Nghiên cứu, ứng dụng trụ đất xi măng để xử lý nền đất yếu dưới nền nhà máy nhiệt điện long phú 1 tỉnh sóc trăng

‘‘NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG TRỤ ĐẤT XI MĂNG ĐỂ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU DƯỚI NỀN NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN LONG PHÚ 1 – TỈNH SÓC TRĂNG’’ Sóc Trăng là khu vực có tầng đất yếu tương đối dày và rộng khắp, vì

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS - TS VÕ PHÁN

Cán bộ chấm nhận xét 1: ………

Cán bộ chấm nhận xét 2: ………

Luận văn Thạc Sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc Gia Tp.HCM, ngày …… tháng … năm 2015 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1 ;

2 ;

3 ;

4 ;

5 ;

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn của Trưởng khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sữa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA

KỸ THUẬT XÂY DỰNG

Tp HCM, ngày 08 tháng 12 năm 2014

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Khóa (Năm trúng tuyển): 2012

1- TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG TRỤ ĐẤT XI MĂNG ĐỂ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU DƯỚI NỀN NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN LONG PHÚ 1 – TỈNH SÓC TRĂNG 2- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

- Mở đầu;

- Chương 1: Tổng quan về phương pháp xử lý nền đất yếu bằng trụ đất xi măng;

- Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính toán trụ đất xi măng;

- Chương 3: Thí nghiệm xác định tỉ lệ xi măng /đất phù hợp cho địa chất khu vực

huyện Long Phú, tỉnh Sóc Trăng;

- Chương 4: Ứng dụng trụ đất xi măng để xử lý nền bãi than xỉ Nhà máy nhiệt điện

Long Phú 1, tỉnh Sóc Trăng;

- Kết luận và kiến nghị;

- Tài liệu tham khảo

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

(Họ tên và chữ ký)

Lời đầu tiên tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc đến thầy PGS.TS VÕ PHÁN – Thầy đã tận tình hướng dẫn, định hướng nghiên cứu và nhiệt tình giúp đỡ cho tác giả hoàn thành luận văn này;

Trong quá trình học tập và nghiên cứu tác giả đã được tập thể quý thầy cô bộ môn Địa cơ nền móng – khoa Kỹ thuật xây dựng, trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh nhiệt tình giảng dạy, truyền đạt nhiều kiến thức chuyên sâu về chuyên môn Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến tất cả quý thầy cô;

Xin gởi lời cảm ơn đến Phòng đào tạo sau đại học trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh, Phòng đào tạo sau đại học trường Đại học Cần thơ đã liên kết

tổ chức, tạo nhiều điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình đào tạo;

Sau cùng xin cảm ơn tập thể lớp Địa kỹ thuật xây dựng (CT) luôn sẳn sàng hỗ trợ giúp đỡ tác giả Cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp đã nhiệt tình ủng hộ khích lệ tinh thần tác giả trong quá trình học tập và nghiên cứu

Học viên thực hiện

Võ Trọng Bửu

‘‘NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG TRỤ ĐẤT XI MĂNG ĐỂ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU DƯỚI NỀN NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN LONG PHÚ 1 – TỈNH SÓC TRĂNG’’

Sóc Trăng là khu vực có tầng đất yếu tương đối dày và rộng khắp, vì vậy việc xây dựng các công trình có tải trọng lớn là điều thử thách và khó khăn cho các

kỹ sư xây dựng;

Nhiều phương pháp xử lý nền đất yếu được ứng dụng và phát triển để cải thiện nền đất yếu, một trong những phương pháp mang lại hiệu quả và kinh tế và kỹ thuật là trụ đất xi măng;

Thông qua sử dụng công trình cụ thể là Dự án nhà máy nhiệt điện Long Phú

1, tỉnh Sóc Trăng, tác giả trình bày kết quả nghiên cứu cấp phối đất trộn xi măng và đưa ra khuyến cáo về hàm lượng xi măng/đất cho kết quả cường độ hợp lý Đồng thời tác giả tính toán trụ đất xi măng bằng phương pháp giải tích và mô phỏng bằng phần mềm Plaxis 8.5, so sánh kết quả của hai phương pháp;

Sau khi nghiên cứu, tác giả đưa ra các kiến nghị về hàm lượng xi măng/đất, mật độ trụ, đường kính trụ, chiều dài trụ để đạt hiệu quả tối ưu trong điều kiện địa chất khu vực Long Phú, tỉnh Sóc Trăng

‘‘STUDY AND APPLY THE SOIL CEMENT PILE TO HANDLE THE SOFT GROUND BELOW THE LONG PHU 1 THERMAL POWER PLANT - SOC TRANG PROVINCE’’

Soc Trang has relatively weak soil that is thick and spead Therefor, when building constructions of the huge load have many challenges and difficulties for engineering;

There are many soft soil treatment methods that are used and developed to improved the soft soil, one of these methods which is useful for economy and technology is soil cement pile;

Throungout the use of a particular is Long Phu 1 thermal power plant project, Soc Trang The author presents the result of reseaching the ground mix cement – soil and make recommendations on the content between cement – soil to achieve optimal efficency of strenth In addition, the author uses analytical methods and Plaxis 8.5 software, then compares two methods;

After sudying, the author makes recommendations on the content between cement – soil, density of pile, diameter of pile, the length of the pile to achive optimal efficiency in soil layer of Long Phu district, Soc Trang Province

1 Tính cần thiết của đề tài 1

2 Nội dung nghiên cứu của đề tài 2

3 Phương pháp nghiên cứu của đề tài 2

4 Ý nghĩa và giá trị thực tiễn của đề tài 2

5 Hạn chế của đề tài 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG TRỤ ĐẤT XI MĂNG 3

1.1 Giới thiệu cọc xi măng đất 3

1.2 Mô hình bố trí cọc xi măng đất 4

1.3 Các công nghệ thi công cọc xi măng đất 5

1.4 Ứng dụng công nghệ cọc xi măng đất 6

1.5 Các yếu tố của đất ảnh hưởng đến cường độ cọc xi măng đất 8

1.5.1 Hàm lượng hữu cơ 8

1.5.2 Thành phần khoáng 8

1.5.3 Độ PH của đất 9

1.5.4 Tỉ lệ xi măng/đất 9

1.6 Các thí nghiệm tiến hành trong quá trình thiết kế, thi công cọc xi măng đất 12

1.6.1 Thí nghiệm trong phòng 12

1.6.1.1 Mẫu chế tạo trong phòng 12

1.6.1.2 Lấy mẫu hiện trường 12

1.6.1.3 Lấy mẫu ướt 12

1.6.2 Thí nghiệm hiện trường 13

1.6.2.3 Khảo sát độ đồng nhất và xác định gián tiếp các đặc trưng cơ học 13

1.7 Nhận xét 15

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TRỤ ĐẤT XI MĂNG ĐỂ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU 16

2.1 Nguyên lý đất trộn xi măng 16

2.2 Các phương pháp tính toán cọc xi măng đất 19

2.2.1 Phương pháp tính toán theo quan điểm cọc xi măng đất làm việc như cọc 20

2.2.1.1 Đánh giá ổn định của cọc xi măng đất theo trạng thái giới hạn 1(cường độ) 20

