Đề tài này nghiên cứu ứng dụng cọc xi măng đất để xử lý khối đắp trên đất yếu bằng công nghệ trộn sâu dạng ướt: - Xác định phương án bố trí hợp lý khi dùng cọc ximăng đất để gia cố nền;
Trang 1B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
DƯƠNG VĂN ĐẢM
Trang 3i
Tôi xin cam đoan nội dung trong luận văn này là do chính tôi thực hiện, các số liệu, hình ảnh, biểu đồ trong đề tài đều là chân thực, không trùng lập với bất kỳ nghiên cứu nào trước đây Các biểu đồ, số liệu và tài liệu tham khảo đều được trích dẫn, chú thích nguồn thu thập chính xác rõ ràng
Tác gi ả luận văn
DƯƠNG VĂN ĐẢM
Trang 4ii
Trước hết, tôi xin chân thành cám ơn quý thầy cô của trường Đại học Thủy Lợi, đặc
biệt là những thầy cô thuộc bộ môn Địa kỹ thuật và những thầy cô đã trực tiếp giảng
dạy cho tôi trong thời gian theo học vừa qua
Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Hoàng Việt Hùng Thầy đã hỗ trợ tôi rất nhiều về việc bổ sung kiến thức chuyên môn, nguồn tài liệu và những lời động viên quý báu trong quá trình học viên học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn này Nhân đây, tôi chân thành cám ơn quý Thầy, Cô, Anh Chị nhân viên của Phòng Đào tạo Sau Đại học và bạn bè, gia đình đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho học viên trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn
Mặc dù tôi đã có nhiều cố gắng để hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình và sự
hiểu biết của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những đóng góp quý báo của quý thầy cô và các bạn
Trang 5iii
DANH MỤC HÌNH VẼ v
DANH MỤC BẢNG BIỂU vi
KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT vii
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU 6
1.1 Tổng quan về đất yếu và nền đất yếu: 6
1.1.1 Khái niệm về đất yếu 6
1.1.2 Khái niệm nền đất yếu 6
1.1.3 Một số loại đất yếu thường gặp: 7
1.1.4 Các vấn đề đặt ra khi xây dựng công trình trên nền đất yếu : 7
1.2 Một số phương pháp xử lý nền đất yếu: 8
1.2.1 phương pháp thay thế lớp đất nền yếu bằng đệm cát: 8
1.2.2 Phương pháp xử lý nền đất yếu bằng phương pháp cọc cát 9
1.2.3 Phương pháp xử lý nền đất yếu bằng phương pháp bấc thấm 10
1.2.4 Phương pháp xử lý nền đất yếu bằng phương pháp gia tải trước 12
1.2.5 Phương pháp xử lý nền đất yếu bằng vải địa kỹ thuật 13
1.2.6 Phương pháp xử lý nền đất yếu bằng phương pháp cọc xi măng đất 15
1.3 Luận chứng chọn phương pháp xử lý nền bên dưới sàn giảm tải vào cầu 16
1.3.1 So sánh tính khả thi của các giải pháp xử lý nền 16
1.3.2 Lựa chọn phương pháp cọc xi măng đất để xử lý nền bên dưới sàn giảm tải vào cầu [1][2][3] 17
1.4 Kết luận chương 1 20
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CỌC XI MĂNG ĐẤT 22
2.1 Khái niệm về cọc xi măng đất 22
2.1.1 Khái niệm: 22
2.1.2 Ưu điểm của cọc xi măng đất: 22
2.1.3 Giới thiệu công nghệ trộn sâu khoan phụt vữa cao áp – Jet Grouting: 23
2.1.4 Tiến hành phương pháp cọc xi măng đất: [3] 24
2.1.5 Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng của các phương pháp 33
Trang 6iv
2.1.6 Phân tích lựa chọn phương pháp tính toán 34
2.2 Ứng dụng thực tế của phương pháp cọc xi măng đất trong các công trình xây dựng hiện nay 35
2.2.1 Trên thế giới: 35
2.2.2 Ứng dụng cọc xi măng đất ở Việt Nam: 35
2.3 Kết luận 37
CHƯƠNG 3 : TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN CÁC THÔNG SỐ THIẾT KẾ CỌC XI MĂNG ĐẤT CHO CÔNG TRÌNH MỞ RỘNG QL1 VÀ TUYẾN TRÁNH TP SÓC TRĂNG, TỈNH SÓC TRĂNG 39
3.1 Tổng quan về công trình: 39
3.1.1 Giới thiệu về khu vực và công trình : 39
3.1.2 Điều kiện tự nhiên : 40
3.1.3 Đặc điểm địa chất : 40
3.2 Lựa chọn thông số và đề xuất phương án thiết kế 44
3.2.1 Các thông số cơ bản đường dẫn vào cầu 45
3.2.2 Các thông số của nền đường và cọc xi măng đất 46
3.2.3 Tính toán thiết kế cọc xi măng đất 47
3.3 Kết luận 71
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 73
I Những kết quả đã đạt được 73
II Những vấn đề còn tồn tại 74
III Hướng nghiên cứu tiếp theo: 74
TÀI LIỆU THAM KHẢO 75
Trang 7v
Hình 1.1 Thi công bấc thấm 11
Hình 1.2 Thi công cọc xi măng đất 15
Hình 2.1 Công nghệ Jet Grouting (a Công nghệ S; b Công nghệ D; c Công nghệ T) 24
Hình 2.2: Sơ đồ phá hoại của đất dính gia cố bằng cọc xi măng đất 28
Hình 2.3: Phá hoại khối 29
Hình 2.4: Phá hoại cắt cục bộ 29
Hình 2.5: Sơ đồ tính toán biến dạng 30
Hình 2.6 Gia cố cọc xi măng đất tại sân bay Cần Thơ 37
Hình 2.7 Gia cố cọc xi măng đất móng bồn dầu tại Cần Thơ 37
Hình 2.8 Gia cố cọc xi măng đất tại cảng dầu khí Vũng Tàu 37
Hình 3.1 Bảng đồ tuyến tránh thành phố Sóc Trăng, tỉnh Sóc Trăng 39
Hình 3.2 Hình ảnh đường dẫn vào cầu tuyến tránh thành phố Sóc Trăng 45
Hình 3.3 Mặt cắt ngang nền đường dẫn khi áp dụng giải pháp xử lý 47
Hình 3.4 Quan hệ giữa tỉ lệ N/XM với cường độ chịu nén của ĐXM 49
Hình 3.5 Quan hệ giữa hàm lượng xi măng với cường độ chịu nén của ĐXM 49
Hình 3.6 Cường độ kháng nén đơn tương ứng với một tỷ lệ ximăng/đất ở 28 ngày tuổi 51
Hình 3.7 Thực hành thí nghiệm mẩu xi măng đất 51
Hình 3.8: Sơ đồ xác định kích thước khối đắp trên nền gia cố 55
Hình 3.9 Sơ đồ tính lún 60
Hình 3.10: Các điều kiện biên của bài toán- Trường hợp tính khi nền chưa gia cố 66
Hình 3.11: Kết quả tính chuyển vị của trường hợp 1, khi nền chưa có gia cố 67
Hình 3.12: Kết quả tính chuyển vị ngang của hệ nền và khối đắp 68
Hình 3.13: Điều kiện biên bài toán mô phỏng cho trường hợp 2, khi nền có gia cố 69
Hình 3.14: Kết quả tính chuyển vị của trường hợp 2, khi nền đã có gia cố 70
Hình 3.15: Kết quả tính chuyển vị ngang của trường hợp 2, khi nền đã có gia cố 71
Trang 8vi
Bảng 1.1: Phạm vi ứng dụng các phương pháp xử lý đất yếu và một số lưu ý 16
Bảng 3.1 Các thông số của cọc xi măng đất: 41
Bảng 3.2 Các thông số của cọc xi măng đất: 42
Bảng 3.3 Các thông số của cọc xi măng đất: 43
Bảng 3.4 Các thông số của cọc xi măng đất: 44
Bảng 3.5 Các thông số của cọc xi măng đất: 47
Bảng 3.6 Cường độ nén mẩu ở tuổi 28 ngày 48
Bảng 3.7 Tổng hợp cường độ kháng nén đơn tương ứng với từng tỷ lệ ximăng/đất ở độ tuổi 28 ngày 49
Bảng 3.8 Kết quả cường độ chịu nén của ĐXM 50
Bảng 3.9 Phần độ lún cố kết cho phép còn lại ∆S tại trục tim của nền đường sau khi hoàn thành công trình 52
Bảng 3.10 Thống kê các số liệu địa chất nền đường 63
Bảng 3.11: Độ lún tại độ sâu 23,25m 64
Trang 9vii
Qult : Sức chịu tải giới hạn của cọc xi măng đất
[M] : Moment giới hạn của cọc xi măng đất
Fs : Là hệ số an toàn
