Nghiên cứu ảnh hưởng các thông số vận hành thiết bị và địa chất an giang đồng tháp đến chất lượng cọc đất ximăng bằng thiết bị nhỏ gọn

Dựa trên các thông số vận hành trong quá trình thi công và kết quả thực nghiệm hiện trường đề xuất các thông số vận hành và quy trình thi công, giám sát nhằm ứng dụng thiết bị NSV thi cô

TR ƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TR ƯƠNG ĐẮC CHÂU

THI ẾT BỊ VÀ ĐỊA CHẤT AN GIANG - ĐỒNG THÁP

Cán b ộ hướng dẫn khoa học : TS TRẦN NGUYỄN HOÀNG HÙNG

Cán b ộ chấm nhận xét 1 : PGS TS VÕ PHÁN

Cán b ộ chấm nhận xét 2 : GS TS TR ẦN THỊ THANH

Lu ận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP HCM, ngày 12 tháng 9 n ăm 2015

Thành ph ần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 Ch ủ tịch hội đồng: PGS.TS Lê Thị Bích Thủy

2 Ủy viên: TS Chu Công Minh

3 Th ư ký: TS Nguyễn Cảnh Tuấn

4 Cán b ộ chấm nhận xét 1: PGS TS Võ Phán

5 Cán b ộ chấm nhận xét 2: GS TS Trần Thị Thanh

PGS.TS Lê Th ị Bích Thủy TS Nguy ễn Minh Tâm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự do – Hạnh phúc



 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: TR ƯƠNG ĐẮC CHÂU MSHV: 12010326 Ngày tháng năm sinh: 21/05/1984 Nơi sinh: Đà Nẵng Chuyên ngành: Xây dựng đường ôtô và đường thành phố Mã số: 60.58.30

I TÊN ĐỀ TÀI:

Đồng Tháp đến chất lượng cọc đất ximăng bằng thiết bị nhỏ gọn

II NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

Luận văn nghiên cứu ảnh hưởng các thông số vận hành thiết bị và địa chất

Đồng Tháp Dựa trên các thông số vận hành trong quá trình thi công và kết quả thực nghiệm hiện trường đề xuất các thông số vận hành và quy trình thi công, giám sát

nhằm ứng dụng thiết bị NSV thi công cọc đất ximăng gia cố đê bao ở Đồng bằng

địa chất ở An Giang - Đồng Tháp Xây dựng các thông số vận hành thiết bị

dựa trên nghiên cứu tổng quan

cọc đất ximăng thi công bằng thiết bị NSV với các thông số vận hành thực hiện

hợp với địa chất ở An Giang - Đồng Tháp nhằm tạo ra cọc đất ximăng có chất

lượng tốt

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : Ngày 19 tháng 01 năm 2015

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : Ngày 14 tháng 6 năm 2015

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS TRẦN NGUYỄN HOÀNG HÙNG

TR ƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

L ỜI CẢM ƠN

Lời cảm ơn đầu tiên và quan trọng nhất tôi xin gửi đến Thầy hướng dẫn chính

trường Đại học Bách Khoa TP HCM Thầy đã truyền đạt cho tôi rất nhiều kiến thức

cần thiết, những kỹ năng học tập và làm việc bổ ích

Cảm ơn các Thầy Cô giáo ở trường Đại học Bách Khoa TP HCM, giáo sư

Việt Nam, Trường Đại học Bách Khoa TP HCM, các Sở Ban Ngành và người dân địa phương ở An Giang và Đồng Tháp đã hỗ trợ kinh phí, kỹ thuật, và tạo mọi điều

kiện thuận lợi cho dự án CRI 1301

Cảm ơn tất cả các bạn trong nhóm nghiên cứu cùng các anh chị ở phòng thí nghiệm LAS–XD 475 đã chia sẻ kinh nghiệm và hỗ trợ tôi trong suốt quá trình

TR ƯƠNG ĐẮC CHÂU

TÓM T ẮT LUẬN VĂN

Đề tài

ĐỊA CHẤT AN GIANG - ĐỒNG THÁP ĐẾN CHẤT LƯỢNG CỌC ĐẤT

XIM ĂNG BẰNG THIẾT BỊ NHỎ GỌN

ổn định và chống thấm, phù hợp cho gia cố đường giao thông nông thôn dọc bờ sông

và đê đắp bằng đất, nhưng việc ứng dụng công nghệ này ở Việt Nam còn gặp nhiều

trở ngại do hạn chế về công nghệ Công nghệ NSV là công nghệ SCDM thi công cọc đất ximăng bằng cánh trộn kim loại được sáng chế bởi tập đoàn SomeThing Công nghệ NSV với ưu điểm thiết bị thi công nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ, và linh hoạt, có

thể thi công trên những đường đê có kích thước nhỏ ở ĐBSCL, nhưng NSV chưa được ứng dụng trong gia cố đê ở ĐBSCL Luận văn này nghiên cứu khả năng ứng

dụng công nghệ NSV vào gia cố đường đê thông qua chất lượng cọc đất ximăng đạt được Hai đoạn đê được gia cố cọc đất ximăng bằng công nghệ NSV dài 60 m ở An