2.2.1.2 Đánh giá ổn định của cọc xi măng đất theo trạng thái giới hạn 2 (biến dạng) 20

2.2.2 Phương pháp tính toán theo quan điểm nền tương đương 20

2.2.3 Phương pháp tính toán theo quan điểm của Viện Kỹ Thuật Châu Á 22

2.2.3.1 Khả năng chịu tải của cọc đơn 22

2.2.3.2 Khả năng chịu tải giới hạn của nhóm cọc 22

2.2.4 Tính toán biến dạng 22

2.2.5 Tính toán các thông số cọc xi măng đất 24

2.2.6 Kiểm tra ổn định 25

2.3 Mô phỏng tính toán bằng phần mềm Plaxis 26

2.3.1 Mô hình Morh-Coulomb 26

2.3.1.1 Tổng quát về mô hình 26

2.3.1.2 Xác định thông số cho mô hình 28

2.4 Nhận xét 31

3.1 Mục đích thí nghiệm 32

3.2 Lựa chọn vật liệu 32

3.2.1 Vật liệu đất 32

3.2.2 Xi măng 32

3.2.3 Nước 32

3.3 Thiết bị và dụng cụ chủ yếu 32

3.4 Tiến hành thí nghiệm 33

3.4.1 Các chỉ tiêu cơ lý của đất 33

3.4.2 Tỷ lệ xi măng/đất 34

3.4.3 Đúc mẫu và bảo dưỡng mẫu 35

3.5 Thí nghiệm 36

3.5.1 Trình tự thí nghiệm 36

3.5.2 Tính toán kết quả thí nghiệm 37

3.5.3 Đánh giá cường độ chịu nén của mẫu đất trộn xi măng với các tỷ lệ khác nhau 39

3.5.4 Đánh giá cường độ chịu nén của mẫu đất trộn xi măng theo thời gian 43

3.6 Nhận xét 48

3.7 Kết luận 48

CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TRỤ ĐẤT XI MĂNG ĐỂ XỬ LÝ NỀN BÃI THAN XỈ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN LONG PHÚ, TỈNH SÓC TRĂNG 49

4.1 Tổng quan công trình 49

4.1.1 Địa diểm, quy mô công trình 49

4.2 Tính toán xử lý nền bãi chứa than xỉ Nhà máy nhiệt điện Long Phú 1, tỉnh Sóc

Trăng bằng trụ đất xi măng 52

4.2.1 Đặc điểm công trình 52

4.2.2 Tính toán xử lý nền bãi chứa than xỉ Nhà máy nhiệt điện Long Phú 1, tỉnh Sóc Trăng bằng phương pháp giải tích 53

4.2.2.1 Kiểm toán sức chịu tải của đất nền 55

4.2.2.2 Tính toán biến dạng của nền 56

4.2.3 Mô phỏng bằng phần mềm Plaxis để tính ổn định cho công trình 60

4.2.3.1 Tính toán độ lún công trình khi thay đổi tỉ lệ bố trí trụ đất xi măng thông qua phần mềm Plaxis 61

4.2.3.2 Tính toán độ lún công trình khi thay đổi chiều dài trụ đất xi măng thông qua phần mềm Plaxis 63

4.2.3.3 Tính toán độ lún giới hạn của công trình theo TCVN 9362 – 2012 bằng phần mềm Plaxis 68

4.3 Nhận xét, kết luận 70

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 71

Kết luận 71

Kiến nghị 72

Hướng nghiên cứu tiếp theo 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

Hình 1.1 Thi công trụ đất xi măng 3

Hình 1.2 Thí dụ bố trí trụ trộn khô 4

Hình 1.3 Thí dụ bố trí trụ trùng nhau theo khối 4

Hình 1.4 Thí dụ bố trí trụ trộn ướt trên mặt đất 4

Hình 1.5 Thí dụ bố trí trụ trộn ướt trên biển 5

Hình 1.6 Thí dụ bố trí trụ trùng nhau trộn ướt, thứ tự thi công 5

Hình 1.7 Trộn khô 6

Hình 1.8 Trộn ướt 6

Hình 1.9 Các ứng dụng của trộn sâu ( Terashi, 1997) 8

Hình 1.10 Quan hệ giữa tỷ lệ xi măng với đất và cường độ của xi măng-đất 9

Hình 1.11 Mẫu đúc hổn hợp xi măng đất lấy ở các độ sâu khác nhau 14

Hình 1.12 Các hình ảnh thí nghiệm hiện trường tại công trình Bể chứa nhiên liệu, phường trà Nóc, thành phố Cần Thơ 14

Hình 2.1 Mô hình tính lún trường hợp A 23

Hình 2.2 Mô hình tính lún trường hợp B 24

Hình 2.3 Phương pháp tính toán ổn định mái dốc 26

Hình 2.4 Ý tưởng cơ bản của mô hình đàn dẻo lý tưởng 27

Hình 2.5 Xác định Eoed từ thí nghiệm nén cố kết 28

Hình 2.6 Xác định Eref từ thí nghiệm 3 trục cố kết thoát nước 29

Hình 3.1 Lấy mẫu đất từ hiện trường 32

Hình 3.2 Gia công khuôn mẫu đường kính D = 56mm, H =112mm 33

Hình 3.3 Máy trộn mẫu đất – xi măng 33

Hình 3.4 Quá trình tạo mẫu và bảo dưỡng mẫu đất xi măng 36

măng của mẫu đất trộn xi măng ở 07 ngày tuổi 39

Hình 3.7 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa cường độ chịu nén đơn và hàm lượng xi măng của mẫu đất trộn xi măng ở 14 ngày tuổi 40

Hình 3.8 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa cường độ chịu nén đơn và hàm lượng xi măng của mẫu đất trộn xi măng ở 28 ngày tuổi 41

Hình 3.9 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa cường độ chịu nén đơn và hàm lượng xi măng của mẫu đất trộn xi măng ở độ tuổi 07; 14; 28 ngày 42

Hình 3.10 Đồ thị biểu diễn sự gia tăng cường độ chịu nén đơn theo thời gian của mẫu đất trôn xi măng với hàm lượng xi măng là 10% 43

Hình 3.11 Đồ thị biểu diễn sự gia tăng cường độ chịu nén đơn theo thời gian của mẫu đất trôn xi măng với hàm lượng xi măng là 12% 44

Hình 3.12 Đồ thị biểu diễn sự gia tăng cường độ chịu nén đơn theo thời gian của mẫu đất trôn xi măng với hàm lượng xi măng là 14% 45

Hình 3.13 Đồ thị biểu diễn sự gia tăng cường độ chịu nén đơn theo thời gian của mẫu đất trôn xi măng với hàm lượng xi măng là 16% 46

Hình 3.14 Đồ thị biểu diễn sự gia tăng cường độ chịu nén đơn theo thời gian của mẫu đất trôn xi măng với các hàm lượng xi măng là 10%, 12%, 14%, 16% 47

