Nghiên cứu thiết kế hệ thống thiết bị thi công cọc xi măng đất cho các công trình giao thông xây dựng

Nội dung nghiên cứu chủ yếu: – Đề tài tiến hành khảo sát toàn diện về công nghệ tạo cọc xi măng đất và việc ứng dụng chúng trong điều kiện Viêt nam, tìm ra những ưu nhược điểm của chúng

ĐHQG TP Hồ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐHBK TP HCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG

Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế hệ thống thiết bị thi công cọc xi măng đất

cho các công trình giao thông xây dựng

Mã số đề tài : T-CK-2011-02

Chủ nhiệm đề tài : PGS.TS Nguyễn Hồng Ngân

Cơ quan chủ trì : Trường Đại học Bách khoa-ĐHQG Tp HCM

Tp Hồ Chí Minh, Tháng 3-2012

Danh sách những người thực hiện đề tài và các đơn vị phối hợp chính

TT Họ và tên Đơn vị công tác, điện thoại và lĩnh vực chuyên môn

5

Nguyễn Chí Nghĩa Trường ĐHBách Khoa Tp.HCM

-Điều khiển tự động

Mục lục

* Tóm tắt kết quả nghiên cứu đề tài khoa học và công nghệ cấp trường

* Chương I Tổng quan tình hình nghiên cứu ở trong và ngoài nước

1.1 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng trên thế giới

1.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng tại Việt Nam:

* Chương II Gia cố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất

2.1 Mục đích và ý nghĩa việc gia cố nền móng

2.2 Các phương pháp gia cố nền móng chủ yếu

2.2.1 Phương pháp cải tạo sự phân bố ứng suất trên các loại nền

2.2.2 Phương pháp tăng độ chặt của nền bằng biện pháp tiêu nước thẳng đứng

2.2.3 Phương pháp gia cố bằng cọc cứng

2.3 Quy trình công nghệ và thiết bị thi công cọc xi măng đất trên nền yếu:

2.3.1 Giới thiệu chung:

2.3.2 Công nghệ thi công cọc xi măng đất trên thế giới:

2.3.3 Thiết bị tạo cọc xi măng đất

2.3.4 Kiểm tra chất lượng cọc xi măng đất:

* Chương III Xác định các thông số cơ bản của thiết bị thi công cọc ximăng đất

3.1 Các dạng thiết bị thi công và tính toán lựa chọn thiết bị phù hợp

3.2 Thông số kết cấu và làm việc của thiết bị thi công cọc xi măng đất

* Chương IV Nghiên cứu xây dựng cơ sở lý thuyết tính toán kết cấu cột tháp và bộ phận làm việc của thiết bị khoan phun trộn cọc xi măng –đất

4.1 Cơ sở lý thuyết tính toán kết cấu thép cột tháp

4.1.1 Tính kết cấu thép theo phương pháp ứng suất cho phép

4.1.2 Tính kết cấu thép theo phương pháp trạng thái giới hạn

4.1.3 Tính kết cấu thép theo độ bền mỏi

4.1.4 Kết cấu thép

4.1.5 Phân tích tổ hợp tải trọng

4.1.6 Mô hình hóa bài toán bằng phần mềm tính toán

4.2 Cơ sở lý thuyết tính toán bộ phận làm việc:

4.2.1 Những tính chất cơ lý của đất ảnh hưởng đến bộ phận làm việc

4.2.2 Cơ sở lý thuyết khoan –phun –trộn – trộn và mô hình tính toán

4.2.3 Các kết quả thiết kế máy thi công cọc ximăng đất được gắn trên máy cơ sở 4.3 Xây dựng mô hình thí nghiệm máy tạo cọc ximăng đất

Kết luận và kiến nghị

TÓM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

CẤP TRƯỜNG

Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế hệ thống thiết bị thi công cọc xi măng đất cho các công trình giao thông xây dựng

Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Nguyễn Hồng Ngân

Cơ quan chủ trì: Trường ĐHBK Tp HCM

Thời gian thực hiện: 3-2011÷ 3-2012

1 Mục tiêu đề tài:

- Tìm hiểu nhu cầu phục vụ và sử dụng thiết bị

- Tìm hiểu các phương pháp, các chủng loại thiết bị đã,đang sử dụng, đáp ứng nhu cầu xâydựng

- Đề xuất và nghiên cứu thiết bị, tiến hành thiết kế theo đặc tính thay đổi của đối tượng thi công

