng” hoặc bơm vữa xi măng đối với hỗn hợp dạng vữa ướt)

Phương pháp này nhờ một loạt các phản ứng hóa học - vật lý xảy ra giữa chất đóng rắng với đất, làm cho đất sét yếu đóng rắn lại thành một thể cọc có tính chỉnh thể, tính

ổn định và có cường độ nhất định Phương pháp mà bột xi măng khô được sử dụng như là tác nhân chính làm ổn định được gọi là phương pháp trộn khô dưới sâu; còn tác nhân làm ổn định là hình thức vữa được gọi là phương pháp trộn ướt dưới sâu

- Các ứng dụng của cọc xi măng - đất

+ Cải tạo đất nền yếu dưới nền đường vào cầu: việc thi công công trình trên nền đất sét mềm hoặc hữu cơ có những khó khăn và phức tạp rất lớn Nhất là sự cố do biến dạng thẳng đứng và biến dạng ngang lớn Bằng cách sử dụng cọc xi măng - đất thì các đặc

trưng độ bền và biến dạng của đất có thể được cải thiện một cách rất đáng kể và nhanh chóng

+ Làm chặt lại nền đất yếu phục vụ các công trình giao thông, các bãi congtenner, nền công trình thủy lợi,…

+ Gia cố mái taluys công trình: khi mái dốc công trình có độ ổn định kém, đất chịu ứng suất cắt lớn, hệ số an toàn về phá hoại có thể được cải thiện bằng cách gia cố các lớp đất có sự chịu tải phù hợp thông qua các cọc xi măng - đất

+ Làm móng vững chắc cho công trình nhà cao tầng, công trình công nghiệp, làm tường chắn đất, làm bờ kè

+ Gia cố thành hố đào, đặc biệt là những hố sâu, yêu cầu chống thấm cao

* Ưu điểm của phương pháp

- Tốc độ thi công cọc nhanh, kỹ thuật thi công không phức tạp, tiết kiệm thời gian thi công đến hơn 0% do không phải chờ đúc cọc và đạt đủ cường độ

- Hiệu quả kinh tế cao, giá thành hạ hơn nhiều so với phương án xử lý khác

- Rất thích hợp cho công tác xử lý nền, xử lý móng cho các công trình ở các khu vực đất yếu như bãi bồi, ven sông, ven biển

- Thi công được trong điều kiện mặt bằng chật hẹp, mặt bằng ngập nước

- Khả năng xử lý sâu (có thể đến 50m)

- Địa chất nền đất pha cát càng phù hợp với công nghệ gia cố xi măng, độ tin cậy cao

c) Phương pháp silicat hóa

* Mô tả phương pháp

Nếu khe hở của đất nhỏ không thể dùng phương pháp bơm vữa xi măng được, lúc đó

có thể dùng phương pháp bơm chất hóa học để tăng cường nền đất

Chất hóa học thường dùng nhất là keo thủy tinh (Na2O.nSiO2) và clorua canxi (CaCl2) Đầu tiên bơm keo thủy tinh vào trong nền đất, sau đó bơm dung dịch CaCl2, hai hóa chất này tiếp xúc với nhau phát sinh ra phản ứng hóa học, kết quả sinh ra các màng keo silicat có tính chất keo dính, nó liên kết các hạt đất lại với nhau và chịu được một tải trọng nào đó

Na2O.nSiO2 + CaCl2 + mH2O → nSiO2 (m-1) H2O + Ca(OH)2 + 2NaCl

Đồng thời Ca(OH)2 và NaCl lại sinh ra phản ứng phụ cũng có tác dụng keo dính:

nCa(OH)2 + NaCl + mH2O → nCaO.NaCl.mH2O

Phương pháp trên dùng hai chất hóa học nên gọi là phương pháp hai dung dịch, ngoải

Phương pháp này thích hợp cho các loại đất khác nhau:

