Nghiên cứu và ứng dụng giải pháp xử lý dất yếu dưới nền đường thuộc đại lộ đông tây

Thực tế hiện nay đã có nhiều công trình nghiên cứu, nhiều bài viết trên các báo cũng như một số luận văn cao học trước đây đã trình bày về các giải pháp xử lý đất yếu dưới nền đường song

MỞ ĐẦU

1 ĐẶT VẤN ĐỀ:

Nhằm thực hiện chủ trương “Công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước” trong tình hình hiện nay thì vấn đề cải tạo hệ thống giao thông là vấn đề hết sức quan trọng để đẩy mạnh sự phát triển của nền kinh tế quốc gia Trong số các công trình giao thông trọng điểm hiện nay thì Dự án Đại lộ Đông Tây là một bước tiến mới nhằm cải thiện tình hình giao thông hiện tại của TP.HCM Riêng đối với lĩnh vực xây dựng thì Dự án này đã đánh dấu thêm bước ngoặt mới về kĩ thuật tiên tiến của Nhật một lần nữa được đưa vào xây dựng nước ta

Vấn đề xử lý đất yếu dưới nền đường vốn được xem như là vấn đề kinh điển bộc lộ nhiều mặt yếu kém và hạn chế mà hiện vẫn còn tồn tại chưa khắc phục được Thực tế hiện nay đã có nhiều công trình nghiên cứu, nhiều bài viết trên các báo cũng như một số luận văn cao học trước đây đã trình bày về các giải pháp xử lý đất yếu dưới nền đường song do trình độ kĩ thuật, trang thiết bị và phương tiện nghiên cứu còn thiếu thốn, thêm vào đó kinh nghiệm thực tế áp dụng các kĩ thuật mới còn hạn chế… Nguyên nhân chủ yếu là do điều kiện khách quan về nền kinh tế nước ta vẫn còn nghèo, chưa có điều kiện đầu tư thí nghiệm để kiểm chứng các cơ sở lý thuyết tính toán trên thực tế với diện rộng, bao quát và số lượng các công trình lớn do nước ngoài trực tiếp thi công chưa được chúng ta tập trung nghiên cứu, áp dụng một cách triệt để Chính vì thế ở Việt Nam nói chung hay ở Tp.HCM nói riêng đang còn tồn tại nhiều bất cập mà báo chí vẫn thường đưa tin hàng ngày như: Công trình cầu Bình triệu 2-Tp.HCM, Công trình cầu vượt Nguyễn Hữu Cảnh, Công trình hầm chui Văn Thánh 2,… do chưa có sự đầu tư nghiên cứu đúng mức, còn tồn tại nhiều quan điểm hạn chế, lệch lạc và hơn hết là do việc đầu tư thử nghiệm trên phạm vi rộng cũng như kinh nghiệm áp dụng thực tế còn hạn hẹp…

2 TÍNH KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Dự án Đại lộ Đông Tây với quy mô đầu tư to lớn cả về nguồn vốn, ý nghĩa mang lại, và sử dụng nhiều kĩ thuật tiên tiến đã được người Nhật áp dụng ở nhiều nước trên thế giới… sẽ có ý nghĩa thực tiễn to lớn cho việc nghiên cứu và kiểm chứng cơ sở lý thuyết tính toán trước đây thông qua các số liệu và kết quả thực tế thu được, cũng như việc vận dụng những kiến thức và kinh nghiệm có được qua công trình này đầu tư ứng dụng cho các công trình khác sau này tại Việt Nam

3 MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

Với trình độ phát triển khoa học kĩ thuật và công nghệ hiện đại như ngày nay, có rất nhiều giải pháp lựa chọn để xử lý đất yếu dưới nền đường nhưng để tìm ra được giải pháp tối ưu vừa đảm bảo được yêu cầu về kĩ thuật vừa đạt được hiệu quả kinh tế cao thì đòi hỏi cần phải có sự phân tích so sánh và nghiên cứu cụ thể

Trong công trình Đại lộ Đông Tây đã và đang áp dụng nhiều biện pháp xử lý, gia cố đất yếu dọc theo tuyến suốt từ điểm đầu của dự án là Quốc lộ 1A cho đến điểm cuối của dự án là Ngã ba Cát Lái Song do gói gọn trong khuôn khổ của một luận văn cao học, chỉ có thể đơn cử xét đến hai giải pháp tiêu biểu còn khá mới mẻ, hiện đang được quan tâm nhiều ở Việt Nam để áp dụng cho việc xử lý, gia cố đất yếu dưới nền đường:

_ Giải pháp cọc đất gia cố xi măng (DSMC):

Mặc dù phương pháp cọc đất gia cố xi măng đã được đề cập trong nhiều tài liệu và sách báo thậm chí trong cả một số luận văn, song đa số chỉ mang tính chất giới thiệu hoặc trình bày lý thuyết giáo khoa là chính Phương pháp này đã được ứng dụng từ lâu và khá phổ biến ở Nhật Bản nhưng tại Việt Nam chỉ mới đưa vào sử dụng ở một số công trình trong thời gian gần đây Dù phương pháp này vừa được ban hành tiêu chuẩn tại Việt Nam song vẫn còn khá mới mẽ bởi vì kinh nghiệm thi công thực tế ngoài công trường, việc trộn thử mẫu tại phòng thí nghiệm cũng như việc thử nghiệm đối với các cọc thử tại công trường vẫn chưa có được điều kiện tiếp cận nhiều

Do đó trong luận văn này sẽ tiến hành nghiên cứu về phương pháp trộn thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, quy trình thi công, các thử nghiệm đối với cọc thử tại công trường, từ đó đưa vào phân tích thiết kế và tính toán ứng dụng cụ thể cho một khu vực trên tuyến Đại lộ Đông-Tây với số liệu thực tiễn thu thập được tại phòng thí nghiệm và tại hiện trường Đồng thời thông qua việc thu thập số liệu, quan sát và theo dõi diễn biến thực tế tại công trường cùng những kinh nghiệm thực tiễn mà người Nhật

đã ứng dụng cho các công trình trước đây và đưa vào thực tế tại Dự án Đại lộ Đông-Tây sẽ phần nào đúc kết được nguyên lý áp dụng cọc đất gia cố xi măng đối với điều kiện thực tiễn tại nước ta

_ Phương pháp bấc thấm ngang (SBD):

Trước đây việc sử dụng phương pháp bấc thấm đứng (PVD) kết hợp với biện pháp gia tải trước, và lớp đệm cát thoát nước được dùng làm lớp thoát nươc ngang cho bấc thấm đứng đã được áp dụng khá phổ biến ở Việt Nam đem lại hiệu quả tốt cho việc xử lý đất yếu Nhưng trong tình hình hiện nay việc tìm được nguồn cát có chất lượng cao cần thiết cho đệm cát trở nên rất khan hiếm ở khu vực miền Nam cũng như một số khu vực tỉnh thành trên cả nước Chính vì vậy qua khuôn khổ của bài luận văn này sẽ đưa ra phân tích so sánh cụ thể hai phương pháp với các số liệu thực tế và các kết quả thu nhận được trực tiếp từ công trường Từ đó đưa ra được hướng giải quyết mới là sử dụng vật liệu thoát nước chế tạo sẵn (SBD – Super Board Drain) với chất lượng đảm bảo và chi phí phù hợp để thay thế cho lớp đệm cát thoát nước đang ngày càng trở nên khan hiếm Ngoài ra, hiện nay vẫn còn tồn tại nhiều ý kiến hoài nghi về việc sử dụng bấc thấm trong điều kiện Việt Nam chưa thật sự đạt được hiệu quả cao Để có thêm cơ sở tìm ra lời giải thích hợp lý thì nội dung này sẽ được làm sáng tỏ qua những dẫn chứng về các kết quả thực tế đạt được tại công trường đường mới Thủ Thiêm thuộc dự án Đạ lộ Đông Tây

Đã có một số đề tài trước đây nghiên cứu cơ sở lý thuyết về vấn đề này nhưng chưa đem lại hiệu quả cũng như tính thuyết phục cao do số lượng thí nghiệm còn ít, rời rạc thiếu kết quả thử nghiệm kiểm chứng trên một diện rộng Điểm mạnh của đề tài này là việc nghiên cứu cơ sở tính toán lý thuyết cụ thể đã được sự hổ trợ từ bên Tư vấn PCI và Nhà thầu Obayashi (Nhật Bản) cung cấp đầy đủ và chính xác do điều kiện công tác trực tiếp với công trình Mặt khác đề tài đã tận dụng được các số liệu cũng như các kết quả thi công thực tế ngoài hiện trường trên diện rộng do liên hệ được với công trình đang xây dựng nên có cơ sở rút ra được những kết luận thực tiễn xác đáng (vì nếu gói gọn phạm vi kinh phí thực hiện cho một luận văn thì khó có thể có đủ điều kiện thu thập được những số liệu mong muốn và tin cậy)