- Ra bản vẽ chi tiết để chế tạo được thiết bị hoàn chỉnh

2 Nội dung nghiên cứu chủ yếu:

– Đề tài tiến hành khảo sát toàn diện về công nghệ tạo cọc xi măng đất và việc ứng dụng chúng trong điều kiện Viêt nam, tìm ra những ưu nhược điểm của chúng trong thực tế thi công các công trình gia cố nền đất yếu

– Đề tài tiến hành nghiên cứu cơ sở lý luận của quá trình khoan – trộn, đưa ra các thông

số hợp lý của kết cấu thép và bộ công tác nhằm nâng cao năng suất của thiết bị

– Khảo sát, lấy số liệu từ thực tế và các công trình liên quan

– Tiến hành nghiên cứu, xây dựng các bài toán, mô hình lý thuyết và luận giải tìm kết quả cho bộ phận công tác chính của thiết bị

– Sử dụng phần mềm để đưa ra kết quả tính toán cho các bộ phận làm việc chính

Chương I TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU Ở TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

Công nghệ gia cố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất bắt đầu áp dụng ở nước ta vào những năm đầu thế kỷ 21, đến nay đã đượcc sử dụng tương đối rộng rãi Công nghệ này đạt hiệu quả cao khi áp dụng cho các công trình có tải trọng phân bố đều như đường, bến cảng, sân bay, kho chứa dầu…Các tập đoàn xây dựng nước ngoài như: Hercules của Thụy Điển, Sumitomo Construction của Nhật đã đưa thiết bị vào thi công tại Việt Nam

Với nhu cầu phát triển nhanh chóng về xây dựng các công trình như hiện nay, nhiều công ty xây dựng trong nước đã nhập máy khoan phun của Trung Quốc để thi công do giá thành tương đối thấp Tuy nhiên, qua sử dụng các máy này có nhiều nhược điểm, trong đó nhược điểm lớn nhất là điều khiển bằng tay nên khả năng kiểm soát chất lượng rất khó khăn, phụ thuộc rất nhiều vào trình độ công nhân Nhu cầu sử dụng cho các dự án thi công đường, sân bay trong tương lai sẽ rất lớn

Tình hình nghiên cứu và ứng dụng trên thế giới:

Nước ứng dụng công nghệ DMM ( Deep Mix Method) nhiều nhất là Nhật Bản và các nước vùng Scandinaver Theo thống kê của hiệp hội CDM (Nhật Bản), tính chung trong giai đoạn 80-96

có 2345 dự án, sử dụng 26 triệu m3 BTĐ Riêng từ 1977 đến 1993, lượng đất gia cố bằng DMM ở Nhật vào khoảng 23,6 triệu m3 cho các dự án ngoài biển và trong đất liền, với khoảng 300 dự án Hiện nay hàng năm thi công khoảng 2 triệu m3 Tại Trung Quốc, công tác nghiên cứu bắt đầu từ năm 1970, tổng khối lượng xử lý bằng DMM ở Trung Quốc cho đến nay vào khoảng trên 1 triệu m3 Tại Châu Âu, nghiên cứu và ứng dụng bắt đầu ở Thụy Điển và Phần Lan bắt đầu từ năm 1967 Năm 1974, một đê đất thử nghiệm (6m cao 8m dài) đã được xây dựng ở Phần Lan sử dụng cột vôi đất, nhằm mục đích phân tích hiệu quả của hình dạng và chiều dài cột về mặt khả năng chịu tải

Tình hình nghiên cứu và ứng dụng tại Việt Nam:

Tại Việt nam, thi công cọc xi măng đất được nghiên cứu từ những năm đầu của thập

kỷ 80 với sự giúp đỡ của Viện Địa kỹ thuật Thuỵ Điển (SGI) với một thiết bị thi công, do

TS Nguyễn Trấp làm chủ trì Đề tài được kết thúc vào năm 1986 thiết bị được chuyển giao cho LICOGI Một số đề án nghiên cứu khác đã được thực hiện ở các trường Đại học Kiến trúc Hà nội (1983, 2003), ĐH Xây dựng HN (2004) Tuy nhiên việc ứng dụng mới chỉ dừng

