Coc Xi mang dat-Hien-Sophia

Trong giới hạn của đề tài này tác giả phân tích tính toán về độ lún, sự phân bố ứngsuất và ổn định của nền đất yếu gia cố bằng cột đất trộn xi măng Tuy nhiên do thời gian có hạn nên tác

M C L C ỤC LỤC ỤC LỤC

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 2

1 Vấn đề nghiên cứu và ứng dụng gia cố nền đất yếu bằng cột đất trộn xi măng (CDM) trên thế giới và ở Việt Nam 2

1.1 Trên thế giới 2

1.2 Tại Việt Nam 2

2 Giới thiệu về gia cố nền đất yếu bằng cột đất trộn xi măng (CDM) 2

2.1 Đặc điểm chung 2

2.2 Các phương pháp bố trí cột đất trộn xi măng 3

2.3 Sơ lược về phương pháp thi công 4

2.4 Các ứng dụng chính của cột CDM 7

2.5 Ưu khuyết điểm khi xử lý nền đất yếu bằng cột CDM 8

3 Phạm vi nghiên cứu của đề tài 9

3.1 Đặt vấn đề 9

3.2 Phương pháp nghiên cứu 9

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH ĐỘ LÚN, SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT VÀ ỔN ĐỊNH CỦA NỀN GIA CỐ CỘT ĐẤT TRỘN XI MĂNG 10

1 Độ lún 10

1.1 Tính toán theo quy trình Thụy Điển: 10

1.2 Tính toán theo quy trình Thượng Hải – Trung Quốc 17

1.3 Tính toán theo quy trình Nhật Bản 17

2 Sự phân bố tải trọng trong nền gia cố bằng cột đất trộn xi măng 18

2.1 Cơ chế phân bố tải trọng 18

2.2 Các phương pháp lý thuyết xác định hệ số phân bố tải trọng 20

3 Ổn định của nền khi gia cố bằng cột đất trộn xi măng 25

3.1 Ổn định của nền khi gia cố bằng cột CDM 25

3.2 Phương pháp đánh giá ổn định nền của Matsuo 26

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH, TÍNH TOÁN ĐỘ LÚN CỦA NỀN GIA CỐ BẰNG CỘT ĐẤT TRỘN XI MĂNG 28

1 Giới thiệu về công trình 28

2 Số liệu địa chất công trình 30

3 Tính toán độ lún của công trình bằng phương pháp giải tích theo các quy trình tính toán của Thụy Điển, Trung Quốc và Nhật Bản 33

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN

1 Vấn đề nghiên cứu và ứng dụng gia cố nền đất yếu bằng cột đất trộn xi măng (CDM) trên thế giới và ở Việt Nam

1.1 Trên thế giới

Cột đất gia cố xi măng do nước Mỹ nghiên cứu đầu tiên thành công sau thế chiến thứ

2, năm 1954, gọi là “Mixed - In - Place Pile” (gọi tắt là phương pháp MIP), khi đó dùngcột có đường kính từ 0.3 – 0.4 m, dài 10 -12 m Nhưng cho đến 1996 cột đất gia cố vớimục đích thương mại mới được sử dụng với số lượng lớn

1.2 Tại Việt Nam

Tại Việt Nam, từ năm 2002 đã có một số dự án bắt đầu ứng dụng cột đất trộn ximăng (CDM) vào xây dựng các công trình trên nền đất, cụ thể như: Dự án cảng Ba Ngòi(Khánh Hòa) đã sử dụng 4000m cột CDM có đường kính 0,6m thi công bằng trộn khô;Năm 2005, một số dự án cũng đã áp dụng cột CDM như: dự án thoát nước khu đô thị ĐồSơn - Hải Phòng, Gia cố nền móng kho khí hoá lỏng Cần thơ, dự án sân bay Cần Thơ, dự

án cảng Bạc Liêu…

Gần đây một số công trình gia cố nền bằng CDM: Dự án Đại Lộ Đông Tây tại

Dầu Giây, mội số building như Saigon Times Square, khu cao ốc văn phòng và căn hộchung cư cao cấp WASECO,…