đất ximăng được đánh giá bằng cách đào lộ đầu cọc, khoan lấy lõi lấy mẫu, và thí nghiệm UCS Kết quả nghiên cứu cho thấy: (1) công nghệ NSV có thể tạo cọc đất ximăng có tính đồng nhất với đường kính 0.6 m, chiều sâu gia cố tối đa 11 m, và

cường độ lớn hơn 1 MPa; (2) công nghệ NSV có thể ứng dụng để gia cố đường đê;

thiết bị NSV như: tốc độ quay cánh trộn, tốc độ xuyên xuống và rút lên, thời gian

trộn, năng lượng trộn, và điều kiện địa chất

SUMMARY OF THESIS

Topic EFFECTS INVESTIGATION OF OPERATING PARAMETERS AND GEOLOGICAL PROPERTIES OF AN GIANG AND DONG THAP’S SOILS

ON QUANLITY OF FIELD SOILCRETE USING DEEP MIXING METHOD

The Soil Cement Deep Mixing technology (SCDM) has many advantages such as slope stability and seepage cutoff that are suitable to reinforce earth levees and rural roads along riverbanks, but has limit applications The SCDM creates soilcrete by agitating soil-cement using metal blade patented by Something Group, known as the NSV technology The NSV is a small and lightweight system that can safely and versatilely work on small earth levees in the Mekong Delta, but the NSV has not been applied in the Mekong Delta yet This thesis investigates capacity of the NSV technology to reinforce earth levees in terms of field soilcrete quality The two sections of earth levees reinforced using the NSV were 60 m and 30 m in An Giang and Dong Thap respectively with various operating parameters of the NSV system The soilcrete quality was assessed by excavating to expose shallow parts of soilcrete columns and drilling core samples for UCS tests The results indicate that (1) NSV technology can create uniformly soilcrete columns with a diameter of 0.6

reinforce earth levees successfully; (3) Field soilcrete quality is affected by the NSV operating parameters such as rotation speed, penetrating and lifting speed, mixing time, and mixing energy, and geological properties

L ỜI CAM ĐOAN

ĐẾN CHẤT LƯỢNG CỌC ĐẤT XIMĂNG BẰNG THIẾT BỊ NHỎ GỌN” là đề

văn thạc sĩ, không phải sao chép của cá nhân nào, các số liệu trong luận văn là số

liệu trung thực

TR ƯƠNG ĐẮC CHÂU

Học viên cao học khóa 2012

Trường Đại học Bách Khoa TP HCM

M ỤC LỤC

MỤC LỤC vii

DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT x

DANH MỤC HÌNH ẢNH xi

DANH MỤC BẢNG BIỂU xv

MỞ ĐẦU 16

1. ĐẶT VẤN ĐỀ 1

2. TÓM TẮT NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 4

3. ĐỘNG LỰC NGHIÊN CỨU 9

4. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 10

5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 11

6. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 11

7. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 12

8. Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI 12

9. TỔ CHỨC LUẬN VĂN 12

CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 14

1.1. NGUYÊN LÝ CÔNG NGHỆ VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG THIẾT BỊ THI CÔNG CỌC XIMĂNG ĐẤT BẰNG CÁNH TRỘN KIM LOẠI 14 1.2. YÊU CẦU VỀ CẤU TẠO THIẾT BỊ THI CÔNG CỌC ĐẤT XIMĂNG 15

1.2.1. Cấu tạo và số lượng trục trộn 19

1.2.2. Hình dạng và yêu cầu chung của công cụ trộn 22

1.2.3. Vị trí vòi phun 30

1.2.4. Trạm trộn và bơm áp lực cao 32

1.3. THÔNG SỐ VẬN HÀNH THIẾT BỊ THI CÔNG CỌC ĐẤT XIMĂNG BẰNG CÁNH TRỘN KIM LOẠI 34

1.4. HỆ THỐNG KIỂM TRA, QUẢN LÝ THI CÔNG 38 1.5. PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CỌC ĐẤT XIMĂNG39

1.6. TÓM TẮT CHƯƠNG 40

CHƯƠNG 2. CẤU TẠO HỆ THỐNG THIẾT BỊ NSV 42

2.1. CẤU TẠO HỆ THỐNG NSV 42

2.1.1. Cấu tạo phần di động 42

2.1.2. Cấu tạo phần cố định 47

2.2. THÔNG SỐ VẬN HÀNH THIẾT BỊ NSV 49

2.3. HỆ THỐNG KIỂM SOÁT VÀ LƯU TRỮ THÔNG SỐ VẬN HÀNH53 2.4. TÓM TẮT VỀ CÔNG NGHỆ NSV 56

CHƯƠNG 3. THI CÔNG THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CỌC ĐẤT XIMĂNG 57

3.1. VỊ TRÍ NGHIÊN CỨU VÀ ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN CÔNG TRÌNH 57 3.1.1. Vị trí nghiên cứu thử nghiệm 57

3.1.2. Điều kiện địa chất ở khu vực thử nghiệm 59

3.2. THI CÔNG THỬ NGHIỆM HIỆN TRƯỜNG 59

3.2.1. Phương án gia cố cọc đất ximăng 59

3.2.2. Thiết bị thi công 63

3.2.3. Vật liệu thi công 67

3.2.4. Trình tự thi công 67

3.2.5. Quản lý chất lượng trong quá trình thi công 75

3.3. ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CỌC ĐẤT XIMĂNG HIỆN TRƯỜNG 75 3.3.1. Đào lộ đầu cọc 76

3.3.2. Khoan lấy lõi lấy mẫu hiện trường 80

3.3.3. Thí nghiệm trong phòng 84

3.4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 87

3.4.1. Kết quả 87

3.4.2. Thảo luận 87

3.5. TÓM TẮT VÀ KẾT LUẬN 91

CHƯƠNG 4. PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ VẬN HÀNH

VÀ ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT AN GIANG, ĐỒNG THÁP ĐẾN CHẤT LƯỢNG

CỌC ĐẤT XIMĂNG HIỆN TRƯỜNG 92

4.1. ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT AN GIANG VÀ ĐỒNG THÁP 92

4.1.1. Ảnh hưởng loại đất 92

4.1.2. Ảnh hưởng của sự phân bố thành phần hạt đến cường độ nén nở hông tự do, q u 95

4.1.3. Ảnh hưởng của độ ẩm tự nhiên 100

4.1.4. Ảnh hưởng độ pH 102

4.1.5. Ảnh hưởng của hàm lượng hữu cơ 102

4.2. ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ VẬN HÀNH THIẾT BỊ NSV 105