4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

* Phương pháp cọc đất gia cố xi măng:

Đã tiến hành nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính toán thiết kế, phân tích các kết quả thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và ngoài hiện trường cho cọc đất gia cố xi măng

được áp dụng cho hai phần tiêu biểu là ổn định mái dốc bờ kênh và đường vào cầu Thông qua các số liệu thu thập được từ thí nghiệm cùng các kết quả thu nhận được từ hiện trường tiến hành tính toán và phân tích cho các lý thuyết đã áp dụng Từ đó có những nhận xét và đề xuất đối với việc ứng dụng cọc đất gia cố xi măng tại Tp.HCM nói riêng và trên phạm vi cả nước nói chung

* Phương pháp bấc thấm ngang:

Thông qua việc nghiên cứu tài liệu kĩ thuật của bấc thấm ngang và số liệu thu thập được từ kết quả thử nghiệm so sánh hai phương án là sử dụng đệm cát thoát nước và sử dụng bấc thấm ngang đã cho thấy được những mặt tích cực của việc sử dụng bấc thấm ngang Từ đó giải quyết được tình hình cạn kiệt nguồn cát chất lượng cao bằng việc sử dụng vật liệu bấc thấm ngang thay thế mà vẫn đảm bảo được chất lượng, thời gian, giảm được chi phí… cho công trình xây dựng Đây là kết quả rất đáng khả quan và cần được quan tâm nhiều hơn với công nghệ mới này lần đầu đưa vào áp dụng ở Việt Nam Và cũng thông qua các số liệu thu thập được từ thí nghiệm cùng các kết quả thu nhận được từ hiện trường tiến hành tính toán và phân tích cho các lý thuyết đã áp dụng

Đặc biệt đối với từng phương pháp xử lý đất yếu bên trên, đều trình bày rõ về trình tự thi công thực tiễn ngoài công trường cũng như các công tác thực tế trong phòng thí nghiệm Điều này khác với các luận văn trước đây chỉ tập trung nghiên cứu và trình bày về các cơ sở lý thuyết tính toán là chủ yếu

5 GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

Do điều kiện về kinh nghiệm chuyên môn còn hạn chế, thời gian nghiên cứu khá cấp bách nên nội dung nghiên cứu chưa có tính bao quát, toàn diện (chưa xét hết tất cả các phương pháp xử lý cho đất yếu dưới nền đường, cũng như sự kết hợp và ảnh hưởng lẫn nhau giữa các phương pháp này đối với công trình xây dựng)…

Hiện có nhiều biện pháp gia cố và xử lý đất yếu được ứng dụng trong công trình đại lộ Đông Tây, phạm vi đề tài chỉ dừng lại việc nghiên cứu hai phương pháp trên Do đó chưa thấy rõ được hiệu quả của hai phương pháp này so với các phương pháp khác cũng như khả năng ứng dụng kết hợp đồng thời nhiều phương pháp để tăng hiệu quả xử lý đối với nền đất yếu…

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIẢI PHÁP GIA CỐ ĐẤT YẾU DƯỚI NỀN ĐƯỜNG

1.1.Sơ lược về đất yếu

1.1.1 Đặc điểm và tính chất của đất yếu

Đất yếu là những loại đất chịu tải nhỏ, tính nén lún cao, độ bão hoà lớn, hệ số rỗng lớn, mô đun biến dạng nhỏ, khả năng kháng cắt yếu

Một số đặc trưng cơ lý của đất yếu:

_ Khả năng chịu tải : 0,5kG/cm2 ÷ 1kG/cm2;

_ Mô đun tổng biến dạng : Eo ≤ 50 kG/cm2

_ Hệ số rỗng : ε > 1;

_ Hệ số nén tương đối : ao > 0,05 ÷ 0,1 cm2/kG;

_ Góc nội ma sát : φ = 5 ÷ 10o;

_ Lực dính : C = 0,05 ÷ 0,1 kG/cm2

Đất yếu được hình thành từ nguồn gốc lục địa, vũng vịnh hoặc biển

1.1.2 Các loại đất yếu thường gặp

Các loại đất yếu thường gặp ở nước ta: đất sét mềm, bùn và than bùn; ngoài ra còn gặp đất lụp sụp và cát chảy

1/ Đất sét mềm:

Đất sét - á sét tương đối chặt và bão hoà nước và có cường độ cao hơn bùn

Đặc điểm là có tính dẽo lớn do thành phần hạt nhỏ 0,002 mm, chỉ số dẽo 1÷40

2/ Bùn :Lớp đất được tạo thành do bồi lắng của môi trường nước ngọt hay biển

(các hạt < 200 μm) với tỉ lệ hạt 2 μm chiếm tỉ lệ lớn Cường độ luôn bé, biến dạng rất lớn, mô đun biến dạng 1÷5 daN/cm2 (bùn sét) ;10÷25 daN/cm 2 (bùn á sét và bùn cát)

3/.Than bùn : Có nguồn gốc hữu cơ được thành tạo do kết quả phân hủy các di

tích hũu cơ tại các đầm lầy

Hàm lượng hữu cơ lớn 20÷80%; Nền lún lâu dài, không đều;

Hệ số nén lún 3,8÷10 daN /cm 2

4/ Các loại đất yếu khác :

- Cát chảy: Loại đất cát hạt mịn, hàm lượng hạt (0,005÷0,002mm) chiếm 60÷70%

Khi chịu tác động của chấn động hay một áp lực thụ động gây nên sự chảy của đất

- Đất bazan: Có độ rổng lớn, nhẹ, khả năng thấm nước cao, tính nén lún cao Có tính chất tương tự đất lụp sụp

1.2 Tổng quan về một số giải pháp xử lý nền đất yếu

Tùy theo mục đích, tính chất và điều kiện thực tế có nhiều biện pháp cải tạo và xử lý khác nhau cho nền đất yếu Việc áp dụng hợp lý các phương pháp sẽ có tác dụng làm tăng cường độ của đất, giảm độ lún tổng cộng cũng như sự chênh lệch lún, từ đó đảm bảo được tính ổn định khi khai thác, rút ngắn thời gian thi công và giảm chi phí xây dựng cho công trình Chính vì vậy việc lựa chọn phương pháp xử lý thích hợp cho từng loại đất riêng biệt là rất quan trọng Đối với nền đất yếu có tính nén lún cao, để tăng nhanh tốc độ lún và giảm tối thiểu lún dư của nền đắp khi khai thác thì việc sử dụng các biện pháp tiêu nước thẳng đứng như bấc thấm, giếng cát …kết hợp với gia tải đem lại hiệu quả cao Để tăng cường độ cho nền đất yếu cũng như đảm bảo tính ổn định của nền đắp thì các biện pháp như cọc đất gia cố xi măng, cọc ván bê tông dự ứng lực, bệ phản áp, tường rọ đá…là những giải pháp thông dụng Tùy theo tính chất của nền đất yếu cũng như quy mô của công trình sử dụng mà tiến hành xử lý nền đất yếu ở các phạm vi nông, sâu khác nhau, cụ thể như sau:

- Nhóm biện pháp cải tạo phạm vi nông (cải tạo sự phân bố ứng suất, điều kiện biến dạng của nền…)

- Nhóm biện pháp cải tạo phạm vi sâu (giảm thiểu lún dư, tăng cường độ cho nền đất yếu…)

1.2.1 Nhóm biện pháp cải tạo phạm vi nông

Đối với lớp đất yếu có chiều dày không lớn nằm trực tiếp dưới móng công trình thì có thể áp dụng các biện pháp xử lý như đệm cát, đệm đá, đệm đất, bệ phản áp… để gia cố nền Nhóm biện pháp này nhằm mục đích tăng cường khả năng chịu lực, hạn chế biến dạng (đặc biệt biến dạng không đồng đều) của nền đất dưới tác dụng của tải trọng công trình Trong thực tế đệm cát, đệm đá sỏi, đệm đất còn dùng để thay thế lớp đất yếu có chiều dày không lớn hơn 3 m dưới móng tường, cột trong các công trình dân dụng, công nghiệp và dưới bản đáy các công trình thủy lợi Đối với nền đường đắp trên bùn lầy thì áp dụng bệ phản áp để khống chế khả năng phát triển của vùng biến dạng dẻo do lớp đất yếu gây ra là một trong những biện pháp xử lý hiệu quả

Giới thiệu sơ lược một số phương pháp cho nhóm cải tạo đất yếu trong phạm vi nông:

1.2.1.1 Bệ phản áp [2]

Phương pháp bệ phản áp là dùng các vật liệu địa phương như đất, đá, cát đắp ở hai bên công trình để chống trượt do sự phát triển của vùng biến dạng dẻo gây ra Bệ

phản áp được xử lý có hiệu quả khi xây dựng nền đường trên vùng đất yếu Nó còn có tác dụng phòng chống lũ, chống sóng, chống thấm nước