2 Giới thiệu về gia cố nền đất yếu bằng cột đất trộn xi măng (CDM)

2.1 Đặc điểm chung

Cột đất trộn xi măng (CDM): là trụ tròn bằng hỗn hợp đất -xi măng, hay đất- vữa ximăng được chế tạo bằng cách trộn cơ học xi măng hoặc vữa xi măng với đất tại chỗ, đặcđiểm cột CDM:

- Đường kính cột CDM thông thường từ 0.5÷1.0m - Chiều sâu trộn lớn nhất từ16÷33m

- Hàm lượng xi măng sử dụng khi gia cố nền đất: 80÷240 kg/m3

- Cường độ đất sau gia cố từ 100÷10000 kPa

- Phân loại theo chất kết dính (xi măng, vôi, thạch cao, tro bay…) và phương pháptrộn (khô/ướt, quay/ phun tia, guồng xoắn hoặc lưỡi cắt)

cường độ kháng cắt, giảm tính nén lún, bằng cách trộn đất nền với xi măng (vữa xi măng)

để chúng tương tác với đất Sự đổi mới tốt hơn nhờ trao đổi ion tại bề mặt các hạt sét, gắnkết các hạt đất và lấp các lỗ rỗng bởi các sản phẩm của phản ứng hóa học

2.2 Các phương pháp bố trí cột đất trộn xi măng

Tùy theo mục đích sử dụng mà lựa chọn phương pháp bố trí cột CDM hợp lí Đểgiảm độ lún bố trí cột đều theo lưới tam giác hoặc ô vuông Để làm tường chắn thường tổchức thành dãy, có thể tham khảo một số cách bộ trí sau:

Hình 1.1 - Bố trí cột trộn khô:

1: Dải; 2: Nhóm, 3: Lưới tam giác, 4: Lưới vuông

Hình 1.2 - Bố trí khối trùng nhau:

Hình 1.3 - Bố trí cột trộn ướt trên mặt đất:

1: kiểu tường; 2: kiểu ô kẻ;

3: kiểu khối, 4: kiểu diện

2.3 Sơ lược về phương pháp thi công

Thi công cột CDM/cột vôi theo phương pháp trộn sâu được chia thành các bướcnhư sau:

- Bước 1: Định vị tim cột Tim cột được định vị bằng cọc gỗ hay cọc tre Sai số cho

phép về vị trí tim cột phụ thuộc vào sơ đồ bố trí các cột Di chuyển máy khoan phun đến vịtrí, đặt tim mũi khoan trùng với ví trí tim cột; điều chỉnh cân bằng máy, kiểm tra và điềuchỉnh độ nghiêng của cần khoan (độ nghiêng của cột) Kiểm tra và bổ xung chất gia cố vàobình chứa của máy khoan phun

Bước 2: Khoan phun tạo cột Vận hành máy cho mũi khoan xoay đi xuống đất Bước 3: Khi mũi khoan đạt độ sâu thiết kế thì cho mũi khoan quay ngược lại và rútmũi khoan lên đồng thời phun chất gia cố vào trong đất bằng khí nén thông qua lỗ ở đầumũi trộn Tuỳ thuộc vào thiết bị, công nghệ và yêu cầu cụ thể việc phun chất gia có vàođất có thể thực hiện ở giai đoạn mũi trộn đi xuống hay đi lên hoặc ở cả hai giai đoạn Cáccánh của mũi trộn sẽ trộn chất gia cố với đất tại chỗ đã được làm tơi trước đó Đối với cáccột vôi+xi măng và cột xi măng yêu cầu trộn đồng đều cao hơn so với các cột vôi Việcphun chất gia cố vào đất nên dừng lại cách mặt đất thi công khoảng từ 0,5m đến 1m đểtránh ô nhiễm môi trường Do vậy chất lượng các phần bên trên của cột trong khoảng này

có thể không đồng nhất, điều này cần được xem xét đến trong thiết kế

Hình 1.4 - Trình tự thi công cột CDM

2.3.1 Phương pháp trộn khô

Hình 1.5 - Thiết bị thi công cột CDM theo phương pháp trộn ướt và trộn khô

Hình 1.6 - Cột CDM sau khi đã thi công

- Giữ ổn định cho mái dốc, ổn định cho đê cao, đê ngăn nước, đập…

- Sử dụng thay thế cọc BTCT trong móng cọc những công trình xây dựngdân dụng cầu cống…

