Gia cố nền đường dẫn vào cầu bằng phương pháp cọc xi măng đất theo công nghệ trộn ướt tại công trình mở rộng quốc lộ 1 và tuyến tránh thành phố sóc trăng, tỉnh sóc trăng

Đề tài này nghiên cứu ứng dụng cọc xi măng đất để xử lý khối đắp trên đất yếu bằngcông nghệ trộn sâu dạng ướt: - Xác định phương án bố trí hợp lý khi dùng cọc ximăng đất để gia cố nền; -

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

DƯƠNG VĂN ĐẢM

GIA CỐ NỀN ĐƯỜNG DẪN VÀO CẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP CỌC XI MĂNG ĐẤT THEO CÔNG NGHỆ TRỘN ƯỚT TẠI CÔNG TRÌNH: MỞ RỘNG QL1 VÀ TUYẾN TRÁNH TP.

LỜI CAM ĐOAN

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 cứunào trước đây Các biểu đồ, số liệu và tài liệu tham khảo đều được trích dẫn, chú thíchnguồn thu thập chính xác rõ ràng

Tác giả luận văn

DƯƠNG VĂN ĐẢM

LỜI CÁM ƠN

Trước hết, tôi xin chân thành cám ơn quý thầy cô của trường Đại học Thủy Lợi, đặcbiệt là những thầy cô thuộc bộ môn Địa kỹ thuật và những thầy cô đã trực tiếp giảngdạy 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 rấtnhiều về việc bổ sung kiến thức chuyên môn, nguồn tài liệu và những lời động viênquý 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 tạoSau Đại học và bạn bè, gia đình đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho học viêntrong 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 sựhiểu biết của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhậnđược những đóng góp quý báo của quý thầy cô và các bạn

MỤC LỤC

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

2.1.5 Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng của các phương pháp .33

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

DANH MỤC HÌNH VẼ

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

DANH MỤC BẢNG BIỂU

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

KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT

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 măngđất

φsoil :Góc nội ma sát của vùng đất yếu cần được gia cố xung quanh cọc ximăng 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

hi : Bề dày lớp đất tính lún thứ i.

eoi : Hệ số rỗng của lớp đất

Cri : Chỉ số nén lún hồi phục ứng với quá trình dỡ tải

Cci : Chỉ số nén lún

σ’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

MỞ ĐẦU

I Tính cấp thiết của đề tài

Đồng bằng sông Cửu Long được biết đến là nơi có nhiều vùng đất yếu, đặc biệt lưuvực sông Tiền và sông Hậu Nhiều công trình quan trọng được hình thành và phát triểntrên nền đất yếu với những điều kiện hết sức phức tạp của đất nền, dọc theo các dòngsông và bờ biển Dọc theo các tuyến đường sự cố tại vị trí tiếp giáp giữa đường và cầuđắp trên nền đất yếu (lún gãy, độ cứng thay đổi đột ngột), dẫn đến hiện tượng ô tô bịxóc khi ra vào cầu làm ảnh hưởng đến độ êm của người và hàng hóa trên xe, gây ra tainạn 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 cácquốc gia phát triển Trong đó sự cố vị trí tiếp giáp giữa đường và cầu và hiện tượngmặt đường lún theo vệt bánh xe là hai vấn đề lớn mà Bộ giao thông vận tải đặc biệtquan tâm Vùng đồng bằng sông Cửu Long và khu vực tỉnh Sóc Trăng có bề dày tầngđất yếu lớn và biến đổi phức tạp, cục bộ; Phần lớn các công trình cầu tại khu vực nàyđều gặp các sự cố tại vị trí tiếp giáp giữa đường và cầu Việc nghiên cứu nhằm khắcphục các sự cố đã nêu tại đoạn đường dẫn vào cầu tại khu vực nghiên cứu có ý nghĩaquan 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); tăngkhả năng chịu kéo của đất (vải địa kỹ thuật, lưới địa kỹ thuật); dùng cọc bêtông, cọctràm Tuy nhiên mỗi phương pháp tồn tại một số nhược điểm riêng: Thiếu vật liệuthay thế đất yếu do đất tại chỗ không đảm bảo yêu cầu, đôi khi khối lượng đất phảithay thế quá lớn; đầm chặt đất, bấc thấm vải địa kỹ thuật khó khăn khi thi công trongnước; 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 nướctrên thế giới và gần đây đã du nhập vào nước ta Đây là giải pháp xử lý nền kinh tế, thicông nhanh, không có chất thải, không có độ lún thứ cấp

