Nghiên cứu công nghệ và thiết bị hệ thống phun trộn tạo cọc xi măng đất, xác định kết cấu và các thông số cơ bản cỏa bộ công tác phù hợp điều kiện việt nam

HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ THANH ĐỨC NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ HỆ THỐNG PHUN TRỘN TẠO CỌC XI MĂNG ĐẤT, XÁC ĐỊNH KẾT CẤU VÀ CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA BỘ CÔNG TÁC PHÙ HỢP ĐIỀ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ THANH ĐỨC

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ HỆ THỐNG PHUN TRỘN TẠO CỌC XI MĂNG ĐẤT, XÁC ĐỊNH KẾT CẤU

VÀ CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA BỘ CÔNG TÁC

PHÙ HỢP ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

TP HỒ CHÍ MINH NĂM 2020

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ THANH ĐỨC

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ HỆ THỐNG PHUN TRỘN TẠO CỌC XI MĂNG ĐẤT, XÁC ĐỊNH KẾT CẤU

VÀ CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA BỘ CÔNG TÁC

PHÙ HỢP ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM

Chuyên ngành: Kỹ thuật máy nâng, máy vận chuyển liên tục

Phản biện 3: TS Nguyễn Quốc Hùng

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 PGS TS Nguyễn Hồng Ngân

2 PGS TS Nguyễn Danh Sơn

i

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có)

đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận án

Chữ ký

Lê Thanh Đức

iii

ABSTRACT

The thesis gives a research of machines, equipment and systems consolidating soft soil The soft soil is improved by mixing cement with soil The study also gives a way of choice of working machine, structural parameter and operating argument Besides, it provides building of computational model of machine option and system making soil – cement based minimum cost of working The cost is included examining of economy, technology based on maintaining both qualitative and durable norms of working tool

iv

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU x

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Đối tượng và nội dung nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 3

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 5

Khái niệm về nền đất yếu 5

1.1.1 Khái quát về đất yếu 5

1.1.2 Đặc điểm và phân bố đất yếu tại Việt nam 6

Các phương pháp và công nghệ gia cố nền đất yếu 8

1.2.1 Các phương pháp gia cố nền đất yếu truyền thống 8

1.2.2 Gia cố đất yếu bằng cách trộn đất tại chỗ với chất kết dinh 8

1.2.3 Sơ lược về quá trình áp dụng gia cố nền đất yếu bằng cọc XMĐ tại Viêt Nam 15

Các yếu tố ảnh hưởng khi gia cố nền yếu bằng cọc xi măng đất 16

1.3.1 Sự phụ thuộc của chất lượng cọc XMĐ 16

1.3.2 Các nghiên cứu liên quan ở nước ngoài 16

Thiết bị và công nghệ trộn sâu ướt (DDM) tạo cọc xi măng đất 21

1.4.1 Máy khoan trộn tạo cọc bằng phương pháp DDM 21

1.4.2 Thiết bị và công nghệ tạo cọc phụt cao áp (Jet grouting, H 1.18) 23

Thiết bị và công nghệ thi công của phương pháp trộn nông khô (SSM) 29

Kết luận chương 1 31

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC, CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ĐỂ LỰA CHỌN CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN VÀ MÁY KHOAN TRỘN TẠO CỌC XI MĂNG ĐẤT TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM 33

Nghiên cứu hai giai đoạn chịu lực của mũi khoan trộn tạo cọc xi măng đất 33

v

2.1.1 Giai đoạn khoan phá khi gặp nền đất, đá cứng 33

2.1.2 Giai đoạn khoan vào đất tự nhiên rồi trộn với chất kết dính; 39

Các yếu tố ảnh hưởng đến thông số cơ bản của máy khoan trộn tạo cọc 46

2.2.1 Yếu tố năng suất thi công 46

2.2.2 Các yếu tố liên quan đến chất lượng cọc 47

2.2.3 Các yếu tố liên quan đến hiệu quả khai thác và đầu tư 47

Các phương pháp đánh giá và xác định hệ thống thiết bị thi công, kết cấu, thông số cơ bản của bộ công tác máy thi công tạo cọc xi măng đất 47

2.3.1 Phương pháp đánh giá qua các yếu tố kinh tế – kỹ thuật 47

2.3.2 Phương pháp đánh giá có bổ sung các yếu tố môi trường và xã hội ảnh hưởng tới hiệu quả thi công 48

Lựa chọn phương pháp đánh giá 48

2.4.1 Những khó khăn thách thức khi lựa chọn phương pháp đánh giá 48

2.4.2 Lựa chọn phương pháp đánh giá 49

Nghiên cứu mô hình tính toán lựa chọn hợp lý máy khoan trộn tạo cọc xi măng đất theo “Qui hoạch tuyến tính” 51

2.5.1 Sự cần thiết về xây dựng mô hình toán học chọn máy khoan trộn tạo cọc xi măng đất 51

2.5.2 Khái quát về qui hoạch tuyến tính trong cơ khí - chế tạo máy, 51

2.5.3 Mô phỏng quá trình lựa chọn máy khoan trộn tạo cọc xi măng đất và các thông số cơ bản của bộ công tác 53

2.5.4 Bài toán lựa chọn các máy thi công cọc XMĐ theo các chỉ tiêu không đơn vị đo khi có phương án thi công hợp lý theo phương pháp chuyên gia - Bài toán Partern,( [17] 57

2.5.5 Xác định mối tương quan giữa các thông số cơ bản của máy bằng qui hoạch thực nghiệm 60

Kết luận chương 2 63

CHƯƠNG 3 CÁC TÍNH TOÁN ÁP DỤNG LỰA CHỌN MÁY VÀ CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA MÁY – BÀI TOÁN QUI HOẠCH TUYẾN TÍNH VÀ BÀI TOÁN PATERN 64

Đặt bài toán : Lựa chọn tối ưu máy thi công cọc xi măng đất theo mục tiêu chi phí khai thác nhỏ nhất và xác định các thông số cơ bản của bộ công tác phù hợp điều kiện nền đất 64

3.1.1 Điều kiện biên và các ràng buộc: 66

vi

3.1.2 Các tham số khảo sát 67

3.1.3 Lưu đồ thuật toán của mô hình qui hoạch tuyến tính chọn máy 70

3.1.4 Kết quả tính toán 73

3.1.5 Phân tích kết quả tính toán 73

Đặt bài toán lựa chọn các máy thi công cọc XMĐ khi xét tới các chỉ tiêu định tính không thứ nguyên để có phương án thi công tốt nhất (phương pháp Patern) 74 3.2.1 Điều kiện và ràng buộc 74

3.2.2 Các tham số khảo sát 74

3.2.3 Sơ đồ thuật toán 76

3.2.4 Dẫn giải các bước tính toán 78

3.2.5 Kết quả tính toán và phân tích kết quả 80

Kết luận chương 3 81

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN TƯƠNG QUAN GIỮA CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA MÁY KHOAN TRỘN TẠO CỌC BẰNG MÔ HÌNH QUI HOẠCH THỰC NGHIỆM 82 Đặt bài toán 82

Các điều kiện , ràng buộc 82

Các tham số cần khảo sát 83

Sơ đồ khối mô hình tính toán mối tương quan giữa các thông số khai thác máy thi công cọc xi măng đất 84