Giữ ổn định vách hố đào sâu, làm tường hào chống thấm cho đê đập Giảm ảnh hưởng từ các công trình lân cận

-2.5 Ưu khuyết điểm khi xử lý nền đất yếu bằng cột CDM

2.5.1 Ưu điểm:

- Chất lượng cao: Quá trình trộn lẫn đều, đồng nhất tạo ra cột đất-ximăngtrong nền đất với hiệu quả rất cao Dễ dàng san phẳng mặt bằng côngtrình, làm sạch đầu cột

- An toàn khi thi công: Ít nguy hiểm trong vận hành, giảm thiểu lao động

- Nhanh chóng đem lại thuận lợi về cho công trình: Hiệu qủa nhanh, vôhại cho nền đất, chu kỳ thi công ngắn, đơn giản và tiết kiệm được nhiềunguyên liệu, thời gian lao động, vận chuyển

- Ứng dụng kép: Công nghệ cột đất gia cố ximăng được sử dụng rộng rãicho nhiều loại đất: cát, sét có độ dẻo cao, đất nhiều mùn

- Không gây ô nhiễm đối với các công trình xung quanh: Không gây chấnđộng nền đất hay gây tiếng ồn; Quy trình không gây chất thải; Khônggây ô nhiễm với nước ngầm hay vùng nước lân cận; Không bị các trườnghợp xâm thực do nước ngầm, muối khoáng, axít hữu cơ và vô cơ, nướcbiển, …

- Cột đất ximăng không bị phình trướng sau khi thi công

- Nền đất xung quanh cột không bị chèn, phá lệch gây ảnh hưởng xấu đếncác nhà lân cận

- Kết cấu giữa đầu cột và mố, bệ đơn giản, ít tốn kém, chống sự phá vỡ khiđộng đất hay gió mạnh

- Không gây ô nhiễm đối với môi trường xung quanh

- Giá thành tương đối rẻ

2.5.2 Khuyết điểm:

Tuy nhiên việc áp dụng giải pháp cột đất trộn xi măng vào Việt Nam hiện nay cũngcòn gặp nhiều khó khăn:

- Việc làm chủ công nghệ hầu như do nước ngoài thực hiện

- Vì là công nghệ mới nên tiêu chuẩn Việt Nam hướng dẫn chưa thực sựhoàn chỉnh

- Các công trình đã thực hiện chủ yếu được thiết kế bằng các quy trình củanước ngoài như Thụy Điển, Trung quốc và Nhật Bản

3 Phạm vi nghiên cứu của đề tài

3.1 Đặt vấn đề

Đối với nước ta đây là một công nghệ mới nên các tiêu chuẩn ngành, cũng như tiêuchuẩn của Việt Nam hướng dẫn về công nghệ cột đất trộn ximăng vẫn chưa thực sự hoànchỉnh TCXDVN 385: 2006 "Phương pháp gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng" vừamới ban hành tháng 12/2006 chưa có hướng dẫn cụ thể về tính toán thiết kế cột đấtximăng

Các công trình đã và đang sử dụng giải pháp cột đất trộn ximăng chủ yếu được thiết

kế bằng cách vay mượn quy trình của nước ngoài như Thụy Điển, Nhật Bản, TrungQuốc…

3.2 Phương pháp nghiên cứu

Trong giới hạn của đề tài này tác giả phân tích tính toán về độ lún, sự phân bố ứngsuất và ổn định của nền đất yếu gia cố bằng cột đất trộn xi măng