4.2.1. Ảnh hưởng của tổng số lần trộn 105

4.2.2. Ảnh hưởng của quá trình trộn 108

4.2.3. Ảnh hưởng của tốc độ quay cánh trộn 111

4.2.4. Ảnh hưởng của tốc độ thanh cần xuống/lên 111

4.2.5. Ảnh hưởng thông số vận hành đến sự tiếp xúc giữa đất và ximăng 116

4.2.6. Ảnh hưởng của thời gian trộn 116

4.3. TÓM TẮT KẾT QUẢ PHÂN TÍCH 120

KẾT LUẬN 137

1. TÓM TẮT VÀ KẾT LUẬN 122

2. KIẾN NGHỊ 122

3. HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 123

TÀI LIỆU THAM KHẢO 124

DANH M ỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

A = diện tích

c = lực dính

D = đường kính mẫu

ĐBSCL = đồng bằng sông Cửu Long

CDM = phương pháp đất trộn xi măng trộn sâu

W/C = tỷ lệ nước: ximăng

đã được Trung tâm kiến trúc Nhật Bản chứng nhận số BCJ-149

(Soil Cement Deep Mixing)

T = số lần cánh trộn đi qua 1 m dài cọc

∑M = số lượng cánh trộn

V P = vận tốc trục trộn xuyên xuống

V W = vận tốc trục trộn rút lên

R P = tốc độ quay cánh trộn khi xuyên xuống

R W = tốc độ quay cánh trộn khi rút lên

DANH M ỤC HÌNH ẢNH

nguồn công ty Geo-Con Inc) 21

Hình 2.3: Các đoạn cần khoan 46

Hình 2.4: Cấu tạo công cụ trộn 46

Hình 2.5: Cấu tạo chi tiết lỗ phun vữa theo phương pháp “phun đến bề mặt” của công nghệ NSV 46

Hình 2.6: Cấu tạo trạm trộn vữa ximăng và hình ảnh thực tế (Ảnh chụp hiện trường) 48

Hình 2.7: Bơm áp lực cao 48

Hình 2.8: Trình tự phương pháp thi công tạo cọc NSV 50

Hình 2.9: Phương pháp thi công cọc đất ximăng của công nghệ NSV (Qui trình thi công công nghệ NSV) 50

Hình 2.10: Màn hình kiểm soát và hiển thị các thông số vận hành thiết bị NSV 54

Hình 2.11: Dữ liệu thi công được lưu trữ dưới dạng hình ảnh 54

Hình 2.12: Cabin điều khiển quá trình thi công cọc đất ximăng 54

Hình 3.1: Vị trí thi công thử nghiệm 58

Hình 3.2: Phương án thiết kế cọc đất ximăng gia cố đường đê kênh Mười Cai (An Giang) 61

Hình 3.3: Phương án thiết kế cọc đất ximăng gia cố đường đê kênh 2/9 (Đồng Tháp) 62

Hình 3.4: Thiết bị thi công NSV 65

Hình 3.5: Cấu tạo hệ thống trạm trộn gồm (bồn trộn và bồn chứa vữa ximăng) 66

Hình 3.6: Thiết bị bơm vữa 66

Hình 3.7: Công tác chuẩn bị mặt bằng 68

Hình 3.8: Tập kết và bảo quản ximăng 68

Hình 3.9: Công tác định vị tim cọc thực địa theo bản vẽ thiết kế 68

Hình 3.10: Công tác lắp ráp máy thi công 69

Hình 3.11: Vận hành thử máy móc thiết bị 69

Hình 3.12: Vận hành thi công cọc 70

Hình 3.13: Quá trình trộn vữa 70

Hình 3.14: Thi công cọc đất ximăng hiện trường 73

Hình 3.15: Định vị tim cọc sau thi công 73

Hình 3.16: Mặt đường tại vị trí công trình sau khi hoàn thiện thi công 74

Hình 3.17: Hệ thống quản lý vữa ximăng 77

Hình 3.18: Màn hình theo dõi và điều khiển quá trình thi công cọc đất ximăng của thiết bị NSV 78

Hình 3.19: Sơ đồ hệ thống quản lý dữ liệu 78

Hình 3.20: Đồ thị thông số thi công được lưu lại dưới dạng hình ảnh 79

Hình 3.21: Đào lộ đầu cọc kiểm tra kích thước và xác định vị trí khoan lấy mẫu 79

Hình 3.22: Vị trí khoan lấy lõi lấy mẫu cọc đất ximăng hiện trường 81

Hình 3.23: Thiết bị khoan lấy lõi lấy mẫu 82

Hình 3.24: Đánh dấu vị trí khoan lấy lõi 82

Hình 3.25: Mũi khoan 2 lòng 83

Hình 3.26: Tháo lưỡi khoan và lấy mẫu ra khỏi ống chứa mẫu 83

Hình 3.27: Bảo dưỡng mẫu nguyên dạng 83

Hình 3.28: Mở ống đựng mẫu 85

Hình 3.29: Mẫu đất ximăng trước và sau khi gia công 85

Hình 3.30: Máy nén nở hông tự do các mẫu đất ximăng 86

Hình 3.31: Kết quả thi công cọc đất ximăng hiện trường 88

Hình 3.32: Vòi phun vữa và trục trộn bị nghẹt 90

Hình 3.33: Đào lấy cần và mũi khoan ở độ sâu 4 m so với mặt đường đê 90

Hình 4.1: Ảnh hưởng loại đất đến cường độ cọc đất ximăng 94

Hình 4.2: Ảnh hưởng hàm lượng sét đến cường độ cọc đất ximăng 96

Hình 4.3: Ảnh hưởng của hàm lượng cát đến cường độ cọc đất ximăng 98

Hình 4.4: Đường cong tích lũy thành phần hạt 99

Hình 4.5: Ảnh hưởng của độ ẩm tự nhiên đến cường độ cọc đất ximăng 101

Hình 4.6: Ảnh hưởng độ pH đến cường độ đất ximăng 103

Hình 4.7: Ảnh hưởng của hàm lượng hữu cơ đến cường độ đất ximăng 104

Hình 4.8: Quan hệ giữa năng lượng trộn và cường độ, q u với loại đất và hàm lượng ximăng khác nhau 106