Sử dụng bệ phản áp là phương án thiết kế kinh tế và thông lệ nhất, ở những nơi có sẵn đất để đặt phản áp, và không có sự hạn chế nào khác về khoảng đất trống trong thi công cũng như thời gian vận hành sử dụng Phương pháp này đã được xem xét, áp dụng cho những nơi không tồn tại giới hạn về đất và khoảng trống

Việc tính toán bệ phản áp thường áp dụng cách tính dựa vào sự phát triển của vùng biến dạng dẻo dưới tác dụng của tải trọng công trình

1.2.1.2 Đệm cát [2]

Phương pháp đệm cát là phương pháp thay thế lớp đất yếu nằm trực tiếp dưới đáy móng công trình bằng một lớp đệm cát đóng vai trò như một lớp chịu lực, giảm bớt độ lún, làm tăng ổn định khi công trình chịu tải ngang Ngoài ra để tăng khả năng chịu tải của đất yếu và ngăn đất yếu hòa lẫn vào vật liệu đắp, vải địa kỹ thuật không dệt đã được áp dụng cùng với đệm cát

Ưu điểm là thi công đơn giản, kích thước móng và chiều sâu chôn móng sẽ giảm

vì áp lực tiêu chuẩn truyền lên lớp đệm cát sẽ tăng

Nhược điểm là không dùng cho các công trình có chiều dày lớp đất yếu lớn (>3m) và nơi nước ngầm có áp lực tác dụng trong phạm vi lớp đệm cát

1.2.1.3 Đệm đất [2]

Khi công trình xây dựng trên nền đất đắp ở trạng thái ẩm ít và mực nước ngầm ở dưới sâu thì có thể dùng phương pháp đệm đất Đệm đất là phương pháp thay thế lớp đất yếu bằng lớp vật liệu đệm là đất sét pha cát lấy ở trong khu vực xây dựng

Vì phương pháp đệm đất tận dụng được vật liệu địa phương nên kinh tế hơn so với phương pháp đệm cát Việc tính toán trong phương pháp đệm đất cũng tương tự như việc tính toán đối với đệm cát

1.2.1.4 Đệm đá, sỏi [2]

Phương pháp đệm đá, sỏi được sử dụng trong trường hợp lớp đất yếu đáy móng ở trạng thái bão hòa nước, có chiều dày nhỏ hơn 3m và dưới đó là lớp đất chịu lực tốt đồng thời xuất hiện nước có áp lực cao Phương pháp này được sử dụng khi phương pháp đệm cát không dùng được Độ cứng của đệm đá sỏi lớn hơn nhiều so với đệm cát,

vì vậy trong nguyên lý làm việc có sự khác nhau, đó chính là sự truyền ứng suất theo chiều sâu khác nhau dưới tác dụng của tải trọng công trình Với đệm cát, ứng suất giảm theo chiều sâu của lớp đệm Đối với đệm đá, do độ cứng khá lớn nên ứng suất không

thay đổi theo chiều sâu Chính vì vậy, lớp đệm đá sỏi được xem như là một bộ phận của móng và tính toán lớp đệm đó như một móng nông đặt trên nền thiên nhiên

1.2.2 Nhóm biện pháp cải tạo phạm vi sâu

Đối với những khu vực có lớp đất yếu và đất dính trong vùng dễ lún, phân bố dày và sâu bên dưới với đặc tính kết cấu mềm và độ lỗ rỗng lớn (thông thường nước lấp đầy các lỗ rỗng (nước lỗ rỗng)) thì việc cải tạo đất bằng gia cố (cọc cát đầm chặt), bằng vật liệu trộn (phương pháp trộn sâu) và bằng thoát nước (tiêu nước thẳng đứng) là thích hợp

Giới thiệu tóm lược một số phương pháp cải tạo đất yếu trong phạm vi sâu:

1.2.2.1 Cải tạo đất bằng cọc vật liệu rời

Các cọc vật liệu rời bao gồm cát và sỏi được làm chặt và chèn vào lớp sét mềm yếu bằng phương pháp thay thế Thuật ngữ “cọc vật liệu rời” được sử dụng ở đây có liên quan đến thành phần của cọc, thường là cát và sỏi được nén chặt Trong đó cũng kể cả những cọc đá Đất được cải tạo bằng cọc vật liệu rời gọi là đất hỗn hợp Khi chất tải, cọc bị biến dạng phình lấn vào các tầng đất và phân bố lại ứng suất ở các mặt cắt bên trên của đất, hơn là truyền ứng suất xuống các lớp đất dưới sâu Điều đó làm cho đất chịu được ứng suất Kết quả là cường độ và khả năng chịu lực của đất hỗn hợp có thể tăng lên và tính nén lún giảm Ngoài ra nó còn giảm được ứng suất tập trung sinh ra trên các cọc vật liệu rời Thành phần của cọc là vật liệu rời có tính thấm cao, nên cọc còn làm tăng nhanh độ lún cố kết và giảm trị số độ lún của công trình sau khi xây dựng

Một số phương pháp cụ thể của việc cải tạo đất bằng cọc vật liệu rời như sau:

a/ Cọc cát [2]

Phương pháp nén chặt đất bằng cọc cát được áp dụng khi xây dựng các công trình chịu tải lớn trên nền đất yếu có chiều dày lớn Tác dụng của cọc cát làm cho độ rỗng, độ ẩm của nền đất giảm đi, trọng lượng thể tích, mô đun biến dạng, lực dính và góc ma sát trong tăng lên

Dưới tác dụng của tải trọng, cọc cát và vùng đất được nén chặt xung quanh cọc làm việc đồng thời, đất được nén chặt đều trong khoảng cách giữa các cọc Trị số độ ẩm, hệ số rỗng trong cọc cát cũng như ở vùng đất được nén chặt xung quanh sẽ giống nhau ở mọi điểm Vì vậy sự phân bố ứng suất trong nền đất được nén chặt bằng cọc cát có thể xem như là nền thiên nhiên Phần lớn độ lún của nền đất yếu bão hòa nước có cọc cát thường kết thúc trong quá trình thi công, do đó tạo điều kiện cho công trình nhanh chóng đạt đến giới hạn ổn định Bởi vì lúc này cọc cát làm việc như giếng thoát

nước, nước trong đất có điều kiện thoát ra nhanh theo chiều dài cọc dưới tác dụng của tải trọng ngoài Điều này không thể có được đối với nền đất thiên nhiên hoặc nền đất dùng cọc cứng So với cọc cứng, vật liệu cát rẻ tiền hơn và không bị ăn mòn nếu nước ngầm có tính xâm thực Biện pháp thi công đơn giản cho nên giá thành phương án cọc cát thường rẻ hơn so với các phương án khác (so với cọc bê tông giảm khoảng 2 lần – theo tài liệu những phương pháp xây dựng công trình trên nền đất yếu – Hoàng Văn Tân)

b/ Cọc đất [2]

Cọc đất thường dùng để nén chặt đất nền có độ rỗng lớn và có tính lún sập Đất có tính lún sập như đất hoàng thổ là đất mà khi bị ngậm nước đất có lỗ rỗng lớn Lỗ rỗng thường có đường kính 0,5 – 2mm chiếm khoảng 50-54% so với toàn bộ thể tích

Cọc đất được thi công theo 2 phương pháp sau đây: phương pháp lõi và phương pháp nổ Phương pháp lõi là dùng ống thép rỗng đầu khép kín hạ tới độ sâu thiết kế sau đó rút ống lên và nhồi đất đầy vào lỗ khoan Phương pháp nổ là phương pháp khoan những lỗ mìn có đường kính 60-80mm đến độ sâu thiết kế Trong lỗ khoan, người ta đặt các dây nổ và các viên nổ có kích thước và trọng lượng tiêu chuẩn bố trí đều dọc theo chiều dài lỗ khoan Sau khi nổ sẽ được lỗ khoan thẳng đứng có đường kính 8-11 d0 (d0là đường kính viên nổ) Người ta phải tiến hành đầm chặt đất trong lỗ khoan theo từng lớp bởi các máy chuyên dụng Trọng lượng phần đất mỗi lớp cần được nén chặt trong lỗ khoảng 100 – 120kg

1.2.2.2 Cải tạo đất bằng thiết bị tiêu nước thẳng đứng [20]

Quá trình lún do cố kết của nền đất sét yếu tạo ra nhiều sự cố cho nền móng công trình Nền đất sét yếu có hệ số thấm nhỏ, vì vậy để hoàn thành giai đoạn cố kết thứ nhất cần phải có nhiều thời gian Để rút ngắn thời gian cố kết này, người ta thường dùng các thiết bị tiêu nước thẳng đứng kết hợp với biện pháp nén trước bằng khối đắp tạm thời hoặc hút chân không