Tuy nhiên việc tính toán thiết kế, nghiệm thu, đánh giá chất lượng cọc ximăng đất hiệnnay vẫn chưa rõ ràng, các quan điểm còn khác nhau, chưa thống nhất Ở nước ta chỉmới 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 cơkhí và khi áp dụng thì thấy nhiều vấn đề còn sơ sài Vì vậy cần thiết phải có nhữngnghiên cứu về nhiều khía cạnh để làm rõ những vấn đề nêu trên

II Mục đích của đề tài

Mục đích của đề tài là khắc phục các sự cố cho đoạn đường dẫn vào cầu khu vực tỉnhSóc Trăng và đồng bằng sông Cửu Long, nhằm chuyển tiếp êm nhẹ nhàng cho đoạntuyến 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 xechạy trên tuyến đường

Đề tài này nghiên cứu ứng dụng cọc xi măng đất để xử lý khối đắp trên đất yếu bằngcông 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 tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

III.1 Cách tiếp cận:

Vận dụng phối hợp các phương án gia cố nền đất yếu bằng phương pháp cọc xi măngđất bằng phương pháp trộn sâu dạng ướt đang được sử dụng phổ biến tại các côngtrình thực tế theo tiêu chí thiết kế đã xây dựng, từ đó phân tích - đề xuất ra giải phápthiết 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 đểtính toán các giải pháp thiết kế do luận án đề xuất

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 trìnhThuỷ lợi nói riêng trên nền đất yếu là rất lớn Việc nghiên cứu ứng dụng công nghệmới 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 naykhá nhiều, việc tính toán nền công trình là không thể thiếu trong quá trình tính toánthiết kế

Phương pháp đánh giá chất lượng cọc hiện nay chủ yếu là lấy cọc đã thi công ngoàihiện trường về thí nghiệm trong phòng, nhưng việc khoan lấy mẫu, vận chuyển đôi khilàm 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 đượcthi công tại các tỉnh khu vực đồng bằng sông Cửu Long Sử dụng các kiến thức đãđược nghiên cứu, phát huy sáng tạo trên nền tảng sẵn có

III.2 Phương pháp nghiên cứu:

Luận án chọn cách tiếp cận với đoạn đường dẫn vào cầu bằng việc nghiên cứu các yêucầu về độ lún, tải trọng tác động lên sàn giảm tải vào đất nền Từ đó nghiên cứu gia cốnền móng bên dưới đoạn chuyển tiếp này bằng phương pháp cọc xi măng đất Sử dụngphương pháp kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm cùng với việc ứng dụng công nghệtin học trong tính toán

- Phương pháp thu thập thông tin:

+ 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, phântích, 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 cáclĩnh vực

- Phương pháp nghiên cứu trên mô hình toán: Sử dụng các phần mềm tính toán hiệnđại để mô phỏng bài toán nghiên cứu

IV Nội 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 luậnkiến nghị về hiệu quả ứng dụng của công trình

V Kết quả đạt được:

Giới thiệu và phân tích các phương pháp tính toán thiết kế cọc ximăng - đất Nêu ra ưunhược điểm, và những phần còn chưa đủ khi áp dụng, từ đó giúp người thiết kế có cáinhìn sâu hơn về công nghệ này Tính toán thiết kế ứng dụng cọc ximăng - đất xử lýnền cho công trình: Mở rộng QL1 và tuyến tránh TP.Sóc Trăng, tỉnh Sóc Trăng, côngtrình 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 côngtrình để đề xuất phương án xử lý nền sao cho đảm bảo tính kinh tế và kỹ thuật củacông 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 giảitích để có số liệu sơ bộ cho phương án Trên cơ sở này tiến hành mô phỏng bằng mô

Kết quả mô phỏng cho kết quả khá sát với thực tế, nếu không gia cường nền độ lúncông 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 môphỏng cho giá trị chuyển vị đứng (lún) lớn nhất là 19 cm Đảm bảo được yêu cầu kỹthuật cho công trình

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XỬ

LÝ NỀN ĐẤT YẾU

1.1 Tổng quan về đất yếu và nền đất yếu:

1.1.1 Khái niệm về đất yếu

Đất yếu là những loại đất sét trạng thái dẻo mềm, dẻo chảy bão hòa nước, các loại đất hạt nhỏ, hạt mịn, than bùn

Một 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 (, c nhỏ)

Hàm lượng nước trong đất cao, độ bão hòa nước lớn, dung trọng nhỏ

1.1.2 Khái niệm nền đất yếu

Nền đất yếu là phạm vi đất nền gồm các tầng đất yếu có khả năng chịu lực kém, nằmdưới 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 xâydựng các công trình trên nó Công trình khi gặp nền đất yếu thì tùy thuộc vào đặc điểmkết cấu, tính chất của đất mà sử dụng phương pháp xử lý nền móng cho phù hợp đểtăng 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

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 phùhợp là một vấn đề hết sức khó khăn, đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa kiến thức khoahọc 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 Một 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 độthấp

- 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 phânhủy 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 loãngđáng kể Loại đất này khi chịu tải trọng động thì chuyển sang trạng thái chảy gọi là cátchảy

- Đất bazan: Đây cũng là đất yếu với đặc điểm độ rỗng lớn, dung trọng khô bé, khảnăng thấm nước cao, dễ bị lún sập

1.1.4 Các vấn 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 trênnền 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 tínhnén của nền đất Nhiều trường hợp tôn nền khu dân cư hoặc bờ đắp trên đất yếu có độlún lên đến 2-3m Có trường hợp do đất nền có tính từ biến, do độ lún của công trìnhkéo dài trên 30 năm Có những trường hợp do lún không đều đã dẫn đến trượt côngtrình

+ Vấn đề về ổn định công trình: Các bài toán về sức chịu tải của móng, độ ổn định củanền 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 áplực 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 nhiềunguy cơ bị phá hỏng, đòi hỏi phải có phương pháp để sử lý trước hoặc sau khi xâydựng công trình

1.2 Một 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 cầnphải 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 kiệnnhư : đặc điểm công trình, đặc điểm của nền đất v v Với từng điều kiện cụ thể màngười thiết kế đưa ra biện pháp xử lý hợp lý Trong phạm vi chương này sẽ đề cập đếncác 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 đấtyếu 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 trònhư một lớp chịu tải, tiếp thu tải trọng công trình và truyền tải trọng đó các lớp đất yếubên dưới

- Giảm được độ lún và chênh lệch lún của công trình vì có sự phân bộ lại ứng suất dotải 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 nhậnđược