4.4.1 Mối tương quan hệ giữa số vòng quay (n), lực ấn lúc rút cần (Pr) và chiều dài cần keley (L) 85

4.4.2 Mối quan hệ giữa chiều dài cần keley (L), số lần quét (T) và công suất máy khoan trộn (N) 88

4.4.3 Mối quan hệ giữa chiều dài cần keley (L), số lần quét (T) và mô men xoắn của máy khoan trộn (M) 91

4.4.4 Mối quan hệ giữa lực tác dộng (Pr), công suất (N) và tốc dộ rút cần khoan (Vr) 95

4.4.5 Mối quan hệ giữa số vòng quay(n), lực ấn (Pr), tốc độ rút (Vr) 98 4.4.6 Mối quan hệ giữa chiều dài cần (L), mô men xoắn(M), tốc độ rút cần (Vr) 101

4.4.7 Mối quan hệ giữa chiều dài Keley L, mô men xoắn M và tốc độ rút cần Vr 104

vii

Mô hình bài toán tăng hiệu quả sử dụng khi hạn chế sự biến đổi một thông số

chính chọn trước 104

4.5.1 Các thông số xuất phát 105

4.5.2 Phương trình thực nghiệm yếu tố toàn phần 106

4.5.3 Quan hệ giữa công suất, năng suất và mô men 107

4.5.4 Quan hệ giữa công suất, chất lượng và mô men, (N, T, M), (theo tiêu chí mô men sinh ra trên cần khoan không đổi) 109

4.5.5 Quan hệ giữa năng suất, chất lượng và mô men (A, T, M) 111

Kết luận chương 4 112

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 113

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 115

TÀI LIỆU THAM KHẢO 116

PHỤ LỤC 121

viii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Phân bố đất yếu ở đồng bằng Bắc Bộ, [19] 6

Hình 1.2 Phân bố đất yếu ở đồng bằng song Cửu Long, Nam Bộ, [19] 7

Hình 1.3 Phân loại các phương pháp trộn sâu, [29] 9

Hình 1.4 Chất kết dính dùng trong trộn khô Tại Nhật1992÷1996 ,(FHWA[33]) 13

Hình 1.5 Chất kết dính khác nhau theo phương pháp trộn khô

Tại Thụy Điển 1996÷2001 (D.A Bruce, [31]) 13

Hình 1.6 Thống kê các phương pháp và số lượng các dự án dùng cọc ximăng đất gia cố nền yếu tại Nhật Bản trong thời gian từ 1975-2011 ( M.Terashi, tr 154,[46]) 14

Hình 1.7 Thống kê cọc XMĐ sử dụng tại Nhật Bản, ( M.Terashi, 2013, tr 155,[46]) 14 Hình 1.8 Ảnh hưởng của các hợp chất CaO, SO3, Al2O3 trong xi măngtới cường độ nén nở hông[46] 17

Hình 1.9 Ảnh hưởng của sự phân bố kích thước hạt tới qu. [46] 17

Hình 1.10 Ảnh hưởng của hàm lượng thành phần đất mùn (axit humic) khi nén nở hông với các mẫu đất khác nhau, [46] 18

Hình 1.11 Ảnh hưởng của lượng nước ban đầu của đất lên cường độ nén nở hông, [46] 18

Hình 1.12 Ảnh hưởng của lượng XM tới qu (Wi-Hàm lượng nước trộn, [46]) 19

Hình 1.13 Ảnh hưởng của thời gian trộn tới qu,[46] 19

Hình 1.14 Sự tăng độ bền theo thời gian ninh kết tại các địa điểm khác nhau , [46] 20

Hình 1.15 Quan hệ qu với t 0C bảo dưỡng cọc XMĐ sau 28 ngày 20

Hình 1.16 Mũi khoan nhiều trục trộn; a) Của SMW, 2 x1,5 m; b) Đầu cắt đất cứng, đất lẫn đá, sỏi, [35] 22

Hình 1.17 Mũi khoan đơn 23

Hình 1.18 Công nghệ trộn sâu ướt, [35] 24

Hình 1.19 Sơ đồ dây chuyền công nghệ trộn sâu ướt 24

Hình 1.20 So sánh hiệu quả các phương pháp khoan phụt ướt cao áp với các phương pháp khác, [35], 25

Hình 1.21 Sự phát triển của cường độ chịu nén của cọc xi măng đất so với cường độ cuối cùng, [35] 25

Hình 1.22 Một kiểu mũi khoan trộn của phương pháp trộn sâu khô, [35], 26

Hình 1.23 Các mũi trộn khô Bắc Âu, (S Larsson,[43].) 27

Hình 1.24 Qui trình công nghệ trộn sâu khô (Lê Thanh Đức [4]) 28

Hình 2.1 Tham số quá trình khoan trộn[ 34

Hình 2.2 Sơ dồ lực tác dụng lên mũi khoan – trộn 35

Hình 2.3 Sơ đồ lực cản khi gặp đá cứng (Г Д Aлександрович, [79]) 36

Hình 2.4 Sơ đồ lực tác dụng lên mũi khoan xoay 36

Hình 2.5 Sự phụ thuộc của tốc độ khoan – cắt theo chiều dọc trục phụ thuộc vào phương pháp khoan và độ cứng của đất đá 37

ix

Hình 2.6 Quan hệ giữa tốc độ khoan sâu với số vòng quay V = f(n) 39

Hình 2.7 Sơ đồ tính lực trên lưỡi cắt của mũi khoan trộn (N.G Dombrovski, [69]) 40

Hình 2.8 Mũi khoan tạo cọc theo phương pháp ướt 43

Hình 2.9 Mũi khoan trộn kiểu tấm của phương pháp trộn sâu khô, [47] 43

Hình 2.10 Mũi khoan trộn kiểu tấm và kiểu khung của phương pháp trộn sâu, [47] 44

Hình 2.11 Các mũi khoan trộn đã được sử dụng hiệu quả tại công trường xây dựng bể chứa xăng dầu Cái Mép, Bà Rịa – Vũng tàu.[4] 44

Hình 2.12 Các thông số kích thước làm cơ sở ứng dụng luật đồng dạng của các mũi khoan trộn lực chọn 45

Hình 4.1 Sơ đồ khối tính toán tương quan giữa các thông số khai thác của mô hính qui hoạch thực nghiệm 84

Hình 4.2 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa 3 thông số khai thác L, Pr, n 87

Hình 4.3 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa 3 thông số khai thác: N, T, L 90

Hình 4.4 Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa M, T, L 94

Hình 4.5 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ Vr, N, Pr 97

Hình 4.6 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa Vr, Pr, n 100

Hình 4.7 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa L, M, Vr, 104

Hình 4.8 Quan hệ giữa công suất, năng suất và mô men 109

Hình 4.9 Quan hệ giữa công suất N, chất lượng T và mô men M trên cần khoan 110

Hình 4.10 Quan hệ giữa năng suất A, chất lượng T và mô men M trên cần khoan 112

x

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Số liệu một số công trình khác sử dụng cọc XMĐ ở Việt Nam, [19], [25] 15