[S] : Độ lún giới hạn cho phép
∑ Si : Độ lún tổng cộng của móng cọc
as : Diện tích tương đối của cọc xi măng đất
Ecol : Mô đun đàn hồi của cọc xi măng đất
Ccol : Lực dính của cọc xi măng đất
φcol : Góc nội ma sát của cọc xi măng đất
Acol : Diện tích của cọc xi măng đất
Esoil : Mô đun đàn hồi của vùng đất yếu cần được gia cố
Csoil : Lực dính của vùng đất yếu cần được gia cố xung quanh cọc xi măng đất
φsoil :Góc nội ma sát của vùng đất yếu cần được gia cố xung quanh cọc xi măng đất
Asoil : Diện tích vùng đất yếu cần được gia cố xung quanh cọc xi măng đất
Etđ : Mô đun đàn hồi tương đương của nền đất yếu được gia cố
Ctđ : Lực dính tương đương của nền đất yếu được gia cố
φtđ : Góc nội ma sát tương đương của nền đất yếu được gia cố
E50 : Mô đun biến dạng
d : Đường kính cọc
Lcol : Chiều dài cọc
Cu.soil : Độ bền chống cắt không thoát nước
B, L, H : Chiều rộng, chiều dài và chiều cao của nhóm cọc xi măng đất
Trang 10σ’vo : Ứng suất do trọng lượng bản thân
Δσ’v :Gia tăng ứng suất thẳng đứng
σ’p : Ứng suất tiền cố kết
Qp : khả năng chịu tải mỗi cột trong nhóm cọc
ffs : Hệ số riêng phần đối với trọng lượng đất
fq : Hệ số riêng phần đối với tải trọng ngoài
H : Chiều cao nền đắp
q : Ngoại tải tác dụng
γ : Dung trọng đất đắp
R : Bán kính cung trượt tròn
τe : Sức chống cắt của vật liệu đất đắp
τav : Sức chống cắt của vật liệu cọc
cu : Lực dính của cọc xi măng – đất và đất nền khi đã gia cố
Δl : Chiều dài cung trượt tương ứng
xi : Cánh tay đòn của mảnh thứ I so với tâm quay
wi : Trọng lượng của mảnh thứ i
φi : Góc ma sát trong của lớp đất
Ltb : Độ sâu hạ cọc trong đất kể từ đáy đài
Q : Khối lượng đất ở trạng thái tự nhiên
t : Tỉ lệ xi măng dự kiến
Trang 111
I Tính c ấp thiết của đề tài
Đồng bằng sông Cửu Long được biết đến là nơi có nhiều vùng đất yếu, đặc biệt lưu
vực sông Tiền và sông Hậu Nhiều công trình quan trọng được hình thành và phát triển trên nền đất yếu với những điều kiện hết sức phức tạp của đất nền, dọc theo các dòng sông và bờ biển Dọc theo các tuyến đường sự cố tại vị trí tiếp giáp giữa đường và cầu đắp trên nền đất yếu (lún gãy, độ cứng thay đổi đột ngột), dẫn đến hiện tượng ô tô bị xóc khi ra vào cầu làm ảnh hưởng đến độ êm của người và hàng hóa trên xe, gây ra tai
nạn giao thông, giảm vận tốc xe chạy và tăng chi phí duy tu bảo dưỡng công trình.v.v đây là dạng sự cố phổ biến, không chỉ xuất hiện riêng tại Việt Nam mà ngay cả các
quốc gia phát triển Trong đó sự cố vị trí tiếp giáp giữa đường và cầu và hiện tượng
mặt đường lún theo vệt bánh xe là hai vấn đề lớn mà Bộ giao thông vận tải đặc biệt quan tâm Vùng đồng bằng sông Cửu Long và khu vực tỉnh Sóc Trăng có bề dày tầng đất yếu lớn và biến đổi phức tạp, cục bộ; Phần lớn các công trình cầu tại khu vực này đều gặp các sự cố tại vị trí tiếp giáp giữa đường và cầu Việc nghiên cứu nhằm khắc
phục các sự cố đã nêu tại đoạn đường dẫn vào cầu tại khu vực nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng và cấp thiết
Các phương pháp sử dụng để khắc phục sự cố tại các vị trí tiếp giáp trên thường được
áp dụng hiện nay là: Thay thế đất; làm chặt đất (đầm chặt đất, giếng cát, cọc cát); tăng
khả năng chịu kéo của đất (vải địa kỹ thuật, lưới địa kỹ thuật); dùng cọc bêtông, cọc tràm Tuy nhiên mỗi phương pháp tồn tại một số nhược điểm riêng: Thiếu vật liệu thay thế đất yếu do đất tại chỗ không đảm bảo yêu cầu, đôi khi khối lượng đất phải thay thế quá lớn; đầm chặt đất, bấc thấm vải địa kỹ thuật khó khăn khi thi công trong nước; cọc cát và giếng cát phải chờ thời gian đất cố kết; cọc bêtông có giá thành cao,
thời gian thi công kéo dài; đất yếu có chiều dày lớn thì dùng cọc tràm hiệu quả thấp
Cọc xi măng - đất là giải pháp công nghệ xử lý đất yếu đã được áp dụng tại nhiều nước trên thế giới và gần đây đã du nhập vào nước ta Đây là giải pháp xử lý nền kinh tế, thi công nhanh, không có chất thải, không có độ lún thứ cấp
Trang 122
Tuy nhiên việc tính toán thiết kế, nghiệm thu, đánh giá chất lượng cọc ximăng đất hiện nay vẫn chưa rõ ràng, các quan điểm còn khác nhau, chưa thống nhất Ở nước ta chỉ
mới có TCXDVN 385:2006 “Phương pháp gia cố nền đất yếu bằng cọc ximăng đất”
do Bộ xây dựng ban hành, phương pháp này chủ yếu đề cập đến phương pháp trộn cơ khí và khi áp dụng thì thấy nhiều vấn đề còn sơ sài Vì vậy cần thiết phải có những nghiên cứu về nhiều khía cạnh để làm rõ những vấn đề nêu trên
II M ục đích của đề tài
Mục đích của đề tài là khắc phục các sự cố cho đoạn đường dẫn vào cầu khu vực tỉnh Sóc Trăng và đồng bằng sông Cửu Long, nhằm chuyển tiếp êm nhẹ nhàng cho đoạn tuyến vào cầu, đảm bảo cho hàng hóa và hành khách trên ô tô có được sự thỏa mái,
tiện nghi khi ô tô lưu thông qua cầu, đảm bảo an toàn khi lái xe cũng như vận tốc xe
chạy trên tuyến đường
Đề tài này nghiên cứu ứng dụng cọc xi măng đất để xử lý khối đắp trên đất yếu bằng công nghệ trộn sâu dạng ướt:
- Xác định phương án bố trí hợp lý khi dùng cọc ximăng đất để gia cố nền;
- Tìm được được phương pháp tính toán gia cố nền đất yếu thích hợp ;
- Nghiên cứu, phân tích phương pháp đánh giá chất lượng cọc ximăng đất
III Cách ti ếp cận và phương pháp nghiên cứu
III.1 Cách ti ếp cận:
Vận dụng phối hợp các phương án gia cố nền đất yếu bằng phương pháp cọc xi măng đất bằng phương pháp trộn sâu dạng ướt đang được sử dụng phổ biến tại các công trình thực tế theo tiêu chí thiết kế đã xây dựng, từ đó phân tích - đề xuất ra giải pháp thiết kế mới Lý thuyết tính toán gia cố nền đất yếu bằng phương pháp cọc xi măng đất
do các nhà khoa học đã công bố trước đây được xem là đúng đắn, có thể sử dụng để tính toán các giải pháp thiết kế do luận án đề xuất
Trang 133
a Tiếp cận trên cơ sở đánh giá nhu cầu:
Nhu cầu xử lý nền để đảm bảo ổn định tổng thể các công trình nói chung và công trình Thuỷ lợi nói riêng trên nền đất yếu là rất lớn Việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ
mới nhằm giải quyết vấn đề trên và khắc phục được nhược điểm của các phương pháp
cũ là rất cần thiết
b Tiếp cận trên cơ sở đảm bảo các tiêu chuẩn hiện hành:
- Các tiêu chuẩn về thiết kế công trình trên nền đất yếu;
- Các tiêu chuẩn về ứng suất, biến dạng ; Tiêu chuẩn về vật liệu
c Tiếp cận với thực tiễn công trình:
Các công trình đê kè trên nền đất yếu ứng dụng cọc ximăng đất để xử lý nền hiện nay khá nhiều, việc tính toán nền công trình là không thể thiếu trong quá trình tính toán thiết kế
Phương pháp đánh giá chất lượng cọc hiện nay chủ yếu là lấy cọc đã thi công ngoài