ở phạm vi hẹp, mang tính chất thử nghiệm

Vào năm 2000, do yêu cầu của thực tế, phương pháp này được áp dụng trở lại để thi công các công trình trong lĩnh vực xăng dầu, khi công trình chấp nhận một giá trị độ lún cao hơn bình thường thì đạt được hiệu quả kinh tế khá cao Từ năm 2002 đã có một số dự

án bắt đầu ứng dụng cọc XMĐ vào xây dựng các công trình trên nền đất, cụ thể như: Dự án cảng Ba Ngòi (Khánh Hòa) đã sử dụng 4000m cọc XMĐ có đường kính 0,6m thi công bằng trộn khô; xử lý nền cho bồn chứa xăng dầu đường kính 21m, cao 9m ở Cần Thơ Năm 2004 cọc XMĐ được sử dụng để gia cố nền móng cho nhà máy nước huyện Vụ Bản (Hà Nam),

xử lý 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 trong khoảng 20m

Tháng 5 năm 2004, các nhà thầu Nhật Bản đã sử dụng Jet - grouting để sửa chữa khuyết tật cho các cọc nhồi của cầu Thanh Trì (Hà Nội) Năm 2005, một số dự án cũng đã áp dụng cọc XMĐ như: dự án thoát nước khu đô thị Đồ Sơn - Hải Phòng, Gia cố nền móng kho khí hoá lỏng Cần thơ, dự án sân bay Cần Thơ, dự án cảng Bạc Liêu…

Năm 2004, Viện Khoa học Thủy lợi đã tiếp nhận chuyển giao công nghệ khoan phụt cao áp (Jet-grouting) từ Nhật Bản Đề tài đã ứng dụng công nghệ và thiết bị này trong nghiên cứu sức chịu tải của cọc đơn và nhóm cọc, khả năng chịu lực ngang, ảnh hưởng của hàm lượng

XM đến tính chất của XMĐ, nhằm ứng dụng cọc XMĐ vào xử lý đất yếu, chống thấm cho các công trình thuỷ lợi Nhóm đề tài cũng đã sửa chữa chống thấm cho Cống Trại (Nghệ An), cống D10 (Hà Nam), Cống Rạch C (Long An) Tại thành phố Đà Nẵng, Nha trang và nhất là thành phố Hồ Chí Minh cọc XMĐ được ứng dụng ở cho công trình dưới 2 hình thức: Làm tường trong đất và làm cọc thay cọc nhồi

Đơn vị đưa trở lại phương pháp này ban đầu là COFEC và nay là C&E Consultants Trong thời gian này song song với việc áp dụng trong thực tế, rất nhiều thí nghiệm hiện trường (quan trắc công trình) cũng đã được thực hiên Những thí nghiệm mang tính nghiên cứu này được C&E thực hiện với các mức độ khác nhau C&E cũng đã thí nghiệm quan trắc

sự thay đổi áp lực của nước dưới đáy khối gia cố (ở độ sâu > 20 m) tại Tp Hồ Chí Minh để xem xét lại tính thoát cố kết của đất nền dưới đáy khối gia cố hai đầu đo đã được lắp đặt để tiến hành nghiên cứu

Tại Tp Hồ Chí Minh, cọc xi măng đất được sử dụng trong dự án Đại lộ Đông Tây, Toà nhà Saigon Times Square… Hiện nay, các kỹ sư Orbitec đang đề xuất sử dụng cọc xi măng đất để chống mất ổn định công trình hồ bán nguyệt – khu đô thị Phú Mỹ Hưng, dự án đường trục Bắc – Nam (giai đoạn 3) cũng kiến nghị chọn cọc xi măng đất xử lý đất yếu

Tại Quảng Ninh, công trình nhà máy nhiệt điện Quảng Ninh đã áp dụng công nghệ phun trộn ướt, dù địa chất công trình tại đây khá phức tạp, thường gặp đá mồ côi ở tầng địa chất, sâu cách cao độ mặt đất khoảng 11÷12m

Tại Hà nội, hầm đường bộ Kim Liên được xây dựng trong khu vực có nền địa chất yếu, nhất là khu vực phía đuờng Đào Duy Anh, chính vì vậy nền đất dưới hầm đã được cải tạo bằng phương pháp cột đất gia cố xi măng với chiều dày khoảng từ 1,5 6m ÷