Riêng thiết bị tiêu nước thẳng đứng có nhiều loại với các đặc trưng vật lý khác nhau nhằm tạo ra đường thoát nước nhân tạo cho đất Trong biện pháp này, nước lỗ rỗng thoát ra khi đất sét cố kết với gradient thủy lực tạo ra do nén trước, chảy nhanh theo phương ngang về phía thiết bị tiêu nước, rồi sau đó chảy tự do theo phương thẳng đứng, dọc theo thiết bị về phía các lớp đất dễ thấm nước Như vậy là việc đặt các thiết

bị tiêu nước thẳng đứng trong nền đất yếu sẽ rút ngắn chiều dài đường thấm và dẫn đến giảm thời gian hoàn thành quá trình cố kết Như vậy, các thiết bị tiêu nước thẳng đứng được đặt trong nền đất sét nhằm hai mục đích chủ yếu là: là tăng nhanh tốc độ cố kết

của nền đất sét và nâng cao sự ổn định của công trình đặt lên nền đất yếu (vì cường độ nền đất tăng nhanh theo tốc độ cố kết) Hình 1.1 miêu tả một hệ thống tiêu nước thẳng đứng điển hình cho nền đường

Hình 1.1: Cấu tạo xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm [18]

Tùy thuộc vào vật liệu được đặt trong nền đất mà người ta phân loại thiết bị tiêu nước thẳng đứng làm ba loại chính:

- Giếng cát tiêu nước gồm giếng cát, rãnh cát

- Giếng cát tiêu nước bọc bằng vải như Pack Drain, Sandwick …

- Thiết bị tiêu nước chế tạo sẵn như bấc thấm

Bảng 1.2 cho biết các dạng thiết bị tiêu nước thẳng đứng thường dùng để cải tạo đất trong xây dựng nền đường ô tô

Bảng 1.2: Các thiết bị tiêu nước (Rixner 1986) [5]

Giếng cát

tiêu nước

Lõi đáy kín Lưỡi khoan ren Lưỡi khoan cần rỗng liên tụcKhoan thủy lực bên trong Tia quay nước

Máy hút Hà Lan dạng tia

Chuyển vị lớn nhất

Kinh nghiệm bị giới hạn

Chuyển vị giới hạn

Khó điều hành

Có thể không chuyển vị

Giếng cát

tiêu nước

bọc bằng vải

Sandwick, PackDrain Fabridrain Chuyển vị hoàn toàn với thể tích tương đối nhỏ

Vải bao phủ

Thiết bị tiêu nước bằng chất dẻo không có bao bọc

Chuyển vị hoàn toàn với thể tích nhỏ

Chuyển vị hoàn toàn với thể tích nhỏ

Chuyển vị hoàn toàn với thể tích nhỏ

1.2.2.3 Cải tạo đất bằng vật liệu trộn (phương pháp trộn sâu)

a) Giới thiệu [20]

Từ rất lâu, phương pháp trộn sâu đã được dùng để cải tạo đất Mục đích của trộn sâu là cải thiện các đặc trưng của đất, như tăng cường độ kháng cắt, giảm tính nén lún, bằng cách trộn đất nền với xi măng (vữa xi măng) để chúng tương tác với đất Sự đổi mới tốt hơn nhờ trao đổi ion tại bề mặt các hạt sét, gắn kết các hạt đất và lấp các lỗ rỗng bởi các sản phẩm của phản ứng hóa học Trộn sâu phân loại theo chất kết dính (xi măng, vôi, thạch cao, tro bay…) và phương pháp trộn (khô/ướt, quay/phun tia, guồng xoắn hoặc lưỡi cắt)

Phát triển trộn sâu bắt đầu tại Thụy Điển và Nhật Bản từ những năm 60 Phun khô dùng vôi bột chưa tôi được dùng ở Nhật Bản từ những năm 70 Khoảng thời gian đó trụ đất vôi cũng dùng ở Thụy Điển Trộn ướt dùng vữa xi măng cũng được Nhật Bản áp dụng trong những năm 70 Phương pháp được phổ biến ra thế giới, gần đây hỗn hợp xi măng, vôi với thạch cao, tro bay, xỉ cũng đã được giới thiệu Thiết bị trộn đã được cải tiến Phương pháp đã được áp dụng tại nhiều nước còn để giải quyết các vấn đề môi trường như để ngăn chặn và xử lý các vùng bị ô nhiễm

Gần đây, công nghệ tổ hợp được phát triển kết hợp trộn với phun tia, máy trộn

bề mặt Sơ đồ phân loại thiết bị tham khảo hình 1.2

Phương pháp trộn Trộn sâu Quay một trục

Guồng xoắn tháo rời

Một cần, một cánh/

nhiều cánh

Nhiều cần &

nhiều cánh

Quay một trục + thủy lực

Quay một trục + tịnh tiến theo tuyến

Quay trong mặt phẳng + tịnh tiến theo tuyến

Chỉ tịnh tiến theo tuyến

Một cần, cánh Gia cố khối lớn Máy đào

Hình 1.2: Phân loại chung các thiết bị trộn sâu

b) Lĩnh vực áp dụng

Các ứng dụng khác nhau của trộn sâu cho công việc tạm thời hoặc lâu dài, hoặc trên cạn hoặc dưới biển được giới thiệu trong hình 1.3 Các ứng dụng chủ yếu là giảm độ lún, tăng ổn định và chống đỡ

Hình 1.3: Ứng dụng trộn sâu c/ Các ứng dụng chính

Phương pháp trộn sâu được ứng dụng cho các mục đích khác nhau như:

- Đường bộ, ổn định/lún

- Ổn định đê cao

- Mố cầu

- Thành hố đào

- Giảm ảnh hưởng từ các công

trình lân cận

- Chống nâng đáy hố đào

- Chống chuyển dịch ngang của móng cọc

- Đê biển

- Ngăn nước

Hình 1.4: Các ứng dụng của trộn sâu (Terashi, 1997)

d/ Thi công

Thi công gồm định vị, xuyên xuống và rút lên Khi xuyên xuống, đầu trộn sẽ cắt và phá kết cấu đất đến độ sâu yêu cầu Khi rút lên, chất kết dính được truyền vào đất với tốc độ không đổi, nhờ tốc độ rút khống chế cố định Cánh trộn quay theo phương ngang, trộn đều đất với chất kết dính Có các thiết bị phun trộn chất kết dính cả trong khi xuyên xuống và rút lên

Trong phương pháp trộn khô, không khí dùng để dẫn xi măng bột vào đất (độ ẩm của đất cần phải không nhỏ hơn 20%) Trong phương pháp trộn ướt, vữa xi măng là chất kết dính Trộn khô chủ yếu dùng cải thiện tính chất của đất dính, trong khi phun ướt thường dùng trong đất rời Trong một ít trường hợp như ngăn ngừa hiện tượng hóa lỏng, trộn khô dùng cho đất rời xốp Quá trình thực hiện dự án trộn sâu được mô tả trên hình 1.5

Hình 1.5: Nguyên tắc thực hiện dự án thi công trộn sâu [4]

1.3 Tổng quan phương pháp bấc thấm

1.3.1 Giới thiệu sơ lược về lịch sử phát triển bấc thấm

Việc sử dụng các thiết bị thoát nước thẳng đứng để gia tăng quá trình cố kết của đất yếu được bắt đầu trong thập niên 20 dưới hình thức các giếng cát Rồi đến giữa những năm 30 ở Thụy Điển đã phát minh ra hệ thống thoát nước chế tạo sẵn đầu tiên trên thế giới Từ sau năm 1939, hệ thống thoát nước thẳng đứng này được sử dụng rộng rãi ở các nước châu Âu và Nhật Bản Một vài năm sau Thụy Điển và nhiều nước khác lại trở lại sử dụng giếng cát, do hệ thống thoát nước chế tạo sẵn có hệ số thấm và lưu lượng thoát nước nhỏ Cho tới năm 1950 hầu hết hệ thống thoát nước thẳng đứng là các giếng cát Với sự phát triển các chất dẻo và vải lọc, từ năm 1980 các hệ thống thoát nước chế tạo sẵn (chủ yếu là bấc thấm) đã trở thành phổ biến do lắp đặt dễ dàng, mềm dẻo, độ tin cậy cao và chi phí thấp Để tăng nhanh quá trình cố kết, người ta thường dùng các hệ thống thoát nước thẳng đứng kết hợp với gia tải trước bằng khối đắp tạm thời

Trong những năm 90 bấc thấm đã được sử dụng rộng rãi trong các nước đang phát triển, đặc biệt là các nước trong khu vực ASEAN như Thái Lan, Philippines, Indonesia, Malaysia, Singapor… Vào cuối những năm 90 của thế kỷ 20, bấc thấm đã bắt đầu sử dụng rộng rãi ở Việt Nam