Hình 4.1 Mặt bằng tổng thể nhà máy nhiệt điện Long Phú 1 49

Hình 4.2 Phối cảnh nhà máy nhiệt điện Long Phú 1 50

Hình 4.3 Mặt cắt địa chất công trình 51

Hình 4.4 Trụ đất xi măng D800, lưới cọc (1,4 x 1,4)m 53

Hình 4.5 Mặt cắt ngang nền xử lý 53

Hình 4.6 Biểu đồ độ lún theo thời gian của nền gia cố 59

Hình 4.7 Mô phỏng tính toán bằng phần mềm Plaxis 8.5 61

Hình 4.10 Kết quả tính toán độ lún ứng với trường hợp as = 26%, Lcol = 9 m 64

Hình 4.11 Kết quả tính toán độ lún ứng với trường hợp as = 26%, Lcol = 11 m 64

Hình 4.12 Kết quả tính toán độ lún ứng với trường hợp as = 26%, Lcol = 11 m 65

Hình 4.13 Kết quả tính toán độ lún ứng với trường hợp as = 26%, Lcol = 17 m 65

Hình 4.14 Kết quả tính toán độ lún ứng với trường hợp as = 26%, Lcol = 20 m 66

Hình 4.15 Kết quả tính toán độ lún ứng với trường hợp as = 26%, Lcol = 25 m 66

Hình 4.16 Kết quả tính toán độ lún ứng với trường hợp as = 26%, Lcol = 30 m 67

Hình 4.17 Đồ thị biểu diễn kết quả tính lún ứng với as = 26%, chiều dài trụ từ 9 m đến 30 m 68

Hình 4.18 Độ lún của công trình ứng với as = 26%, chiều dài trụ 15 m, Sgh = 0,4 m, 69

Bảng 1.1 Kết quả thí nghiệm trong phòng xác định cường độ kháng nén của hỗn hợp

vật liệu xi măng đất 9

Bảng 1.2 Tỷ lệ xi măng với đất tối ưu tương ứng với các loại đất khác nhau (Mitchell and Freitag, 1959) 11

Bảng 1.3 Tỷ lệ xi măng với đất với các loại đất khác nhau theo hệ thống phân loại Unified (Mitchell and Freitag, 1959) 11

Bảng 2.1 Tương quan giữa mô-đun hữu hiệu và thông số sức chống cắt không thoát nước phụ thuộc vào chỉ số dẻo PI của đất sét yếu, Stroud và các đồng sự (1975) 30

Bảng 3.1 Các chỉ tiêu cơ lý của đất làm thí nghiệm 34

Bảng 3.2 Chế bị mẫu đất trộn xi măng 35

Bảng 3.3 Kết quả thí nghiệm nén đơn trục nở hông mẫu đất trộn xi măng 38

Bảng 4.1 Tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất 51

Bảng 4.2 Tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý trụ đất xi măng 54

Bảng 4.3 Các chỉ tiêu cơ lý của nền tương đương khi as = 26% 55

Bảng 4.4 Sức chịu tải cực hạn của nền tương đương 56

Bảng 4.5 Độ lún S1 của nền tương đương 57

Bảng 4.6 Độ lún S2 của nền dưới khối gia cố 58

Bảng 4.7 Độ lún St của nền gia cố 59

Bảng 4.8 Các thông số đầu vào ứng với as = 26 % 60

Bảng 4.9 Các thông số đầu vào ứng với as = 35 % 62

Bảng 4.10 Kết quả tính toán độ lún ứng với as = 26%, chiều dài trụ từ 9 m đến 30 m 68

G kPa : Module đàn hồi biến dạng cắt của đất

H0 m : Chiều dài ban đầu của lớp đất sét yếu

qu kPa : Sức chịu nén đơn

 độ : Góc ma sát trong trong điều kiện thoát nước

xi : cánh tay đòn của mảnh thứ I so với tâm quay

kPa : Ứng suất do trọng lượng bản thân đất

MỞ ĐẦU

1 Tính cần thiết của đề tài:

Những năm gần đây, Đồng bằng sông Cửu Long luôn là tâm điểm cho các nhà nghiên cứu đầu tư Cùng với sự phát triển chung của khu vực, Sóc Trăng cũng

là một trong các tỉnh được định hướng phát triển mạnh mẽ về mọi mặt Để đảm bảo cung cấp điện năng, đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế - xã hội của đất nước, cùng với việc tập trung đầu tư, khai thác, sử dụng các nguồn năng lượng sơ cấp trong nước, thực hiện liên kết năng lượng khu vực và quốc gia, Các dự án nhiệt điện trọng điểm của các tỉnh Đồng bằng sông Cửu Long cũng đã được đầu tư xây dựng như: nhà máy nhiệt điện Ô Môn - Cần Thơ, Khí - Điện - Đạm Cà Mau, nhà máy nhiệt điện Long Phú 1 - Sóc Trăng

Tuy nhiên, với đặc điểm địa lý sông ngòi chằng chịt, đất nền chủ yếu do phù

sa bồi lắng tạo thành, địa chất phức tạp, tầng đất yếu rất dày do đó vấn đề xử lý nền móng gặp nhiều khó khăn và tốn kinh phí cao Có nhiều phương pháp xử lý nền đất yếu phổ biến như: phương pháp làm chặt bằng sử dụng tải trọng tĩnh (phương pháp nén trước), sử dụng tải trọng động (đầm chấn động), phương pháp bấc thấm, phương pháp bơm hút chân không, phương pháp vải địa kỹ thuật, phương pháp cọc

bê tông cốt thép, cọc cát, trụ đất xi măng, cọc vôi Trên thế giới hiện nay phương pháp xử lý nền đất yếu phổ biến nhất là phương pháp trụ đất xi măng, tuy nhiên ở nước ta phương pháp này chỉ mới được áp dụng gần đây

Một số ưu điểm của phương pháp xử lý nền đất yếu bằng trụ đất xi măng như: Phạm vi áp dụng rộng, thích hợp với mọi loại đất từ bùn, sét đến sỏi cuội Có thể xử lý đất yếu một cách cục bộ, không ảnh hưởng đến lớp đất tốt Thi công được trong điều kiện ngập nước, khả năng xử lý sâu Mặt bằng thi công nhỏ, ít chấn động, ít tiếng ồn, hạn chế tối đa ảnh hưởng đến các công trình lân cận Thi công nhanh, kỹ thuật thi công không phức tạp, yếu tố rủi ro thấp, giảm thiểu vấn đề ô nhiễm môi trường

Trụ đất xi măng đã được ứng dụng rộng rãi và là một giải pháp kinh tế hiệu quả cho công trình Tuy nhiên do kiến tạo địa chất của từng vùng khác nhau, việc nghiên cứu phương pháp trụ đất xi măng để xử lý nền đất yếu ở Sóc Trăng là vấn đề

cần thiết, nghiên cứu này được áp dụng cho Dự án xử lý nền đất yếu của nhà máy nhiệt điện Long phú 1 tỉnh Sóc Trăng Đây sẽ là một trong những phương pháp nghiên cứu hiệu quả góp phần cho việc xử lý ổn định nền cho khu vực