Bảng 1.2 Ảnh hưởng của loại nước pha trộn 17

Bảng 1.3 Các thông số kỹ thuật của máy khoan trộn khi trộn sâu ướt, [43] 22

Bảng 1.4 Một số thông số thường được dùng cho 3 loại ống 26

Bảng 1.5 Thông số kỹ thuật của phương pháp trộn sâu khô –DDM,(M.Terashi, [46]) 28 Bảng 2.1 Lực cản đào riêng k1 và k2 (N/cm2), (N.G Dombrovski, [69]) 41

Bảng 2.2 Hệ số lực bám kb 42

Bảng 2.3 Hệ số ma sát trong và hệ số ma sát ngoài của đất 42

Bảng 2.4 Các thông số xuất phát của mũi trộn theo luật đồng dạng 46

Bảng 2.5 So sánh các phương pháp đánh giá lựa chọn máy thi công cọc xi măng đất 49 Bảng 2.6 Đặc tính kỹ thuật công nghệ trộn khô của Bắc Âu và Nhật Bản 56

Bảng 3.1 Thông số tổng hợp tính toán máy tạo cọc (1) 68

Bảng 3.2 Kết quả tính toán, lựa chọn máy tạo cọc theo chi phí tính đổi nhỏ nhất 73

Bảng 3.3 Kết quả tổng hợp 4 phương án 74

Bảng 3.4 So sánh phương án theo các chỉ tiêu 75

Bảng 3.5 Trị số không đơn vị đo của chỉ tiêu “i” thuộc phương án “j” 78

Bảng 3.6 Các chỉ tiêu và tầm quan trọng của nó 79

Bảng 3.7 Xác đinh trọng số của các chỉ tiêu so sánh, (ma trận vuông Warkentin) 79 Bảng 3.8 So sánh các chỉ tiêu của các phương án khả thi 80

Bảng 4.1 Khoảng biến thiên của các thông số chính máy tạo cọc 83

Bảng 4.2 Số liệu tính toán quan hệ giữa n, Pr, L 85

Bảng 4.3 Số liệu để tính phương sai thích hợp là: 86

Bảng 4.4 Số liệu tính toán mối quan hệ L, T, N 88

Bảng 4.5 Số liệu để tính phương sai thích hợp tương quan L, T, N 89

Bảng 4.6 Số liệu tính toán mối quan hệ L, T, M 91

Bảng 4.7 Số liệu để tính phương sai thích hợp tương quan L, T, M 93

Bảng 4.8 Số liệu tính toán khi tính mối quan hệ giữa Pr, N, Vr 95

Bảng 4.9 Số liệu để tính phương sai thích hợp tương quan Pr, N, Vr 96

Bảng 4.10 Số liệu tính toán quan hệ n, Pr, Vr: 98

Bảng 4.11 Số liệu để tính phương sai thích hợp tương quan giữa n, Pr, Vr 99

Bảng 4.12 Số liệu tính toán mối quan hệ giữa L,M,Vr 101

Bảng 4.13 Số liệu để tính phương sai thích hợp L, M, Vr là: 103

Bảng 4.14 Mức giá trị các yếu tố 107

Bảng 4.15 Thông số quan hệ công suất, năng suất và mô men (N, A, M) 107

Bảng 4.16 Thông số công suất, chất lượng trộn và mô men trên cần khoan 109

Bảng 4.17 Thông số năng suất, chất lượng, mô men trên cần khoan (A, T, M) 111

xi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

CDIT Coastal Development Institute of Technology-Viện phát

triển công nghệ ven biển (Nhật Bản) CEN TC Qui định thi công các công trình địa kỹ thuật đặc biệt

DLM- Deep Lime Mixing: Phương pháp trộn sâu đất – vôi

FMI Fras Misch- Injektionsverfahren-cut mix injection

G, G0 Mô đun trượt của hệ cần tính và hệ so sánh

GT, GTVT Giao thông, giao thông vận tải

i, j Thứ tự hàng, cột trong lưới sai phân và ma trận

JACSMAN Phụt cao áp kết hợp quản lý hệ thống khuấy

KHKT-GTVT Khoa học kỹ thuật-Giao thông vận tải

LICOGI Liên hiệp các xí nghiệp thi công cơ giới

xii

min τmax Cực tiểu của ứng suất tiếp lớn nhất

Nc, Nγ, Nq Hệ số tải trọng giới hạn

NORDIC.DRY Phương pháp trộn sâu khô kiểu Bắc Âu

pgh Cường độ giới hạn, tải trọng giới hạn

PWRI Viện nghiên cứu công trình công cộng (Nhật Bản)

Qp, Qf Lực giới hạn chống mũi cọc, ma sát xung quanh cọc

qu Cường độ kháng nén nở hông vật liệu đất xi măng

RASM Rotary auger soil mixing-Trộn đất bằng mũi khoan quay

Rcl Giới hạn biến dạng tuyến tính của nền đất

Sc Khoảng cách tim hai cọc đất xi măng liền kề

SPT Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn, để kiểm tra chất lượng cọc

Thông số mô hình Qui

*i, (j) *Chỉ số của chỉ tiêu (phương án)

*Pij *Trị số không đơn vị đo của chỉ tiêu i thuộc phương án j

*Cij * Trị số chưa mất đơn vị đo của chỉ tiêu i, phương án j

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Khi xây dựng công trình trên các vùng đất yếu, có độ lún và thấm lớn, sức chịu tải và

ổn định của nền đắp kém, cần phải tiến hành gia cố, xử lý nền

Có nhiều biện pháp xử lý đã được áp dụng:

• Xử lý nền yếu bằng cọc cứng: cọc tre, tràm; cọc bê tông cốt thép, cọc thép…

• Xử lý nền yếu bằng cọc không cốt: cọc cát, cọc bấc thấm…

Xử lý nền yếu bằng các phương pháp đặc biệt: gia tải trước, cố kết động, gia cố nền yếu bằng hóa chất, bằng gia nhiệt, bằng điện hóa, bằng cọc vôi- đất, cọc xi măng -đất (XMĐ)…

Việc gia cố nền yếu bằng trộn đất tại chỗ với với xi măng để cải thiện nền đất yếu đã được nhiều nước quan tâm Đồng thời công nghệ và thiết bị thi công của phương pháp này cũng dần phát triển Công nghệ này sử dụng để gia cố nền đất yếu vùng ven sông, biển, chống trượt mái dốc, gia cố tường chắn, xử lý môi trường cải tạo đất hữu cơ… Việt Nam là nước ven biển, nhiều sông suối Các vùng đồng bằng được hình thành từ các trầm tích, phần lớn nằm trên các vùng đất yếu cần gia cố nền móng khi xây dựng công trình Dùng cọc xi măng đất gia cố nền móng là một trong những giải pháp tốt đã được sử dụng ngày càng nhiều

Qua khảo sát chưa đầy đủ, chỉ tính trong các năm từ 2000÷ 2008, ba tỉnh Khánh Hòa, Đồng Nai, Cần Thơ đã sử dụng tới 151.000 m cọc XMĐ cho các công trình xây dựng Giao thông, còn tại hai thành phố Hồ Chí Minh và Cần Thơ đã sử dụng 38.500 m3 cọc XMĐ để gia cố nền móng khi xây dựng các kho xăng dầu