Hình 4.9: Cường độ, q u tại vị trí tim cọc (C1, VT1) và vị trí mối nối giữa hai cọc

DANH M ỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Thông số kỹ thuật cơ bản công nghệ CDM ở Nhật Bản (Cement Deep

Bảng 1.2: Thiết bị điển hình và ứng dụng của bốn nhóm chính trong phương pháp

trộn ướt ở Châu Âu (FHWA 2013) 18

Bảng 1.3: Công nghệ trộn ướt Châu Âu và Nhật Bản (Massarsch 2005) 18

Bảng 1.4: Thông số vận hành cơ bản của thiết bị CDM (Kitazume and Terashi

Bảng 1.5: Đặc điểm kỹ thuật công nghệ trộn của Châu Âu và Nhật Bản (Massarsch

Bảng 2.1:Thông số thiết bị thi công cọc đất ximăng GI-50CII (nguồn công ty

Bảng 2.2: Các thông số vận hành cơ bản 52

Bảng 2.3: Thông số cọc theo mỗi mét dài 55

Bảng 3.1: Chỉ tiêu cơ lý hoá các lớp đất tại hai vị trí thử nghiệm (LAS - XD475) 60

Bảng 3.2: Chỉ tiêu cơ lý của cọc đất ximăng thiết kế 60

Bảng 3.3: Thông số kết quả cọc đất ximăng gia cố đê đã thực hiện 89

M Ở ĐẦU

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Vỡ đê gây ra nhiều thiệt hại về người và vật chất ở vùng đồng bằng sông Cửu

tập trung dân cư với mục đích ngăn lũ, chống ngập, và đảm bảo an toàn cho người

thủy sản dồi dào, sự cố vỡ đê làm hư hỏng cầu đường, nhà cửa, và hoa màu Trong

đường giao thông nông thôn (GTNT) bị ngập, 3.188 m đường GTNT sạt lở, 292 ha

đê khi nước lũ dâng cao Ở nước ta, đê kết hợp với đường GTNT nên ngoài tác

dụng của triều cường, đê còn chịu tác động của tải trọng xe Những biện pháp gia cố

như cừ tràm, rọ đá hoặc đắp với mái dốc thoải kết hợp trồng cây chỉ phù hợp với chiều cao đắp nhỏ Khi chiều cao đắp đê lớn kết hợp mực nước sông cao dẫn đến

Nhiều kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước cho thấy công nghệ cọc đất ximăng có nhiều ưu điểm phù hợp với việc gia cố đường đê, nhưng việc ứng dụng

tường cọc đất ximăng làm tăng tính ổn định và chống thấm, giảm nguy cơ sạt lở,

hoặc vỡ đê (Kitazume and Terashi 2013, Lê Khắc Bảo et al 2014, Nguyễn Quốc

Dũng và Phùng Vĩnh An 2005) Công nghệ cọc đất ximăng bằng cánh trộn kim loại

ở nước ta chủ yếu ứng dụng gia cố nền móng công trình (như cầu đường, cảng biển,

ổn định hố móng, và chống thấm (Kitazume and Terashi 2013, EuroSoil Stab 2002,

hạn chế do các thiết bị thi công cọc đất ximăng thường có kích thước, trọng lượng

lớn so với kích thước đê bao kết hợp đường GTNT (như bề rộng mặt đê khoảng 3

tập đoàn SomeThing - Nhật Bản (công nghệ NSV) với ưu điểm thiết bị thi công nhỏ

gọn, trọng lượng nhẹ và linh hoạt, có thể thi công trên những đường đê có kích

thước nhỏ, nhưng chưa được ứng dụng trong gia cố đê ở Việt Nam

Nhật nhưng các báo cáo, nghiên cứu về công nghệ NSV và số liệu về chất lượng

cọc đất tạo ra bởi công nghệ NSV ở Việt Nam còn hạn chế Thiết bị NSV đã triển

chống lún nền đất yếu (Kamimura và Trương Thiên Khang 2013) Thiết bị và thông

số thi công (như tốc độ nâng hạ cánh trộn, tốc độ quay cánh trộn, và thời gian trộn) ảnh hưởng đến chất lượng cọc đất ximăng thi công ngoài hiện trường nên việc

ximăng là điều cần thiết nhằm đánh giá khả năng ứng dụng của thiết bị NSV Thông

số vận hành phù hợp giúp đất được trộn đều với ximăng và tạo ra cọc có chất lượng

tốt với năng lượng trộn thấp nhất

(a) Vỡ đê ở Đồng Tháp (Tuổi trẻ Online 2011)

2 TÓM T ẮT NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN

về lịch sử hình thành và phát triển của công nghệ, những nghiên cứu về cơ chế hình

cụ trộn đã được phát minh v.v Nghiên cứu tổng quan sẽ cung cấp những hiểu biết

cần thiết trong việc đưa ra giải pháp gia cố nền bằng công nghệ đất trộn ximăng

hiệu quả và chọn lựa loại thiết bị phù hợp với mục đích gia cố

nhược điểm của từng giải pháp Từ kết quả phân tích, so sánh các giải pháp gia cố

đê, đề xuất giải pháp gia cố đê phù hợp với điều kiện ở ĐBSCL

Tổng hợp các kết quả nghiên cứu tổng quan được trình bày cụ thể trong Phụ

l ục A Các nội dung chính được tóm tắt như sau:

chỗ với ximăng Các phản ứng hóa học xảy ra giữa đất và ximăng tạo ra vật liệu đất ximăng có đặc tính kỹ thuật tốt hơn so với đất nguyên dạng Công nghệ CDM được

ứng dụng phổ biến ở nhiều nước trên thế giới

Công nghệ có thể gia cố cho nhiều loại đất khác nhau như: sét dẻo, bùn sét, đất hữu cơ, đất bùn, cát chảy, đất ven biển

ximăng được phun vào trong đất)

học kết hợp tia vữa áp lực cao

(như chấn động, chuyển vị, tiếng ồn và ô nhiễm môi trường v.v.)