- Làm tăng khả năng ổn định của công trình kể cả khi có tải trọng ngang tác dụng vìcát được nén chặt làm tăng lực ma sát và sức chống trượt Tăng nhanh quá trình cô kếtcủa 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 tươngđối rộng rải Phạm vi áp dụng tốt nhất khi lớp đất yếu có chiều dày bé hơn 3m Khôngnên sử dụng phương pháp này khi nền đất có mực nước ngầm cao và nước có áp vì sẽtốn 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 thicông các cọc cát được đầm kĩ với đường kính lớn bằng quá trình lặp đi lặp lại rút hạcọc ống thép được rung Phương pháp này tạo ra các ống mao dẫn (là cọc cát) làmgiảm 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, khuvực 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 độiPháp dùng đầu tiên, nhưng phải tới 50 năm sau thì người Đức mới áp dụng các côngnghệ hiện đại cho phương pháp này Cọc cát đã được thiết kế ở một số công trình xâydựng 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 gâyxáo trộn cấu trúc nền đất và khó kiểm tra chất lượng cọc cát

Ứng dụng nền có chiều dày > 3m

* Mức nước ngầm (tại thời điểm thi công) phải ở sâu ( nếu lớn hơn độ sâu đỉnh cọc cátthì tốt nhất)

* Các lớp đất trong phạm vi gia cố bị ép chặt khi đóng lổ tạo cọc cát ( không xuất hiệntình huống gia tăng áp lực nước lổ rổng khi tạo lổ , và giảm áp lực này khi kéo ốngvách lên , đầm cát tạo cọc cát.) Do đó nếu nước trồi lên mặt đất thì đây là quá trìnhtiêu tán áp lực nước lổ rổng và hiệu quả nén chặt đất không cao Khi đó Đất đang cốkết, 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 hợplàm chặt nền cần thận trọng vì những giả thiết để tính toán là không phù hợp với đấtsét 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 trọngcủa đất được tăng lên Giả thiết này chỉ phù hợp với đất thuộc loại hoàng thổ (loss) rờirạc, có mực nước ngầm nằm sâu Khi đóng tạo lỗ để thi công cọc cát với hiệu ứng rungđất sẽ được đầm chặt Còn đối với đất sét yếu bão hoà nước hiệu ứng nén chặt trongquá trình thi công cọc cát là không đáng kể vì sự nén chặt của nền đất là quá trình cốkết và đòi hỏi phải có thời gian Trước đây một phương pháp gia cố nền được áp dụngsau đó bị lãng quyên đó là phương pháp cọc tháp, nguyên lý cũng tương tự như cọc cátlàm chặt nền Nó đã được áp dụng cho nền đất yếu bão hoà nứơc ở Hà nội và đã thấtbại

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 ổnđịnh 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 thoátthoát nước đùn bằng hạt nhựa PP, có rãnh cả hai phía

Hình 1.1 Thi công bấc thấmỨng dụng:

+ Gia cố nền đất yếu: Bấc thấm kết hợp với đắp gia tải được sử dụng để xử lý gia cốnền đất yếu, trong thời gian ngắn có thể đạt tới 95% độ ổn định dài hạn, tạo khởi độngcho quá trình ổn định tự nhiên ở giai đoạn sau Quá trình gia cố có thể được rút ngắn 3tháng 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 đadạng, bao gồm đường cao tốc, đường dẫn đầu cầu, đường băng sân bay, đường sắt, bếncảng, 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 thườngthấy ở các khu vực ô chôn lấp rác Bấc thấm Ceteau-drain cũng được sử dụng để tẩyrửa các khu vực đất bị ô nhiễm, bằng công nghệ hút chân không, hút nước ngầm thấmqua các lớp đất bị ô nhiễm, mang theo các chất ô nhiễm lên bề mặt để xử lý

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 cótrong 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 10.000m/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 giatải hoặc giếng cát, tiết kiệm được khối lượng đào đắp, rút ngắn được thời gian thicông, 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 đấtyếu Trong một số trường hợp phương pháp chất tải trước không dùng giếng thoátnước thẳng đứng vẫn thành công nếu điều kiện thời gian và đất nền cho phép Tảitrọng 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 sốcông 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 minhrất tốt trong thực tế Trong quá trình gia tải ta đặt quan trắc lún, khi độ lún do gia tảitrước 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