Việc nghiên cứu ứng dụng cọc XMĐ không chỉ là nghiên cứu bản thân cọc, mà còn cần nghiên cứu cả công nghệ thi công và các thiết bị kèm theo của hệ thống máy phun trộn tạo cọc XMĐ cùng các thông số cơ bản của nó - phần quan trọng quyết định năng suất

2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của luận án là :

*Xây dựng mô hình tính toán lựa chọn tối ưu máy và thiết bị thi công cọc XMĐ, thỏa mãn các điều kiên biên và các ràng buộc kinh tế -kỹ thuật, có xét đến các ảnh hưởng của thông số kỹ thuật và kết cấu của bản thân máy cũng như ảnh hưởng của tham số nền đất

và các vật liệu tạo nên cọc XMĐ

*Lựa chọn phương án thi công tốt nhất nhằm tạo cọc xi măng đất gia cố nền móng, có xem xét toán diện đến các yếu tố ảnh hưởng, kể cả các yếu tố xã hội hoặc mang tính định tính, không thứ nguyên

*Nghiên cứu mối tương quan , sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa các thông số vận hành của máy thi công tạo cọc xi măng đất gia cố nền móng, nhằm đạt hiệu quả sử dụng tốt hơn trong ti công

3 Đối tượng và nội dung nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu

Các máy khoan trộn đất tự nhiên tại chỗ với chất kết dính là xi măng để tạo cọc xi măng đất, nhằm gia cố nền đất yếu cho các công trình xây dựng trên nền yếu tại Việt Nam

-Nội dung nghiên cứu bao gồm :

- Nghiên cứu tổng quan về các phương pháp gia cố nền đất yếu bằng cọc đất tự nhiên trộn với xi măng tại chỗ

3

-Nghiên cứu công nghệ và thiết bị thi công khi trộn sâu để tạo cọc xi măng đất

- Xây dựng mô hình bài toán mô phỏng quá trình lựa chọn máy khoan trộn tạo cọc XMĐ khi gia cố nền đất yếu một cách hiệu quả, có xét tới các thông số công nghệ và thông số

cơ bản của máy khoan trộn tạo cọc XMĐ khi thi công tại Việt Nam

= Xây dựng mô hình tính toán lựa chọn phương án thi công có thể xem xét đầy đủ đến các yếu tố ảnh hưởng, (bao gồm cả yếu tố xã hội, hoặc mang tính định tính, không thứ nguyên.)

- Xây dựng mô hình toán về mối quan hệ giữa các thông số chính của máy khoan trộn với cọc xi măng đất và nền

4 Phương pháp nghiên cứu

Trên cơ sở nghiên cứu về lý thuyết và thực nghiệm trong và ngoài nước, tiến hành phân tích, so sánh, chọn công nghệ gia cố nền yếu bằng cọc xi măng đất hợp lý, lựa chọn các thông số kỹ thuật cần thiết của máy khoan trộn trong điều kiện thi công xây dựng tại Việt nam

Sử dụng lý thuyết khoan, đào cắt đất xây dựng bài toán lựa chọn tối ưu máy khoan trộn tạo cọc xi mặng đất theo chỉ tiêu kinh tế tổng hợp

Khảo sát lựa chọn các thông số khai thác, hợp lý để xây dựng mô hình bài toán xác định mối tương quan giữa thông số làm việc của máy khoan trộn tạo cọc xi măng-đất

Sử dụng phương pháp của qui hoạch thực nghiệm xây dựng mô hình toán xác lập quan

hệ giữa năng suất, chất lượng máy khoan trộn với mô men xoắn trên cần khoan

Ứng dụng qui hoạch toán học để tìm cực trị, lý thuyết Partern để so sánh các chỉ tiêu khác thứ nguyên, dùng qui hoạch thực nghiệm để xây dựng và giải quyết các mô hình bài toán với dữ liệu là các thông số cơ bản của máy

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học

4

- Từ các nghiên cứu nghiên cứu đã có trong và ngoài nước, đã xác định được các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng cọc xi măng đất, đã đề xuất bộ thông số cơ bản liên quan đến hiệu quả khi chọn máy

- Xây dựng và đề xuất thiết lập mới được các mô hình tính toán chọn máy khoan trộn cọc xi măng đất, trên cơ sở qui hoạch tuyến tính có chi phí tính đổi nhỏ nhất, có thông

số kỹ thuật cơ bản thỏa mãn các yêu cầu và điều kiện thi công cọc xi măng đất

- Đã đề xuất cách tính chọn phương án thi công hiệu quả, chưa ai thực hiện khi nghiên cứu về các máy khoan trộn tạo cọc xi măng đất tại Việt nam

- Đã đề xuất sử dụng mô hình toán qui hoạch thực nghiệm nghiên cứu mối tương quan giữa các cặp thông số khai thác của máy

Ý nghĩa thực tiễn:

Kết quả nghiên cứu của luận án có thể là tài liệu tham khảo hữu ích cho các đơn vị thi công khi lựa chọn máy khoan trộn tạo cọc xi măng đất Nó cũng có thể làm tài liệu tham khảo cho các đơn vị thiết kế và chế tạo máy khoan trộn tạo cọc xi măng đất khi biết được mối tương quan giữa các thông số cơ bản của máy trong các điều kiện thi công cụ thể

5

Khái niệm về nền đất yếu

1.1.1 Khái quát về đất yếu

Đất yếu được hình thành từ trầm tích sông (lòng sông, bãi bồi), trầm tích bờ, vũng vịnh

và đều thuộc trầm tích hệ Thứ Tư với chiều dày lớp đất thay đổi theo vùng thổ nhưỡng

Do các điều kiện hình thành nên tồn tại nhiều loại đất yếu khác nhau như bùn, than bùn, bùn pha, đất hữu cơ, đất sét yếu và cát nhỏ bão hòa v.v Các loại đất yếu này có khả năng chịu lực thấp, sức chống cắt nhỏ dần theo chiều sâu, hầu như bão hòa nước, tính thấm nước kém và thay đổi khi biến dạng, có tính nén lún lớn Thực tế xây dựng, thường gặp các loại đất yếu là bùn và sét yếu

Các loại bùn

Bùn là trầm tích giai đoạn đầu của quá trình hình thành các loại đất sét, được tạo thành trong nước có sự tham gia của các vi sinh vật gồm các hạt rất mịn đường kính nhỏ hơn 200ϻm, trong đó bao gồm cả hạt đường kính nhỏ hơn 2ϻm Thành phần hạt bùn có thể coi là á sét, á cát và cũng có thể là cát mịn có chứa một hàm lượng hữu cơ nhất định từ

10 ÷50%

Cường độ của bùn và góc ma sát trong của bùn rất nhỏ, biến dạng lớn, độ bền cắt nhỏ,

hệ số nén lún nhỏ hơn 0,03÷1 kPa Khi chịu tác dụng của tải trọng rất nhỏ thì liên kết đã

bị phá hủy

Các loại sét yếu

Đất sét yếu là các loại sét hoặc á sét bão hoà nước, có cường độ cao hơn so với bùn, chỉ

số dẻo lớn hơn 17% và độ sệt từ 0,5 ÷0,8 Đất chủ yếu gồm các hạt nhỏ như thạch anh, các khoáng vật sét (các silicat alumin có thể chứa các ion Mg, K, Ca, Na, Fe và được chia ba loại chính là ilit, kaolinit và monmorilonit, đây là các khoáng vật tạo ra đặc tính riêng của đất sét) Một trong những đặc điểm quan trọng của đất sét là tính dẻo, với tính chất này làm cho đất sét thể hiện sự lưu động của nó dưới tác dụng của ngoại lực Mức