nghệ CDM có thể mang lại hiệu quả về mặt kỹ thuật và kinh tế hơn so với

(trừ công nghệ phụt vữa cao áp)

(3) Chất lượng sản phẩm phụ thuộc nhiều yếu tố như: điều kiện địa chất, loại và

lượng chất liên kết, thiết bị và quy trình công nghệ, điều kiện bảo dưỡng và

hoặc có chứa đá lớn và chiều sâu xử lý lớn hơn 40 m

(5)Đối với phương pháp trộn ướt cần có biện pháp xử lý phần đất trồi dư sau

giảm độ dẻo ban đầu của đất, giúp đất dễ nén và đạt độ chặt cao hơn Sự hình thành

trộn ximăng Bốn quá trình này là kết quả phản ứng hóa học giữa sét, ximăng, và

nước

phần khoáng trong ximăng phản ứng với nước trong đất tạo thành các sản

phẩm thủy phân dạng keo (C-S-H) bao phủ và liên kết các hạt đất, chúng hóa

cứng theo thời gian, và hình thành bộ khung vững chắc bao quanh các hạt đất

sản phẩm thủy phân khác tạo thành tinh thể, một phần sẽ làm tăng độ pH của

nước lỗ rỗng và tham gia vào phản ứng pozzolanic

tạo thành một gel canxi silicat (C-S-H) và canxi aluminate (C-A-H) không tan

(3) Phản ứng trao đổi ion gây ra bởi các cation Ca++

đất Các hạt đất di chuyển, sắp xếp chặt lại, và hình thành những hạt có kích

thước lớn hơn, từ đó tăng cường độ và độ cứng

đất nguyên dạng, q u thường có giá trị lớn hơn hoặc bằng 0.5 MPa tùy thuộc

cường độ nén nở hông tự do (q u) Tỷ số E 50 /q ubằng khoảng từ 50 đến 1.000 (3)Đất ximăng có cường độ cao thì biến dạng lúc phá hoại giảm Với đất ximăng có cường độ nén từ 1 ÷ 2 MPa thì biến dạng lúc phá hoại khoảng 1 ÷

được trộn xi măng trong phòng thí nghiệm hay trộn tại chỗ

khoảng 1/5 ÷ 1/2 so với đất ximăng được tạo trong phòng thí nghiệm, đối với đất cát thì tỉ số này lớn hơn

2.1.7.1 Đặc điểm địa chất

cường độ khác nhau Với cùng điều kiện thi công, cường độ đất ximăng tạo

từ đất có thành phần hạt thô lớn (đất cát, sỏi) cao hơn đất có thành phần hạt

mịn lớn (cát bụi, sét), và đất có hàm lượng hữu cơ nhiều (bùn sét, đất hữu cơ)

(2)Độ pH: Độ pH của đất ở khoảng 5.5 ÷ 6.5 thì độ pH càng lớn cho cường độđất ximăng càng cao Đất có độ pH < 5 thì sự gia tăng cường độ thấp và pH

(3)Độ ẩm tự nhiên trong đất nằm lân cận giới hạn nhão cho cường độ đất ximăng cao hơn các độ ẩm khác Ở độ ẩm giới hạn nhão, lượng nước vừa đủ

dẻo cao, độ ẩm lớn làm giảm cường độ Khi độ ẩm của đất lớn hơn 200% thì

cường độ không tăng khi tăng hàm lượng xi măng

hữu cơ này chứa mùn và acid hữu cơ làm chậm quá trình phản ứng hóa học

giữa đất và ximăng

ximăng hình thành cường độ đất ximăng cao được xác định dựa vào thí nghiệm trong phòng cho từng loại đất

lượng ximăng gia cố lớn hơn đất sét

(7)Đặc điểm thiết bị thi công như số lượng trục trộn, hình dạng, số lượng cánh

trộn, kích thước, vị trí vòi phun và phương pháp thi công ảnh hưởng đến chất

lượng cọc đất ximăng hiện trường

(8) Năng lượng trộn càng lớn thì cọc có cường độ và tính đồng nhất cao Năng

lượng trộn được đánh giá dựa trên số lần cánh trộn đi qua một mét dài cọc (được xác định dựa vào tốc độ quay cánh trộn, tốc độ xuống/lên của trục

trộn, và thời gian thi công)

hỗn hợp giúp cho ximăng phân tán trong đất và tăng khả năng tiếp xúc giữa đất và ximăng

tải và nhiệt độ cao Nhiệt độ làm tăng tốc độ phản ứng giữa ximăng và đất Ứng suất gia tải nén chặt hỗn hợp, làm giảm lỗ rỗng và nước trong hỗn

hợp đất ximăng dẫn đến tăng cường độ

Mạng lưới đê bao ở vùng ĐBSCL ngày càng được phát triển nhằm đáp ứng

dựng dọc sông hồ, kênh rạch nhằm kiểm soát lũ kết hợp tưới tiêu cho các vùng sản

xuất, nuôi trồng và phục vụ nhu cầu đi lại của người dân Đê được đắp bằng đất nạo