- Phương pháp hai dung dịch thích hợp cho đất cát, hệ số thấm vào khoảng 2 - 8m/ngày đêm; phương pháp một dung dịch thích hợp cho cát chảy có hệ số thấm 0,5 - m/ngày đêm, nếu trong đất có chất dầu, nhựa cây, độ pH của nước mạch lớn hơn 9 thì phương pháp silicat hóa không dùng được nữa

- Tầng đất sau khi được tăng cường bằng phương pháp silicat hóa, tính chất công trình của nó sẽ tốt lên rất nhiều, ví dụ như cát nhỏ, cường độ vốn rất bé, sau khi tăng cường bằng phương pháp này sẽ chịu được 30 - 35 kG/cm2, trí số K của nó có thể giảm xuống đến 0 - 0,002m/ngày đêm, đồng thời góc nội ma sát của nó giảm nhỏ và lực dính kết tăng

- Người ta dùng phương pháp silicat hóa để tăng cường nền của các vật kiến trúc đã lâu đời để nâng cao năng lực chịu tải trọng của nó hoặc để ngăn chặn sự lún không

đều Đối với loại đất có tính chất cát mà rời rạc và đối với đất vàng có tính chất lún sụt cũng có thể tăng cường nền trước khi xây dựng để tránh nền bị lún quá lớn.[1]

d) Phương pháp điện thấm

* Hiện tượng điện thấm trong đất dính

Cắm vào trong đất dính bão hòa hai điện cực,cực dương là một thanh kim loại, cực âm

là một ống kim loại có nhiều lỗ nhỏ, sau khi cho dòng điện một chiều chạy qua thấy nước ở trong đất chạy từ các cực dương sang cực âm, khiến cho trong ống phía cực âm

có rất nhiều, hiện tượng đó gọi là hiện tượng điện thấm

* Phương pháp gia cố bằng điện hóa học (thoát nước bằng điện)

- Có thể dùng phương pháp điện hóa học thoát bớt nước trong đất sét mềm bão hòa để gia cường nền, phương pháp này dựa vào nguyên lý điện thấm ở trên Đất sét mềm sẽ rắn chắc lại và cường độ sẽ tăng lên nhiều

Hình 1 Gia cố bằng điện hóa học

- Lượng nước hút ra được nhiều hay ít biến đổi theo hàm lượng các hạt đất sét, hạt đất sét

càng nhiều thì nước hút ra càng nhiều, nói chung đối với đất sét có thể đến 50% [1]

* Phương pháp điện động Al hóa

- Trong cách bố trí rút nước bằng điện trên nếu dùng cực dương là Al thì ngoài tác dụng rút nước còn có 2 tác dụng khác:

+ Tác dụng trao đổi ion: ion dương của Al có hóa trị 3 thay Ka++, Ca++ do đó cải thiện được tính chất của đất sét (như tính hút nước, tính nén lún có giảm đi,…)

+ Một bộ phận Al (Al+++) sinh ra Al(OH)3 có mang tính chất keo dính sẽ sinh ra tác dụng gia cố đất

- Phương pháp điện động Al hóa là nhờ ở sự di chuyển của các ion cho nên thích hợp cho các loại đất có hệ số thấm nhỏ hơn 2 m/ngày đêm [1]

* Phương pháp điện động silicat

Ở trên đã nói đến phương pháp silicat hóa, ở đó dung dịch hóa học được bơm vào trong đất nhờ có áp lực của máy bơm Nếu lấy ống bơm làm cực dương và ở một vị trí thích hợp, ta đóng xuống một thanh kim loại làm cực âm rồi cho dòng điện một chiều chạy qua thì tốc độ thấm và tan ra của dung dịch sẽ tăng lên rất nhiều và do tác dụng điện thấm, dung dịch có thể đi vào các khe hở rất nhở làm cho dung dịch được phân bố đều đặn [1]

1.2.2.4 Gia cố nền bằng vải địa kỹ thuật

Đối với nền đất đắp, việc đặt vào một hoặc nhiều lớp vải địa kỹ thuật sẽ làm tăng cường độ chịu kéo và cải thiện độ ổn định của nền đường chống lại sự trượt tròn Mặt khác vải địa kỹ thuật còn có tác dụng làm cho độ lún của nền đất đắp được đồng đều hơn