1.3.2 Khái niệm phương pháp bấc thấm

Phương pháp bấc thấm là phương pháp sử dụng các thiết bị chế tạo sẵn đưa vào trong đất giúp thoát nước theo phương đứng (hoặc ngang) để tăng nhanh tốc độ cố kết và hạn chế độ lún trong tương lai của đất dưới tác dụng của tải trọng tĩnh và động Hiện nay có nhiều phương pháp bấc thấm khác nhau tùy theo điều kiện và mục đích sử dụng như: bấc thấm đứng (PVD), bấc thấm ngang (SBD), bấc thấm xoắn…

Loại bấc thấm được sử dụng phổ biến ở Việt Nam từ trước đến nay là bấc thấm đứng (PVD) kết hợp với phương pháp gia tải trước, và lớp đệm cát thoát nước được dùng làm lớp thoát nước ngang cho bấc thấm đứng

1.3.3 Nội dung phương pháp bấc thấm đứng (Prefabricated Vertical Drain–PVD):

Bấc thấm đứng (PVD) kết hợp với phương pháp gia tải trước được coi như là sự lựa chọn để xử lý đất yếu khả thi nhất cho các công trình xét về chiều sâu xử lý, chi phí, thời gian để gia tải và các yếu tố khác Mục đích của việc sử dụng bấc thấm đứng kết hợp với biện pháp gia tải trước để đẩy nhanh tốc độ cố kết và hạn chế độ lún trong tương lai của khu vực xử lý dưới tải trọng tĩnh và tải trọng động Gia tải trước làm tăng khả năng chịu tải và hạn chế tính nén của đất yếu bằng cách tạo ra áp lực làm cho đất

cố kết Công tác cải tạo đất được tiến hành bằng cách đạt được cố kết ban đầu trong một khoảng thời gian nhất định để cải thiện tính thoát nước của đất

1.3.3.1.Nguyên lý [22]

Nguyên lý cố kết của bấc thấm là tạo các

đường thoát nước đứng nhân tạo bố trí theo một

khoảng cách ngang hợp lý nhằm rút ngắn chiều

dài đường thấm dẫn đến giảm thời gian cố kết

trong đất nền và nâng cao cường độ của đất nền

Bấc thấm tạo độ ổn định cho đất bằng cách

cho thoát nước theo phương đứng thông qua áp

lực nén (đất bão hòa nước như sét, than bùn) Các

loại đất này với đặc tính kết cấu mềm và độ lỗ

rỗng lớn, thông thường nước lấp đầy các lỗ rỗng

(nước lỗ rỗng) Khi chịu tải trọng tác dụng, như

nền đường đắp hoặc đê, đặt trên đỉnh của tầng đất

này, hiện tượng lún có thể xảy ra do áp lực nén của

đất, điều này gây bất lợi cho công trình xây dựng

Tải trọng tạo ra do chất tải ban đầu được

mang bởi nước lỗ rỗng Tuy nhiên, khi khả năng

thấm nước qua đất không cao thì áp lực nước sẽ

giảm dần dần vì nước lỗ rỗng chỉ có thể tháo đi rất chậm

Gia tăng áp lực nước có thể tạo ra sự mất ổn định đối với nền đất bên dưới, điều này có thể tạo ra những mặt trượt Việc nền đất bị mất ổn định có thể làm giảm tốc độ lấp đầy sắp xếp các thành phần trong đất Một hệ thống thoát nước thẳng đứng góp phần làm tăng tiến độ thi công đối với nền đất đắp tránh được nguy cơ sạt lở đất Để tăng nhanh quá trình lún và làm giảm áp lực nước, thì cần giảm lộ trình dòng chảy của nước lổ rỗng Điều này được thực hiện bằng cách bố trí cắm bấc thấm với khoảng cách đều nhau Nhờ vào hệ thống thoát nước này đã giúp cho nước có áp trong tầng đất bên dưới chảy theo phương ngang hướng đến nhánh thoát nước gần nhất để thoát nước lên trên Bằng cách dùng hệ thống thoát nước này đã giúp cho thời gian cố kết giảm đi từ vài thập kỉ xuống chỉ còn 6 tháng thậm chí có thể rút ngắn thời gian cố kết hơn nữa Ngoài ra nếu áp dụng hệ thống hút chân không, có thể tăng nhanh quá trình cố kết hơn nữa

Nền đường đắp

1.3.3.2.Cấu tạo bản vật liệu bấc thấm [22]

a/ Tấm Mebradrain

Tấm Mebradrain bao gồm một dải vật liệu chế tạo sẵn thích hợp cho việc dẫn nước Kết cấu vật liệu bao gồm lõi nhựa Polypropylene (hoặc Polyvinyl Chloride) chất lượng cao với nhiều rãnh ở hai bên cho phép nước dễ dàng chảy dọc bên trong Lõi nhựa này được bao bọc xung quanh bởi loại vải địa kĩ thuật bền với đặc tính thấm lọc tốt, cho phép nước lỗ rỗng dễ dàng thấm vào Đồng thời tấm lọc này có thể ngăn không cho các hạt đất mịn lọt vào bên trong và không gây tắc nghẽn Các tấm thoát nước được chế tạo với kích thước bề rộng chuẩn quốc tế cho phép là

100 mm Tấm Mebradrain gồm 2 loại chủ yếu là:

MD7007

Tấm MD7007 có lõi bên trong dạng ô vuông, thích

hợp cho độ sâu làm việc lên đến 25 m

MD88

Tấm MD88 có lõi bên trong dạng xương cá Dạng này

với khả năng chịu áp lực đất cao, nơi có thể xảy ra sự biến

dạng lớn với độ sâu làm việc lên đến 65m

* Ưu điểm của hệ thống Mebradrain:

_ Hạn chế thấp nhất sự ảnh hưởng của các tầng địa chất

xung quanh

_ Khả năng thoát nước tốt

_ Có khả năng thích nghi với nhiều điều kiện đất khác nhau

_ Tốc độ lắp đặt nhanh, trung bình từ 4000 đến

30000 m/ngày

_ Với khoảng cách lắp đặt phù hợp sẽ rút ngắn được

thời gian cố kết

_ Không cần cung cấp nước trong quá trình lắp đặt

_ Độ sâu lắp đặt có thể hơn 65 m

_ Dễ dàng kiểm tra việc lắp đặt thông qua thiết bị

quan trắc

b/ So sánh với cọc cát thoát nước:

Tấm Mebradrain với bề rộng chuẩn 100 mm

cho khả năng thoát nước theo phương đứng tốt hơn

so với cọc cát có đường kính khoảng 300 mm Giá thành của tấm Mebradrain thấp hơn

vì vậy sử dụng hệ thống thoát nước này sẽ tiết kiệm chi phí nhiều hơn so với việc dùng cọc cát

c/ Lớp vải thấm lọc:

Lớp vỏ thấm lọc giữ vai trò quan trọng, bao gồm lớp vải polypropylene được liên kết bằng nhiệt và có cấu trúc ngẫu nhiên.Khác với các loại vải có sợi được dệt thẳng làm cho hạt đất có thể dễ dàng lọt qua, tấm lọc Mebradrain với các sợi vải xoắn vào nhau nhằm hạn chế các hạt đất lọt vào bên trong và ngăn ngừa sự tắc nghẽn

Nói chung một tấm lọc tốt phải đảm bảo khả năng

ngăn không cho các hạt đất lọt qua nhưng đồng thời phải

đảm bảo khả năng thẩm thấu, và tấm lọc Mebradrain đã

đáp ứng được cả 2 yêu cầu này Khi tầng đất bị nén, mà

thành phần hạt của loại đất này có khả năng cho nước dịch

chuyển theo phương ngang, lúc đó nước lỗ rỗng chịu áp lực

sẽ di chuyển trong tầng đất này đến vị trí tấm lọc gần nhất

Để tận dụng tốt nhất khả năng thấm nước của các tầng đất

này, thì khả năng thấm nước của tấm lọc ít nhất phải nhiều

bằng khả năng thấm nước của tầng đất này Tấm lọc

Mebradrain có khả năng thấm nước tương đối cao nhờ đó

tăng khả năng thấm nước trong các tẩng đất này Những

tiêu chuẩn quan trọng khác mà một tấm lọc cần phải đáp ứng là: Cường độ cơ học cao; Khả năng kháng khuẩn và vi sinh vật cao; Bền đối với acids và dung môi; Cường độ giảm không đáng kể sau một thời gian dài; Từ biến nhỏ dưới áp lực lớn; Tấm Mebradrain đã được thử nghiệm và thỏa được hầu hết các tiêu chuẩn trên

1.3.3.3 Các trường hợp áp dụng bấc thấm đứng [22]

Cải thiện đất bằng việc sử dụng hệ thống thoát nước thẳng đứng đã từng được áp dụng trong nhiều dự án công trình xây dựng như:

_ Sự cải tạo đất

_ Công trình dân dụng và công nghiệp

_ Thi công nền đất đắp cho đường

_ Xây dựng công trình cảng

_ Kho chứa hàng…

Rãnh thoát nước

Lõi Mebradrain

Nước thấm qua lớp vải lọc

Lớp vải lọc

Hình 1.11: Mặt cắt mô tả tiết diện tấm Mebradrain

1.3.3.4 Phương pháp tính toán bấc thấm [18,5,22,23]

Biến dạng và ổn định của nền trong quá trình chất tải cũng như trong thời gian vận hành là các yếu tố chính cần phải được tính toán Lý thuyết tính toán bấc thấm đã được trình bày trong nhiều tài liệu nên sẽ không được nhắc lại ở đây Để tính toán thực hành, phương pháp tính toán thường dùng trong thực tiễn thiết kế sẽ được tóm tắt trong chương này

a/ Lún của đất nền

Dưới tác dụng của tải trọng, độ lún toàn phần (S) của nền đất yếu bão hòa nước bao gồm ba thành phần chính như sau:

S = Si + Sc + Ss (1-1) Trong đó:

Si : lún tức thời do biến dạng ngang không thoát nươc của nền

Sc : lún cố kết sơ cấp do đất nền bị nén chặt dưới sự gia tăng ứng suất có hiệu

Ss : lún thứ cấp gây ra do biến dạng mỏi trong kết cấu đất, thường được xét đến sau khi đã kết thúc quá trình nén sơ cấp

Đối với nền đất yếu, đặc biệt là sét hữu cơ có chỉ số dẻo cao, lún thứ cấp chiếm tỷ lệ đáng kể trong tổng độ lún của nền

a1) Lún sơ cấp

Tổng độ lún sơ cấp cuối cùng, Sp = Si + Sc, thường tính toán theo kết quả thí nghiệm nén lún một chiều như sau:

H : chiều dày của lớp đất tính lún

eo : hệ số rỗng ban đầu

σσ

' p ' voOCR tỷ số áp lực cố kết trước Đất có giá trị OCR >1 được coi là đất có cố kết bình thường

σ'

vo: áp lực có hiệu hiện tại

σ'

p : áp lực cố kết trước

CR, CC : độ dốc của đường cong nén lún tương ứng với quá trình dở tải và chất tải

Sự gia tăng của ứng suất có hiệu Δσ'

vf một cách tổng quát có thể tính toán như

vf v u u o f (1-3) Trong đó:

σ

Δ v : ứng suất toàn phần tăng thêm bởi tải trọng

uo : áp lực nước lỗ rỗng trước khi chất tải

uf : áp lực nước lỗ rỗng cuối cùng

Thông thường, đối với nền đất có áp lực nước trong đất phân bố theo quy luật thủy tĩnh thì có thể lấy uo = uf Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, áp lực nước trong nền đất đã bị hạ thấp so với cột nước thủy tĩnh (do bơm hút nước ngầm chẳng hạn), cùng với sự có mặt của PVD, áp lực nước sau cùng uf có thể bằng hoặc không bằng uotùy theo địa tầng cụ thể của đất nền, chiều dài bấc thấm và những điều kiện khác

Lún sơ cấp bao gồm hai thành phần: lún tức thời (Si) và lún cố kết (Sc) Trong thực tế có thể tính toán một cách đơn giản:

a2) Lún cố kết thứ cấp

Sau khi đã hoàn tất quá trình cố kết sơ cấp (áp lực nước thặng dư đã tiêu tán hết), độ rỗng của đất vẫn có thể tiếp tục giảm do biến dạng mỏi trong kết cấu đất Thành phần lún này gọi là lún thứ cấp, Ss và thường được tính toán một cách đơn giản theo quan hệ tuyến tính với logarit thời gian như sau:

= ' .log( / )

Trong đó:

Ss : lún thứ cấp ở thời điểm tính toán t

tp : thời điểm kết thúc lún sơ cấp

' :

a

C tỷ số nén thứ cấp, có thể xác định từ thí nghiệm nén lún tiêu chuẩn

a3) Lún cố kết theo thời gian

Lún cố kết sơ cấp theo thời gian là thành phần lún quan trọng nhất đối với nền sét yếu xử lý bằng thoát nước đứng Thành phần lún này phụ thuộc vào các đặc trưng về biến dạng và thấm của đất nền, cường độ và thời gian chất tải trước v.v…

b/ Cố kết với thoát nước thẳng đứng

Barron (1948) đưa ra giải pháp về vấn đề cố kết của hình trụ đất có lõi bấc thoát nước ở giữa Lý thuyết của Barron đủ để giải quyết vấn đề cố kết dưới hai điều kiện, đó là: - biến dạng thẳng đứng tự do

- biến dạng thẳng đứng cân bằng

Trong trường hợp biến dạng cân bằng, phương trình vi phân mô tả quá trình cố kết được đưa ra như sau:

Ch = hệ số cố kết theo phương nằm ngang

Đối với trường hợp chỉ có cố kết ngang hướng tâm, lời giải của Barron dưới điều kiện lý tưởng (không bị ảnh hưởng xáo trộn và không xét sức cản giếng) là như sau:

Trong đó: = h2

h e

C t T

D

F(n) = ln (De / dw) – ¾ (1-9) và De – đường kính của hình trụ đất tương đương

dw – đường kính tương đương của lõi thấm tiêu nước

n – tỷ lệ khoảng cách, lấy bằng De / dw

Hansbo (1979) đã phát triển phương trình của Barron áp dụng cho việc tính toán bấc thấm chế tạo sẵn Ông đã thay khái niệm F(n) trong các biểu thức trên bằng khái niệm F với định nghĩa như sau:

F = F(n) + Fs + Fr (1-10)

Trong đó:

F – là yếu tố biểu thị ảnh hưởng của khoảng cách giữa các bấc thấm đến F(n)

Fs – xét ảnh hưởng xáo trộn nền đất do cắm bấc thấm vào

Fr – xét đến sức cản giếng

Yếu tố đầu tiên được xác định trong phương trình (6-4), các yếu tố thứ hai và thứ

3 được xác định như sau:

ds = đường kính tương ứng của vùng bị xáo trộn xung quanh bấc thấm

ks = hệ số thấm ngang trong vùng bị xáo trộn

z = khoảng cách từ đỉnh thoát nước tới điểm cuối cùng của bấc thấm

L = chiều dài của bấc thấm khi sự thoát nước chỉ xảy ra tại một đầu của bấc thấm

(L sẽ lấy bằng một nửa chiều dài bấc thấm nếu sự thoát nước xảy ra tại cả hai đầu trên và đầu dưới của bấc thấm, ví dụ nếu đầu dưới của bấc cắm vào tầng cát thoát nước)

Kh = hệ số thấm ngang của đất chưa bị xáo trộn

qw = khả năng tiêu thoát nước của bấc thấm tương ứng với gradient thủy lực bằng 1

c/ Đặc tính của bấc thấm và vùng ảnh hưởng

Đường kính tương ứng của bấc thấm có dạng dải băng mỏng, kí hiệu là dw, được xem như đường kính của bấc thấm hình tròn mà nó có cùng năng lực thoát nước hướng tâm lý thuyết như của bấc thấm có hình dải băng mỏng Để thuận tiện cho việc thiết kế, Hansbo đưa ra công thức sau:

Trong đó: a – chiều rộng của bấc thấm dạng dải băng mỏng

b – chiều dày của bấc thấm dạng dải băng mỏng Các nghiên cứu bằng phương pháp phần tử hữu hạn do Rixner thực hiện năm (1986) và kết hợp với Hansbo (1987) đã dẫn đến công thức sau:

dw = (a+b)/2 (1-14)

Hình 1.12: Vùng ảnh hưởng của bấc thấm tùy theo cách bố trí bấc thấm thành mạng

Thời gian để đạt được độ cố kết theo như đã dự kiến sẽ là hàm số của bình phương đường kính tương ứng của hình trụ đất được thoát nước, De

Khoảng cách, ký hiệu là S, đo giữa các bấc thấm liên quan đến De theo các công thức như sau:

De = 1,13S (khi bố trí các bấc thấm theo mạng hình vuông trên mặt bằng)

De = 1,05S (khi bố trí các bấc thấm theo mạng hình tam giác trên mặt bằng)

d/ Các tác động pha trộn và xáo trộn

Nhằm mục đích đơn giản hóa công tác thiết kế, Jamiolkowski đánh giá rằng đường kính của vùng bị xáo trộn, ký hiệu là ds, có quan hệ với đường kính mặt cắt ngang của cần xuyên của thiết bị cắm bấc thấm như sau:

(5 6)2

Trong đó: dm là đường kính của vòng tròn có diện tích bằng với diện tích mặt cắt ngang của cần xuyên dùng để cắm bấc thấm Hansbo (1987) đưa ra công thức sau đây, dựa trên kết quả nghiên cứu của Holtz và Holms (1973) và Akagi (1979):

da = 2 dm (1-17) Mối quan hệ này đã được Bergado chứng minh (1991) Vì vậy, ảnh hưởng của xáo trộn đất tăng lên theo sự tăng đường kính của cần chuyên dùng để cắm bấc thấm