Việc gia cố đất tại đáy hầm nói trên bằng cột đất gia cố xi măng không nhằm gia cố nền đất mà chỉ nhằm chống trượt, trồi khi đào xuống độ sâu lớn (trên 10m) Người ta không gia cố tại tất cả các vị trí đào mà căn cứ theo điều kiện địa chất từng khu vực, có nơi gia cố,

có nơi không Quan trắc sau đó cho thấy việc gia cố ít nhiều có cải thiện đến độ lún của các đốt hầm

Đường Láng (Hòa Lạc) nối Thủ đô Hà Nội với khu công nghệ cao Hoà Lạc, đi qua nhiều sông ngòi, có nhiều giao cắt với đường bộ, đường sắt, dọc theo con đường này có nhiều hạng mục công trình trong quá trình thi công đã dùng cọc xi măng đất để xử lý nền đất yếu, chống lún chống trượt đất cho mái dốc, ổn định đất nền đường

Tại Việt Nam hiện cũng đã áp dụng cả hai công nghệ thi công: trộn khô (Dry Jet Mixing) và trộn ướt (Wet Mixing hay còn gọi là Jet – grouting) Số liệu về một số công trình sử dụng cọc xi măng đất xem bảng sau:

Bảng 2.2 Các công trình ứng dụng cọc xi măng đất ở Việt Nam

Stt Tên công trình Đường kính cọc (m) đã thi công (m) Tổng mét dài Công nghệ trộn

1 Đường vào sân đỗ cảng hàng không Cần Thơ 0,6 32.000 Trộn ướt

2 Nhà máy điện Nhơn Trạch I Đồng Nai 0,6 15.000 Trộn khô

3 Đường nối cầu Thủ Thiêm với

4 Hầm chui đường sắt vành đai đường Láng Hoà Lạc km 7+358 0,6 150.000 Trộn khô

5 Đường băng sân bay Cần Thơ 0,6 300.000 Trộn ướt

Việt Nam hiện tại cũng đã ban hành tiêu chuẩn thiết kế, thi công, nghiệm thu cọc xi măng đất là TCXDVN 385 năm 2006 "Phương pháp gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng" do Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng – Bộ Xây dựng biên soạn, Vụ Khoa học

Công nghệ Xây dựng đề nghị, Bộ Xây dựng ban hành theo Quyết định số BXD ngày 27 tháng 12 năm 2006

38/2006/QĐ-Về thiết bị, Trung tâm Công nghệ Máy xây dựng và Cơ khí thực nghiệm thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Giao thông Vận tải đã bước đầu nghiên cứu và chế tạo thiết bị điều khiển và định lượng xi măng để thi công cọc đất gia cố, thiết bị có giá thành thấp và một số

Về bản chất khoa học của quá trình khuấy trộn đất nền thiên nhiên với chất kết dính, các giả thuyết khoa học cùng các tính toán lý thuyết của quá trình hình thành cọc, các nghiên cứu về quá trình cung cấp ximăng (phương pháp khô) và vữa xi măng (phương pháp ướt) cũng như các nghiên cứu và thử nghiệm nhằm xác định kết cấu và các thông số cơ bản của bộ công tác khi trộn tạo coc trong điều kiện cụ thể Việt Nam vẫn chưa được tác giả nào làm rõ

Chương II PHƯƠNG PHÁP GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 2.1 Mục đích và ý nghĩa việc gia cố nền móng:

Tải trọng từ các công trình được đặt lên nền móng rồi truyền xuống nền đất, nền móng càng tốt thì công trình càng ổn định

Các công trình hiện đại thì có quy mô và chất lượng cao nên tải trọng truyền xuống cũng cao

Các công trình ở Việt Nam, nhất là các công trình giao thông tập trung ở vùng đồng bằng nên nền đất tương đối yếu vì vậy muốn sử dụng lâu dài thì phải gia cố nền móng cho tốt Chi phí để làm nền móng chiếm từ 15 ÷ 50% chi phí công trình

Vì vậy phần lớn các công trình đều phải gia cố nền móng Nền móng tốt sẽ quyết định đến tuổi thọ và độ bền của công trình

Đối với tải nhỏ, nền tốt thì không cần phải gia cố

2.2 Các phương pháp gia cố nền móng chủ yếu:

Ngày nay, các phương pháp gia cố nền móng khá phong phú và đa dạng Ngoài các biện pháp kết cấu tầng dưới của công trình để chống lún, sụt đều và không đều như: móng

bè, móng chân vịt… khe lún, giằng tường, giằng móng v.v… cũng như các biện pháp gián tiếp như đắp khối (tường) phản áp (đối trọng), tường chắn v.v… còn dùng những biện pháp đặt hữu như gia nhiệt nền, trộn vôi, xi măng, điện – hóa, silicat hóa v.v… trên mặt hoặc sâu trong nền để cải thiện cơ tính của nền Trên thực tế các phương pháp gia cố nền sau đây được sử dụng rộng rãi hơn cả