hiện trường về thí nghiệm trong phòng, nhưng việc khoan lấy mẫu, vận chuyển đôi khi làm ảnh hưởng đến mẫu làm kết quả không chính xác
d Tiếp cận có kế thừa:
Tiếp thu kinh nghiệm, kết quả từ các đề tài, dự án đặc biệt các công trình đang được thi công tại các tỉnh khu vực đồng bằng sông Cửu Long Sử dụng các kiến thức đã được nghiên cứu, phát huy sáng tạo trên nền tảng sẵn có
III.2 Ph ương pháp nghiên cứu:
Luận án chọn cách tiếp cận với đoạn đường dẫn vào cầu bằng việc nghiên cứu các yêu
cầu về độ lún, tải trọng tác động lên sàn giảm tải vào đất nền Từ đó nghiên cứu gia cố
nền móng bên dưới đoạn chuyển tiếp này bằng phương pháp cọc xi măng đất Sử dụng
phương pháp kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm cùng với việc ứng dụng công nghệ tin học trong tính toán
- Phương pháp thu thập thông tin:
Trang 144
+ Thu thập từ các đề tài, Dự án liên quan đến xử lý nền đất yếu
+ Điều tra, khảo sát, tổng hợp số liệu, thu thập tài liệu thực tế, tài liệu tham khảo, phân tích, xử lý số liệu;
+ Thu thập từ mạng Internet và các nguồn khác
- Phương pháp chuyên gia: Tranh thủ ý kiến và kiến thức của các chuyên gia trong các lĩnh vực
- Phương pháp nghiên cứu trên mô hình toán: Sử dụng các phần mềm tính toán hiện đại để mô phỏng bài toán nghiên cứu
IV N ội dung nghiên cứu
Nghiên cứu tổng quan về đất yếu và các biện pháp xử lý nền đất yếu
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về xử lý nền bằng cọc đất-xi măng
Phân tích ứng dụng với công trình và điều kiện đất nền cụ thể, rút ra được kết luận
kiến nghị về hiệu quả ứng dụng của công trình
V K ết quả đạt được:
Giới thiệu và phân tích các phương pháp tính toán thiết kế cọc ximăng - đất Nêu ra ưu nhược điểm, và những phần còn chưa đủ khi áp dụng, từ đó giúp người thiết kế có cái nhìn sâu hơn về công nghệ này Tính toán thiết kế ứng dụng cọc ximăng - đất xử lý
nền cho công trình: Mở rộng QL1 và tuyến tránh TP.Sóc Trăng, tỉnh Sóc Trăng, công trình đã thi công và đi vào vận hành tốt
Trong phần ứng dụng, tác giả đã phân tích điều kiện đất nền, điều kiện tải trọng công trình để đề xuất phương án xử lý nền sao cho đảm bảo tính kinh tế và kỹ thuật của công trình Với điều kiện đất nền yếu, chiều dày lớp đất yếu tới 14,5 m, nếu không xử
lý công trình sẽ có độ lún khoảng trên dưới 1 m
Với đề xuất phương án xử lý nền bằng cọc xi măng đất, luận văn đã tính toán bằng giải tích để có số liệu sơ bộ cho phương án Trên cơ sở này tiến hành mô phỏng bằng mô hình số để có phương án đối chứng
Trang 155
Kết quả mô phỏng cho kết quả khá sát với thực tế, nếu không gia cường nền độ lún công trình đạt 0,9 m Không đảm bảo điều kiện vận hành công trình
Sau khi gia cường bằng cọc xi măng đất, hàm lượng xi măng 200 kg/m3, kết quả mô
phỏng cho giá trị chuyển vị đứng (lún) lớn nhất là 19 cm Đảm bảo được yêu cầu kỹ thuật cho công trình
Trang 16Một số đặc điểm của đất yếu:
Đất yếu thường là đất dính hoàn toàn bão hòa nước:
Sức chịu tải thấp: 0,5 – 1 kG/cm2
Đất có tính nén lún lớn: a > 0,1 cm2/kG
Hệ số rỗng lớn: e > 1,0
Độ sệt lớn: B > 1
Mô đun biến dạng nhỏ, khả năng chống cắt nhỏ (ϕ, c nhỏ)
Hàm lượng nước trong đất cao, độ bão hòa nước lớn, dung trọng nhỏ
1.1.2 Khái ni ệm nền đất yếu
Nền đất yếu là phạm vi đất nền gồm các tầng đất yếu có khả năng chịu lực kém, nằm dưới móng công trình và chịu tác động của công trình truyền xuống
Nền đất yếu có thể là một lớp đất yếu hoặc nhiều lớp đất yếu xen kẽ lớp đất tốt
Nền đất yếu là nền đất không đủ sức chịu tải, không đủ độ bền và biến dạng khi xây
dựng các công trình trên nó Công trình khi gặp nền đất yếu thì tùy thuộc vào đặc điểm
kết cấu, tính chất của đất mà sử dụng phương pháp xử lý nền móng cho phù hợp để tăng sức chịu tải của nền, giảm độ lún, đảm bảo điều kiện khai thác bình thường
Trong thực tế có rất nhiều công trình bị lún sập hư hỏng khi xây dựng trên nền đất yếu
do không có những biện pháp xử lý phù hợp, không nhận thức được chính xác các tính
Trang 177
chất cơ lý và khả năng làm việc của đất nền Do vậy việc đánh giá đúng các tính chất
cơ lý của nền đất yếu và từ đó làm cơ sở để đề ra các giải pháp xử lý nền móng phù
hợp 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 đảm bảo công trình ổn định, tránh được các sự cố, hư hỏng
và giá thành kinh tế nhất
1.1.3 M ột số loại đất yếu thường gặp:
- Đất sét mềm: gồm các loại đất sét hoặc á sét ở trạng thái bão hoà nước, có cường độ
thấp
- Bùn: Các loại đất tạo thành trong môi trường nước, thành phần hạt rất mịn (<200µm)
ở trạng thái luôn no nước, hệ số rỗng lớn, rất yếu vể mặt chịu lực
- Than bùn: Là 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 cấu rời rạc, có thể bị nén chặt hoặc pha loãng đáng kể Loại đất này khi chịu tải trọng động thì chuyển sang trạng thái chảy gọi là cát
chảy
- Đất bazan: Đây cũng là đất yếu với đặc điểm độ rỗng lớn, dung trọng khô bé, khả năng thấm nước cao, dễ bị lún sập
1.1.4 Các v ấn đề đặt ra khi xây dựng công trình trên nền đất yếu :
Móng của công trình thuỷ lợi, giao thông, nhà cửa và các dạng công trình khác đặt trên
nền đất yếu thường đặt ra những bài toán sau cần phải giải quyết :
+ Vấn đề độ lún công trình: Độ lún có trị số lớn, ma sát âm tác dụng lên cọc do tính nén của nền đất Nhiều trường hợp tôn nền khu dân cư hoặc bờ đắp trên đất yếu có độ lún lên đến 2-3m Có trường hợp do đất nền có tính từ biến, do độ lún của công trình kéo dài trên 30 năm Có những trường hợp do lún không đều đã dẫn đến trượt công trình
Trang 188
+ Vấn đề về ổn định công trình: Các bài toán về sức chịu tải của móng, độ ổn định của
nền móng, ổn định mái dốc, áp lực đất lên tường chắn, sức chịu tải ngang của cọc
phải được xem xét do sức chịu tải và cường độ của nền không đủ lớn
+ Thấm : Cát xủi, thẩm thấu, phá hỏng nền do bài toán thấm và dưới tác động của áp
lực nước
+ Hóa lỏng: Đất nền bị hóa lỏng do tải trọng tác động (tàu hỏa, ôtô và động đất ) Như vậy: Khi xây dựng công trình trên nền đất yếu, công trình sẽ đứng trước rất nhiều nguy cơ bị phá hỏng, đòi hỏi phải có phương pháp để sử lý trước hoặc sau khi xây
dựng công trình
1.2 M ột số phương pháp xử lý nền đất yếu:
Với các đặc điểm của đất yếu như trên, muốn đặt móng công trình trên nền đất yếu cần
phải có các biện pháp kĩ thuật để cải tạo tính năng xây dựng của nó Nền đất sau khi
xử lý gọi là nền nhân tạo