Hình 1.7 Vải địa kỹ thuật

* Phạm vi áp dụng:

Xử lý cục bộ sự mất ổn định của nền đất đắp, sử dụng nhiều trong các công trình giao thông hoặc nền gia cố bằng đệm cát, giếng cát, gia cố cho tường chắn đất,…

* Một số lưu ý khi gia cố nền đường:

- Nên sử dụng các vật liệu địa kỹ thuật tổng hợp có cường độ cao, biến dạng nhỏ, lâu lão hóa làm lớp thảm tăng cường cho nền đất đắp Hướng dọc hoặc hướng có cường

độ cao của lớp thảm phải thẳng góc với tim đường

- Việc sử dụng vải địa kỹ thuật không bị hạn chế bởi điều kiện địa chất nhưng khi nền đất càng yếu thì tác dụng càng rõ rệt Số lớp thảm tăng cường phải dựa vào tính toán

để xác định, có thể bố trí một hoặc nhiều lớp, cách nhau khoảng 15 - 30 cm

- Phải bố trí đủ chiều dài đoạn neo giữ, trong chiều dài đoạn neo, tỷ số của lớp ma sát với mặt trên và mặt dưới của lớp thảm Pf và lực kéo thiết kế của lớp thảm Pj phải thỏa mãn điều kiện

j

f j

kinh nghiệm nước ngoài, đây là biện pháp hữu hiệu trong bài toán giải quyết tốc độ cố kết của nền đất yếu

Công nghệ thích hợp nhất cho việc xây dựng nhà từ 3- tầng trên nền đất mới lấp mà dưới lớp đất lấp là lớp bùn sâu [10]

* Mô tả biện pháp

Nền đất sình lầy, đất bùn và á sét bão hòa nước nếu chỉ lấp đất hoặc cát lên trên, sau thời gian để lớp sình lầy cố kết rất lâu kéo dài thời gian chờ đợi xây dựng Cắm xuống đất các ống có bấc thấm thoát nước thẳng đứng xuống đất làm thành lưới ô với khoảng cách các lưới ô là 00 mm Vị trí ống có bấc nằm ở mắt lưới, ống thoát nước có bậc thường cắm sâu khoảng 18-22 mét

Ống thoát nước có bấc có đường kính 0- 0 mm, vỏ ống bằng nhựa có rất nhiều lỗ châm kim để nước tự do qua lại Trong ống để bấc bằng sợi polime dọc theo ống để nước dẫn theo bấc lên, xuống, trong ống

Phương pháp này được gọi là phương pháp thoát nước thẳng đứng (vertical drain)

Khi nền đất được đổ các lớp cát bên trên để nâng cao đồng thời dùng các lớp gia tải giúp cho sự chắt bớt ở dưới sâu để lớp đất này cố kết đủ khả năng chịu tải, nước trong đất bị áp lực của tải làm nước tách ra và lên cao theo bấc, đất cố kết nhanh Khi giảm tải, nước chứa trong ống có bấc mà không hoặc ít trở lại làm nhão đất Kết hợp sử dụng vải địa kỹ thuật tiếp tục chắt nước trong đất và đổ cát bên trên sẽ cải thiện tính chất đất nền nhanh chóng.[10]

* Ứng dụng trong thực tế

- Ở Việt Nam: Biện pháp mới được sử dụng ở nước ta 1 trở lại đây Những công trình

sử dụng bấc thấm với số lượng nhiều tập trung cho các công trình nền đường: đường quốc lộ - Hà Nội - Hải Phòng, các đoạn trên quốc lộ 1A, đặc biệt là những đường xa lộ

ở đồng bằng sông Cửu Long,… Các công trình dân dụng và công nghiệp sử dụng rộng

ở các khu công nghiệp Bà Rịa - Vũng Tàu, nhà máy điện Phú Mỹ,…

- Ở nước ngoài: Tại Philippin, ndonexia, những đảo có nhiều vùng trũng xình lầy, việc sử dụng bấc thấm khá phổ biến