độ biến dạng đất sét chiếm vị trí trung gian giữa thể cứng và thể lỏng hoặc chảy nhớt

6

Tóm lại, đất yếu Việt Nam rất đa dạng, ngoài những đặc điểm chung là khả năng chịu lực kém, biến dạng lớn v.v thì đặc biệt lưu ý đến một số tính chất khi cải tạo đất, như tính chất khoáng vật thay đổi, mức độ thấm nước

Một số đặc trưng cơ lý của đất yếu:

Dựa vào chỉ tiêu vật lý[19], đất được gọi là yếu khi, :

1.1.2 Đặc điểm và phân bố đất yếu tại Việt nam

Đất yếu ở nước ta khá phổ biến, đặc biệt là tại các khu vực đồng bằng châu thổ sông Hồng và đồng bằng sông Cửu Long Chiều dày các lớp đất này đôi khi khá lớn, có nơi tới 45÷60m Nền đất yếu Việt Nam trải dài từ Bắc vào Nam được phân bố thành các

vùng, như sau: (hình 1.1 và 1.2) địa tầng có chiều dày lớn từ vài mét đến hơn trăm mét, đặc biệt là các vùng châu thổ ven biển trầm tích có chiều dày lớn nhất

Hình 1.1 Phân bố đất yếu ở đồng bằng Bắc Bộ, [19]

Vị trí của đất đá ở bên dưới ảnh hưởng đến chiều dày của tầng trầm tích này

7

Vùng đồng bằng Thái Bình tầng trầm tích mỏng hơn so với vùng đồng bằng sông Hồng Theo đánh giá chung của các nhà địa chất, trầm tích vùng này cấu tạo từ 2 tầng: tầng dưới hạt thô (cuội, sỏi lẫn cát thô, cát vừa hay cát nhỏ, cát pha sét), tầng trên hạt mịn (sét, sét pha cát, bùn và than bùn) và như vậy lớp đất yếu phân bố khắp nơi chủ yếu là bùn và than bùn

Đồng bằng ven biển miền Trung

Vùng đồng bằng mài mòn bồi tụ điển hình, trầm tích thường thấy ở vùng thung lũng có sông Do chịu tác động của vận động kiến tạo hạ xuống hoặc nâng lên, nên các trầm tích

ở đây cũng rất đa dạng, như loại bồi tích tam giác châu, loại bồi tụ ven biển v.v Các khu vực mài mòn xen kẽ hay sông suối ngắn và dốc, chính vì vậy mà trầm tích vùng này không dày so với vùng đồng bằng Bắc Bộ

Đất yếu trầm tích là các loại bùn hoặc cát nhỏ bão hoà rời rạc, số lượng các lớp đất yếu thường không quá 3 lớp, chiều dày tầng đất yếu không quá 20m, đáy lớp thường là đá magma hay đá biến chất

Đồng bằng Sông Cửu Long và Nam Bộ

Hình 1.2 Phân bố đất yếu ở đồng bằng song Cửu Long, Nam Bộ, [19]

8

Khu vực đồng bằng sông Cửu Long: Các trầm tích mềm yếu có bề dày lớn, đa dạng (

có nguồn gốc biển, đầm lầy, hỗn hợp sông biển) Tùy từng vùng mà có đặc tính cơ học khác nhau, đất yếu chủ yếu là sét yếu, bùn sét, bùn pha sét, cát bão hòa nước, bề dày trung bình từ 15 ÷20m

Khu vực Nam Bộ: thuộc đồng bằng bồi tích với nguồn gốc sông, đầm lầy, sông biển, vũng vịnh hỗn hợp Tầng trầm tích biến đổi khá lớn và phức tạp, chiều dày một vài mét đến trăm mét tùy vào từng khu vực, trong đó loại trầm tích phù sa cổ (gồm sét, á sét, cát mịn), loại bồi tích trẻ - đất yếu chủ yếu là đất bùn sét, bùn sét hữu cơ bão hoà,

có chiều dày 8 ÷ 35m

Các phương pháp và công nghệ gia cố nền đất yếu

1.2.1 Các phương pháp gia cố nền đất yếu truyền thống

Cho đến nay, người ta đã tìm ra nhiều phương pháp cải tạo nền yếu khác nhau, như là bằng cọc tiết diện nhỏ (cọc tre, tràm ), cọc cát đầm chặt, dùng bệ phản áp, cọc bấc thấm (cọc bản nhựa), gia tải trước, cố kết động, bằng các phương pháp đặc biệt (gia cố nền yếu bằng hóa chất, bằng gia nhiệt, bằng điện hóa )

1.2.2 Gia cố đất yếu bằng cách trộn đất tại chỗ với chất kết dinh

Một trong những phương pháp xử lý nền yếu hiệu quả là làm cọc từ đất tại chỗ trộn với chất kết dính Trộn đất tại chỗ là trộn đất tự nhiên tại chỗ với chất kết dính, tạo ra cường

độ chịu lực tốt hơn, giảm tính thấm trong đất Trộn đất tại chỗ đươc dùng cho nhiều loại nền yếu khác nhau, như là sét, sét mềm, cát, cát pha sỏi nhỏ, trầm tích, đất hữu cơ…vv

Với mỗi loại đất, sẽ có những khác biệt về phản ứng hóa học, tỉ lệ phối trộn đất - chất kết dính Hiệu quả cải tạo đất này là do kết quả của các phản ứng hóa học và sự trương

nở của sản phẩm trộn, điền đầy các khoảng trống vốn có trong đất tự nhiên

Có nhiều loại chất kết dính như : xỉ lò cao, thạch cao, tro bay, hay một vài hợp chất khác

có phụ gia khi cần xử lý sự ô nhiễm môi trường của đất Tuy nhiên thường dùng là vôi

và xi măng Gần đây do có nhiều ưu điểm , chất kết dính hầu hết đều sử dụng xi măng

9

Các phương pháp công nghệ trộn đất với chất kết dính

Kỹ thuât trộn đất tại chỗ có rất nhiều, nhưng khái quát là gồm 2 nhóm phương pháp chính là: trộn sâu (Deep Mixing Method -DMM) và trộn nông (Shallow Mixing Method- SMM) Trong đó trộn sâu được thường được ứng dụng để gia cố nền móng ( hình 1.3) còn trộn nông thường dùng để ngăn sạt lở cục bộ hoặc chống xâm lấn hay ngăn chặn lan tỏa ô nhiễm môi trường

Hình 1.3 Phân loại các phương pháp trộn sâu, [29]

a) Theo hình thức chất kết dính; b) Theo phương pháp trộn; c) Theo tên gọi, ký hiệu,

tên hãng, tên nước

Trộn đất tại chỗ với xi măng thường sử dụng thiết bị và máy thi công có cần khoan tạo cột XMĐ hình trụ (còn gọi là cọc xi măng đất )