Tuy nhiên do thời gian có hạn nên tác giả chỉ phân tích những số liệu công trìnhthực tế thu thập được ta tiến hành tính toán xác định độ lún của nền đất gia cố CDM chocông trình trên bằng cách sử dụng các công thức lý thuyết theo các quy trình tính toánkhác nhau (Thụy Điển, Nhật Bản, Trung Quốc…)

Tổng hợp so sánh các kết quả tính toán theo phương pháp lý thuyết, từ đó đưa ranhận xét và kiến nghị về phương pháp xác định hợp lý xác định độ lún

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH ĐỘ LÚN, SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT VÀ ỔN ĐỊNH

CỦA NỀN GIA CỐ CỘT ĐẤT TRỘN XI MĂNG

1 Độ lún

1.1 Tính toán theo quy trình Thụy Điển:

Mô hình tính toán trình bày dưới đây có nguồn gốc từ mô hình cho các cột vôi đãđược Broms mô tả (1984) Mô hình này cũng đã được sử dụng cho các cột vôi xi măngmềm nửa cứng

Độ lún bên trong thể tích đất được gia cố chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố sau:

- Tỷ số giữa mô đun đàn hồi của các cột và đất không được gia cố;

- Tỷ diện tích thay thế của các cột trên bề mặt đất được gia cố;

- Các đặc trưng cố kết của đất nền;

- Tải trọng dão của cột CDM;

- Thời gian đặt tải trọng và quá trình thi công cột;

- Hệ số thấm trong đất không gia cố và trong cột đất trộn xi măng

Mô hình tính toán này giả thiết đất đồng nhất theo chiều sâu và mọi cột CDM đều

có chiều sâu thiết kế như nhau Do có sự biến đổi trong các đặc trưng của đất không đượcgia cố và ảnh hưởng của các chất gia cố, một cách kinh tế có thể dùng các cột có chiều dàikhác nhau Trong trường hợp như vậy tính toán có thể xem xét đến biên độ lún cần phảilàm với các cột có chiều dài khác nhau

Các tính toán ổn định bao gồm trường hợp bất lợi nhất và do đó có thể bổ sung chophân tích không thoát nước, phối hợp với phân tích thoát nước và hỗn hợp Đối với cấutạo các lớp đất đồng nhất, các mặt trượt hỗn hợp có thể quyết định giải pháp thiết kế

Tổng độ lún của cột CDM đưa ra bởi Broms (1984): Độ lún tổng cộng của mộtcông trình đặt trên nền gia cố bằng cột đất trộn xi măng bao gồm 2 thành phần độ lún S1của khối gia cố (cột đất trộn xi măng + đất xung quanh cột) và độ lún S2 của phần đấtkhông gia cố dưới cột CDM

Độ lún tổng S= S1 + S2

(1 )

col col

Độ cứng tương đối của cột CDM có tính tới tác dụng của khối đất không ổn định,

Độ gia tăng ứng suất q gây ra do công trình, một phần truyền lên cột (q1) và mộtphần truyền lên đất xung quanh (q2) Với cùng một chuyển vị tương đối có thể biểu diễnquan hệ như sau:

Khi đó độ lún S1 của cột và phần nền gia cố được xác định theo giả thiết độ gia tăngứng suất q không đổi theo chiều sâu khối gia cố và tải trọng khối không giảm:

- : Độ gia tăng ứng suất nén đẳng hướng.

- : Ứng suất tiền cố kết của đất;

(Các giá trị này xác định tại vị trí giữa lớp đất thứ i)

1.1.2 Trường hợp B

Hình 2.2 - Mô hình xác định độ lún cột CDM trường hợp B

Tải trọng tác dụng được chia ra thành 2 thành phần: Thành phần q1 truyền cho cột

và thành phần q2 truyền cho đất xung quanh Thành phần q1 được quyết định bởi giới hạndão của cột và được tính theo biểu thức:

1

creep

nQ q BL

Giá trị q1 có thể xác định gần đúng như sau: 1 2

creep

Q q c

bình Gd biểu thị trong quan hệ như sau:

Gd (2.8)