1.2.2.6 Cọc bê tông cốt thép

* Giới thiệu chung

Cọc bê tông cốt thép đúc sẵn có hai loại: Cọc bê tông cốt thép thường và cọc bê tông cốt thép ứng suất trước Cọc thường có hình vuông, cạnh cọc có kích thước 0,1 1,0m; Kích thước thường gặp ở Việt Nam hiện nay là 0,2  0,4 m Với cọc bê tông cốt thép thường thì mác bê tông hay sử dụng là 250  350 kG/cm2 Còn với cọc BTCT ứng suất trước thì mác bê tông là 350  450 kG/cm2 Cáp kéo ứng suất trước thường

có cường độ cực hạn khoảng 1800Mpa (18000 kG/cm2) Trong quá trình đổ bê tông, cáp được kéo trước với áp lực khoảng 900  1300 Mpa Cọc bê tông cốt thép ứng suất trước có ưu điểm là sức chịu tải lớn, có thể xuyên qua các lớp cát, sỏi cuội Tuy nhiên, loại cọc bê tông cốt thép ứng suất trước chưa được áp dụng phổ biến ở Việt Nam Vì vậy, trong khuôn khổ đồ án này tác giả chỉ đề cập đến cọc bê tông cốt thép thường Thép chịu lực chính của cọc bê tông cốt thép thường (thép dọc theo chiều dài cọc) thường sử dụng thép AII hoặc cao hơn Số lượng và kích thước thép được xác định theo tính toán kết cấu cọc (cả trong thi công lẫn trong khai thác) đường kính không nên bé hơn 12, số thanh chọn chẵn và bố trí đối xứng Thép đai cọc bê tông cốt thép đúc sẵn tương ứng với các quy định sử dụng của cấu kiện bê tông cốt thép Việc bố trí thép đai trong cọc có thể có bước thay đổi, chủ yếu để tiết kiệm Trong trường hợp này cốt đai bố trí dày ở hai đầu và thưa dần vào giữa

* Phạm vi áp dụng

Hiện nay cọc bê tông cốt thép tiết diện đặc được áp dụng khá phổ biến ở Việt Nam nó thường được sử dụng để xử lý nền của các công trình có tải trọng không quá lớn, chiều sâu lớp đất yếu không quá sâu như:

- Nhà ở, công trình công cộng có chiều cao đến 5 tầng

- Móng các cầu có tải trọng nhỏ

- Mỏ hàn trong việc chỉnh trị sông

- Làm hàng cừ bảo vệ mái đê, đường tại những chỗ xung yếu

1.3 Kết luận chương 1

Ở chương này, tác giả đã phân tích một số nguyên nhân chính gây ra mất ổn định nền công trình, quan niệm về nền đất yếu và đưa ra một số biện pháp xử lý nền yếu thường dùng ở nền đường về ưu nhược điểm và phạm vi áp dụng Qua đó cho thấy mỗi phương pháp xử lý nền được xây dựng trên nguyên lý chung nhất là cải tạo tính chất

cơ lý của đất yếu, tăng sức chịu tải cho nền đất và giảm độ lún của nền

Đối với công trình giao thông, có đặc điểm tuyến kéo dài, đặc điểm địa chất của từng mặt cắt lại khác nhau, nên việc khảo sát một cách chính xác về địa chất của cả tuyến là rất quan trọng

Phương pháp cọc xi măng đất được áp dụng xử lý nhiều đối với các công tình giao thông, thủy lợi, xây dựng Đối với các công trình giao thông tuyến dài và đi qua vùng đất yếu, nên phương pháp sử dụng cọc xi măng đất và công nghệ trộn sâu để tăng sức chịu tải và giảm độ lún cho nền đường rất hiệu quả, sử dụng được máy móc thiết bị và công nghệ thi công

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Tiêu chuẩn áp dụng tính toán thiết kế cọc xi măng đất