+ 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, đặcbiệt là trong gia cố nền các công trình đất đắp Vải địa kỹ thuật được chế tạo từ nhữngsản 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 thíchnghi khác nhau Tùy theo mục đích sử dụng, vải địa kỹ thuật có thể được sử dụngđể: Làm cốt gia cố cho khối đắp; Làm chức năng như mặt phân cách nước; Làm vậtliệu tiêu nước, lọc ngược Ngoài ra vải địa kỹ thuật còn dùng để chống xói mòn, bảo

+ Nhóm không dệt gồm những sợi ngắn và sợi dài liên tục, không theo một hướngnhất định nào, được liên kết với nhau bằng phương pháp hóa (dùng chất dính), hoặcnhiệt (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 maynhững bó sợi chịu lực (dệt) lên trên nền vải không dệt để tạo ra một sản phẩm có đủcác 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

độn cát nhằm giảm nhẹ tác thủy động lực của dòng chảy lên bờ sông Còn trong xâydựng, dùng để gia cố nền đất yếu ở dạng bấc thấm ứng dụng trong nền móng Dựavào mục đích, công dụng chính, người ta chia vải ĐKT thành 3 loại: phân cách, giacường, và tiêu thoát và lọc ngược.

+ Chức năng phân cách Các phương pháp thông thường để ổn định hoá lớp đất đắptrên 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 thểhơn 100% đối với đất nền có CBR (chỉ số biểu thị sức chịu tải của đất và vật liệu dùngtrong tính toán thiết kế kết cấu của áo đường theo phương pháp Tạp chí Khoa họcCông nghệ Hàng hải Số 23 – 8/2010 28 của AASHTO.) nhỏ hơn 0,5 Việc sử dụngloại vải ĐKT thích hợp đặt giữa đất yếu và nền đường sẽ ngăn cản sự trộn lẫn của hailoại đất Vải ĐKT phân cách ngăn ngừa tổn thất đất đắp và vì vậy tiết kiệm đáng kểchi phí xây dựng Ngoài ra, vải ĐKT còn ngăn chặn không cho đất yếu thâm nhập vàocốt liệu nền đường nhằm bảo toàn các tính chất cơ lý của vật liệu đắp và do đó nềnđường 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 vảiĐKT 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 vềkhả năng chịu kéo của kết cấu Trong trường hợp xây dựng đê, đập hay đường dẫn vàocầu có chiều cao đất đắp lớn, có thể dẫn đến khả năng trượt mái hoặc chuyển vị ngangcủa đất đắp, vải ĐKT có thể đóng vai trò cốt gia cường cung cấp lực chống trượt theophương ngang nhằm gia tăng ổn định của mái dốc Trong trường hợp này vải ĐKT cóchức 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 độnhạy cảm cao Vải ĐKT có thể làm chức năng thoát nước nhằm duy trì và thậm chí giatăng cường độ kháng cắt của đất nền và do đó làm gia tăng khả năng ổn định tổng thểcủa công trình theo thời gian Vải ĐKT loại không dệt, xuyên kim có chiều dày và tínhthấm nước cao là vật liệu có khả năng tiêu thoát tốt, cả theo phương đứng (thẳng gócvới mặt vải) và phương ngang (trong mặt vải) Vì thế, loại vải ĐKT này có thể làm

tiêu tán nhanh chóng áp lực nước lỗ rỗng thặng dư trong quá trình thi công cũng nhưsau khi xây dựng và dẫn đến sức kháng cắt của nền đất yếu sẽ được gia tăng.