Với việc xử lý khi xây dựng công trình trên nền đất yếu phụ thuộc vào nhiều điều kiện như : đặc điểm công trình, đặc điểm của nền đất v v Với từng điều kiện cụ thể mà người thiết kế đưa ra biện pháp xử lý hợp lý Trong phạm vi chương này sẽ đề cập đến các biện pháp xử lý cụ thể khi gặp nền đất yếu như :
1.2.1 phương pháp thay thế lớp đất nền yếu bằng đệm cát:
Lớp đệm cát sử dụng hiệu quả cho các lớp đất yếu ở trạng thái bão hoà nước (sét nhão, sét pha nhão, cát pha, bùn, than bùn…) và chiều dày các lớp đất yếu nhỏ hơn 3m
Biện pháp tiến hành: Đào bỏ một phần hoặc toàn bộ lớp đất yếu (trường hợp lớp đất
yếu có chiều dày bé) và thay vào đó bằng cát hạt trung, hạt thô đầm chặt
Việc thay thế lớp đất yếu bằng tầng đệm cát có những tác dụng chủ yếu sau:
- Lớp đệm cát thay thế lớp đất yếu nằm trực tiếp dưới đáy móng, đệm cát đóng vai trò như một lớp chịu tải, tiếp thu tải trọng công trình và truyền tải trọng đó các lớp đất yếu bên dưới
Trang 199
- Giảm được độ lún và chênh lệch lún của công trình vì có sự phân bộ lại ứng suất do
tải trọng ngoài gây ra trong nền đất dưới tầng đệm cát
- Giảm được chiều sâu chôn móng nên giảm được khối lượng vật liệu làm móng
- Giảm được áp lực công trình truyền xuống đến trị số mà nền đất yếu có thể tiếp nhận được
- Làm tăng khả năng ổn định của công trình kể cả khi có tải trọng ngang tác dụng vì cát được nén chặt làm tăng lực ma sát và sức chống trượt Tăng nhanh quá trình cô kết
của đất nền, do vậy làm tăng nhanh khả năng chịu tải của nền và tăng thời gian ổn định
về lún cho công trình
- Về mặt thi công đơn giản, không đòi hỏi thiết bị phức tạp nên được sử dụng tương đối rộng rải Phạm vi áp dụng tốt nhất khi lớp đất yếu có chiều dày bé hơn 3m Không nên sử dụng phương pháp này khi nền đất có mực nước ngầm cao và nước có áp vì sẽ
tốn kém về việc hạ mực nước ngầm và đệm cát sẽ kém ổn định
1.2.2 Phương pháp xử lý nền đất yếu bằng phương pháp cọc cát
Phương pháp cọc cát là một phương pháp để làm ổn định nền đất yếu bằng cách thi công các cọc cát được đầm kĩ với đường kính lớn bằng quá trình lặp đi lặp lại rút hạ
cọc ống thép được rung Phương pháp này tạo ra các ống mao dẫn (là cọc cát) làm
giảm mực nước ngầm trong đất, làm chặt đất và cải thiện chỉ tiêu cơ lý của đất nền Phương pháp này thường được dùng gia cố nền các khu vực đất yếu (Đầm lầy, khu
vực nền ẩm ứơt ) Khu vực đất nền được xác định mật độ cọc, chiều sâu cọc
Một vài dạng của phương pháp này đã có từ đầu thế kỷ 19 do các kỹ sư trong quân đội Pháp dùng đầu tiên, nhưng phải tới 50 năm sau thì người Đức mới áp dụng các công nghệ hiện đại cho phương pháp này Cọc cát đã được thiết kế ở một số công trình xây
dựng dân dụng và giao thông ở Việt Nam khi cần nhanh tiến độ thi công
Nhược điểm sử dụng phương pháp cọc cát gây tốn kém, thời gian thi công kéo dài gây xáo trộn cấu trúc nền đất và khó kiểm tra chất lượng cọc cát
Ứng dụng nền có chiều dày > 3m
Trang 20kết, mà với đất dính thì cần thời gian, không thể có hiệu quả tức thời
* Không phá hoại đất xung quanh ống vách khi tạo lổ cho cọc cát Trong trường hợp làm chặt nền cần thận trọng vì những giả thiết để tính toán là không phù hợp với đất sét yếu bão hoà nước Giả thiết đưa ra là thể tích vùng gia cố là không thay đổi (không
có dịch chuyển ngang và đất không trồi lên), như vậy nền sẽ được làm chặt dung trọng
của đất được tăng lên Giả thiết này chỉ phù hợp với đất thuộc loại hoàng thổ (loss) rời
rạc, có mực nước ngầm nằm sâu Khi đóng tạo lỗ để thi công cọc cát với hiệu ứng rung đất sẽ được đầm chặt Còn đối với đất sét yếu bão hoà nước hiệu ứng nén chặt trong quá trình thi công cọc cát là không đáng kể vì sự nén chặt của nền đất là quá trình cố
kết và đòi hỏi phải có thời gian Trước đây một phương pháp gia cố nền được áp dụng sau đó bị lãng quyên đó là phương pháp cọc tháp, nguyên lý cũng tương tự như cọc cát làm chặt nền Nó đã được áp dụng cho nền đất yếu bão hoà nứơc ở Hà nội và đã thất
bại
1.2.3 Phương pháp xử lý nền đất yếu bằng phương pháp bấc thấm
Bấc thấm là vật liệu địa kỹ thuật dùng để thoát nước đứng nhằm gia tăng khả năng ổn định của nền móng, được cấu tạo từ hai lớp: lớp áo bằng vải địa kỹ thuật không dệt,
sợi liên tục PP hoặc PET 100%, không thêm bất cứ chất kết dính nào và lớp lõi thoát thoát nước đùn bằng hạt nhựa PP, có rãnh cả hai phía
Trang 2111
Hình 1.1 Thi công bấc thấm Ứng dụng:
+ Gia cố nền đất yếu: Bấc thấm kết hợp với đắp gia tải được sử dụng để xử lý gia cố
nền đất yếu, trong thời gian ngắn có thể đạt tới 95% độ ổn định dài hạn, tạo khởi động cho quá trình ổn định tự nhiên ở giai đoạn sau Quá trình gia cố có thể được rút ngắn 3 tháng bằng gia tải cộng phương pháp bơm hút chân không
Thi công bấc thấm đứng PVD
+ Ổn định nền: Các công trình có thể ứng dụng bấc thấm để xử lý nền đất yếu rất đa
dạng, bao gồm đường cao tốc, đường dẫn đầu cầu, đường băng sân bay, đường sắt, bến
cảng, kho xăng dầu… xây dựng trên nền đất yếu và có tải trọng động
+ Xử lý môi trường: Bấc thấm được sử dụng để xử lý nền đất yếu, đất nhão thường
thấy ở các khu vực ô chôn lấp rác Bấc thấm Ceteau-drain cũng được sử dụng để tẩy
rửa các khu vực đất bị ô nhiễm, bằng công nghệ hút chân không, hút nước ngầm thấm qua các lớp đất bị ô nhiễm, mang theo các chất ô nhiễm lên bề mặt để xử lý
Trang 2212
Những tính năng của bấc thấm:
Khả năng chống chịu được với vi khuẩn bacteria và các loại vi khuẩn hữu cơ khác, không bị ăn mòn hay biến chất bởi các loại axit, kim loại hay các loại chất hoà tan có trong đất, khả năng chống mài mòn cực tốt
Đặc tính chính:
Giảm thiểu tối đa sự sáo trộn các lớp đất, khả năng tương thích cao của lõi cung như
vỏ bấc thấm với nhiều loại đất, dễ dàng thi công, hiệu suất có thể đạt tới 10.000 m/ngày, có thể xử lý nền đất yếu dày do bấc thấm có thể đóng và phát huy tác dụng tới
độ sâu 60m
Lợi thế khi thi công:
Chi phí thấp, thời gian cô kết nhanh hơn so với các phương truyền thống như đắp gia
tải hoặc giếng cát, tiết kiệm được khối lượng đào đắp, rút ngắn được thời gian thi công, giảm chi phí vận chuyển, chi phí thi công
1.2.4 Phương pháp xử lý nền đất yếu bằng phương pháp gia tải trước
Phương pháp gia tải trước thường là giải pháp công nghệ kinh tế nhất để xử lý nền đất
yếu Trong một số trường hợp phương pháp chất tải trước không dùng giếng thoát nước thẳng đứng vẫn thành công nếu điều kiện thời gian và đất nền cho phép Tải
trọng gia tải trước có thể bằng hoặc lớn hơn tải trọng công trình trong tương lai