2.1.1 Tình hình nghiên cứu, ứng dụng phương pháp xử lý nền bằng cọc xi măng đất

2.1.1.1 Trên thế giới

Công nghệ tạo cọc xi măng đất theo phương pháp trộn sâu (tên tiếng Anh là Deep Mixing - DM) được phát minh đồng thời tại Thủy Điển và Nhật Bản vào giữa nhứng năm 70 của thế kỉ XX DM là công nghệ xử lý nền, làm tăng cường độ của nền đất yếu, được ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới và ngày càng được sử dụng rộng rãi thay thế cho một số công nghệ truyền thống

Từ năm 19 0, Nhật Bản là nước dẫn đầu trong việc nghiên cứu và phát triển công nghệ DM Theo thống kê của hiệp hội CDM (CDM là phương pháp trộn ướt sử dụng chất kết dính là xi măng),tính chung trong giai đoạn 1980 - 1996 có 2.3 dự án, sử dụng 2 triệu m3 đất xi măng Riêng từ năm 1977 đến 1993, lượng đất gia cố bằng CDM ở Nhật Bản vào khoảng 23, triệu m3

cho các dự án ngoài biển và khoảng 300

dự án trong đất liền Hàng năm thi công khoảng 2 triệu m3

Tại châu Âu, công nghệ cọc xi măng đất được nghiên cứu và ứng dụng bắt đầu ở Thụy Điển và Phần Lan bắt đầu từ năm 19 7 Phương pháp gia cố tại Thụy Điển ngày càng được sử dụng rộng rãi để giảm độ lún và nâng cao độ ổn định của các công trình đường bộ, đường sắt, nó được xem như giải pháp ưu việt nhất hiện nay trong phát triển

hạ tầng Ngoài ra nó còn được ứng dụng làm móng cọc, ổn định hố đào, ổn định mái dốc và giảm rung động

Tại Trung Quốc, công tác nghiên cứu bắt đầu từ năm 1970, tổng khối lượng xử lý bằng cọc xi măng đất cho đến nay vào khoảng 1 triệu m3

[8]

2.1.1.2 Ở Việt Nam

Tại Việt Nam, việc áp dụng thi công đại trà gia cố nền đất bằng cọc xi măng đất bắt

Điển hợp tác với công ty cổ phần Phát triển kỹ thuật xây dựng thuộc Tổng công ty xây dựng Hà Nội đã thi công xử lý nền móng cho 8 bể dầu chứa xăng dầu có đường kính 21m, cao 9m của công trình Tổng kho xăng dầu Cần Thơ bằng cọc xi măng đất Từ năm 2002 đến 200 đã có một số dự án bắt đầu ứng dụng cọc xi măng đất vào xây dựng các công trình trên nền đất như dự án cảng Ba Ngòi (Khánh Hòa), dự án thoát nước khu đô thị Đồ Sơn - Hải Phòng, dự án cảng Bạc Liêu,…

Năm 200 , 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 xi măng đến tính chất cọc xi măng đất,… nhằm ứng dụng cọc xi măng đất vào xử lý nền đất yếu, chống thấm cho các công trình thủy lợi và đã sửa chữa, chống thấm cho cống Trại (Nghệ An), cống Rạch C (Long An),… [8]

2.1.2 Tiêu chuẩn áp dụng tính toán thiết kế cọc xi măng đất

Tại Việt Nam, tiêu chuẩn thiết kế, thi công, nghiệm thu cọc xi măng đất là:

- TCXDVN 38 : 200 : “Phương pháp gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng” do Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng - Bộ Xây dựng biên soạn

- TCVN 9403:2012 "Gia cố đất nền yếu - Phương pháp trụ đất ximăng"

2.1.3 Nguyên tắc làm việc của cọc xi măng đất

Cọc xi măng đất 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 xi măng 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

Việc hình thành cường độ xảy ra thông qua quá trình ninh kết của hỗn hợp đất - xi măng Khi xi măng được trộn với đất, xi măng phản ứng với nước tạo ra Ca(OH)2 từ