Trong các công trình thuỷ công, vải ĐKT được sử dụng làm lớp lọc ngược của côngtrình sau bến, tường chắn… Hai tiêu chuẩn để đánh giá về đặc trưng lọc ngược là khảnăng giữ đất và hệ số thấm của vải Vải ĐKT cần phải có kích thước lỗ hổng đủ nhỏ

để ngăn chặn không cho các hạt đất cần bảo vệ đi qua đồng thời kích thước lỗ hổngcũng phải đủ lớn để có đủ khả năng thấm nước bảo đảm cho áp lực nước lỗ rỗng đượctiêu 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 loạicông trình khác nhau, đây là loại vật liệu mới, được đánh giá là thân thiện với môitrường 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 liệunày

1.2.6 Phương pháp xử lý nền đất yếu bằng phương pháp cọc xi măng đất

Hình 1.2 Thi công cọc xi măng đất

Khi trộn ximăng vào đất sẽ xảy ra quá trình kiềm và sau đó là quá trình thứ sinh Quátrình kiềm là quá trình thủy phân và hyđrát hóa ximăng, được coi là quá trình hìnhthành nên độ bền của đất gia cố Quá trình kiềm sẽ tạo ra một lượng lớn hyđroxytcanxi làm tăng độ pH của nước lỗ rỗng trong đất, tạo điều kiện thúc đẩy quá trình thứsinh Ở điều kiện bình thường, các khoáng vật sét có thành phần hoá học chính là cácôxít 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 vàsilích ở dạng hòa tan tạo nên một phần vật liệu đông cứng và làm tăng cường độ củahỗn 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 NhậtBản năm 1970, sử dụng tia vữa phun ra với áp suất cao (200400 atm) và với vận tốclớn ( 100 m/s), các phần tử đất xung quanh lỗ khoan bị xói tơi ra và được hoà trộnvới vữa phụt Trải qua nhiều hoàn thiện và phát triển, đến nay công nghệ này đã đượcthừa nhận rộng khắp, được kiểm nghiệm và đưa vào tiêu chuẩn ở các nước phát triểntrên thế giới

1.3 Luận chứng chọn phương pháp xử lý nền bên dưới sàn giảm tải vào cầu

1.3.1 So sánh tính khả 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

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]

Việc nghiên cứu về sử dụng cọc ximăng - đất đã được tiến hành khá nhiều, ở Viện kĩthuật Châu Á (Balasubramaniam, 1988) ở Đông Nam Á (Broms, 1984) Năm 1989Law 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 củađất sét yếu được xử lý bằng ximăng Trộn 10% ximăng với đất sét yếu làm tăng độ bềnnén nở hông 10 lần, áp lực cố kết trước tăng 2 đến 4 lần Hệ số cố kết quan sát đượctăng 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 sétyếu được cải tạo bằng cọc ximăng theo phương pháp trộn sâu Cọc ximăng được thicông theo các sơ đồ khác nhau khi cùng điều kiện tải trọng, qua đó nghiên cứu sứcchịu 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:

Theo quan điểm này cọc có độ cứng tương đối lớn và các đầu cọc được đưa vào tầngđất 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 xuốngtầng 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

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 sétyếu bao quanh (đất bị phá hoại) hay sức kháng cắt của vật liệu cọc xi măng đất (cọc ximăng đất phá hoại) Khả năng chịu tải giới hạn của nhóm cọc phụ thuộc vào độ bền cắtcủa đất chưa xử lý giữa các cọc và độ bền cắt của vật liệu làm cọc Độ lún tổng cộnglớn nhất lấy bằng tổng độ lún cục bộ của khối được gia cố và độ lún cục bộ của đấtnằm 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 hệcác phương trình vi phân được đưa về dạng giải các hệ các phương trình đại số, từ đóxác 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

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 ThủyLợi chủ trì đã nghiên cứu và thực hiện thí nghiệm này cho cọc ximăng đất để xác địnhkhả năng xuất hiện khe hở, mức độ thay đổi đường kính cọc thi công bằng phươngpháp 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 Bãithử 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 phươngtrong thanh đàn hồi, trong đó thay đổi kháng trở trong cọc và sức kháng của đất nền sẽtạo 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 tốcsóng c, đó là một hàm của mô-đun đàn hồi của vật liệu cọc E, và tỷ trọng Vì khángtrở cọc có quan hệ trực tiếp với tiết diện và modul đàn hồi cọc, nên cũng là số đo kíchthước 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 thicông khác nhau Một số công trình còn kết hợp với phương pháp thí nghiệm khác đểđánh giá chất lượng cọc trên hiện trường