10

Sơ lược lịch sử gia cố nền yếu trên thế giới

Do pbhương pháp DMM áp dụng cho độ sâu từ 3÷50 mét Các chất kết dính phụt vào đất ở dạng khô hoặc vữa ướt thông qua trục quay rỗng có cánh trộn nghiêng với các mũi khoan cắt khác nhau DMM thường dùng hiệu quả trong các trường hợp xử lý trầm tích hoặc đất hữu cơ nông

Cho đến nay các nghiên cứu về DMM được tiến hành chủ yếu là tại Nhật và Bắc Âu Tại Nhật các nghiên cứu về vấn đề này đã từ năm 1967

Từ năm 1970, người ta đã bắt đầu sử dụng vữa xi măng làm chất kết dính

Từ 1977 đến 1987 tại Nhật Bản, phương pháp trộn sâu ướt WDM (Wet Deep Mixing)

và phương pháp CDM (Cement Deep Mixing-CDM) đã được áp dụng

Đến năm 1986, phương pháp trộn phụt cao áp (Jet Grouting) ra đời, với đường kính tổng cộng tới 3,6m

Phương pháp trộn sâu khô (Dry Jet Mixing - DJM), ra đời ở Nhật vào 1978, do Viện nghiên cứu công trình công cộng (PWRI) của Bộ Xây Dựng đề xướng Thiết bị của phương pháp này mới được chế tạo lần đầu tiên được áp dụng vào năm 1981

Thiết bị tiêu chuẩn hiện tại của phương pháp DJM có thể có hai trục trộn, với cánh trộn

có đường kính 1,0 m và độ sâu tối đa 33m (Hiệp hội DJM, năm 2002)

Tại Nhật Bản, các phân loại thiết bị trộn sâu như sau

Hàng năm tại Nhật đã thi công gia cố khoảng 5 triệu m3 đất, trong đó khoảng 1/3 là CDM thực hiện sâu trong đất liền, 1/3 CDM ngoài bờ biển và 1/3 theo phương pháp DJM Tính đến cuối năm 2001, tổng khối lượng đất được xử lý bằng cọc XMĐ ở Nhật Bản lên tới 70 triệu m3 (nguồn Terashi năm 2003)

Ứng dụng trộn sâu (DMM) ở Bắc Âu

DMM được bắt đầu tại Thụy Điển vào năm 1967, bởi Linden Alimak AB trong hợp tác nhiều bên với Viện Địa Chất Thụy Điển

Lúc đầu chỉ là trộn nông đất tại chỗ với vôi, được Thụy Điển tiến hành từ 1975, sau đó

là trộn sâu dùng cả vôi và xi măng Hai chất kết dính nói trên phù hợp cho nhiều loại

11

đất mềm nên đã phát triển trong nhiều năm Do hiệu quả của phương pháp này, từ

1989-2000 nó đã trở thành một công nghệ chủ yếu cải thiện đất ở Bắc Âu, với một ước tính

số liệu cho tới năm 2000 thi công khoảng 1,2 triệu m3 nền yếu (FHWA, năm 2000)

Ở các nước châu Âu khác, phương pháp Bắc Âu đã được đã được sử dụng ở Ba Lan từ năm 1995, bởi nhà thầu Thụy Điển Tại thành phố mới Szczecin, với hơn 550 000 m dài cột đất xi măng / vôi Các dự án khác cũng đã được tiến hành ở Anh , Hà Lan và Đức Ở Phần Lan và Thụy Điển, một phương pháp trộn khô khác gọi là phương pháp SMM làm ổn định bề mặt lớp than bùn, bùn hoặc đất sét mềm đến độ sâu khoảng 5m đã được phát triển và áp dụng cho đường bộ và các dự án khai hoang đất

Phương pháp trộn nông

Tại Hoa Kỳ , trộn sâu (DMM) được ứng dụng từ năm 1985 Một dự án tại đầm Jackson Lake, WY, nơi 130.000 mét cột đã được thi công ở độ sâu tối đa 33m (FHWA, 2000) Ngoài ra còn ứng dụng trộn nông (Shallow Mixing Method-SMM) dùng xử lý đất yếu hoặc các nền ô nhiễm đến độ sâu 12 m và trộn với chất kết dính khô (Dry Method-

DM ) đã được áp dụng vào 1991 tại Chicago (Jasperse và Ryan,1992),[26]

Công trình lớn nhất ở Mỹ áp dụng phương pháp DM đã được tiến hành từ giữa năm

1996 đến 1999 thi công đường hầm trung tâm thuộc dự án Boston Những công trình

DM thi công tường đất hỗn hợp với nhiều mũi khoan, tạo lỗ lớn gấp ba lần đường kính ban đầu 1,5 m

Trung Quốc bắt đầu áp dụng phương pháp DMM gia cố nền ở Thượng Hải năm 1978 Các dự án đầu tiên tại nước ngoài được từ 1987÷1990 tại Nhật Bản Tổng khối lượng đất Trung Quốc gia cố theo phương pháp DMM trong thời gian này khoảng hơn 1 triệu

m3 (Porbaha,1998) Đến năm 1992, lần đầu tiên Trung Quốc dùng thiết bị CDM cho công việc ở nước ngoài khi hợp tác với Nhật Bản xây dựng cảng Yên Đài Năm 1992 chỉ riêng trong dự án cảng Yantai, gần 60.000 m3 cọc XMĐ đã được xử lý ngoài biển

do chính người Trung Quốc thực hiện (Tang, 1996)

12

Các ứng dụng khác của phương pháp trộn ướt và khô ở Đông Nam Á bao gồm một số

dự án quan trọng tại Đài Loan, Singapore, Hồng Kông và Thái Lan, nói chung đều có

Từ năm 1995 cọc xi măng đất đã được ứng dụng xử lý môi trường đất, với tầm quan trọng ngày càng tăng Vương quốc Anh là một trong những nước châu Âu đầu tiên nghiên cứu và ứng dụng trộn ướt để ngăn chặn các và đóng gói các loại đất bị ô nhiễm, tạo ra bức tường chắn ngăn cản sự lan truyền ô nhiễm (Lebon, năm 2002)

Ở Ba Lan, phương pháp trộn ướt của DM được áp dụng lần đầu tiên vào năm 1999 bởi Keller Polska, sử dụng các thiết bị trộn ban đầu của Đức Các dự án đầu tiên đã tạo ra các cọc giao nhau tạo thành một bức tường dọc theo một đập cũ của sông Vistula vùng Krako'w Lần đầu tiên trên thế giới, DMM được áp dụng để gia cố nền cho 39 cây cầu

xây dựng trên đường cao tốc A2 trong thời gian 2002÷2003

Tầm quan trọng ngày càng tăng của DMM ở châu Âu cũng đã dẫn đến các nghiên cứu chung và các hoạt động tiêu chuẩn hóa Các tập đoàn và các công ty, tổ chức từ Anh, Phần Lan, Ireland, Ý, Hà Lan và Thụy Điển đã thực hiện một chương trình nghiên cứu

và phát triển được hỗ trợ bởi Uỷ ban châu Âu vào 1997÷2000 Tên công trình nghiên cứu này có tên là EuroSoilStab Năm 2002, tiêu chuẩn châu Âu về trộn sâu CEN / TC288 bắt đầu có hiệu lực Một vài thống kê sau nói lên sự phát triển mạnh mẽ của cọc