Đối với đất tơi xốp thì tỷ lệ độ thấm nằm ngang, kh với độ thấm thẳng đứng kv, có thể đạt tới 10 Nhưng ảnh hưởng có lợi này của sự phân tầng đất làm cho tính thấm ngang lớn hơn có thể bị giảm hay bị loại bỏ hoàn toàn trong vùng bị xáo trộn Vì vậy, tính thấm của vùng xáo trộn ks, có thể tính gần đúng như sau:

ks = kv (1-18) Kết quả này đã được các nghiên cứu của Hansbo (1987) và Bergado (1991) xác nhận

e/ Thông số ảnh hưởng tới thời gian cố kết

Khi xem xét kết hợp cả ảnh hưởng của sự xáo trộn đất và của sức cản giếng, thời gian t tương ứng với độ cố kết mong muốn đã cho trước U được xác định như sau:

f/ Tốc độ cố kết

Mục tiêu chủ yếu của việc gia tải sớm trước để nén trước đất kết hợp với biện pháp nhân tạo thoát tiêu nước thẳng đứng là nhằm đạt được mức độ cố kết mong muốn trong một thời ngắn theo mong muốn đã xác định trước Khi sử dụng biện pháp thoát nước thẳng đứng nhân tạo thì độ cố kết toàn bộ, U, sẽ là kết quả ảnh hưởng tổng hợp của quá trình thoát nước theo phương nằm ngang và theo phương thẳng đứng Ảnh hưởng tổng hợp được đưa ra bởi Carillo (1942) như sau:

U = 1 – (1 – Uh)(1 – Uv) (1-20) Trong đó: Uh và Uv tương ứng là các độ cố kết trung bình do thoát nước nằm ngang và thoát nước thẳng đứng gây ra

1.4 Tổng quan phương pháp cọc đất gia cố xi măng (khái quát về công nghệ trộn sâu tạo cọc xi măng đất và tình hình áp dụng công nghệ này hiện nay ở các nước cũng như tại Việt Nam)

1.4.1 Khái niệm về công nghệ trộn sâu

Công nghệ trộn sâu tạo cọc xi măng đất (DSMC_ Deep Soil Mixing Column) là công nghệ trộn xi măng với đất tại chỗ – dưới sâu Cọc đất gia cố xi măng được sử dụng khá rộng rãi trong xử lý nền móng các công trình xây dựng, là một trong những giải pháp xử lý nền đất yếu với khả năng ứng dụng tương đối rộng rãi như: Làm tường hào chống thấm cho đê đập, gia cố nền móng cho các công trình xây dựng, sữa chữa thấm

mang cống và đáy cống, ổn định tường chắn, chống trượt mái dốc, gia cố đất yếu xung quanh đường hầm, gia cố nền đường, mố cầu dẫn…

So với một số giải pháp xử lý nền hiện có, công nghệ cọc đất gia cố xi măng có

ưu điểm là khả năng xử lý sâu (đến 50m), 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 đưa lại hiệu quả kinh tế rõ rệt so với các giải pháp xử lý khác

Phạm vi áp dụng trộn sâu để giải quyết các vấn đề cụ thể như sau:

a) giảm độ lún;

b) tăng ổn định;

c) chống giữ mái dốc, hố đào;

d) ngăn chặn vùng đất ô nhiễm;

e) xây dựng công trình phòng hộ;

f) giảm ảnh hưởng của chấn động lên công trình

Mục đích của công nghệ là làm tăng cường độ, khống chế biến dạng, giảm tính thấm của đất yếu hoặc đất co ngót hoặc để vệ sinh các khu nhiễm độc Nói tóm lại là làm thay đổi đất, nâng cao chất lượng của đất bằng cách cứng hóa tại chỗ

1.4.2 Tình hình ứng dụng thực tế công nghệ trộn sâu tạo cọc đất gia cố xi măng trên thế giới và tại Việt Nam [7]

1.4.2.1 Tình hình ứng dụng cọc đất gia cố xi măng trên thế giới:

Hiện nay nước ứng dụng công nghệ tạo cọc đất gia cố xi măng 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 cọc đất gia cố 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

Tại Trung Quốc, công tác nghiên cứu bắt đầu từ năm 1970, tổng khối lượng xử lý bằng cọc đất gia cố xi măng 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

Xu hướng phát triển của công nghệ trộn sâu tạo cọc đất gia cố xi măng trên thế giới hiện nay hướng vào việc khai thác mặt mạnh của cọc đất gia cố xi măng Khi mới phát minh, yêu cầu đối với cọc đất gia cố xi măng ban đầu chỉ là nhằm đạt được cường độ cao

và chi phí thấp; nhưng gần đây do những nan giải trong xây dựng đã đặt ra những yêu cầu cao hơn về sự tin cậy và hoàn chỉnh của công nghệ Ưu thế quan trọng của công nghệ này là ở chỗ nó cho phép xử lý tại chỗ và cô lập các chất ô nhiễm trong đất, hứa hẹn cho những nghiên cứu tiếp tục Trong lĩnh vực chống động đất, người ta đang tiếp tục nghiên cứu ứng dụng cọc đất gia cố xi măng nhằm ngăn chặn sự hóa lỏng đất, tìm ra những phương án có hiệu quả kinh tế, sử dụng vật liệu có sợi để chịu được uốn khi có động đất

1.4.2.2.Tình hình ứng dụng cọc đất gia cố xi măng tại Việt Nam:

Tại Việt Nam, từ năm 2002 đã có một số dự án bắt đầu ứng dụng cọc đất gia cố xi măng vào xây dựng các công trình trên nền đất yếu ở Việt Nam Cụ thể như : Dự án cảng

Ba Ngòi (Khánh Hòa) đã sử dụng 4000m cọc đất gia cố xi măng 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 2003, một Việt kiều ở Nhật Bản đã thành lập công ty xử lý nền móng tại TP Hồ Chí Minh, ứng dụng thiết bị trộn khô để tạo cọc đất gia cố xi măng lồng ống thép Cọc đất gia cố xi măng lồng ống thép cho phép ứng dụng cho các nhà cao tầng (đến 15 tầng) thay thế cho cọc nhồi, rẻ và thi công nhanh hơn Năm 2004 cọc xi măng đất 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 khoan nhồi của cầu Thanh Trì (Hà Nội) Năm 2005, một số dự án cũng đã áp dụng cọc đất gia cố xi măng như: dự án thoát nước khu đô thị Đồ Sơn – Hải Phòng, dự án sân bay Cần Thơ, dự án đường cao tốc TP Hồ Chí Minh đi Trung Lương, 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 xi măng đến tính chất của cọc đất gia cố xi măng,… nhằm ứng dụng cọc đất gia cố xi măng vào xử lý đất yếu, chống thấm cho các công trình thủy lợi Nhóm đề tài cũng đã sữa chữa chống thấm cho Cống Trại (Nghệ An), cống D10 (Hà Nam), Cống Rạch C (Long An)…

Tại thành phố Đà Nẵng, cọc đất gia cố xi măng được ứng dụng ở Plazza Vĩnh Trung dưới 2 hình thức: Làm tường trong đất và làm cọc thay cọc nhồi

1.4.3 Những thông tin và nội dung cơ bản về cọc đất gia cố xi măng

1.4.3.1 Các kiểu bố trí cọc đất gia cố xi măng [19]

Tùy theo điều kiện tác dụng của tải trọng cũng như mục đích sử dụng mà cọc đất gia cố xi măng được bố trí theo các kiểu khác nhau như: kiểu đơn, kiểu đôi, kiểu dải, kiểu lưới tam giác hoặc ô vuông, kiểu diện, kiểu khối…

- Kiểu đơn: Bố trí cọc theo lưới ô vuông hoặc lưới tam giác thường được áp dụng cho việc gia cố các khối đất đắp nền đường hoặc các công trình chịu tải trọng thẳng đứng lớn

- Kiểu dải: Bố trí cọc theo kiểu dải để gia cố cho các hố đào, các công trình ổn định mái dốc, các công trình có lực ngang tác dụng lớn

- Kiểu lưới và kiểu khối: Thường được bố trí cho các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp, các cọc được bố trí bên dưới móng công trình

* Cọc đơn bố trí theo dạng lưới ô vuông hoặc tam giác:

Các tính toán ổn định được thực hiện với một giá trị trọng lượng của độ bền cắt Nếu hệ số an toàn dẫn đến phá hoại của khối đắp trên nền không được gia cố (bao gồm các dải tải trọng nếu có) nằm trong khoảng giá trị 1,2 > Fs > 1,0 (theo phương pháp mặt trượt trụ tròn Fellenius) hoặc độ dốc của mặt đất lớn hơn 1:7 thì các cọc có thể bố trí mạng lưới ô vuông hay chữ nhật