2 Nội dung nghiên cứu của đề tài

- Thí nghiệm xác định tỷ lệ xi măng/đất phù hợp cho địa chất khu vực huyện Long Phú, tỉnh Sóc trăng;

- Tính toán khả năng chịu tải của đất nền khi thay đổi khoảng cách giữa các trụ nhằm xác định tỷ lệ bố trí trụ đất xi măng hợp lý;

- Ảnh hưởng của trụ đất xi măng đến khả năng chịu tải của đất nền khi thay đổi chiều dài trụ, nhằm xác định chiều dài trụ tố ưu;

- Ứng dụng tính toán xử lý nền cho bãi chứa than xỉ Nhà máy nhiệt điện Long Phú 1, tỉnh Sóc Trăng bằng phương pháp trụ đất xi măng

3 Phương pháp nghiên cứu của đề tài

- Nghiên cứu lý thuyết: nghiên cứu giải pháp xử lý nền đất yếu bằng trụ đất

xi măng và các phương pháp thí nghiệm trong phòng để xác định các tính chất cơ lý của đất nền và đất gia cố;

- Nghiên cứu thực nghiệm: chế bị mẫu thử và thí nghiệm tìm ra tỉ lệ xi măng/đất cho kết quả phù hợp trong điều kiện địa chất khu vực Phân tích và đánh giá kết quả thử nghiệm đồng thời ứng dụng kết quả vào tính toán ổn định nền;

- Nghiên cứu mô phỏng: Dùng phần mềm Plaxis để mô phỏng, tính toán ổn định nền cho công trình Nhà máy nhiệt điện Long phú 1, tỉnh Sóc Trăng

4 Ý nghĩa và giá trị thực tiễn của đề tài

- Đề tài làm rõ hơn về ứng xử của trụ đất xi măng trong điều kiện địa chất tại huyện Long Phú, tỉnh Sóc Trăng, từ đó có số liệu để đánh giá khái quát về khả năng ứng dụng của trụ đất xi măng trong việc xử lý nền đất yếu cho khu vực có điều kiện địa chất tương tự;

- Nghiên cứu này được sử dụng như một tài liệu tham khảo hữu ích cho các

kỹ sư thiết kế và Chủ đầu tư trong việc tính toán lựa chọn phương án xử lý nền đất yếu tại khu vực huyện Long Phú, tỉnh Sóc Trăng nhằm mang lại hiệu quả cao về mặt kỹ thuật và kinh tế

5 Hạn chế của đề tài

Đề tài nghiên cứu mang tính chất tổng hợp các lý thuyết đã học và tham khảo các tài liệu có liên quan, áp dụng tính toán trên một công trình cụ thể nhưng chưa so sánh với kết quả quan trắc thực tế

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG TRỤ ĐẤT XI MĂNG

1.1 Giới thiệu trụ đất xi măng

Trụ đất xi măng (Deep soil mixing columns, soil mixing pile) là công nghệ

xử lý nền đất yếu bằng phường pháp trộn sâu Được phát minh đầu tiên ở Mỹ vào những năm 1954, nhưng chúng chỉ thực sự phát triển ở Nhật Bản và Thụy Điển, sau

đó việc ứng dụng đã lan rộng ra các quốc gia khác ở châu Âu, châu Á;

Trụ đất xi măng là hỗn hợp giữ đất nguyên trạng nơi cần gia cố và xi măng được phun xuống nền đất bởi thiết bị khoan phun Mũi khoan được khoan xuống làm tơi đất cho đến khi đạt độ sâu lớp đất cần gia cố thì quay ngược lại và dịch chuyển lên Trong quá trình dịch chuyển lên, xi măng được phun vào nền đất (bằng

áp lực khí nén đối với hỗn hợp khô hoặc bằng bơm vữa đối với hỗn hợp dạng vữa ướt)

Trụ đất xi măng

đã được gia cố

Hoàn thiện móng công trình

Hình 1.1 Thi công trụ đất xi măng

1.2 Mô hình bố trí trụ đất xi măng [1]

Tùy theo mục đích sử dụng một số mô hình thi công thể hiện trên các hình

Để giảm độ lún bố trí trụ đều theo lưới tam giác hoặc ô vuông Để làm tường chắn thường tổ chức thành dãy

b

Hình 1.2 Thí dụ bố trí trụ trộn khô:

a) Dải; b) Nhóm, c) Lưới tam giác, d) Lưới vuông

Hình 1.3 Thí dụ bố trí trụ trùng nhau theo khối

Hình 1.4 - Thí dụ bố trí trụ trộn ướt trên mặt đất:

a) Kiểu tường, b) Kiểu khối, c) Kiểu diện, d) Kiểu kẻ ô

Hình 1.5 Thí dụ bố trí trụ trộn ướt trên biển:1 Kiểu khối , 2 Kiểu tường, 3 Kiểu kẻ

ô, 4 Kiểu cột, 5 Cột tiếp xúc, 6 Tường tiếp xúc, 7 Kẻ ô tiếp xúc, 8 Khối tiếp xúc

Hình 1.6 Thí dụ bố trí trụ trùng nhau trộn ướt, thứ tự thi công

1.3 Các công nghệ thi công trụ đất xi măng

Hiện nay phổ biến hai công nghệ thi công trụ đất xi măng là: Công nghệ trộn khô (Dry Mixing) và Công nghệ trộn ướt (Wet Mixing)

Công nghệ trộn khô (Dry Mixing): Công nghệ này sử dụng cần khoan có gắn các cánh cắt đất, chúng cắt đất sau đó trộn đất với vữa xi măng bơm theo trục khoan

Công nghệ trộn ướt (hay còn gọi là Jet-grouting): Phương pháp này dựa vào nguyên lý cắt nham thạch bằng dòng nước áp lực Khi thi công, trước hết dùng máy

khoan để đưa ống bơm có vòi phun bằng hợp kim vào tới độ sâu phải gia cố (nước + XM) với áp lực khoảng 20 MPa từ vòi bơm phun xả phá vỡ tầng đất Với lực xung kích của dòng phun và lực li tâm, trọng lực sẽ trộn lẫn dung dịch vữa, rồi sẽ được sắp xếp lại theo một tỉ lệ có qui luật giữa đất và vữa theo khối lượng hạt Sau khi vữa cứng lại sẽ thành trụ đất xi măng

xi măng dùng để xử lý - gia cố nền đất yếu trong xây dựng nhà và công trình có tải trọng nhẹ, khối đắp, cũng như trong ổn định mái dốc

Nhiều đề tài nghiên cứu đã bắt đầu được triển khai Năm 2001, Công ty Hacules kết hợp với Công ty Phát triển Kỹ thuật Xây dựng thi công cột xi măng đất làm nền móng cho bể chứa xăng đầu tại khu công nghiệp Trà Nóc – Cần Thơ với khối lượng 50.000 m dài cột Năm 2002, một số dự án bắt đầu ứng dụng trụ đất xi măng vào xây dựng các công trình trên nền đất yếu của Việt Nam Cụ thể là Dự án cảng Ba Ngòi – Khánh Hòa đã sử dụng 4000 m trụ đất xi măng có đường kính D 60 thi công bằng công nghệ này Năm 2004, trụ đất xi măng được sử dụng để gia cố nền móng cho nhà máy nước huyện Vụ Bản – Hà Nam Xử lý nền móng cho bồn chứa xăng dầu ở Đình Vũ- Hải Phòng Các dự án trên đều sử dụng công nghệ trộn khô, độ sâu xử lý nhỏ hơn 20 m