2.2.1 Phương pháp cải tạo sự phân bố ứng suất trên nền:

a) Đệm cát:

Khi lớp nền yếu có chiều sâu ≤ 3m bão hòa nước, ta có thể gạt bỏ lớp đất yếu dưới chân móng và thay thế bằng lớp cát Phương pháp này đơn giản và không đòi hỏi thiết bị thi công phức tạp nếu khối lượng công việc không lớn

b) Đệm đá sỏi:

Cũng như với đệm cát, khi lớp đất yếu dưới móng có nước ngầm với áp lực không cao, không đặt được đệm cát và dưới nó cũng là lớp đất v.v… sức chịu lực của đệm đá sỏi lớn hơn nhiều so với cát nên ta có thể coi nó như một bộ phận của móng

2.2.2 Phương pháp tăng độ chặt của nền bằng biện pháp tiêu nước thẳng đứng:

Để tiêu nước theo phương thẳng đứng, thường dùng các phương pháp sau:

a) Cọc cát, sỏi:

Khi móng công trình lớn, lớp nền yếu có chiều dày ≥ 3m, ta có thể cải tạo bằng cọc cát, sỏi Cọc cát, sỏi làm cho độ ẩm, độ rổng của nền giảm đi, cọc cát có tác dụng như một giếng tiêu nước thẳng đứng, làm cho mođun biến dạng, tính kháng nén, kháng cắt của nền tăng lên v.v… và cọc làm việc đồng thời với nền, do đó tính chất chịu lực của nền gai cố cọc cát, sỏi khác xa các loại cọc cứng như gỗ, bê tông, thép… (cọc cứng chịu lực độc lập với nền)

Cọc cát, sỏi cho phép công trình đạt giới hạn ổn định (lún) gần như sau khi kết thúc công trình thi công

Ưu điểm của cọc cát, sỏi còn thể hiện ở hiệu quả kinh tế cao:

– Kinh phí xây dựng – có thể giảm 40% so với dùng cọc bê tông, giảm 20% so với dùng đệm cát

– Cọc cát, sỏi có tính bền vĩnh cửu, hoàn toàn không bị ăn mòn do xâm thực

– Thiết bị thi công đơn giản

b) Bấc thấm:

Khác với cọc cát, sỏi bấc thấm không tham gia vào quá trình chịu lực truyền tải của công trình xuống nền, nó chỉ có chức năng tiêu nước thẳng đứng cho nền, làm cho cơ tính của đất nền được nâng cao do tăng cường tốc độ cố kết của nó, kết quả là sự chịu tải của đất nền được cải thiện

Bấc thấm có những ưu điểm nổi bật:

– Diện nền cải tạo lớn

– Độ sâu tầng đất cải tạo lớn, có thể đạt 25 – 30m

– Bấc thấm chế tạo sẵn, gọn nhẹ

– Công nghệ thi công đơn giản, năng suất cao

– Hiệu quả kinh tế cao

Chính vì những ưu điểm trên nên thời gian gần đây, biện pháp này được sử dụng rông rãi trong việc cải tạo và nâng cấp quốc lộ 1, quốc lộ 5 v.v…

2.2.3 Phương pháp gia cố bằng cọc cứng:

Móng cọc là một kết cấu quen thuộc trong xây dựng, làm nhiệm vụ truyền tải xuống công trình sâu trong nền đất có lớp (tầng) chịu lực tốt, khắc phục được biến dạng lún không đồng đều, chịu được tải trọng ngang, giảm khối lượng đào đắp, rút ngắn thời gian thi công

do công nghiệp hóa chế tạo cọc và thiết bị thi công

Cọc và thiết bị đóng (hạ, đúc tại chỗ) rất đa dạng: cọc tre, gỗ, bê tông đặc, ống rỗng, thép, ván thép,… cọc nhồi, cọc xi măng đất,…

Tuy nhiên không phải lúc nào gia cố nền bằng cọc cứng cũng có hiệu quả tốt nếu nền phía trên tốt mà ở dưới mũi cọc lại không tốt; trường hợp đó phải dùng biện pháp khác