13

XMĐ

Hình 1.4 Chất kết dính dùng trong trộn khô Tại Nhật1992÷1996 ,(FHWA[33])

Hình 1.5 Chất kết dính khác nhau theo phương pháp trộn khô

Tại Thụy Điển 1996÷2001 (D.A Bruce, [31]) Việc sử dụng các chất kết dính trong vòng 21 năm thống kê được như sau:

- Xi măng Portland, 28%, xi măng xỉ loại B 30%, xi măng tạp từ các đại lý 33%, vôi

8%, những chất khác 1% (Aoi, 2002)

Nhận xét : Từ các trên có thể thấy: -Các cọc XMĐ trộn khô phát triển rất mạnh mẽ ,

khối lượng ổn định hàng năm; - CKD là xi măng được dùng phổ biến

14

Hình 1.6 Thống kê các phương pháp và số lượng các dự án dùng cọc ximăng đất gia

cố nền yếu tại Nhật Bản trong thời gian từ 1975-2011 ( M.Terashi, tr 154,[46])

Hình 1.7 Thống kê cọc XMĐ sử dụng tại Nhật Bản, ( M.Terashi, 2013, tr 155,[46])

Nhận xét các hình 1.6 và 1.7 : Tại Nhật Bản

1- Có nhiều phương pháp tạo cọc gia cố nền yếu băng cọc XMĐ;

2- Khối lượng gia cố nền yếu băng cọc XMĐ ngày càng tăng nhanh;

3- Gia cố nền yếu bằng cọc XMĐ được ứng dụng cho nhiều mục đích khác nhau

Bảng 1.1 Số liệu một số công trình khác sử dụng cọc XMĐ ở Việt Nam, [19], [25]

2000 Cảng Ba Ngòi, Khánh Hòa 4000 m dài, cọc XMĐ,d=0,6m

2001 Kho xăng dầu Nhà Bè, Tp.HCM 22.000 m3, cọc XMĐ

2002-2003 Kho xăng dầu Miền Tây, Cần Thơ 12.500 m3, cọc XMĐ

2003 *Bãi rác Đông Thạnh, Tp.HCM

*Nhà máy điện Phú Mỹ Bà Rịa-V.Tàu

*Nhà máy nước Nam Định

Cọc XMĐ

2004 *Bể chứa xăng NIKI Tp HCM

*Kho xăng Đình Vũ Hải Phòng

*Cầu Thanh Trì, Hà Nội

*Cống D10, Hà Nam; cống Trại, Nghệ an; cống Rạch, Long An

*4000 m3, cọc XMĐ

*Cọc XMĐ

*Cọc XMĐ,làm móng

*Cọc XMĐ chống thấm

2005 Khu đô thị Đồ Sơn, Hải Phòng Cọc XMĐ,làm móng

2007 Nhà máy điện Nhơn Trạch 1, Đ.Nai 15.000 m cọc móng

2008 Đường vào sân bay Cần Thơ

Đường nối cầu Thủ Thiêm-ĐL Đông Tây

32.000m cọc móng 100.000 cọc gia cố nền 2013-2015 Thống kê toàn quốc 10.400.000 m cọc gia cố 2016-2018 Thống kê toàn quốc 7.200.000 m cọc gia cố

Do đặc điểm địa hình có nhiều sông ngòi, với hai vùng đồng bằng là Bắc bộ và Nam bộ

có địa chất phần lớn là đất yếu vì vậy rất cần thiết lựa chọn các giải pháp và công nghệ gia cố xử lý nền thích hợp khi xây dựng các công trình Do hiệu quả kinh tế cao, phương pháp dùng cọc XMĐ để đã bước đầu được ứng dụng trong thực tế

16

Vào năm 2000, do yêu cầu của thực tế, phương pháp này được áp dụng bởi COFEC và nay là C&E Consultants C&E đã thực hiện các thí nghiệm quan trắc sự thay đổi áp lực nước dưới đáy khối gia cố (ở độ sâu > 20m) tại TP.Hồ Chí Minh

Các yếu tố ảnh hưởng khi gia cố nền yếu bằng cọc xi măng đất

1.3.1 Sự phụ thuộc của chất lượng cọc XMĐ

Khả năng chịu lực của cọc XMĐ, tức chất lượng của nó phụ thuộc vào các yếu tố sau: Đặc điểm của chất kết dính, bao gồm:

-Loại và chất lượng của chất kết dính; - Loại nước trộn và các tạp chất;

Đặc điểm và điều kiện đất, bao gồm:

-Tính chất lý – hóa và lượng chất khoáng; - Lượng chất hữu cơ trong đất; -Độ pH của đất; -Hàm lượng nước

Điều kiện trộn:

- Mức độ trộn (tỷ lệ W/C); - Thời gian trộn; -Số lượng chất kết dính,

Điều kiện bảo dưỡng:

- Nhiệt độ; - Thời gian bảo dưỡng; -Độ ẩm; - Chu kỳ làm ướt và sấy khô;-Tuổi ninh kết …

Máy và hệ thống thiết bị thi công, bao gồm kiểu loại kết cấu, thông số cơ bản khi vận hành, số lượt trộn trên một mét dài cọc (T), mức độ tự động hóa khi thi công…

Dưới đây trình bày các nghiên cứu liên quan đến các yếu tố ảnh hưởng đã được nghiên cứu trong và ngoài nước

1.3.2 Các nghiên cứu liên quan ở nước ngoài

Ảnh hưởng của loại xi măng

Ảnh hưởng của hàm lượng CaO, SO3, Al2O3 có trong xi măng

17

Hình 1.8 Ảnh hưởng của các hợp chất CaO, SO3, Al2O3 trong xi măngtới cường độ

nén nở hông[46]

Ảnh hưởng của loại nước pha trộn

Bảng 1.2 Ảnh hưởng của loại nước pha trộn Hàm lượng

nước

(%)

H.lượng chất kết dính (%)

Tuổi ninh kết (ngày)

Cường độ nén nở hông (kN/m2) Tỷ lệ cường độ (Nước

máy/ Nước biển)

Trộn nước máy Trộn nước biển

Ảnh hưởng của đặc điểm và điều kiện đất

Hình 1.9 Ảnh hưởng của sự phân bố kích thước hạt tới qu. [46]

18

Ảnh hưởng của thành phần mùn hữu cơ trong đất

Hình 1.10 Ảnh hưởng của hàm lượng thành phần đất mùn (axit humic) khi nén nở

hông với các mẫu đất khác nhau, [46]

Qua đây cho thấy qu giảm đáng kể khi hàm lượng axit humic tăng Khi mà mùn hữu cơ nằm trong khoảng < 15% thì chưa có sự giảm độ bền nén nhiều Nhưng khi đạt tới > 15-20% thì độ bền cọc ximăng đất giảm nhanh Vì vậy chỉ nên gia cố XMĐ tại những nơi

có hàm lượng mùn hữu cơ từ 0,9-15%

Độ bền nén nở hông của đất ổn định rất cao nhờ chất kết dính, nhưng giảm đáng kể khi hàm lượng axit humic tăng, không phân biệt loại chất kết dính

Độ bền nén nở hông giảm xuống khoảng một phần ba khi hàm lượng axit humic ở 5%

Ảnh hưởng của của hàm lượng nước trong đất

Hình 1.11 Ảnh hưởng của lượng nước ban đầu của đất lên cường độ nén nở hông, [46]