Các mẫu được lấy trực tiếp từ hiện trường bằng các phương pháp và thiết bị lấy mẫuchuyên 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 vàonăm 1948 để thí nghiệm đất sét, sau này phát triển ở các nước Anglo-Saxon và trên thếgiới

Thí nghiệm này theo nguyên tắc là cắt đất trên một mặt phẳng định sẵn tạo bởi mộtngẫu lực xoắn để đất bị cắt xoay tròn (phá hủy) xung quanh cánh cắt Cân bằng giới

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 mũicôn mà dùng cánh cắt Thí nghiệm được tiến hành bằng cách nhấn cần xuyên có cánhvào cọc thí nghiệm, mũi của cánh xuyên được cắm vào tim cọc, áp lực kháng xuyênđược ghi chép và tính toán, từ đó cường độ kháng cắt của cọc thí nghiệm được xácđịnh Thí nghiệm này nhằm xác định cường độ dọc theo thân cọc và được thực hiện từđỉnh 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 vàphức tạp nên chỉ tiến hành ở dự án lớn và kết cấu quan trọng, với các dự án thôngthường 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 làmviệc thực tế của cọc Song trong nước hiện nay cũng chưa có một tiêu chuẩn hay quytrình riêng nào nói về vấn đề thí nghiệm chất tải cọc xi măng - đất Các thí nghiệmchất tải mà Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, Viện Khoa học Công nghệ Xây dựngthực 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 nghiêncứu 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

1.4 Kết luận chương 1

Trong chương này đã trình bày các khái niệm về đất yếu, nền đất yếu và các phươngpháp xây dựng công trình trên nền đất yếu Khi xây dựng công trình trên nền đất yếu,phải áp dụng toàn diện các biện pháp xử lý đối với kết cấu bên trên, kết cấu móng vàđối với xử lý nền Đôi khi nói đến đất yếu người ta thường nghĩ ngay đến xử lý nền

nhưng thực tế thì giải pháp gia cố, xử lý nền chỉ là một trong các giải pháp được vậndụng 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 rấtphức tạp, đòi hỏi công tác khảo sát, điều tra, nghiên cứu, phân tích và tính toán rấtcông phu Khi xây dựng công trình trên đất yếu mà không có biện pháp xử lý có thể sẽgây 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, giảmchi phí đầu tư xây dựng, bảo vệ môi trường) Việc lựa chọn phương pháp xử lý đất yếucũng rất quan trọng, mỗi phương pháp đều có phạm vi ứng dụng riêng, đôi khi phải kếthợp với nhau để tạo ra hiệu quả xử lý cao nhất Do đó người thiết kế căn cứ vào điềukiện 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 đấtnhằm đưa chất kết dính vào trong đất Cọc xi măng đất là giải pháp công nghệ thíchhợp 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 đểgia cố nền đất đắp, làm móng cho nhà công nghiệp, bảo vệ hố đào sâu, xử lý nền đểlấn biển, bảo vệ mái dốc ven sông (cắt cung trượt) Tuy nhiên những nghiên cứu vềbiện pháp này chưa thật đầy đủ, đặc biệt khi áp dụng cho công trình Thủy lợi: trongtính toán thiết kế vẫn còn tồn tại nhiều quan điểm, trường phái khác nhau, chủ yếuphải dựa vào kinh nghiệm và hiểu biết của người tư vấn để thiết kế; khi đánh giá chấtlượng 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 cũngchưa thật cụ thể, khó khăn khi áp dụng Luận văn này tập trung đi sâu vào hai nội dungtrên, nghiên cứu tìm hiểu và áp dụng cho một công trình thực tế, gớp phần làm sáng tỏvấn đề và cho sự phát triển của công nghệ cọc ximăng đất