Các loại cọc đều chịu tải của công trình xuống dưới nền theo hai dạng: cọc chống – chịu tải cơ bản ở mũi cọc, cọc treo – chịu tải cơ bản theo ma sát hông ở thân cọc Trường hợp cọc chịu tải hỗn hợp cả chống và treo đều phát huy tác dụng sẽ rất tốt cho công trình

2.3 Quy trình công nghệ và thiết bị thi công cọc xi măng đất trên nền yếu

2.3.1 Giới thiệu chung:

Cọc xi măng đất (hay còn gọi là cột xi măng đất, trụ xi măng đất) – (Deep soil mixing columns, soil mixing pile) là một cọc hình trụ tròn tạo thành bởi hỗn hợp được trộn đều giữa đất nguyên trạng với xi măng được phun xuống nền đất bởi thiết bị khoan – phun

Quá trình thi công tạo thành cọc xi măng đất dùng phương pháp khoan trộn sâu Sử dụng máy khoan và các thiết bị chuyên dùng (cần khoan, mũi khoan…), khoan vào đất với đường kính và chiều sâu lỗ khoan theo thiết kế Đất trong quá trình khoan không được lấy lên khỏi lỗ khoan mà bị phá vỡ kết cấu, được các cánh mũi khoan nghiền tơi, trộn đều với chất kết dính (chất kết dính thông thường là xi măng hoặc vôi, thạch cao… đôi khi có thêm chất phụ gia và cát)

Quá trình phun (hoặc bơm) chất kết dính để trộn với đất trong hố khoan, tuỳ theo yêu cầu có thể được thực hiện ở cả hai pha khoan xuống và rút lên của mũi khoan hoặc chỉ thực hiện ở pha rút mũi khoan lên Để tránh lãng phí xi măng, hạn chế xi măng thoát ra khỏi mặt đất gây ô nhiễm môi trường thông thường khi rút mũi khoan lên cách độ cao mặt đất từ 0,5 1,5m người ta dừng phun chất kết dính, nhưng đoạn ÷ cọc 0,5÷ 1,5m này vẫn được phun đầy đủ chất kết dính là nhờ chất kết dính có trong đường ống tiếp tục được phun (hoặc bơm) vào hố khoan

Khi mũi khoan được rút lên khỏi hố khoan, trong hố khoan còn lại đất đã được trộn đều với chất kết dính dần dần đông cứng tạo thành cọc xi măng đất

Nguyên tắc thực hiện dự án khi thi công trộn sâu:

Hiện có công nghệ trộn khô (Dry Jet Mixing) và công nghệ trộn ướt (Wet Mixing hay còn gọi là Jet – grouting):

– Trộn khô là quá trình phun trộn xi măng khô với đất có hoặc không có chất phụ gia – Trộn ướt là quá trình bơm trộn vữa xi măng với đất có hoặc không có chất phụ gia Mỗi phương pháp trộn (khô hoặc ướt) có thiết bị thi công kỹ thuật, thi công phun (bơm) trộn khác nhau

2.3.2 Công nghệ và thiết bị thi công cọc xi măng đất trên thế giới

Hiện nay trên thế giới đã phát triển ba kiểu tạo cọc xi măng đất: đầu tiên là kiểu S, tiếp theo là kiểu T, và gần đây là kiểu D

– Kiểu S: gọi là kiểu đơn pha, tạo ra các cọc xi măng đất có đường kính vừa và nhỏ 0,4÷0,8m, kiểu này chủ yếu dùng để thi công nền đất đắp, cọc

– Kiểu ba pha T: phụt ba pha là phương pháp thay thế đất mà không xáo trộn đất Kiểu T sử dụng để làm các cọc, các tường ngăn chống thấm, có thể tạo ra cột Soilcrete đường kính đến 3m

– Kiểu D: gọi là kiểu hai pha, tạo ra các cọc xi măng đất có đường kính từ 0,8÷1,2m, kiểu này chủ yếu dùng để thi công các tường chắn, cọc và hào chống thấm

Về thiết bị thi công: Nhật Bản, Thuỵ Điển và Trung Quốc đã chế tạo các máy khoan

có khả năng khoan sâu đạt đến 35m và tự động điều chỉnh định vị cần khoan luôn thẳng đứng Trong quá trình khoan lưỡi được thiết kế để trộn đầu đất và xi măng, xi măng khô được phun định lượng liên tục và trộn đều tạo thành những cọc đất – xi măng đường kính 60cm