Ảnh hưởng của điều kiện trộn:

Ảnh hưởng của lượng xi măng

Hình 1.12 Ảnh hưởng của lượng XM tới qu (Wi-Hàm lượng nước trộn, [46])

Hình 1.13 Ảnh hưởng của thời gian trộn tới qu,[46]

Tham số thí nghiệm: tuổi tc= 28 ngày; tỷ trọng đất =16,2 kN/m3; wi =68%

20

Ảnh hưởng của điều kiện bảo dưỡng (t 0 C, thời gian ninh kết, độ trưởng thành)

Hình 1.14 Sự tăng độ bền theo thời gian ninh kết tại các địa điểm khác nhau , [46]

Từ hình vẽ 1.14 ta có thể đưa ra các nhận xét sau đây:

1- Cường độ chịu lực của cọc XMĐ tăng theo thời gian ninh kết;

2- Khi hàm lượng chất kết dính còn thấp (< 30%) thì cường độ tăng theo hàm lượng chất kết dính, nhưng khi lượng CKD quá cao thì cường độ chịu lực của cọc XMĐ không tăng

mà lại giảm

Ảnh hưởng của kỳ hạn ninh kết (Độ trưởng thành của bê tông)

Hình 1.15 Quan hệ qu với t 0C bảo dưỡng cọc XMĐ sau 28 ngày

21

Nhiều nghiên cứu đã được tiến hành để xác định độ trưởng thành (hay còn gọi là “độ chín”) của bê tông, chúng xem xét tới ảnh hưởng theo thời gian của nhiệt độ tới khả năng chịu lực của bê tông

Các nghiên cứu được mô tả qua các phương trình sau:

M1: Định nghĩa chung về “độ chín” của bê tông xi măng,

M2: Nakama et al (2004), M3: Åhnberg và Holm (1984), M4: Babasaki và các cộng sự,(1996)

Qua đây ta thấy độ chín tuy có sự khác nhau, nhưng không ảnh hưởng nhiều trong thời gian dài, nhưng có ảnh hưởng đáng kể đến cường đô trong ngắn hạn Trong kỹ thuật bê tông, độ chín được giải thích bằng chỉ số trưởng thành, đó là một khái niệm kết hợp các hiệu ứng của thời gian và nhiệt độ Các phương trình cho thấy bốn định nghĩa của độ chín của các nghiên cứu đã có

Trong các yếu tố trên, máy và hệ thống thiết bị thi công, bao gồm kiểu loại kết cấu,

thông số cơ bản khi vận hành, là một trong những yếu tố quan trọng nhất, nó là tiền đề mang tính quyết định tạo nên các cọc XMĐ có chất lượng chống đỡ cho công trình

Thiết bị và công nghệ trộn sâu ướt (DDM) tạo cọc xi măng đất

1.4.1 Máy khoan trộn tạo cọc bằng phương pháp DDM

Phương pháp DDM tạo ra các cột XMĐ với sức kháng nén từ 0.5÷5 Mpa trong đất dạng hạt Thiết bị thi công DDM điển hình bao gồm một loạt trục trộn có cấp vữa bùn, một máy trộn, thiết bị phụt để trộn bùn với đất

Lưu lượng vữa bơm từ 0,08 ÷ 1,0 m3/ph Sự thay đổi mác vữa được thực hiện bằng cách điều chỉnh trọng lượng của mỗi thành phần

Tốc độ khoan sâu thường trong khoảng 0,5÷1,5 m / phút và tăng lên trong hành trình đi lên Mỗi trục trộn có một mũi cắt trộn gồm các cánh (lưỡi) cắt / trộn, đặt cách nhau 30

cm, các trục này thường quay theo hướng ngược nhau, (theo Horpibiulsuk, Nhật Bản 2002) Bảng tóm tắt các thông số kỹ thuật khi trộn sâu bằng phương pháp ướt (DM) có thiết bị trộn cơ khí trình bày trong bảng 1.5

(0,7-X (1,0)

L (1,0) X (0,3-0,5)-(Mỹ)

L(1,0)-(Mỹ, C.Âu)

X (0,2-1,0) L(0,7-1,0) X (0,5-1,0)

2,0)

L(1,5-X 1,0) L(1-2)

(0,6-X (0,8) L(1,0)

Tốc độ

quay(v/ph) X (20) L (40) X (20) L (40) X (20) L (40) 30-60 X (20) L (20-25) 20-40 15-25 8-30 Phun lúc

Tỷ lệ W/C 0,6-1,3 0,6-1,3 0,6-0,8:

sét; 1,2: cát;

Nhờ có lực ly tâm để phân phối chất kết dính cho tất cả các phần của cột khi quay, làm nâng cao hiệu quả trộn Các trục trộn trộn chồng lấn lên nhau Năng suất trộn đất tạo cọc khoảng 10 m3/m chiều sâu khoan

1.4.2 Thiết bị và công nghệ tạo cọc phụt cao áp (Jet grouting, H 1.18)

Công nghệ đơn pha – S (single direct process)

Vữa phụt ra với vận tốc 100 m/s, vừa cắt đất vừa trộn vữa, tạo ra một cột XMĐ có độ cứng cao và hạn chế đất trào ngược Đầu khoan có một hoặc nhiều lỗ phun vữa bố trí ngang hoặc lệch hàng, tạo ra các cột đất có đường kính vừa và nhỏ (0,5 – 0,8 m)

Công nghệ hai pha – D, (double direct process)

Phụt vữa kết hợp với không khí Hỗn hợp vữa XMĐ được bơm ở áp suất cao, tốc độ 100m/s và được trợ giúp bởi một tia khí nén bao bọc quanh vòi phun Tia khí nén sẽ làm giảm ma sát và làm vữa vào sâu hơn, tạo ra cọc XMĐ có đường kính lớn Đầu khoan có một hoặc nhiều lỗ phun (bố trí ngang hoặc lệch hàng) để phun vữa và khí Khe phun khí nằm bao quanh lỗ phun vữa Công nghệ hai pha tạo ra các đường kính cọc có thể đạt tới 1,2 – 1,5m

24

Công nghệ ba pha – T (triple separation process)

Quá trình phụt có 3 tia: vữa, khí nén và nước Nước phụt ra với áp suất rất cao kết hợp với dòng khí nén bao quanh tia nước, dồn nén cột đất gia cố tạo ra khoảng trống Vữa được bơm qua một lỗ phun riên biệt nằm dưới lỗ khí-nước để lấp đầy các khoảng

Hình 1.18 Công nghệ trộn sâu ướt, [35]

Công nghệ đơn pha đơn pha; b) Công nghệ hai pha; c) Công nghệ ba pha;

trống vừa tạo ra trong quá trình rút cần lên Phụt 3 pha là phương pháp ép đất dưới áp lực cao, một phần đất biến thành dòng bùn trào ngược lên mặt đất, sẽ được thu gom và

xử lý Mũi khoan trộn có một hoặc nhiều lỗ phun nước, khí, lỗ phụt vữa, bố trí đối xứng qua trục cần khoan hay lệch nhau theo các góc định trước

Hình 1.19 Sơ đồ dây chuyền công nghệ trộn sâu ướt