Độ lún lệch lớn nhất thường xuất hiện trong giai đoạn đầu của quá trình thi côngchất tải trước khi bắt đầu quá trình cố kết của đất yếu xung quanh cột Độ bền chống cắttrung bình và mô đun kháng cắt Gd giảm theo thời gian, từ các kết qủa thí nghiệm của

tb

tb

tb

Broms và Borman đã chỉ ra rằng độ giảm của nhiều hơn độ giảm của Gd dẫn đến độ lún

lệch sẽ giảm theo thời gian, do đó độ lún lệch lớn nhất được tính vào thời điểm bắt đầuchất tải

Ứng suất cắt và độ lệch lớn nhất thường xuất hiện dọc theo chu vi của khối gia cốchịu tải, vị trí có chuyển vị tương đối nhỏ Có thể xem tải trọng q của kết cấu bên trêntruyền cho nền đất xung quanh xung quanh chu vi của khối gia cố Vì thế giả thiết rằng lựccắt tổng dọc theo chu vi khối gia cố thì chống đỡ khoảng 80% tải trọng q của kết cấu bêntrên và khoảng 20% còn lại truyền trực tiếp xuống đất yếu không gia cố nằm phía ngoàicủa khối gia cố Ta có:

0,82( 1)

.

c

u soil

q L



1.1.4 Tính toán độ lún theo thời gian

Trong trộn khô, có thể tính thấm của cột CDM cao hơn đất xung quanh, cột có tácdụng như băng thoát nước thẳng đứng Tuy nhiên, tốc độ lún không chỉ quyết định bởihiệu ứng thoát nước Khi cột gia cố và đất sét yếu xung quanh cùng làm việc, hiện tượng

tb

nổi trội chính là sự phân bố ứng suất trong hệ thống cột - đất theo thời gian Ngay khi tácđộng, tải trọng được chịu bởi áp lực nước lỗ rỗng thặng dư Cột tăng độ cứng theo thờigian, sẽ chịu dần tải trọng, giảm bớt tải trọng lên đất Hệ quả là áp lực nước lỗ rỗng dưtrong đất yếu sẽ được giảm nhanh, thậm chí chưa có thấm hướng tâm Phân bố lại ứng suất

là nguyên nhân chính để giảm độ lún và tăng tốc độ lún Do đó, cho dù tính thấm của cộtchỉ bằng của đất thì quá trình cố kết cũng nhanh hơn nhờ hiện diện của các cột CDM Cộtđất xi măng đã làm tăng hệ số cố kết một chiều

Tuy nhiên một số giả thiết tính toán tốc độ lún của nền đất sét gia cố bằng cột đấttrộn xi măng như tầng có thiết bị thoát nước thẳng đứng (giếng cát, bấc thấm…) Hệ sốthấm của cấu trúc cột CDM bằng khoảng 400 - 1000 lần so với nền đất xét yếu bão hòanước

Khi đó mức độ lún của có thể tính toán dựa trên phương trình cố kết thấm củaBroms (1984) và hiệu chỉnh của Ahnberg (1986):

- Lưới tam giác đều: R=0,53c

- Lưới hình vuông hoặc tam giác cân:

1.2 Tính toán theo quy trình Thượng Hải – Trung Quốc

(Theo quy trình xử lý móng của thành phố Thượng Hải – Trung Quốc)

Cũng giống với quy trình tính toán của Thụy Điển, độ lún tổng cộng của một côngtrình đặt trên nền gia cố bằng cột đất trộn xi măng bao gồm 2 thành phần độ lún S1 củakhối gia cố (cột đất trộn xi măng + đất xung quanh cột) và độ lún S2 của phần đất khônggia cố dưới cột CDM Độ lún tổng S= S1 + S2

Độ lún S1 của khối gia cố được xác định như sau:

Trong đó:

- P0: Áp lực trung bình tại đỉnh cột;

- P0z: Áp lực trung bình tại mũi cột;

- L: Chiều dài cột;

- Esp : Mô đun co nén của thân cột và đất xung quanh;