Tại Châu Âu, nghiên cứu và ứng dụng bắt đầu ở Thụy Điển và Phần Lan từ năm

1967 Năm 1974, một đê đất thử nghiệm (cao 6m và dài 8m) đã được xây dựng ở Phần Lan

sử dụng cột vôi đất, nhằm mục đích phân tích hiệu quả của hình dạng và chiều dài cột về mặt khả năng chịu tải

Tại Trung Quốc, công tác nghiên cứu bắt đầu từ năm 1970, tổng khối lượng xử lý bằng cọc xi măng đất ở Trung Quốc cho đến nay vào khoảng trên 1 triệu m3

Nước ứng dụng công nghệ xi măng đất nhiều nhất là Nhật Bản và các nước vùng Scandinaver Theo thống kê của hiệp hội CDM (Nhật Bản), tính chung trong giai đoạn 80 –

96 có 2345 dự án, sử dụng 26 triệu m3 Riêng từ 1977 đến 1993, lượng đất gia cố bằng xi măng ở Nhật vào khoảng 23,6 triệu m3 cho các dự án ngoài biển và trong đất liền, với khoảng 300 dự án Hiện nay hàng năm thi công khoảng 2 triệu m3

Hình 2.35 Sơ đồ tóm lược quá trình thi công cọc ximăng đất

a) Vừa xoay đầu khoan vừa ấn từ từ xuống nền đất yếu tạo một trụ đất tơi xuống độ sâu theo thiết kế

b) Vừa quay ngược lại vừa từ từ rút đầu khoan lên đồng thời xả hỗn hợp khí nén, xi măng khô (trộn khô), để trộn bột xi măng với đất tơi tạo thành cọc xi măng đất

c) Vừa quay ngược lại vừa từ từ rút đầu khoan lên đồng thời xả hỗn hợp vữa ximăng dưới áp lực cao ra (trộn ướt ), để trộn vữa kết dính với đất tơi tạo thành cọc xi măng đất

d) Bộ phận phun nén cung cấp chất kết dính (xi măng khô hoặc vữa xi măng ướt)

Hình 2.3 Mô tả gia cố nền yếu bằng cọc xi măng đất

a) Cọc xi măng đất kết khối nối tiếp sau thi công (đã bóc tách khỏi nền)

b) Sơ đồ bố trí cọc xi măng đất gia cố nền đường vùng đất yếu

a) Công nghệ trộn khô:

Hình 2.1 Dây chuyền thiết bị trộn khô

Hình 2.2 Các bước thi công trộn khô

Thi công cải tạo nền đất yếu bằng cọc xi măng đất theo phương pháp trộn khô theo các bước sau:

– Định vị và đưa thiết bị thi công vào vị trí thiết kế;

– Khoan hạ đầu phun trộn xuống đáy khối đất cần gia cố;

– Bắt đầu quá trình khoan trộn và kéo dần đầu khoan lên đến miệng lỗ;

– Đóng tắt thiết bị thi công và chuyển sang vị trí mới

Hình 2.3 Sơ đồ thi công trộn khô

a) Công nghệ trộn ướt:

Hình 2.4 Dây chuyền thiết bị trộn ướt

Thi công cải tạo nền đất yếu bằng cọc xi măng đất theo phương pháp trộn ướt theo các bước sau:

Hình 2.5 Các bước thi công trộn ướt

Hình 2.6 Sơ đồ thi công trộn ướt

2.3.3 Thiết bị tạo cọc xi măng đất:

Thiết bị bao gồm một máy khoan với hệ thống đầu khoan có đường kính thay đổi tuỳ thuộc theo đường kính cột được thiết kế và các xi lô chứa xi măng

Hình 2.7 Tổng thế máy khoan xi măng đất DJM 2090

Hình 2.8 Tổng thể máy khoan cọc xi măng đất của Trung Quốc

Hình 2.9 Cọc đã hoàn thiện

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)

Một số tổ hợp thiết bị được trang bị hệ thống điều khiển hiện đại, toàn bộ các thao tác thi công cọc gia cố được tự động hóa theo các chương trình, các số liệu về lượng xi măng sử dụng trên từng mét cọc được hiển thị, lưu giữ và in thành bảng kết quả thi công cho từng cọc