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CỌC XI

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 ralàm cho nền đóng rắn thành một thể cọc xi măng đất có độ ổn định cao chịu lực tốthơn 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;

- 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 hốmóng 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 quảkinh 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 ghimômen xoán ở đầu cần khoan;

- Khâu thi công được tự động hóa gần như hoàn toàn, sau khi định vị máy khoan sẽtiến hành khoan một cách tự động, hàm lượng vữa xi măng sẽ được tự động điều chỉnhcho 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 Giới 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 hơnđường 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…

- 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 kínhtới 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 Tiến 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 trongkhối 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;

y x2 s

[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 địnhtrên có thể viết lại như sau:

- Trường hợp tải trọng đúng tâm:

Nmax N Q ul t

nc Fs

trong đó:

Nmax - tải trọng tác dụng lên mỗi cọc;

N - 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

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

tđ, Ctđ, Etđ được nâng cao (được tính từ , C, E của đất nền xung quanh cọc và vậtliệu làm cọc) Công thức quy đổi tương đương tđ, Ctđ, Etđ dựa trên độ cứng của cọcXMĐ, 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 As

As- Diện tích đất nền cần gia cố

Theo phương pháp tính toán này, bài toán gia cố đất có 2 tiêu chuẩn cần kiểm tra:+ Tiêu chuẩn về cường độ: tđ , 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

Khả năng chịu tải của cọc xi măng đất được quyết định bởi sức kháng cắt của đất baoquanh (đất bị phá hoại) hay sức kháng cắt của vật liệu cọc xi măng đất (cọc xi măngđất phá hoại) Loại phá hoại đầu phụ thuộc cả vào sức cản do ma sát mặt ngoài và sứcchịu 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 sétyếu khi đất phá hoại được tính theo biểu thức sau:

Qgh, đất = (dHcọc+2.25 d2)Cu

trong 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 bằngthí 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 sứcchịu ở chân cọc ximăng đất tương ứng là 9Cu Sức chịu ở chân cọc ximăng đất treokhông đóng vào tầng nén chặt, thường thấp so với mặt ngoài Sức chịu ở chân cọcximăng đất sẽ lớn khi cọc ximăng đất cắt qua tầng ép lún vào đất cứng nằm dưới cósức chịu tải cao Phần lớn tải trọng tác dụng sẽ truyền vào lớp đất ở dưới qua đáy củacọc ximăng đất Tuy nhiên sức chịu ở chân cọc ximăng đất không thể vượt qua độ bềnnén của bản thân cọc ximăng đất

Trong trường hợp cọc xi măng đất đã bị phá hoại trước thì các cọc xi măng đất đượcxem tương tự như một lớp đất sét cứng nứt nẻ Độ bền cắt của hỗn hợp sét ở dạng cụchay hợp thể đặc trưng cho giới hạn trên của độ bền Khi xác định bằng thí nghiệmxuyên hay cắt cánh, giới hạn này vào khoảng từ 2 4 lần độ bền cắt dọc theo mặt liênkết khi xác định bởi thí nghiệm nén có nở hông

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:

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 gh,cọc

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

Hình 2.3: Phá hoại khối

Hình 2.4: Phá hoại cắt cục bộKhả năng chịu tải giới hạn của nhóm cọc ximăng đất phụ thuộc vào độ bền cắt của đấtchưa xử lý giữa các cọc ximăng đất và độ bền cắt của vật liệu cọc ximăng đất Sự pháhoại 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 sẽquyết định khả năng chịu tải và khả năng chịu tải giới hạn của nhóm cọc ximăng-đấtđược tính theo:

trong đó:

B, L và H - chiều rộng, chiều dài và chiều cao của nhóm cọc ximăng-đất