Tải trọng gia tải thường được sử dụng là cát đắp với chiều cao đắp có thể từ 1 - 13m,
thời gian gia tải từ vài tháng hoặc vài năm tùy theo yêu cầu của công trình Một số công trình có mặt bằng lớn có thể áp dụng biện pháp thi công kiểu cuốn chiếu để tiến
độ thi công luôn được đảm bảo, hiệu quả xử lý nền đất yếu được đo đạc, chứng minh
rất tốt trong thực tế Trong quá trình gia tải ta đặt quan trắc lún, khi độ lún do gia tải trước đạt được kết quả mong muốn thì cho tiến hành dở tải
Mục đích của việc gia tải trước:
+ Tăng khả năng chịu tải và giảm độ nén lún của nền đất yếu
Trang 2313
+ Đất mềm được cải thiện hay (đất được gia cố) phần lớn bằng việc ép nước trong đất
ra ngoài, tăng cường độ chống cắt nên tiết kiệm diện tích móng
+ Có hiệu quả kinh tế cao đối với các công trình có mặt bằng thi công lớn
1.2.5 Phương pháp xử lý nền đất yếu bằng vải địa kỹ thuật
Trong những năm gần đây, vải địa kỹ thuật đã được ứng dụng rộng rãi ở nước ta, đặc
biệt là trong gia cố nền các công trình đất đắp Vải địa kỹ thuật được chế tạo từ những
sản phẩm phụ của dầu mỏ, tùy theo hợp chất và cách cấu tạo, mỗi loại vải địa kỹ thuật
có những đặc tính cơ lý hóa như sức chịu kéo, độ thấm nước, độ dãn, môi trường thích nghi khác nhau Tùy theo mục đích sử dụng, vải địa kỹ thuật có thể được sử dụng để: Làm cốt gia cố cho khối đắp; Làm chức năng như mặt phân cách nước; Làm vật
liệu tiêu nước, lọc ngược Ngoài ra vải địa kỹ thuật còn dùng để chống xói mòn, bảo
vệ bờ vv
Phân loại vải địa kỹ thuật Vải ĐKT được chia làm ba nhóm chính dựa theo cấu tạo sợi:
dệt, không dệt và vải địa phức hợp
+ Nhóm dệt gồm những sợi được dệt ngang dọc giống như vải may, như vải địa kỹ thuật loại dệt polypropylen Biến dạng của nhóm này thường được thí nghiệm theo 2 hướng chính: hướng dọc máy và hướng ngang máy Sức chịu kéo theo hướng dọc máy bao giờ cũng lớn hơn sức chịu kéo theo hướng ngang máy Vải dệt thông thường được ứng dụng làm cốt gia cường cho các công tác xử lý nền đất khi có yêu cầu
+ Nhóm không dệt gồm những sợi ngắn và sợi dài liên tục, không theo một hướng
nhất định nào, được liên kết với nhau bằng phương pháp hóa (dùng chất dính), hoặc nhiệt (dùng sức nóng) hoặc cơ (dùng kim dùi)
+ Nhóm vải phức hợp là loại vải kết hợp giữa vải dệt và không dệt Nhà sản xuất may
những bó sợi chịu lực (dệt) lên trên nền vải không dệt để tạo ra một sản phẩm có đủ các chức năng của vải dệt và không dệt
Ứng dụng của vải địa kỹ thuật Trong giao thông vải, ĐKT có thể làm tăng độ bền, tính
ổn định cho các tuyến đường đi qua những khu vực có nền đất yếu như đất sét mềm, bùn, than bùn Trong thủy lợi, dùng che chắn bề mặt vách bờ bằng các ống vải ĐKT
Trang 2414
độn cát nhằm giảm nhẹ tác thủy động lực của dòng chảy lên bờ sông Còn trong xây
dựng, dùng để gia cố nền đất yếu ở dạng bấc thấm ứng dụng trong nền móng Dựa vào mục đích, công dụng chính, người ta chia vải ĐKT thành 3 loại: phân cách, gia cường, và tiêu thoát và lọc ngược
+ Chức năng phân cách Các phương pháp thông thường để ổn định hoá lớp đất đắp trên nền đất yếu bão hoà nước là phải tăng thêm chiều dày đất đắp để bù vào lượng đất
bị mất do lún chìm vào nền đất yếu trong quá trình thi công Mức độ tổn thất có thể hơn 100% đối với đất nền có CBR (chỉ số biểu thị sức chịu tải của đất và vật liệu dùng trong tính toán thiết kế kết cấu của áo đường theo phương pháp Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 23 – 8/2010 28 của AASHTO.) nhỏ hơn 0,5 Việc sử dụng
loại vải ĐKT thích hợp đặt giữa đất yếu và nền đường sẽ ngăn cản sự trộn lẫn của hai
loại đất Vải ĐKT phân cách ngăn ngừa tổn thất đất đắp và vì vậy tiết kiệm đáng kể chi phí xây dựng Ngoài ra, vải ĐKT còn ngăn chặn không cho đất yếu thâm nhập vào
cốt liệu nền đường nhằm bảo toàn các tính chất cơ lý của vật liệu đắp và do đó nền đường có thể hấp thụ và chịu đựng một cách hữu hiệu toàn bộ tải trọng xe
+ Chức năng gia cường Dưới tải trọng bánh xe khả năng chịu tải của nền đường có vải ĐKT chủ yếu là do chức năng phân cách (nhằm duy trì chiều dày thiết kế và tính chất
cơ học ban đầu của các lớp cốt liệu nền móng đường) hơn là chức năng gia cường về
khả năng chịu kéo của kết cấu Trong trường hợp xây dựng đê, đập hay đường dẫn vào
cầu có chiều cao đất đắp lớn, có thể dẫn đến khả năng trượt mái hoặc chuyển vị ngang
của đất đắp, vải ĐKT có thể đóng vai trò cốt gia cường cung cấp lực chống trượt theo phương ngang nhằm gia tăng ổn định của mái dốc Trong trường hợp này vải ĐKT có
chức năng gia cường Mái dốc taluy có vải địa kỹ thuật gia cường
+ Chức năng tiêu thoát/ lọc ngược Đối với các nền đất yếu có độ ẩm tự nhiên lớn và độ
nhạy cảm cao Vải ĐKT có thể làm chức năng thoát nước nhằm duy trì và thậm chí gia tăng cường độ kháng cắt của đất nền và do đó làm gia tăng khả năng ổn định tổng thể
của công trình theo thời gian Vải ĐKT loại không dệt, xuyên kim có chiều dày và tính
thấm nước cao là vật liệu có khả năng tiêu thoát tốt, cả theo phương đứng (thẳng góc
với mặt vải) và phương ngang (trong mặt vải) Vì thế, loại vải ĐKT này có thể làm
Trang 25để ngăn chặn không cho các hạt đất cần bảo vệ đi qua đồng thời kích thước lỗ hổng cũng phải đủ lớn để có đủ khả năng thấm nước bảo đảm cho áp lực nước lỗ rỗng được tiêu tán nhanh
Việc sử dụng vải địa kỹ thuật và lưới ĐKT đem lại nhiều hiệu quả tốt cho công tác xử
lý nền đất yếu và giữ ổn định cho mái dốc đất, có khả năng ứng dụng tốt vào nhiều loại công trình khác nhau, đây là loại vật liệu mới, được đánh giá là thân thiện với môi trường nên các cơ quan quản lý nhà nước, các nhà sản xuất, các tổ chức thương mại, các đơn vị tư vấn…cần tổ chức các Hội thảo để giới thiệu, quảng bá cho loại vật liệu này
Hình 1.2 Thi công cọc xi măng đất
Trang 2616
Khi trộn ximăng vào đất sẽ xảy ra quá trình kiềm và sau đó là quá trình thứ sinh Quá trình kiềm là quá trình thủy phân và hyđrát hóa ximăng, được coi là quá trình hình thành nên độ bền của đất gia cố Quá trình kiềm sẽ tạo ra một lượng lớn hyđroxyt canxi làm tăng độ pH của nước lỗ rỗng trong đất, tạo điều kiện thúc đẩy quá trình thứ sinh Ở điều kiện bình thường, các khoáng vật sét có thành phần hoá học chính là các ôxít nhôm và silích khá bền vững, khó bị hòa tan, song trong môi trường kiềm có độ
pH cao, chúng dễ bị hoà tan dẫn đến sự phá hủy của khoáng vật Các ô xít nhôm và silích ở dạng hòa tan tạo nên một phần vật liệu đông cứng và làm tăng cường độ của
hỗn hợp đất ximăng Quá trình thứ sinh xảy ra chậm chạp trong một thời gian dài