Khi xây dựng các công trình có tải trọng lớn trền nền đất yếu, cần phải có các biện pháp xử lý đất nền bên dưới móng công trình, nhất là những khu vực có tầng đất yếu dày có hiệu quả cao, được áp dụng cho các công trình xây dựng giao thông, thuỷ lợi, sân bay, bến cảng,…

Nó có thể sử dụng để làm tường hào chống thấm cho đê đập, gia cố đất xung quanh đường hầm, ổn định tường chắn, chống trượt đất cho mái dốc, gia cố nền đường, mố cầu dẫn

So với một số giải pháp xử lý nền hiện có, công nghệ cọc xi măng đất có ưu điểm là khả năng xử lý sâu, thích hợp với các loại đất yếu (từ cát thô cho đến bùn yếu), thi công được cả trong điều kiện nền ngập sâu trong nước hoặc điều kiện hiện trường chật hẹp, trong nhiều trường hợp đã đem lại sự tiết kiệm đáng kể so với các giải pháp xử lý khác (nếu sử dụng phương pháp cọc bê tông ép hoặc cọc khoan nhồi thì rất tốn kém do tầng đất yếu bên trên dày)

2.3.4 Kiểm tra chất lượng cọc xi măng đất:

a) Kiểm tra chất lượng cọc:

– Mẫu cọc kiểm tra chất lượng:

Hình 2.10 Kiểm tra đầu cọc vữa Ø1m

Hình 2.11 Đường kính cọc đều nhau, không có hiện tượng phình trướng cục bộ

– Thí nghiệm cấp phối tại phòng thí nghiệm:

a) b) c) d)

Hình 2.12 Thí nghiệm cấp phối

a) Lấy mẫu đất tại công trường

b) Trộn mẫu đất với hỗn hợp vữa có hàm lượng xi măng được tính toán

c) Vô khuôn, để đong kết, bảo dưỡng mẫu

d) Kiểm tra cường độ bằng phương pháp nén dọc trục

– Kiểm tra cường độ của cọc:

a) b) c)

Hình 2.13 Kiểm tra cường độ của cọc

a) Kiểm tra xé đầu cọc

b) Khoan lấy lõi để kiểm tra cường độ

c) Kiểm tra cường độ bằng phương pháp nén dọc trục

– Kiểm tra sức chịu tải của cọc

– Đối với than bùn:

Hình 2.18 Sơ đồ bố trí cọc trộn ướt

1 – Kiểu khối 5 – Cột tiếp xúc

2 – Kiểu tường 6 – Tường tiếp xúc

3 – Kiểu kẻ ô 7 – Kẻ ô tiếp xúc

4 – Kiểu cột 8 – Khối tiếp xúc

2.3.5 Ưu điểm nổi bật của cọc xi măng đất:

– Thi công nhanh, kỹ thuật thi công không phức tạp, yếu tố rủi ro thấp

– Tiết kiệm thời gian thi công đến hơn 50% do không phải chờ đúc cọc và đạt đủ cường độ

– Hiệu quả kinh tế cao, giá thành hạ hơn nhiều so với phương án khác

– Rất thích hợp cho công tác xử lý nền móng cho các công trình ở các khu vực nền đất yếu như bãi bồi, ven sông, ven biển

– Có thể thi công được trong những điều kiện mặt bằng chật hẹp, ngập nước

– Khả năng xử lý khá sâu (có thể đến 50m)

– Có độ tin cậy cao

– Khi cọc hoàn thành có lượng đất thải rất ít: giảm thiểu đất thải trong công trình xây

dựng là một trong những đặc trưng hơn hẳn của công nghệ cọc vữa so với các công nghệ khác: khoan cọc nhồi, cọc barret,… Hơn nữa, công nghệ này không sử dụng bentonite cho

nên khi thi công, công trình rất khô và sạch

Chương III XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA THIẾT BỊ

THI CÔNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 3.1 Các dạng thiết bị thi công và tính toán lựa chọn thiết bị phù hợp

Các dạng thiết bị thi công phổ biến hiện nay:

Hình 3.1 Thiết bị trộn ướt DHJ 30 (Nhật) Hình 3.2 Thiết bị trộn ướt của Công ty Hà Thành

Hình 3.3 Thiết bị trộn khô của Keller

Hình 3.4 Thiết bị do Trung Quốc sản xuất