Các nghiên cứu về khả năng chống thấm cho công trình Thủy lợi được bắt đầu vào năm 2004 trong khuôn khổ Đề tài cấp nhà nước về cống dưới đê thuộc hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình Mục tiêu là xử lý chống thấm cho các cống dưới đê Công trình xử lý chống thấm đầu tiên là cống D 10 – Hà Nam, sau đó lần lượt là cống Trại – Nghệ An Trong năm 2005, lần đầu tiên Viện đã kết hợp với LICOGI 13 sử dụng cả công nghệ trộn kiểu tia (Jet – Grouting) với chất kết dính dạng vữa kết hợp với công nghệ trộn kiểu cơ khí (Mechanic) với chất kết dính dạng bột để thi công chống thấm cho 1 đoạn đê quai của thủy điện Sơn La Từ đó đến nay, nhiều ứng dụng về chống thấm cho các công trình Thủy lợi đã được thực hiện như công trình cống sông Cui – Long An, công trình đập Đá Bạc – Hà Tĩnh, công trình đập Khuôn Cát – Lạng Sơn, đập Nà Zanh – Cao Bằng, đập Hao Hao – Thanh Hóa…

Năm 2008, nhận thấy tiềm năng ứng dụng và yêu cầu bức bách trong sản xuất

Bộ Nông Nghiệp & PTNT đã cho triển khai đề tài “Nghiên cứu ứng dụng giải pháp

xử lý nền móng công trình Thủy lợi trên đất yếu đồng bằng sông Cửu Long bằng cột xi măng đất khoan trộn sâu” Mục tiêu của đề tài là ứng dụng giải pháp xử lý nền đất yếu bằng công nghệ trộn sâu, có giá thành hợp lý, công trình thử nghiệm là

cần chứng minh được là giảm ít nhất 30% giá thành so với các loại công nghệ xử lý nền hiện nay, giảm được thời gian thi công 50%

Hình 1.9 Các ứng dụng của trộn sâu ( Terashi, 1997)[1]: 1 Đường bộ, 2 ổn định/lún, 3 Mố cầu, 4 Thành hố đào, 5 Giảm ảnh hưởng từ các công trình lân cận, 6 Chống nâng đáy hố đào, 7 Chống chuyển dịch ngang của móng cọc, 8 Đê

biển, 9 Ngăn nước

1.5 Các yếu tố của đất ảnh hưởng đến cường độ trụ đất xi măng

1.5.1 Hàm lượng hữu cơ

Hàm lượng hữu cơ trong đất cao làm ngăn cản quá trình hydrat hóa của xi măng, giảm cường độ chịu nén Lượng sét mịn trong đất tỉ lệ thuận với hàm lượng

xi măng cần sử dụng

1.5.2 Thành phần khoáng

Trong điều kiện đất nền như nhau thì loại đất nào có hoạt tính pozzolan cao hơn thì cho cường độ lớn hơn Hilt và Davidson (1960) cho rằng các loại đất sét monmorilonit và kaolinit là những hoạt chất pozzolan có hiệu quả so với các loại đất sét chứa khoáng illite, chlorite hoặc vermiculite Wissa và những người khác (1965) cũng giải thích rằng số lượng xi măng thứ cấp sinh ra trong phản ứng

pozzolan giữa hạt sét và vôi tôi phụ thuộc vào số lượng và thành phần khoáng của sét cũng như silica và alumina có trong đất

1.5.3 Độ PH của đất

Những phản ứng pozzolan lâu dài sẽ thuận lợi khi độ PH lớn vì phản ứng sẽ được thúc đẩy nhanh nhờ độ hòa tan của silicate và aluminate trong hạt sét gia tăng 1.5.4 Tỉ lệ xi măng/đất

Việc lựa chọn tỷ lệ xi măng với đất ảnh hưởng rất lớn đến tính chất của hỗn hợp vật liệu xi măng đất và giá thành công trình Cường độ kháng nén (qu) là một chỉ tiêu để tính toán sức chịu tải của cọc, theo [2] Thí nghiệm trong phòng với các

tỷ lệ trộn xi măng với đất dính khác nhau cho kết quả như bảng sau:

Bảng 1.1 Kết quả thí nghiệm trong phòng xác định cường độ kháng nén của hỗn hợp vật liệu xi măng đất theo [2]

500 1000 1500 2000 2500

Tỷ lệ xi măng với đất (as) được tính theo % khối lượng xi măng so với khối lượng đất khô Để chọn tỷ lệ pha trộn các hỗn hợp gia cố theo phương pháp thí nghiệm trong phòng xác định sức kháng nén của mẫu xi măng đất Để giảm bớt số mẫu và thời gian thí nghiệm chúng tôi giới thiệu một số kinh nghiệm để độc giả tham khảo

Theo thống kê, tỷ lệ xi măng với đất thích hợp thay đổi theo từng loại đất và

có giá trị biến đổi trong phạm vi nhất định Trong xi măng-đất thường dùng xi măng silicát phổ thông hoặc xi măng xỉ quặng Lượng xi măng trộn vào là 7% ÷ 15% trọng lượng khô của đất cần gia cố hoặc lượng xi măng từ 180 ÷ 250 kg/m3 đất gia

cố Thông thường, khi hàm lượng hạt sét trong đất yếu tăng thì lượng xi măng yêu cầu cũng tăng (Bell, 1993)

Theo nghiên cứu của Lan Wang [3], lượng xi măng thay đổi trong phạm vi

từ 4% đến 16% trọng lượng khô của đất cần gia cố

Qua nghiên cứu so sánh, Shiells và các cộng sự (2003) kết luận: thông thường phương pháp trộn ướt sử dụng tỷ lệ xi măng với đất cao hơn so với phương pháp trộn khô

- Lượng xi măng từ 180 ÷ 400 kg/m3 đất cần gia cố đối với phương pháp trộn ướt;

- Lượng xi măng từ 90 ÷ 180 kg/m3 đất cần gia cố đối với phương pháp trộn khô

Theo nghiên cứu của hai tác giả Mitchell and Freitag, 1959 [4]:

- Thông thường xi măng đất chứa từ 10% ÷ 16% xi măng so với trọng lượng của đất cần gia cố và thường sử dụng để ổn định đất sét dẻo thấp;

- Lượng xi măng yêu cầu phụ thuộc vào loại đất, trạng thái của đất cần gia cố;

- Tỷ lệ xi măng với đất tối ưu (so với trọng lượng khô của đất cần gia cố) phụ thuộc vào các loại đất khác nhau như bảng 1.3, bảng 1.4:

Bảng 1.2 Tỷ lệ xi măng với đất tối ưu tương ứng với các loại đất khác nhau (Mitchell and Freitag, 1959)

%

1 Đất tốt chứa sỏi, cát hạt thô, cát hạt mịn, có

Bảng 1.3 Tỷ lệ xi măng với đất với các loại đất khác nhau theo hệ thống phân loại Unified (Mitchell and Freitag, 1959)

thường, xi măng Portland với hàm lượng vào khoảng 200 kg/m3 được sử dụng trong các nghiên cứu ổn định đất sét biển mềm yếu

Tóm lại, việc lựa chọn tỷ lệ xi măng với đất nên dựa trên cơ sở các kinh nghiệm đề xuất trong nhiều công trình nghiên cứu trước đây Sau đó, tiến hành thí nghiệm trong phòng xác định sức kháng nén của mẫu xi măng đất Cuối cùng, chọn

ra tỷ lệ xi măng với đất thích hợp

1.6 Các thí nghiệm tiến hành trong quá trình thiết kế, thi công trụ đất xi măng

Phương pháp thí nghiệm phải thích hợp với mục đích ứng dụng Nếu để giảm

độ lún, mô đun biến dạng là thông số cần quan tâm chính, còn trong ổn định và chống trượt thì thông số cường độ lại là chủ yếu Để ngăn ngừa vùng ô nhiễm thì tính thấm lại được xét đến đầu tiên

1.6.1 Thí nghiệm trong phòng

Gồm thí nghiệm các mẫu trộn trong phòng và các mẫu lấy ở các độ sâu khác nhau trong thân trụ hiện trường

1.6.1.1 Mẫu chế tạo trong phòng

Phương pháp chế bị và thí nghiệm tham khảo Phụ lục C, D [1] Hệ số hiệu chỉnh giữa cường độ mẫu trong phòng và hiện trường xác định qua kết quả thí nghiệm và kinh nghiệm thực tế

1.6.1.2 Lấy mẫu hiện trường

Mẫu được lấy nhờ thiết bị khoan xoay Lựa chọn kỹ thuật lấy mẫu, đường kính mẫu phụ thuộc vào loại và cường độ của đất xử lý số lượng mẫu phụ thuộc quy mô hoặc độ phức tạp của dự án, ít nhất cần khoan lấy mẫu 3 hố cho một loại máy trộn Chiều sâu khoan đến mũi trụ xử lý Đặc trưng cường độ và mô đun đàn hồi, Ecol của mẫu thường được xác định từ kết quả thí nghiệm nén không hạn chế nở hông

1.6.1.3 Lấy mẫu ướt

Dụng cụ lấy mẫu ướt dùng ở châu Âu Mẫu được lấy khi vừa thi công xong trụ trộn ướt, thường 500 m3 đất xử lý lấy 1 mẫu hoặc một ngày thi công của 1 máy lấy 1 mẫu Đưa thiết bị xuống độ sâu cần lấy mẫu, thiết bị tự động ngoạm lấy mẫu,

đưa lên mặt đất và cho vào khuôn hình trụ hoặc lập phương Thí nghiệm mẫu sau khi bảo dưỡng trong nhiệt độ quy định So sánh mẫu bảo dưỡng tại hiện trường và mẫu lấy ướt cho biết sự khác nhau của cường độ và tăng trưởng cường độ

1.6.2 Thí nghiệm hiện trường

1.6.2.1 Thí nghiệm trụ thử

Để khảo sát độ đồng nhất của trụ thử các dạng xuyên hoặc khoan lấy mẫu như đã nói trong phần trên được áp dụng, đôi khi còn cắt nguyên cả trụ Đối với một thiết bị trộn, nên thi công không ít hơn hai trụ thử với hàm lượng chất kết dính khác nhau

Một khía cạnh quan trọng của thí nghiệm hiện trường đó là xác định các thông số kiểm soát cho thi công gồm vận tốc pha xuyên xuống, rút lên, tốc độ quay

và mô men xoắn, tốc độ truyền liệu

1.6.2.2 Xác định trực tiếp đặc trưng cơ học

Thí nghiệm nén ngang thành hố khoan (pressuremeter test) cho phép xác định cường độ kháng cắt và hệ số nén của trụ Thí nghiệm cần phải khoan trước hố trong thân trụ và lắp đặt thiết bị nén ngang thành hố khoan

Thí nghiệm nén tĩnh trụ đơn để xác định sức chịu tải của trụ thực hiện theo [6] Kết quả thí nghiệm cho biết sức chịu tải cực hạn của trụ đơn ứng với độ lún bằng 10 % đường kính trụ

Thí nghiệm bàn nén hiện trường theo [7] Kích thước bàn nén có thể mở rộng đến 2 lần đường kính trụ

Thí nghiệm chất tải diện rộng tiến hành cùng quan trắc độ lún sâu, độ lún bề mặt, áp lực nước lỗ rỗng phản ánh khá chính xác ứng xử của nền đất xử lý nên được dùng cho các công trình có quy mô lớn Quy trình thí nghiệm do thiết kế quy định 1.6.2.3 Khảo sát độ đồng nhất và xác định gián tiếp các đặc trưng cơ học

Thí nghiệm CPT, đại diện là xuyên côn thông dụng, dùng để xác định các thông số cường độ và độ liên tục của trụ Khó khăn khi thực hiện thí nghiệm CPT là giữ độ thẳng đứng vì thế khối lượng thí nghiệm bị giới hạn

Thí nghiệm xuyên trụ, dùng đầu xuyên cánh cải tiến có cánh xuyên với vận tốc khoảng 20 mm/s, ghi liên tục sức kháng xuyên Phương pháp dùng cho các trụ

sâu không quá 8 m, cường độ không quá 300 kPa Nếu dùng khoan dẫn hướng có thể thí nghiệm xuyên đến độ sâu 20 m, cường độ 600 kPa

Hình 1.11 Mẫu đúc hổn hợp xi măng đất lấy ở các độ sâu khác nhau

a b

c d

Hình 1.12 Các hình ảnh thí nghiệm hiện trường tại công trình Bể chứa nhiên liệu,

phường trà Nóc, thành phố Cần Thơ:

a, b) Thí nghiệm nén tĩnh một trụ; c) Thí nghiệm thử trụ theo phương ngang;

d Thí nghiệm chất tải toàn phần trên toàn diện tích gia cố

1.7 Nhận xét

Gia cố nền đất yếu bằng phương pháp trụ đất xi măng đã được phát triển rộng rãi trên thế giới, nhưng ở Việt Nam thì mới được phổ biến gần đây và mang lại hiệu quả kinh tế cho công trình một cách rõ rệt Đây là giải pháp hữu ích, tốn ít thời gian nhưng vẫn đảm bảo tăng cường khả năng chịu tải của đất nền Tuy nhiên vẫn còn một số hạn chế là do công nghệ mới nên chủ công nghệ đa phần do nước ngoài thực hiện và các công trình đã thực hiện chủ yếu được thiết kế bằng các quy trình của nước ngoài như Thụy Điển, Trung quốc và Nhật Bản