Công nghệ Jet - Grouting là một công nghệ trộn sâu dạng ướt, được phát minh ở Nhật
Bản năm 1970, sử dụng tia vữa phun ra với áp suất cao (200÷400 atm) và với vận tốc
lớn (≥ 100 m/s), các phần tử đất xung quanh lỗ khoan bị xói tơi ra và được hoà trộn
với vữa phụt Trải qua nhiều hoàn thiện và phát triển, đến nay công nghệ này đã được
thừa nhận rộng khắp, được kiểm nghiệm và đưa vào tiêu chuẩn ở các nước phát triển trên thế giới
1.3 Lu ận chứng chọn phương pháp xử lý nền bên dưới sàn giảm tải vào cầu
1.3.1 So sánh tính kh ả thi của các giải pháp xử lý nền
Phạm vi ứng dụng của các phương pháp xử lý đất yếu được tóm tắt ở bảng 1.1
Bảng 1.1: Phạm vi ứng dụng các phương pháp xử lý đất yếu và một số lưu ý
Áp dụng đối với công trình có mặt bằng
tương đối lớn, thời gian thi công nhanh và
phải có tải trọng gia tải trước
Không có vấn đề về ổn định Giả thuyết
Trang 2717
Vải địa
kỹ thuật
Phân bố ứng suất đều, tăng khả năng chịu
kéo của đất, giảm áp lực lên tường chắn
ngăn cách giửa các lớp đất yếu và lớp đất
đấp hoặc thay thế Thoát nước tốt hơn
Phải kiểm tra độ ổn định của mái dốc và tường chắn có thể kết hợp với vật liệu san lấp nhẹ Sử dụng theo chỉ dẩn kỹ thuật của nhà cung cấp
Cọc xi
măng
đất
theo thí nghiệm trong phòng
Mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng riêng, tùy vào hoàn
cảnh cụ thể mà người tư vấn lựa chọn ra phương pháp tối ưu nhất Dùng cọc ximăng đất xử lý nền là một phương pháp không mới ở nước ta, nhưng đến nay vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ, khi thực hiện đã chứng tỏ rằng đây là biện pháp rất kinh tế, thi công nhanh, áp dụng cho nhiều loại đất
1.3.2 L ựa chọn phương pháp cọc xi măng đất để xử lý nền bên dưới sàn giảm tải vào c ầu [1][2][3]
Việc nghiên cứu về sử dụng cọc ximăng - đất đã được tiến hành khá nhiều, ở Viện kĩ thuật Châu Á (Balasubramaniam, 1988) ở Đông Nam Á (Broms, 1984) Năm 1989 Law ở Viện kĩ thuật Châu Á đã tiến hành nghiên cứu trong điều kiện thí nghiệm nén
ba trục, nén một trục và thí nghiệm nén nở hông về đặc trưng biến dạng và độ bền của đất sét yếu được xử lý bằng ximăng Trộn 10% ximăng với đất sét yếu làm tăng độ bền nén nở hông 10 lần, áp lực cố kết trước tăng 2 đến 4 lần Hệ số cố kết quan sát được tăng 10 đến 40 lần
Miura (1987) đã tiến hành nghiên cứu tại một công trường trên đất sét Ariake ở Nhật,
tỉ số giữa độ bền ở hiện trường và trong phòng trung bình vào khoảng 70% Honjo (1991) đã tiến hành thí nghiệm khối đắp có quy mô thực, chiều cao 5,0m trên đất sét
yếu được cải tạo bằng cọc ximăng theo phương pháp trộn sâu Cọc ximăng được thi công theo các sơ đồ khác nhau khi cùng điều kiện tải trọng, qua đó nghiên cứu sức
chịu tải của nền và sơ đồ biến dạng ứng với từng sơ đồ
Qua quá trình phát triển, hiện nay có các phương pháp tính cọc ximăng đất như sau:
- Phương pháp tính toán theo quan điểm cọc làm việc như cọc:
Trang 2818
Theo quan điểm này cọc có độ cứng tương đối lớn và các đầu cọc được đưa vào tầng đất chịu tải Khi đó lực truyền vào móng sẽ chủ yếu đi vào các cọc ximăng đất (bỏ qua
sự làm việc của đất nền dưới đáy móng) Trong trường hợp cọc không đưa được xuống
tầng đất chịu lực thì có thể dùng phương pháp tính toán như tính toán với cọc ma sát
- 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 (được tính từ ϕ, C, E của đất nền xung quanh cọc và vật
liệu làm cọc)
- Phương pháp tính toán theo quan điểm hỗn hợp:
+ Tính theo Viện Kỹ thuật châu Á A.I.T
Khả năng chịu tải của cọc xi măng đất được quyết định bởi sức kháng cắt của đất sét
yếu bao quanh (đất bị phá hoại) hay sức kháng cắt của vật liệu cọc xi măng đất (cọc xi măng đất phá hoại) Khả năng chịu tải giới hạn của nhóm cọc phụ thuộc vào độ bền cắt
của đất chưa xử lý giữa các cọc và độ bền cắt của vật liệu làm cọc Độ lún tổng cộng
lớn nhất lấy bằng tổng độ lún cục bộ của khối được gia cố và độ lún cục bộ của đất
nằm dưới khối
+ Tính theo quy phạm Trung Quốc DBJ 08-40-94
+ Tính theo trường phái Châu Âu
- Phương pháp phần tử hữu hạn:
Sử dụng các phần mềm, chương trình mô hình hoá bài toán thành các phần tử, giải hệ các phương trình vi phân được đưa về dạng giải các hệ các phương trình đại số, từ đó xác định được các ẩn số cần tìm, phương pháp này cho kết quả khá chính xác
* Các phương pháp đánh giá chất lượng cọc ximăng đất: [2]
- Biến dạng nhỏ (PIT):
Phương pháp biến dạng nhỏ cũng xuất hiện cùng với phương pháp Sonic, nhưng cũng
chỉ áp dụng cho móng cọc của công trình để phát hiện khuyết tật trên cọc đơn chế tạo
Trang 2919
bằng bêtông cốt thép hoặc bằng thép hạ theo phương đứng hoặc xiên Vào năm 2004, trong khuôn khổ để tài độc lập cấp nhà nước “Cống dưới đê” do Viện khoa học Thủy
Lợi chủ trì đã nghiên cứu và thực hiện thí nghiệm này cho cọc ximăng đất để xác định
khả năng xuất hiện khe hở, mức độ thay đổi đường kính cọc thi công bằng phương pháp Jet - Grouting, Viện khoa học Thủy Lợi Việt Nam đã thực hiện thí nghiệm này
để đánh giá chất lượng cho 04 cọc ximăng đất đường kính 800mm chiều dài 8m tại Bãi
thử cọc xi măng đất, Trạm nghiên cứu tài nguyên nước ven biển, Đồ Sơn, Hải Phòng Phương pháp biến dạng nhỏ dựa trên lý thuyết truyền sóng ứng suất theo một phương trong thanh đàn hồi, trong đó thay đổi kháng trở trong cọc và sức kháng của đất nền sẽ
tạo ra sóng phản hồi trở lại đỉnh cọc
Tác dụng lực tại đỉnh cọc, sóng ứng suất sẽ truyền xuống theo thân cọc với vận tốc sóng c, đó là một hàm của mô-đun đàn hồi của vật liệu cọc E, và tỷ trọng ρ Vì kháng
trở cọc có quan hệ trực tiếp với tiết diện và modul đàn hồi cọc, nên cũng là số đo kích thước mặt cắt ngang và chất lượng cọc
- Phương pháp khoan lấy mẫu và thí nghiệm trong phòng:
Là phương pháp phổ biến nhất hiện nay, được sử dụng cho nhiều phương pháp thi công khác nhau Một số công trình còn kết hợp với phương pháp thí nghiệm khác để đánh giá chất lượng cọc trên hiện trường
Các mẫu được lấy trực tiếp từ hiện trường bằng các phương pháp và thiết bị lấy mẫu chuyên dụng, giữ tối đa tình trạng nguyên dạng của kết cấu Các mẫu được vận chuyển
về phòng thí nghiệm, sau đó thí nghiệm các tính chất cơ lý cần thiết trong phòng
- Phương pháp thí nghiệm cắt cánh hiện trường (VST)
Thí nghiệm cắt cánh hiện trường lần đầu tiên xuất hiện ở nước Anh và Thụy Điển vào năm 1948 để thí nghiệm đất sét, sau này phát triển ở các nước Anglo-Saxon và trên thế
giới
Thí nghiệm này theo nguyên tắc là cắt đất trên một mặt phẳng định sẵn tạo bởi một