Đê vỡ và sạt lở do các giải pháp gia cố mang tính tạm bợ và hạn chế về mặt kỹthuật Hầu hết đê bao kết hợp đường GTNT có quy mô nhỏ (bề rộng mặt đê 4 ÷ 5

hợp lát tấm bêtông Vào mùa lũ, mực nước sông dâng cao (từ 3 ÷ 4 m so với mặt

ruộng) là nguyên nhân chính gây vỡ đê Nước sông thấm vào thân đê làm giảm sức

chống cắt của khối đất gây ra xói lở và trượt sâu

3 ĐỘNG LỰC NGHIÊN CỨU

chịu nhiều thiệt hại về kinh tế và xã hội do lũ lụt, cần có biện pháp gia cố đê bao

hiệu quả hơn để hạn chế nguy cơ vỡ đê Công nghệ đất trộn ximăng theo phương

định, chống thấm, thời gian thi công nhanh, nhanh chóng phát huy hiệu quả, tận

dụng được vật liệu tại chỗ, v.v Tuy nhiên, đặc điểm đê bao kết hợp GTNT ở nước

yếu, không đủ mặt bằng cũng như độ ổn định để các máy thi công cọc ximăng đất đang được sử dụng phổ biến thi công

nhẹ có thể di chuyển, và thao tác linh hoạt trên mặt đê kết hợp GTNT có bề rộng

hẹp và cường độ đất nền thấp Cấu tạo cánh trộn và hệ thống thông số vận hành của

năng lượng trộn tối ưu Nghiên cứu tổng quan cho thấy chất lượng cọc đất xi măng

chịu ảnh hưởng tổng hợp của địa chất và thông số vận hành Công nghệ NSV đã ứng dụng rộng rãi ở Nhật nhưng chưa ứng dụng gia cố đê ở Việt Nam do chưa có

kết quả nghiên cứu thực nghiệm làm cơ sở xác định thông số vận hành phù hợp với địa chất từng vùng ở Việt Nam Kết quả nghiên cứu này kỳ vọng đánh giá khả năng ứng dụng thiết bị NSV trong gia cố đê bằng cọc đất ximăng, đồng thời xác định các

ximăng có chất lượng tốt với năng lượng trộn tối ưu

4 M ỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

M ục tiêu tổng quát: Xác định các thông số vận hành thiết bị NSV phù hợp

với địa chất An Giang - Đồng Tháp nhằm tạo cọc đất ximăng có chất lượng đồng đều với năng lượng trộn tối ưu, từ đó đánh giá khả năng ứng dụng thiết bị NSV

sau:

nghệ NSV nói riêng, xác định các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng cọc đất ximăng,

sơ bộ xác định các thông số vận hành dựa vào địa chất ở An Giang - Đồng Tháp

(2) Thu thập các dữ liệu và các thông số vận hành thực tế trong quá trình thi công

cọc đạt được qua các lớp đất khác nhau Đề xuất thông số vận hành thiết bị NSV

5 PH ƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Phương pháp nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu tổng quan kết hợp thực nghiệm hiện trường, và phân tích kết quả thu thập được trong quá trình thi công

Nội dung chi tiết và trình tự thực hiện như sau:

Đồng Tháp) với các thông số vận hành đề xuất Các thông số vận hành và dữ liệu

(3) Đánh giá chất lượng cọc đã thi công (khoan lấy lõi, đánh giá sơ bộ lõi, khả

năng hình thành cọc và thí nghiệm nén nở hông tự do)

6 GI ỚI HẠN ĐỀ TÀI

Đề tài tập trung vào việc phân tích, đánh giá thông số vận hành thiết bị NSV

Đồng Tháp Số liệu cọc đất ximăng được thu thập từ việc thi công gia cố thửnghiệm đoạn đê bằng công nghệ NSV dài 60 m (ở An Giang) và 30 m (ở Đồng

bởi phương pháp trộn sâu – trộn ướt bằng cánh trộn kim loại Chất lượng cọc đất

ximăng tạo ra từ công nghệ NSV sẽ được thu thập, phân tích, và so sánh với các

7 K ẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

Kết quả nghiên cứu của đề tài bao gồm:

Đồng Tháp) phục vụ nhu cầu đi lại của người dân

(4)Đề xuất các thông số vận hành thiết bị phù hợp với địa chất tại hai đoạn đê đã

đồng nhất

Đề tài giúp đánh giá chất lượng cọc đất ximăng thực tế tạo ra từ công nghệ

Kết quả nghiên cứu là các thông số vận hành cọc đất ximăng theo công nghệ

cọc đất ximăng là dữ liệu tham khảo hữu ích cho các nghiên cứu, dự án tiếp theo

Kết quả đề tài cho thấy tính khả thi của thiết bị NSV trong gia cố đê bao bằng

cọc đất ximăng Công tác gia cố đê bao được bổ sung thêm biện pháp gia cố mới,

giảm nguy cơ vỡ đê hàng năm ở An Giang và Đồng Tháp và đáp ứng yêu cầu kinh

tế - kỹ thuật

Hai đoạn đê gia cố 60 m (ở An Giang) và 30 m (ở Đồng Tháp) đã phát huy tác

dụng đảm bảo ổn định và an toàn, phục vụ nhu cầu đi lại người dân trong khu vực

9 T Ổ CHỨC LUẬN VĂN

Nội dung luận văn được trình bày trong bốn chương và ba phụ lục Chương

Mở đầu giới thiệu các vấn đề liên quan đến đề tài, mục tiêu, và phương pháp nghiên

cứu Chương 1 giới thiệu các cơ sở lý thuyết về cấu tạo, thông số vận hành thiết bị

và kiểm soát chất lượng của công nghệ đất trộn ximăng Chương 2 giới thiệu về

nghiệm Chương 4 phân tích ảnh hưởng của thông số vận hành và điều kiện địa chất đến chất lượng cọc đất ximăng Phần Kết Luận đưa ra những kết luận chính từ quá

Phần Phụ lục trình bày kết quả tìm hiểu tổng quan về công nghệ đất trộn xi

măng và đường GTNT kết hợp đê bao ở ĐBSCL (Phụ lục A), quá trình thi công và

nghiệm nén nở hông tự do của các mẫu đất ximăng hiện trường (Phụ lục C)