đó kết hợp với đất nền tạo ra keo ninh kết CSH, đây là quá trình hidrat hóa Phản ứng

này diễn ra rất nhanh và mạnh tạo ra một nhiệt lượng lớn và giảm bớt lượng nước có trong đất gia cố Hợp chất hidrat này tạo ra một hỗn hợp liên kết các thành phần hạt trong đất gia cố hình thành lên khoáng chất nền bền vững, cứng [12]

Xi măng + H2O → Keo CSH + Ca(OH)2

2.2 Tính toán thiết kế cọc xi măng đất

Hiện nay có 3 quan điểm:

(1) Xem cọc xi măng đất và nền đất thiên nhiên chưa gia cố cùng làm việc đồng thời - nền tương đương

(2) Xem cọc xi măng đất như cọc đơn chịu lực - tính toán thiết kế như móng cọc

(3) Tính sức chịu tải theo móng cọc, tính biến dạng thì theo nền tương đương

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

- Tính sức chịu tải của một cọc như cọc cứng

- Tính số cọc cần thiết (căn cứ lực tác dụng, khả năng chịu tải của đất giữa các cột)

- Tùy thuộc tỷ lệ diện tích thay thế giữa cọc và đất để tính toán tiếp:

+ Nếu tỷ lệ này lớn hơn 20% thì coi khối đất và cọc là một khối và tính toán như một khối móng quy ước

+ Ngược lại thì tính toán như móng cọc [12]

2.2.1 Tính sức chịu tải của cọc

Sức chịu tải của cọc theo điều kiện làm việc của cọc

n p a

s

R A P

F

Trong đó: Rn là cường độ thiết kế (= qu)

Ap là diện tích của cọc

Fs là hệ số an toàn (lấy Fs = 1,2)[8]

2.2.2 Đánh giá ổn định cọc xi măng đất theo trạng thái giới hạn 2

Theo TCXDVN 385 : 2006, tính toán theo trạng thái giới hạn 2 đảm bảo cho móng cọc không phát sinh biến dạng và lún quá lớn ∑Si < [S]

Trong đó: [S] là độ lún giới hạn cho phép;

aE a E



 Trong đó:

H là chiều sâu của khối gia cố

a là tỷ lệ diện tích (tính như as của nền tương đương sẽ nói ở dưới)

Ec là mô đun đàn hồi của vật liệu làm trụ

Es là mô đun biến dạng của đất nền giữa các trụ

b) Độ lún S2 của nền đất dưới khối gia cố

Lún của lớp đất dưới mũi cọc S2 (là phần lún cố kết theo thời gian xảy ra trong quá trình thi công và kéo dài trong quá trình vận hành) tính theo cộng lún từng lớp theo tiêu chuẩn TCXD 9362-2012 tiêu chuẩn thiết kế nền, nhà và công trình

2.2.3 Phương pháp tính toán theo quan điểm như 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 cọc xi măng đất thay thế trên diện tích đất nền

φtđ = asφcọc + (1-as)φnền : góc nội ma sát tương đương

Ctđ = asCcọc + (1-as)Cnền : lực dính tương đương (2.3)

S utđ = asSuc + (1-as)Sun : lực kháng cắt không thoát nước tương đương

Etđ = asEcọc + (1-as)Enền : mô đun đàn hồi tương đương

trong đó: Ap là diện tích đất nền thay thế bằng cọc xi măng đất;

Trong đó: m là hộ số điều kiện làm việc

b là bề rộng cạnh móng nhỏ nhất

h là độ sâu chôn móng tính từ mặt đất quy ước đến đáy móng

 là trọng lượng riêng trung bình của đất nằm trên đáy móng

ctc là lực dính đơn vị của đất nằm dưới đáy móng

A, B, D là hệ số phụ thuộc góc nội ma sát của lớp đất nằm dưới đáy móng Nền đủ sức chịu tải khi đóng cọc, cần kiểm tra 2 tiêu chuẩn:

2.2.5.1 Khả năng chịu tải của cọc đơn theo điều kiện làm việc của đất nền

a) Theo tài liệu của D.T.Bergado:

Khả năng chịu tải giới 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:

Qult.soil = (πdLcol + 2,2 πd2)Cu.soil (2.7) trong đó: d là đường kính cọc;

Lcol là chiều dài cọc;

Cu.soil là độ bền cắt không thoát nước trung bình của đất sét bao quanh, được xác định bằng thí nghiệm ngoài trời như thí nghiệm cắt cánh hoặc thí nghiệm xuyên côn

b) Theo quy phạm Trung Quốc DBJ 08 - 40 - 94

Theo khả năng chịu tải do ma sát:

P = U Σ q l + α A q (2.8)

Trong đó:

UP – chu vi của cột xi măng đất, UP = 3,14 m

qsi – lực ma sát cho phép của lớp đất thứ i xung quanh cột xi măng đất;

li – chiều dày lớp đất thứ i xung quanh cột xi măng đất

α – hệ số chiết giảm lực chịu tải của đất móng thiên nhiên ở mũi cột, α =0,

qp – Sức kháng đất mũi cột XMĐ,

(qp với đất yếu có độ sệt B > 0, thì không tính đến độ qp = 0 T/m2) [8]

2.2.5.2 Khả năng chịu tải giới hạn của nhóm cọc

Khả năng chịu tài giới hạn của nhóm cọc xi măng đất được tính theo công thức:

Qult.group = 2Cu.soilH(B+L) + kCu.soilBL (2.9) trong đó:

B, L, H là chiều rộng, chiều dài, chiều cao của nhóm cọc xi măng đất;

k = 6 khi móng hình chữ nhật;

k = 9 khi móng hình vuông, tròn;

trong tính toán thiết kế, kiến nghị hệ số an toàn là 2,5

Độ lún tổng cộng 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) [8]

2.2.5 Kiểm tra ổn định sau khi thi công xong bằng phần mềm Plaxis

Khi vừa thi công xong, đưa vào vận hành, sử dụng phần mềm Plaxis kiểm tra ổn định

∑Msf > [K] → ổn định

2.3 Bố trí cọc

Tùy theo mục đích sử dụng mà bố trí cọc sao cho hợp lý Để giảm độ lún bố trí cọc đều

Hình 2.2 Bố trí cọc trộn khô (1) Dải (2) Nhóm (3) Lưới tam giác ( ) Lưới vuông

Hình 2.3 Bố trí cọc trùng nhau theo khối

Hình 2.4 Bố trí cọc trộn ướt trên mặt đất

(1) Kiểu tường (2) Kiểu kẻ ô (3) Kiểu khối (4) Kiểu diện

Hình 2.5 Bố trí cọc trộn ướt trên biển (1) Kiểu khối (2) Kiểu tường (3) Kiểu kẻ ô (4) Kiểu cột (5) Cột tiếp xúc ( ) Tường tiếp xúc (7) Kẻ ô tiếp xúc (8) Khối tiếp xúc

2.4 Công nghệ thi công

Hiện nay phổ biến hai công nghệ thi công cọc xi măng đất là công nghệ trộn khô (Dry Jet Mixing) và công nghệ trộn ướt (Wet Mixing hay Jet-grouting)

Hình 2.6 Công nghệ thi công cọc xi măng đất

Bảng 2.1 Phân loại chung các thiết bị trộn sâu

2.4.1 Trộn khô

a) Giới thiệu chung

- Trộn khô hay còn gọi là trộn sâu, là phương pháp cơ khí trộn đất tại chỗ với hỗn hợp

xi măng sử dụng mũi khoan rỗng và giầm Mục đích của quy trình trộn đất là để có được tính năng cao hơn thưởng là độ nén chắc hoặc độ thấm Phương pháp trộn đất

Phương pháp trộn Trộn sâu

Guồng xoắn tháo rời

Một cần, một cánh/

nhiều cánh

Nhiều cần

& nhiều cánh

Quay trong mặt phẳng + tịnh tiến theo tuyến

Chỉ tịnh tiến theo tuyến

Một cần, cánh

Gia cố khối lớn Máy đào