ngẫu lực xoắn để đất bị cắt xoay tròn (phá hủy) xung quanh cánh cắt Cân bằng giới
Trang 3020
hạn của mômen kháng của lực dính xung quanh bề mặt cắt chính là bằng mômen xoắn, phương pháp này cho kết quả tính toán là lực dính
- Phương pháp thí nghiệm xuyên cắt thuận (SCPT)
Thí nghiệm xuyên cắt thuận thực chất là thí nghiệm xuyên tĩnh nhưng không dùng mũi côn mà dùng cánh cắt Thí nghiệm được tiến hành bằng cách nhấn cần xuyên có cánh vào cọc thí nghiệm, mũi của cánh xuyên được cắm vào tim cọc, áp lực kháng xuyên được ghi chép và tính toán, từ đó cường độ kháng cắt của cọc thí nghiệm được xác định Thí nghiệm này nhằm xác định cường độ dọc theo thân cọc và được thực hiện từ đỉnh xuống mũi cọc
- Phương pháp thí nghiệm nén tĩnh
Thí nghiệm nén tĩnh nhằm kiểm tra sức chịu tải của cọc Đây là thí nghiệm đắt tiền và
phức tạp nên chỉ tiến hành ở dự án lớn và kết cấu quan trọng, với các dự án thông thường nên sử dụng các phương pháp khác để đánh giá sức chịu tải
Đây là một phương pháp thí nghiệm hiện trường cho kết quả chính xác nhất sự làm
việc thực tế của cọc Song trong nước hiện nay cũng chưa có một tiêu chuẩn hay quy trình riêng nào nói về vấn đề thí nghiệm chất tải cọc xi măng - đất Các thí nghiệm
chất tải mà Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng
thực hiện cho đến thời điểm này đều được dựa vào cơ sở tiêu chuẩn TCXD 190: 1996 (Móng cọc tiết diện nhỏ) Quy trình thí nghiệm cọc thì dựa vào TCXDVN 269:2002
“Cọc – Phương pháp thí nghiệm bằng tải trọng tĩnh ép dọc trục” Cần có nhiều nghiên
cứu chi tiết hơn về quy trình, thiết bị, phương pháp thực hiện, kết thúc thí nghiệm, xử
lý kết quả để áp dụng phù hợp cho cọc ximăng - đất
Trang 3121
nhưng thực tế thì giải pháp gia cố, xử lý nền chỉ là một trong các giải pháp được vận
dụng trong các phương pháp xây dựng công trình trên nền đất yếu
Đánh giá đất yếu cho xây dựng là một trong những đối tượng nghiên cứu và xử lý rất
phức tạp, đòi hỏi công tác khảo sát, điều tra, nghiên cứu, phân tích và tính toán rất công phu Khi xây dựng công trình trên đất yếu mà không có biện pháp xử lý có thể sẽ gây hư hỏng, vì vậy nghiên cứu đất yếu có mục đích là ổn định và an toàn công trình (giảm tổng độ lún, lún lệch, tăng sức chịu tải của nền, rút ngắn thời gian thi công, giảm chi phí đầu tư xây dựng, bảo vệ môi trường) Việc lựa chọn phương pháp xử lý đất yếu cũng rất quan trọng, mỗi phương pháp đều có phạm vi ứng dụng riêng, đôi khi phải kết
hợp với nhau để tạo ra hiệu quả xử lý cao nhất Do đó người thiết kế căn cứ vào điều
kiện cụ thể của nền, địa hình, địa chất, khả năng thi công mà đề ra phương án hợp
lý nhất
Xử lý nền bằng cọc xi măng đất là kỹ thuật cải tạo đất yếu thuộc nhóm gắn kết đất
nhằm đưa chất kết dính vào trong đất Cọc xi măng đất là giải pháp công nghệ thích
hợp để xử lý đất yếu tại Việt Nam và trên thế giới Đây là giải pháp xử lý nền kinh tế, thi công nhanh, không có chất thải, không có độ lún thứ cấp, có thể được sử dụng để gia cố nền đất đắp, làm móng cho nhà công nghiệp, bảo vệ hố đào sâu, xử lý nền để
lấn biển, bảo vệ mái dốc ven sông (cắt cung trượt) Tuy nhiên những nghiên cứu về
biện pháp này chưa thật đầy đủ, đặc biệt khi áp dụng cho công trình Thủy lợi: trong tính toán thiết kế vẫn còn tồn tại nhiều quan điểm, trường phái khác nhau, chủ yếu
phải dựa vào kinh nghiệm và hiểu biết của người tư vấn để thiết kế; khi đánh giá chất lượng cũng vấp phải nhiều vấn đề như nên sử dụng biện pháp nào, các bước tiến hành
ra sao Tiêu chuẩn 385 – 2006 chỉ đề cập đến phương pháp trộn kiểu cơ khí, và cũng chưa thật cụ thể, khó khăn khi áp dụng Luận văn này tập trung đi sâu vào hai nội dung trên, nghiên cứu tìm hiểu và áp dụng cho một công trình thực tế, gớp phần làm sáng tỏ
vấn đề và cho sự phát triển của công nghệ cọc ximăng đất
Trang 32Cọc xi măng đất (tên tiếng Anh là Deep Soi Mixing hay DSM) được nghiên cứu ở
Nhật bởi giáo sư Tenox Kyushu của Đại Học Tokyo vào những năm 1960 Loại cọc này sử dụng cốt liệu chính là đất tại chổ, gia cố với một hàm lượng xi măng và phụ gia
nhất định tùy thuộc vào loại và các tính chất cơ – lý – hóa của đất nền Nó mang lại
hiệu quả kinh tế cao khi địa chất nơi được gia cố là đất cát Cọc xi măng đất thường được thi công bằng công nghệ trộn sâu hay gọi tắt là DMM ( Deep Mixing Method)
Cọc xi măng đất có thể làm móng sâu, thay thế cọc nhồi (trong một số điều kiện áp
dụng nhất định); Làm tường trong đất (khi xây dựng tầng hầm nhà cao tầng); Chống
thấm, ngăn mặn ( đối với các công trình đê biển, cống); Gia cố nền… Thông thường
loại cọc này không có cốt thép, song trong một số trường hợp cần thiết, cốt thép cứng
có thể được ấn vào cọc vữa khi vừa thi công cọc xong
Sử dụng xi măng trộn cưỡng chế với đất nền nhờ các phản ứng hóa học – vật lý xảy ra làm cho nền đóng rắn thành một thể cọc xi măng đất có độ ổn định cao chịu lực tốt hơn nhiều lần so với nền ban đầu
Khi độ sâu hố móng từ 6 – 18 m mà ứng dụng phương pháp cọc xi măng đất làm kết
cấu chịu lực, chống gửi sẽ thu được kết quả tốt
2.1.2 Ưu điểm của cọc xi măng đất:
Một số ưu điểm của cọc xi măng đất:
- Tăng khả năng chống trượt của mái dốc;
- Tăng cường sức chịu tải của đất nền;
- Giảm ảnh hưởng chấn động của công trình lân cận;
- Tránh hiện tượng hóa lỏng của đất rời;
Trang 3323
- Cô lập phần đất bị ô nhiểm;
- Ổn định thành hố đào;
- Giảm độ lún công trình;
- Ngăn được nước thấm vào hố đào;
- Dùng kiểu tường trọng lực nên không phải đặt thanh chống, tạo điều kiện thi công hố móng rất thông thoáng;
- Thi công đơn giản nhanh chóng;
- Sử dụng vật liệu có sẳn, cốt liệu chính là đất tại chổ nên giá thành rất thấp, hiệu quả kinh tế cao;
- Thiết bị thi công không quá đắt;
- Quá trình khoan có thể kiểm tra được địa chất khoan nhờ thiết bị tự đông đo và ghi mômen xoán ở đầu cần khoan;
- Khâu thi công được tự động hóa gần như hoàn toàn, sau khi định vị máy khoan sẽ
tiến hành khoan một cách tự động, hàm lượng vữa xi măng sẽ được tự động điều chỉnh cho phù hợp với tình hình địa chất tùy thuộc mômen xoán đo được ở đầu cần khoan;
- Chất lượng thi công không phụ thuộc nhiều vào yếu tố con người;
- Công trường thi công không gây ô nhiểm, mất vệ sinh có thể áp dụng cho chật hẹp, khu vực vùng xa…
2.1.3 Gi ới thiệu công nghệ trộn sâu khoan phụt vữa cao áp – Jet Grouting:
Phương pháp này là sự kết hợp lợi thế của trộn cơ học với phun vửa lỏng (Jet –Grouting) Máy có cả đầu trộn và vòi phun, có thể tạo nên các trụ đường kính lớn hơn đường kính đầu trộn