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TRỤ ĐẤT XI MĂNG ĐỂ

XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU

2.1 Nguyên lý đất trộn xi măng [8]

Hạt xi măng Portland là một hợp chất bao gồm Tricalcium Silicate (C3S), Dicalcium Silicate (C2S), Tricalcium Aluminate (C3A) và các chất rắn hòa tan như Tetracalcium Alumino-Ferrit (C4A) Bốn phần tử chính này tạo nên sản phẩm hỗn hợp tạo độ bền chủ yếu

Khi nước lỗ rỗng của đất gặp xi măng, thủy hóa xi măng xảy ra nhanh chóng và sản phẩm của sự thủy hóa chính yếu ban đầu này là Hydrated Calcium Silicate (C3SHX, C3S2HX), Hydrated Calcium Aluminate (C3SAX, C3S2AX)

và Hidrocid vôi Ca(OH)2 Hai sản phẩm kết dính xi măng chính được hình thành và thủy hóa vôi được sử dụng như pha tinh thể rắn tách biệt

Những phần tử xi măng này kết hợp các hạt xi măng nằm kế bên với nhau trong suốt quá trình hóa cứng để tạo thành hỗn hợp bộ khung bao quanh các hạt đất nguyên vẹn Các pha Silicate và Aluminate được kết hợp nội tại, do đó hầu như không có pha nào kết tinh hoàn toàn Một phần của Ca(OH)2 cũng có thể kết hợp với các pha Hydrate khác, chỉ có một phần được kết tinh Hơn nữa thủy hóa xi măng dẫn đến gia tăng độ pH của nước lỗ rỗng gây ra bởi sự phân ly của vôi Hydrate Các bazơ mạnh hòa tan Silicate và Aluminate từ cả khoáng vật sét

và các chất vô định hình khác trên những mặt của các hạt sét, theo cách tương tự như phản ứng acid yếu và bazơ mạnh Các Silica và Alumina ngậm nước sau đó

sẽ từ từ phản ứng với các ion Calcium tự do từ sự thủy phân xi măng để tạo thành hợp chất không hòa tan Phản ứng thứ yếu này được gọi là phản ứng puzzola Hợp chất thủy hóa xi măng thì vẫn chưa được xác định rõ ràng bởi các công thức hóa học, vì thế quan tâm đến các biến thể là khả thi Các hợp chất trong xi măng Portland được biến thể khi có nước như sau:

2(3CaO.SiO2) + 6H2O = 3CaO.SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2 (2.1) 2(2CaO.SiO2) + 4H2O = 3CaO.SiO2.3H2 + Ca(OH)2 (2.2) 4CaO.Al2O3.Fe2O3+10H2O+2Ca (OH)2 = 6CaO.Al2O3.Fe2O3.12H2O (2.3)

3CaO.Al2O3 + 12H2O+ 2Ca(OH)2 = 6CaO.Al2O3.Ca(OH)2.12H2O (2.4) 3CaO.Al2O3 + 10H2O + Ca SO4.2H2O = 3CaO.Al2O3.CaSO4.12H2O (2.5)

Hai phản ứng (2.1) và (2.2), những chất của chúng hợp thành từ 75% xi măng Portland, chỉ ra rằng sự thủy hóa của hai loại Calcium Silicate tạo ra các hợp chất mới: vôi và tobermorite gel, sau đó đóng vai trò quan trọng liên quan đến cường độ và thể tích chủ yếu được quyết định bởi vôi và tobermorite gel Những phản ứng diễn ra trong gia cố xi măng - đất có thể được trình bày trong những phương trình được đưa ra sau đây:

CaS + H2O C3S2Hx ( hydrated gel) + Ca(OH)2 (2.6) Ca(OH)2 Ca++ + 2(OH)- (2.7)

Ca++ + 2(OH) - CSH (2.8)

Khi độ pH < 12.6 thì phản ứng sau xảy ra:

C3S2Hx + H2O C2S2Hx + Ca(OH)2 (2.10)

Để có thêm các lực liên kết được tạo ra trong hỗn hợp xi măng – sét, thành phần silicate và aluminate trong vật liệu phải hòa tan được Tính tan được của các khoáng vật sét thì chịu ảnh hưởng như nhau bởi sự hiện diện của những tạp chất, bởi mức độ kết tinh của các vật liệu liên quan, bởi cỡ hạt v.v… Trong những phương trình trên, lực dính kết của những sản phẩm làm cứng bề mặt chủ yếu mạnh hơn nhiều so với sản phẩm thứ yếu Với độ pH < 12.6, phản ứng tạo C3S2Hx có thể xãy ra Tuy nhiên, độ pH hạ xuống trong suốt phản ứng puzzolan và giảm pH có khuynh hướng thúc đẩy sự thủy phân để tạo thành CSH Sự hình thành của CSH chỉ có ích khi nó được hình thành bởi phản ứng puzzolan của vôi và silica trong đất, nhưng nó sẽ bất lợi khi CSH được tạo thành từ sự tiêu hủy C3S2Hx Những đặc tính độ bền phát sinh của C3S2Hx thì ưu việt hơn CSH Sự thủy hóa xi măng và phản ứng puzzolan có thể kéo dài hàng tháng, hoặc thậm chí 1 năm sau khi trộn, và vì thế độ bền của đất được gia cố xi măng sẽ tăng theo thời gian Điều này có nghĩa trong xi măng - đất

bao gồm những hạt sét mịn, những hợp chất hóa cứng chủ yếu và thứ yếu được tạo thành Những sản phẩm chủ yếu hóa rắn thành những phụ gia cường độ cao và

nó khác xi măng thông thường trong bê tông Các quá trình thứ yếu làm gia tăng cường độ và tính bền vững của xi măng – đất bởi việc sản sinh ra thêm những hóa chất cứng khác để nâng cao độ bền liên kết

Quá trình phản ứng lý – hóa của việc cải tạo đất bằng xi măng khác với nguyên lý đóng rắn của bê tông Đóng rắn của bê tông chủ yếu là xi măng thực hiện tác dụng thủy giải và thủy hóa trong cốt liệu thô và cốt liệu nhỏ, do đó tốc

độ đóng rắn khá nhanh Khi dùng xi măng gia cố đất, do lượng xi măng trộn vào trong đất rất ít (chỉ chiếm từ 7 – 15% trọng lượng đất gia cố), phản ứng thủy giải và thủy hóa của xi măng hoàn toàn thực hiện trong môi trường có hoạt tính nhất định – sự khuây kín của đất, do đó tốc độ đóng rắn chậm và tác dụng phức tạp cho nên quá trình tăng trưởng cường độ của xi măng gia cố đất cũng chậm hơn bê tông

Nguyên lý cơ bản của việc gia cố xi măng – đất: xi măng sau khi trộn với đất sẽ sinh ra một loạt các phản ứng hóa học rồi dần đóng rắn lại Các phản ứng chủ yếu của chúng là:

· Phản ứng thủy giải và thủy hóa của xi măng

· Tác dụng của các hạt đất với các chất thủy hóa của xi măng

· Tác dụng cacbonat hóa

Từ nguyên lý trên có thể thấy, do tác dụng cắt gọt và nhào trộn của cần khoan trên thực tế không thể nào tránh khỏi đất còn sót lại một ít cục chưa bị đập

vỡ, khi trộn vào với xi măng sẽ có hiện tượng xi măng bao lấy cục đất, khe rỗng

to giữa các cục đất trên cơ bản được lấp kín bằng các hạt xi măng Cho nên trong đất xi măng sau khi gia cố hình thành tình huống là bên trong cục đất lớn nhỏ khác nhau thì không có xi măng mà ở xung quanh thì lại khá nhiều Chỉ có qua một thời gian tương đối dài, các hạt đất ở trong cục xi măng dưới tác dụng thẩm thấu của các chất thủy giải của xi măng mới dần dần cải biến được tính chất của

nó Do đó trong xi măng – đất sẽ không tránh khỏi tình trạng có những vùng đất cục có cường độ thấp hơn Hai loại này xen kẽ nhau trong không gian, hình

thành một dạng xi măng – đất đặc biệt Có thể nói một cách định tính là việc trộn cưỡng bức giữa xi măng và đất càng kỹ thì đất bị đập vỡ càng nhỏ, xi măng phân

bố vào trong đất càng nhiều thì tính ly tán về cường độ xi măng – đất càng nhỏ, cường độ tổng thể trên phạm vi rộng rãi sẽ càng cao

2.2 Các phương pháp tính toán trụ đất xi măng

Hiện nay có 3 quan điểm tính toán trụ đất xi măng:

- Quan điểm xem trụ đất xi măng làm việc như cọc

- Quan điểm xem các trụ và đất làm việc đồng thời (nền tương đương)

- Một số các nhà khoa học lại đề nghị tính toán theo cả 2 phương thức trên nghĩa là sức chịu tải thì tính toán như "cọc" còn biến dạng thì tính toán theo “nền”

Sở dĩ các quan điểm trên chưa thống nhất bởi vì bản thân vấn đề phức tạp, những nghiên cứu về lý thuyết và thực nghiệm còn hạn chế Có người đề xuất cách tính toán như sau:

+ Tính sức chịu tải của một trụ như cọc cứng

+ Tính số trụ cần thiết (Căn cứ lực tác dụng, khả năng chịu tải của đất móng giữa các trụ)

+ Tùy thuộc tỷ lệ diện tích thay thế giữa trụ và đất để tính toán tiếp

- Nếu tỷ lệ này >20% thi coi khối đất và trụ là một khối và tính toán như một khối móng quy ước

- Ngược lại thì tính toán như móng cọc

Với mỗi quan điểm tính có phương pháp tính khác nhau Ở Việt Nam cũng như trên thế giới đã phát triển một số phương pháp tính toán trụ đất xi măng như: tính toán theo TCVN 9403: 2012; tính toán theo tiêu chuẩn gia cố cọc đất - vôi - xi măng Châu Âu; phương pháp tính toán theo quan điểm trụ đất xi măng làm việc như trụ; tính toán theo tiêu chuẩn gia cố trụ đất – xi măng Thượng Hải – Trung Quốc; phương pháp tính toán theo quan điểm hỗn hợp của Viện kỹ thuật Châu Á 2.2.1 Phương pháp tính toán theo quan điểm trụ đất xi măng làm việc như cọc 2.2.1.1 Đánh giá ổn định của trụ đất xi măng theo trạng thái giới hạn 1(cường độ)

- Để móng trụ đảm bảo an toàn cần thỏa mãn các điều kiện sau :

3 ( u.col h

col

(2.14) [M] : Moment giới hạn của trụ đất xi măng

Nói chung trong thực tế quan điểm này có nhiều hạn chế và có nhiều điểm chưa

rõ ràng, chính vì lý do đó mà ít được dùng trong tính toán

2.2.2 Phương pháp tính toán theo quan điểm nền tương đương

Nền trụ và đất dưới đáy móng được xem như nền đồng nhất với các số liệu cường độ φtđ, Ctđ, γtđ , Etđ được nâng cao Gọi as là tỉ lệ giữa diện tích trụ xi đất xi măng thay thế trên diện tích đất nền [9]

Etđ, Ctđ, φtđ,γtđ: Mô đun Đàn hồi, lực dính, góc nội ma sát và trọng lượng riêng tương đương của nền đất yếu được gia cố

Các đặc trưng cơ lý của vật liệu đất xi măng được xác định dựa trên giá trị cường độ nén không hạn chế nở hông từ thí nghiệm và quy đổi bằng các công thức thực nghiệm, theo [10]:

Lực dính của vật liệu đất xi măng

c = (0.08÷0.23) q

(2.19)Ngoài công thức thực nghiệm trên, lực dính của vật liệu đất xi măng có thể lấy theo tiêu chuẩn FHWA–SA–98–86 của Mỹ với giá trị từ 10 đến 50 lần Su của đất nền để đưa vào tính toán

Góc ma sát trong của vật liệu đất xi măng

u c

+ Theo dự thảo tiêu chuẩn thiết kế thi công và nghiệm thu cọc đất – xi măng

+ Theo [11], tại bảng 5 trang 93: Ec = (100 ÷ 500) qu (2.24)Theo phương pháp tính toán này, bài toán gia cố đất có 2 tiêu chuẩn cần kiểm tra: tiêu chuẩn về cường độ và tiêu chuẩn về biến dạng

2.2.3 Phương pháp tính toán theo quan điểm của Viện Kỹ Thuật Châu Á

2.2.3.1 Khả năng chịu tải của cọc đơn

Khả năng chịu tải giới hạn ngắn hạn của cọc đơn trong đất sét yếu được quyết định bởi sức kháng của đất sét yếu bao quanh (đất phá hoại) hay sức kháng cắt của vật liệu cọc (cọc phá hoại), theo tài liệu của D.T.Bergado:

Qult.soil = (πdLcol + 2.25πd2) Cu.soil (2.25) Trong đó:

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

Khả năng chịu tải giới hạn ngắn ngày do cọc bị phá hoại ở độ sâu z, theo Bergado:

2.2.3.2 Khả năng chịu tải giới hạn của nhóm cọc

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

Qult.group = 2Cu.soil.H (B + L) + k.Cu.soil.B.L (2.27) Trong đó:

B, L, H – chiều rộng, chiều dài và chiều cao của nhóm cọc xi măng – đất

k = 6: khi móng hình chữ nhật

k = 9: khi móng hình vuông, tròn

Trong tính toán thiết kế, kiến nghị hệ số an toàn là 2.5 (theo D.T.Bergado) 2.2.4 Tính toán biến dạng

Độ lún tổng cộng của gồm 2 thành phần là độ lún cục bộ của khối được gia

cố (Δh1) và độ lún của đất không ổn định nằm dưới khối gia cố (Δh2) Có 2 trường hợp xảy ra:

Trường hợp A: tải trọng tác dụng tương đối nhỏ và cọc chưa bị rão

Trường hợp B: tải trọng tương đối cao và tải trọng dọc trục tương ứng với giới hạn rão của cọc

* Trường hợp A