- Esp= mEp + (1+m)Es

Es : Mô đun co nén của đất xung quanh cột

fcu: Cường độ chịu nén của mẫu thử đất – xi măng trongphòng thí nghiệm ở 90 ngày tuổi trong điều kiện bảo dưỡngtiêu chuẩn

Độ lún S2 của phần đất không gia cố dưới mũi cột CDM Xem khối gia cố bên trên như một móng khối quy ước, độ lún S2 của nền đất yếubên dưới mũi cột được tính toán theo phương pháp cộng lớp phân tố

1.3 Tính toán theo quy trình Nhật Bản

Độ lún tổng cộng:

Trong đó:

- : Độ lún của khối gia cố (cột đất trộn xi măng + đất xung quanh

cột)

- : Độ lún của phần đất không gia cố dưới cột CDM

- Độ lún S1 của khối gia cố được xác định như sau:

-(2.20)

1

- a p : Tỷ diện tích thay thế

-Thay giá trị n và ap vào biểu thức 2.20 ta có:

Thay giá trị Sn và Esoil vào biểu thức 2.22 ta có:

Công thức (2.23) giống với công thức (2.4) theo quy trình tính toán của Thụy Điển

Độ lún S2 của phần đất không gia cố dưới mũi cột CDM

Xem khối gia cố bên trên như một móng khối quy ước, độ lún S2 của nền đất yếubên dưới mũi cột được tính toán theo phương pháp cộng lớp phân tố

2 Sự phân bố tải trọng trong nền gia cố bằng cột đất trộn xi măng

Việc xác định sự phân bố tải trọng bên trong nền được gia cố bằng cột đất trộn ximăng là một công việc quan trọng trong thiết kế Sự phân bố này chịu ảnh hưởng bởinhiều yếu tố, trong đó mô đun biến dạng của nền, độ cứng của cột CDM và của đất xungquanh cột và tỷ diện tích thay thế của cột CDM là những yếu tố quan trọng

2.1 Cơ chế phân bố tải trọng

Dưới tác động của tải trọng lớp đất đắp bên trên và tải trọng ngoài khi khai thác sửdụng công trình, tải trọng này sẽ truyền một phần vào cột CDM và một phần vào đất xungquanh cột Do độ cứng của cột lớn hơn nhiều so với đất nền, khối đất đắp có xu hướngdịch chuyển xuống Sự dịch chuyển này được giới hạn cục bộ bởi ứng suất cắt Ứng suấtcắt này làm tăng áp lực lên đầu cột nhưng làm giảm áp lực đặt lên đất nền Cơ chế truyềnlực như vậy được Terzaghi (1943) đặt tên là “hiệu ứng vòm đất” (soil arching effect)

“Sự truyền tải trọng ổn định của một vật liệu có cường độ nhỏ đến vật liệu có cường độ

S E S

E E

a a (2.22)

Mặt khác: soil

q E

và Sn H

Hình 2.4 - Cơ chế phân bố ứng suất trong nền gia cố bằng cột CDM

Khi đó Sự phân bố ứng suất trong nền gia cố CDM được xác định theo các hệ sốsau:

- ;H fill : dung trọng và

chiều cao của lớp đất đắp;

- a s : Tỷ diện tích thay thế

2.2 Các phương pháp lý thuyết xác định hệ số phân bố tải trọng

Hiện nay việc tính toán hệ số phân bố tải trọng lên cột đất trộn xi măng phổ biến làdùng các phương pháp giải tích khác nhau, các phương pháp này dựa trên kích thước cộtCDM, khoảng cách bố trí cột và chiều cao lớp đất đắp Trong đề tài này tác giả đưa ra một

số công thức xác định hệ số phân bố ứng suất SRR theo các phương pháp khác nhau:

2.2.1 Tiêu chuẩn Anh BS8006 (1995)

Theo tiêu chuẩn Anh BS8006: 1995 thì có hai trường hợp tính toán hệ số SRR:

- Trường hợp 1: Khi H1.4(s-a)

s s a M SRR