Hiện nay trên thế giới đã phát triển ba công nghệ Jet-Grouting:
- Công nghệ đơn pha S: Tạo ra các cọc xi măng đất có đường kính từ 0,4 – 0,8 m Công nghệ này chủ yếu dùng để thi công nền đất đấp, cọc…
Trang 3424
- Công nghệ hai pha D: Tạo ra các cọc xi măng đất có đường kính từ 0,8 – 1,2m Công nghệ này chủ yếu để thi công các tường chắn, cọc, hào chống thấm
- Công nghệ ba pha T: Là phương pháp thay thế đất mà không xáo trộn đất Công nghệ
T sử dụng để làm các cọc, tường ngăn chống thấm, có thể tạo ra các cọc đường kính
tới 3m Sơ đồ công nghệ Jet Grouting xem hình 2.1
Hình 2.1 Công nghệ Jet Grouting (a Công nghệ S; b Công nghệ D; c Công nghệ T)
2.1.4 Ti ến hành phương pháp cọc xi măng đất: [3]
2.1.4.1 Phương pháp tính toán theo quan điểm làm việc như cọc
a Đánh giá ổn định các cọc gia cố theo trạng thái giới hạn 1
Khả năng chịu lực của công trình phụ thuộc vào số lượng và cách bố trí các cọc trong
khối móng Kết quả phân tích tính toán thể hiện thông qua lực tác dụng lên cọc: M, N,
Q
Để móng cọc đảm bảo an toàn cần thỏa mãn các điều kiện sau:
+ Lực lớn nhất trong một cọc: Nmax < Pgh/Fs
+ Mômen lớn nhất trong một cọc: Mmax < [M] của vật liệu làm cọc
+ Chuyển vị của khối móng : S < [S]
trong đó:
Pgh - Sức chịu tải giới hạn của cọc XMĐ;
Trang 3525
[M] – Mômen giới hạn của cọc XMĐ;
Fs – Hệ số an toàn
Việc tính toán lực M, N, Q và chuyển vị móng cọc có thể dùng các phần mềm hiện có
để tính toán Trong trường hợp không có phần mềm để tính toán các điều kiện ổn định trên có thể viết lại như sau:
- Trường hợp tải trọng đúng tâm:
ult max
Nmax - tải trọng tác dụng lên mỗi cọc;
ΣN - tổng tải trọng tác dụng lên đài cọc;
Mx, My - mômen uốn do tải trọng gây ra đối với các trục chính của đáy đài cọc;
xi, yi - khoảng cách từ trục chính của đài cọc đến mỗi trục cọc;
x, y - khoảng cách từ trục chính của đài cọc đến trục cọc khảo sát
Đánh giá ổn định các cọc gia cố theo trạng thái giới hạn 2
Tính toán theo trạng thái giới hạn 2 đảm bảo cho móng cọc không phát sinh biến dạng
và độ lún quá lớn:
∑Si < [S]
trong đó: [S] - độ lún giới hạn cho phép;
∑Si- độ lún tổng cộng của móng cọc
Trang 3626
2.1.4.2 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 (được tính từ ϕ, C, E của đất nền xung quanh cọc và vật
liệu làm cọc) Công thức quy đổi tương đương ϕtđ, Ctđ, Etđ dựa trên độ cứng của cọc XMĐ, đất, diện tích đất được thay thế bởi cọc XMĐ Gọi m là tỷ lệ giữa diện tích cọc
xi măng đất thay thế trên diện tích đất nền
Ap m
Theo phương pháp tính toán này, bài toán gia cố đất có 2 tiêu chuẩn cần kiểm tra:
+ Tiêu chuẩn về cường độ: ϕtđ , Ctđ của nền được gia cố phải thỏa mãn điều kiện sức
chịu tải dưới tác dụng của tải trọng công trình
+ Tiêu chuẩn biến dạng: Môđun biến dạng của nền được gia cố Etđ phải thỏa mãn đảm
bảo nền không lún quá giới hạn cho phép
Có thể dùng các công thức giải tích và các phần mềm địa kỹ thuật hiện có để giải quyết bài toán này
Phương pháp tính toán theo quan điểm hỗn hợp
* Cách tính toán của Viện Kỹ thuật châu Á A.I.T:
a) Sức chịu tải của cọc đơn
Trang 3727
Khả năng chịu tải của cọc xi măng đất được quyết định bởi sức kháng cắt của đất bao quanh (đất bị phá hoại) hay sức kháng cắt của vật liệu cọc xi măng đất (cọc xi măng đất phá hoại) Loại phá hoại đầu phụ thuộc cả vào sức cản do ma sát mặt ngoài và sức
chịu chân cọc xi măng đất, loại sau còn phụ thuộc vào sức kháng cắt của vật liệu cọc
xi măng đất Khả năng chịu tải giới hạn ngắn của cọc xi măng đất đơn trong đất sét
yếu khi đất phá hoại được tính theo biểu thức sau:
Qgh, đất = (πdHcọc+2.25 πd2)Cutrong đó:
d - đường kính của cọc ximăng-đất;
Hcọc- chiều dài cọc ximăng-đất;
Cu - 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 và xuyên côn
Giả thiết là sức cản mặt ngoài bằng độ bền cắt không thoát nước của đất sét Cu và sức
chịu ở chân cọc ximăng đất tương ứng là 9Cu Sức chịu ở chân cọc ximăng đất treo không đóng vào tầng nén chặt, thường thấp so với mặt ngoài Sức chịu ở chân cọc ximăng đất sẽ lớn khi cọc ximăng đất cắt qua tầng ép lún vào đất cứng nằm dưới có
sức chịu tải cao Phần lớn tải trọng tác dụng sẽ truyền vào lớp đất ở dưới qua đáy của
cọc ximăng đất Tuy nhiên sức chịu ở chân cọc ximăng đất không thể vượt qua độ bền nén của bản thân cọc ximăng đất
Trong trường hợp cọc xi măng đất đã bị phá hoại trước thì các cọc xi măng đất được xem tương tự như một lớp đất sét cứng nứt nẻ Độ bền cắt của hỗn hợp sét ở dạng cục hay hợp thể đặc trưng cho giới hạn trên của độ bền Khi xác định bằng thí nghiệm xuyên hay cắt cánh, giới hạn này vào khoảng từ 2 ÷ 4 lần độ bền cắt dọc theo mặt liên
kết khi xác định bởi thí nghiệm nén có nở hông
Trang 3828
Hình 2.2: Sơ đồ phá hoại của đất dính gia cố bằng cọc xi măng đất
Đường bao phá hoại tương ứng trên hình 2.1 Khả năng chịu tải giới hạn ngắn ngày do
cọc ximăng đất bị phá hoại ở độ sâu z được tính từ quan hệ:
Qgh,cọc ximăng - đất=Acọcx(3.5 Ccọc+3Pn) trong đó:
Ccọc - lực dính của vật liệu cọc ximăng-đất;
Pn - áp lực ngang tổng cộng tác động lên cọc ximăng - đất
Giả thiết góc ma sát trong của đất là 30o Hệ số áp lực bị động tương ứng Kb khi ϕgh,cọc
ximăng - đất=30o
Giả thiết là Pn =Pp + 5 Cu
trong đó:
Pp - áp lực tổng của các lớp phủ bên trên;
Cu- độ bền cắt không thoát nước của đất bao quanh
b) Khả năng chịu tải giới hạn của nhóm cọc ximăng đất
Trang 39hoại quyết định bởi khả năng chịu tải của khối với cọc ximăng đất
Trong trường hợp đầu, sức chống cắt dọc theo mặt phá hoại cắt qua toàn bộ khối sẽ quyết định khả năng chịu tải và khả năng chịu tải giới hạn của nhóm cọc ximăng-đất được tính theo:
Qgh,nhóm = 2CuH[B+L] +(6÷9)CuBL trong đó:
B, L và H - chiều rộng, chiều dài và chiều cao của nhóm cọc ximăng-đất
Trang 40qgh = 5,5Ctb(1+0,2 b
L)
trong đó:
b, L - chiều rộng và chiều dài vùng chịu tải cục bộ;
Ctb - độ bền cắt trung bình dọc theo bề mặt phá hoại giả định Độ bền cắt trung bình
của vùng ổn định chịu ảnh hưởng của diện tích tương đối của cọc ximăng đất a, (bx1)
và độ bền cắt của vật liệu cọc ximăng đất
c) Tính toán biến dạng
Hình 2.5: Sơ đồ tính toán biến dạng
Tổng độ lún của công trình xây dựng trên nền đất gia cố bằng cọc ximăng đất như trên hình 2.5 Tổng độ lún lớn nhất lấy bằng tổng độ lún cục bộ của toàn khối nền được gia cường (S1) và độ lún cục bộ của tầng đất nằm dưới đáy khối đất được gia cường phía trên (S2)
S
S