CH ƯƠNG 1. C Ơ SỞ LÝ THUYẾT

Cường độ đất trộn ximăng được hình thành nhờ các phản ứng hóa học giữa đất

ximăng là quá trình quan trọng, ảnh hưởng đến chất lượng vật liệu đất ximăng (Kitazume and Terashi 2013, Bergado 1996, EuroSoil Stab 2002, Jacobson et al

ximăng, giúp các phản ứng hóa học xảy ra hoàn toàn, và tạo tính đồng nhất cho hỗn

hợp Mức độ trộn của hỗn hợp phụ thuộc vào loại đất, cấu tạo của thiết bị trộn, và

năng lượng trộn Đất yếu như đất sét có sức kháng cắt lớn và tính dẻo cao nên ảnh

hưởng của chuyển động chỉ diễn ra trong khu vực cánh trộn, do đó để trộn đều nó đòi hỏi năng lượng trộn lớn Hình dạng, số lượng công cụ trộn, và năng lượng trộn ảnh hưởng lớn đến tính đồng nhất của hỗn hợp Một quá trình trộn đạt yêu cầu khi

tạo ra hỗn hợp đồng nhất trong thời gian ngắn với năng lượng thấp (FHWA 2013, Larsson 2003, TCVN 9403 2012)

Nội dung chương 1 trình bày cơ sở lý thuyết về cấu tạo chung các máy thi

đến quá trình trộn và chất lượng cọc đất ximăng tạo thành

bằng chuyển động xoay của các cánh trộn dạng tấm hoặc vít xoắn Đất nguyên dạng được đào, cắt, làm tơi, và trộn đều với vữa ximăng nhằm tạo ra hỗn hợp có tính đồng nhất cao (Larsson 2003, FHWA 2013, Topolnicki 2004) Công nghệ đất trộn ximăng khó kiểm soát chất lượng do chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố (loại và

lượng ximăng, sự thay đổi các lớp địa chất, điều kiện trộn v.v.) nhưng không thể

quan sát trực tiếp quá trình thi công (Kitazume and Terashi 2013, Bergado 1996, Huat et al 2005)

Phạm vi ứng dụng công nghệ đất trộn ximăng bằng cánh trộn cơ khí tùy thuộc

Thiết bị thi công cọc đất ximăng bằng cánh trộn kim loại sử dụng các lưỡi cắt,

lưỡi trộn để đào, cắt, và trộn đất Yêu cầu đối với thiết bị CDM là có thể tạo ra

lượng vữa ổn định nhằm tạo ra cọc có chất lượng Cấu tạo và năng lực của thiết bị

phải đảm bảo trong quá trình thi công không xảy ra sự cố liên quan đến kỹ thuật và

an toàn (Topolnicki 2004, Larsson 2003, FHWA 2013)

Trạm trộn vữa gồm bồn trộn, bồn khuấy, bể chứa ximăng, nước bơm áp lực cao và

buồng điều khiển là phần cố định Thiết bị tạo cọc đất ximăng gồm công cụ trộn,

trục khoan và kết hợp với giàn khoan bánh xích có thể di chuyển để thi công cọc đất ximăng nên được gọi là phần di động Vữa được cung cấp đến trục trộn nhờ bơm áp

lực cao và các ống dẫn (Kitazume and Terashi 2013, EuroSoil Stab 2012, FHWA 2013)

Thiết bị CDM được chia thành bốn nhóm chính tùy thuộc vào số lượng trục

trộn, diện tích, chiều sâu gia cố, và cơ chế hoạt động Việc phân chia không có sự

được trình bày ở Bảng 1.1, Bảng 1.2 và Bảng 1.3 Số lượng trục trộn, hình dạng và

1999, Massarsch 2005)

Hình 1.1: Hệ thống thi công cọc đất ximăng điển hình của công nghệ CDM

(Kitazume and Terashi 2013)

Bảng 1.1: Thông số kỹ thuật cơ bản công nghệ CDM ở Nhật Bản

(Cement Deep Mixing Method Association 1999)

Chiều sâu gia cố

N < 4 (max N = 8)

N < 4 (max N = 8)

(max N = 15)

N < 6 (max N = 15)

N < 6 (max N = 15)

N < 6 (max N = 15)

Bồn trộn vữa 2 m3 x 1 2 m3 x 2 2 m3 x 2 3.5 m3 x 2

Lưu lượng vữa 20 m3/hr 20 m3/hr 20 m3/hr 20 m3/hr

Bảng 1.2: Thiết bị điển hình và ứng dụng của bốn nhóm chính trong phương pháp

trộn ướt ở Châu Âu (FHWA 2013)

Rotary + Jet End,

WJE)

- Một trục trộn (ít dùng) hoặc nhiều trục trộn

Bảng 1.3: Công nghệ trộn ướt Châu Âu và Nhật Bản (Massarsch 2005)

Thiết bị Chi tiết Trên cạn, Châu Âu Trên cạn, Nhật Bản

Máy thi công

Đường kính cánh trộn 0.4 đến 0.9 m 1.0 đến 1.6 m

Vị trí vòi phun Thân trục trộn Thân trvà cánh trục trộn ộn

Áp lực phun vữa 500 đến 1000 kPa 300 đến 600 kPa

1.2.1 C ấu tạo và số lượng trục trộn

bốn đến tám trục trộn tùy thuộc vào qui mô công trình và phương pháp gia cố (Hình

đồng nhất hơn so với máy một trục Với máy từ hai trục trở lên, trục trộn thường

một trục chỉ có thể quay theo một hướng Hai trục trộn quay ngược chiều nhau giúp

tăng độ ổn định cho máy, kiểm soát chính xác hơn độ thẳng đứng của trục trong quá

nối các cọc dễ dàng, chính xác, và an toàn hơn khi xây dựng kết cấu dạng tường

hoặc chồng nối các cọc xen kẻ nhau (FHWA 2013, Larson 2003, từ nguồn

phức tạp về cấu tạo máy thi công, hệ thống cơ khí, và kích thước máy lớn Nhược điểm này dẫn đến giảm tính linh hoạt, hạn chế về phạm vi ứng dụng, và chi phí thi

Kitazume and Terashi 2013)

Trục trộn được treo hoặc gắn cố định vào thanh cần của giàn khoan nhằm tăng

áp lực khoan xuống và độ ổn định nhờ trọng lượng của giàn khoan Môtơ và hộp sốđược đặt ở đỉnh trục trộn sẽ tạo ra moment xoắn để xoay mỗi trục trộn, tùy vào công

suất của thiết bị mà độ sâu khoan thường từ 15 ÷ 40 m Dọc trục có các thanh hoặc

nhiều trục, khoảng cách giữa các trục trộn được điều chỉnh để thay đổi phạm vi

chồng nối giữa các cột (FHWA 2013) Khoảng cách giữa các trục trộn từ 0.8, 1.0

hoặc 1.1 m với cánh trộn có đường kính từ 1.0, 1.2, và 1.3 m nhằm tạo ra vùng

chống nối giữa hai cọc Diện tích mặt cắt ngang của đất gia cố từ 1.5 đến 2.6 m2

bằng các thiết bị khảo sát quang học hoặc hệ thống định vị toàn cầu (GPS) (FHWA 2013)

Trục trộn có dạng tròn, đường kính Φ 267 mm, bên trong có ống dẫn vữa Φ

trộn có từ bốn đến sau cánh trộn (gồm các cánh đào bên dưới và cánh trộn bên trên)

tạo cọc có đường kính từ 0.6 ÷ 1.2 m Cánh đào bố trí dưới cùng, cấu tạo gồm cánh đào có gắn các thanh kim loại cứng dạng răng lược giúp cắt và xới đất hiệu quả

thiết kế nhằm trộn đều đất với ximăng (Hình 1.3) Vữa ximăng được cung cấp đến

mỗi trục trộn bằng bơm riêng, trục trộn liên kết với ống bơm vữa bằng các khớp

Topolnicki 2004)

trục trộn và ngăn chặn hiện tượng “cuốn vòng xoay”, xảy ra khi đất dính bám và

với thiết bị một trục trộn, hiện tượng này được khắc phục bởi “cánh trộn tự do”

trộn cố định để ngăn chặn hiện tượng “cuốn vòng xoay” Hiện tượng “cuốn vòng

chiều (Kitazume and Terashi 2013, CDIT 2002, Larsson 2002)

1.2.2 Hình d ạng và yêu cầu chung của công cụ trộn

Ảnh hưởng của hình dạng công cụ trộn được nghiên cứu từ những năm 1970

bởi Nhật Bản và Thụy Điển (Larsson 2005, từ nguồn Nishibayashi et al 1984,

trộn lớn nhất do đó có rất nhiều công cụ trộn với các hình dạng khác nhau tùy vào

đất và trộn đều với chất kết dính trong quá trình thi công Đối với máy thi công cọc đất ximăng bằng cánh trộn kim loại thì yêu cầu cơ bản là tạo ra cọc có đường kính

xấp xỉ đường kính danh định và tính đồng nhất Nhiều nghiên cứu về các công cụ

trộn khác nhau cho thấy không có hình dạng và cấu tạo nào phù hợp cho tất cả các

loại đất (FHWA 2013, Topolnicki 2004, Larsson et al 2005) Tuy nhiên, một số

của hỗn hợp với năng lượng trộn thấp nhất

lượng và sự phân bố cánh trộn ở mỗi trục tùy vào công nghệ Các cánh trộn có thể

bố trí liên tục dọc theo trục trộn hoặc bố trí thành cụm cánh trộn dưới đáy trục trộn

trộn, được gắn thêm các lưỡi đào dạng răng lược bằng kim loại cứng để đào và xới đất hiệu quả Cánh trộn được bố trí ở các vị trí khác nhau với các góc nghiêng phù

hợp để tăng hiệu quả trộn (Larsson 2005, FHWA 2013, TCVN 9403 2012)

Hiệu quả trộn tăng khi đất được chia nhỏ theo các phương ngang, phương

thấy cánh trộn xiên có thể trộn tốt hơn các cánh trộn ngang Cánh trộn xiên giúp cho

việc thâm nhập vào đất ít tốn năng lượng và tạo ra lực nhào trộn (Larsson 2005,

được phát triển cho từng loại đất nhằm tạo ra lực cắt mạnh, đánh tơi đất trong quá

Trong quá trình xuyên xuống, thiết bị trộn đào, làm tơi, và trộn đều đất với

chất liên kết Giai đoạn rút lên, hướng quay của cánh trộn thường đảo ngược, cánh

trộn xiên sẽ giảm tiêu hao năng lượng đồng thời nén khối đất, giúp giảm độ rỗng và

tăng tính đặc chắt của hỗn hợp Để đạt được điều này, độ nghiêng của cánh trộn được thiết kế sao cho hướng quay của cánh trộn hướng từ bên ngoài vào trong và từ

có dạng răng lược sẽ tăng số vùng cắt khi có cùng năng lượng tiêu hao (Hình 1.3 và Hình 1.5) (Topolnicki 2004, FHWA 2013, Larsson et al 2005)

Đất và ximăng sau khi trộn có thể kết thành cục giữa các cánh trộn và bám vào

thiệu các cánh trộn có gắn thêm “cánh trộn tự do” nhằm ngăn chặn hỗn hợp trộn

trộn và dài hơn 100 mm so với các cánh trộn khác nên nó không xoay cùng trục trộn

2013, CDIT 2002, Larsson 2005)

Một số công cụ trộn bố trí các cánh trộn chồng chéo nhau và lồng trong mũi

trộn trục đơn được thiết kế tinh vi với lưỡi xoay ngược) (Hình 1.7) (Topolnicki

2004, Larsson 2005)

khả năng cắt xuyên đối với đất cứng, đất dính, và trộn hiệu quả trong lớp đất yếu

Cấu tạo và vật liệu cánh trộn cần đảm bảo được khả năng mài mòn, độ cứng yêu

cầu, và chịu được moment xoắn lớn khi tốc độ quay cao Ngoài ra khả năng sửa

chữa và thay thế nhanh chóng, dễ dàng cũng là vấn đề cần quan tâm Nhìn chung,

để tạo ra công cụ trộn tối ưu có thể trộn đều đất với ximăng trong thời gian nhanh

với năng lượng trộn thấp nhất và có hiệu quả cao với mọi loại đất mà điều khó khăn