* Cọc bố trí theo kiểu dầm, khung hoặc khối:

Khi hệ số an toàn dẫn đến phá hoại (khối đắp không gia cố) thấp hơn 1,0 và do đó không có chỗ cho các dải chất tải thì các cọc trong vùng chịu cắt cần được bố trí trong các dầm hoặc khung

Việc bố trí các cọc trong các hàng, lưới hoặc khối là để đảm bảo sự liên kết tốt hơn giữa các cọc và đất yếu Khoảng cách giữa các hàng được điều chỉnh sao cho đảm bảo được liên kết giữa các hàng và đất yếu và để ngăn ngừa lún không đều trong kết cấu bên dưới Một số hình vẽ minh họa các kiểu bố trí cọc đất gia cố xi măng:

Hình 1.13: Bố trí trụ trộn khô: 1-Kiểu dải; 2-Kiểu nhóm; 3-Kiểu lưới tam giác;

4-Kiểu lưới vuông

Hình 1.14: Bố trí trụ trùng nhau theo khối

Hình 1.15: Bố trí trụ trộn ướt trên mặt đất:

1-Kiểu tường; 2-Kiểu kẻ ô; 3-Kiểu khối; 4-Kiểu diện

Hình 1.16: Bố trí trụ trộn ướt trên biển: 1-Kiểu khối; 2-Kiểu tường; 3-Kiểu kẻ ô; 4-Kiểu cột; 5-Cột tiếp xúc; 6-Tường tiếp xúc; 7-Kẻ ô tiếp xúc; 8-Khối tiếp xúc

Hình1.17: Bố trí trụ trùng nhau trộn ướt, thứ tự thi công

1.4.3.2 Công nghệ thi công

Hiện nay phổ biến hai công nghệ thi công cọc đất gia cố xi măng là: Công nghệ trộn khô (Dry Jet Mixing) và Công nghệ trộn ướt (Wet Mixing hay còn gọi là Jet-grouting)

Hình 1.18: Phân loại chung các thiết bị trộn sâu [19]

a/ Công nghệ trộn khô (Dry Mixing): Công nghệ này sử dụng cần khoan có gắn

các cánh cắt đất, chúng cắt đất sau đó trộn đất với vữa xi măng bơm theo trục khoan (khí nén sẽ đưa xi măng vào đất)

Guång xo¾n th¸o rêi

Mét cÇn, mét c¸nh/

Quay trong mỈt ph¼ng + tÞnh tiÕn theo tuyÕn

ChØ tÞnh tiÕn theo tuyÕn

Mét cÇn, c¸nh Gia cè khèi lín

M¸y ®μo

* Quy trình thi công trộn khô gồm các bước sau:

- Bước 1: Định vị thiết bị trộn

- Bước 2: Xuyên đầu trộn xuống độ sâu thiết kế đồng thời phá tơi đất

- Bước 3: Rút đầu trộn lên, đồng thời phun xi măng vào đất

- Bước 4: Đầu trộn quay và trộn đều xi măng với đất

- Bước 5: Kết thúc thi công

Hình 1.19: Sơ đồ thi công trộn khô [19]

Bảng 1.3: So sánh công nghệ trộn Bắc Âu và Nhật Bản [19]

Đường kính 0.4 m đến 1.0 m 0.8 m đến 1.3 m

Vị trí lỗ phun Đáy trục trộn Đáy trục và/hoặc trên cánh

cắt (một lỗ hoặc nhiều lỗ)

Đầu trộn

Áp lực phun 400 kPa ÷ 800 kPa Tối đa 300 kPa

Truyền liệu Công suất 50 kg/ph÷300 kg/ph 50 kg/ph÷200 kg/ph

Bảng 1.4: Đặc tính kỹ thuật công nghệ trộn của Bắc Âu và Nhật Bản [19]

Vận tốc xuyên xuống 2.0 m/ph ÷ 6.0 m/ph 1.0 m/ph ÷ 2.0 m/ph

Vận tốc rút lên 1.5 m/ph ÷ 6.0 m/ph 0.7 m/ph ÷ 0.9 m/ph

Tốc độ quay của cánh trộn 100 vòng/ph ÷ 200

Số lượng vòng quay cánh(1) 150 ÷ 500 cho mỗi m ≥ 274 cho mỗi m

Khối lượng xi măng phun 100 kg/m3 ÷250 kg/m3 100 kg/m3 ÷300 kg/m3

Tốc độ rút ( xuyên) 10mm/vòng÷30mm/vòng 10mm/vòng÷35mm/vòng

Pha phun xi măng Điển hình trong khi rút lên Xuyên xuống và/hoặc rút lên (1) Sè l−ỵng vßng quay c¸nh lμ tỉng sè nh¸t c¾t ®i qua 1 m cđa chuyĨn dÞch trơc trén tÝnh theo c«ng thøc T =

* Ưu điểm của công nghệ trộn khô: Thiết bị thi công đơn giản; Hàm lượng xi măng

sử dụng ít hơn; Quy trình kiểm soát chất lượng đơn giản hơn công nghệ trộn ướt

chế trong đất có lẫn rác, đất sét, cuội đá, hoặc khi cần xuyên qua các lớp đất cứng hoặc tấm bê tông; Không thi công được nếu phần xử lý ngập trong nước Chiều sâu xử lý trong khoảng 15 ÷ 20m

b/ Công nghệ trộn ướt (Wet Mixing): Phương pháp này dựa vào nguyên lý cắt

nham thạch bằng dòng nước áp lực Khi thi công, trước hết dùng máy khoan để đưa ống bơm có vòi phun bằng hợp kim vào tới độ sâu phải gia cố (nước+XM) với áp lực khoảng 20 Mpa từ vòi bơm phun xả phá vỡ tầng đất Với lực xung kích của dòng phun và lực li tâm, trọng lực… sẽ trộn lẫn dung dịch vữa, rồi sẽ được sắp xếp lại theo một tỉ lệ có qui luật giữa

đất và vữa theo khối lượng hạt Sau khi vữa cứng lại sẽ thành cọc đất gia cố xi măng

Hình 1.20: Sơ đồ thi công trộn ướt [19]

Trộn ướt dùng vữa xi măng Khi cần có thể cho thêm chất độn ( cát và phụ gia) Khối lượng vữa thay đổi được theo chiều sâu Khi chế tạo trụ trong đất rời dùng khoan guồng xoắn liên tục có cánh trộn và cánh cắt hình dạng khác nhau, có đủ công suất để phá kết cấu đất và trộn đều vữa Cường độ và tính thấm phụ thuộc vào thành phần và đặc tính của đất (hàm lượng hạt mịn, hàm lượng hữu cơ, loại sét, thành phần hạt…), khối lượng và chủng loại vữa và quy trình trộn Có thể ngưng trộn khi vữa chưa bắt đầu đông cứng, khởi động trộn lại tại độ sâu ít nhất 0.5 m trong đất đã xử lý Bơm để chuyển vữa đến lỗ phun cần phải có đủ công suất (tốc độ truyền và áp lực) để truyền lượng vữa thiết kế an toàn

Bảng 1.5: Công nghệ trộn ướt châu Âu và Nhật Bản [19]

Thiết bị Chi tiết Châu Âu, trên cạn Nhật Bản, trên cạn Nhật Bản, trên biển

Đường kính (m) 0.4 - 0.9 1.0 - 1.3 1.0 - 1.6 Chiều sâu tối đa 25 m 48 m 70 m từ mặt nước

Vị trí lỗ phun Cần khoan Cần và cánh Cần và cánh

Bảng 1.6: Đặc tính kỹ thuật công nghệ trộn ướt châu Âu và Nhật Bản [19]

Thiết bị Châu Âu,

trên cạn

Nhật Bản, trên cạn

Nhật Bản, trên biển

Tốc độ quay cánh trộn (vòng/ph) 25 ÷ 50 20 ÷ 40 20 ÷ 60

Số lượng vòng quay cánh Chủ yếu là

guồng xoắn 350 cho mỗi m 350 cho mỗi mKhối lượng vữa phun( kg/m3) 80 ÷ 450 70 ÷ 300 70 ÷ 300

và/hoặc pha lên và/hoặc pha lên Pha xuống và/hoặc pha lênPha xuống

* Ưu điểm của công nghệ Jet–grouting: Phạm vi áp dụng rộng, khi cần xuyên qua

lớp đất cứng hoặc tấm bê tông cũng có thể làm được; Thi công được trong nước Phạm vi xử lý đến 50m

* Nhược điểm của công nghệ Jet – grouting: Hàm lượng xi măng sử dụng nhiều hơn

trộn khô do có xi măng đi theo dòng trào ngược, thiết bị thi công phức tạp, đòi hỏi người vận hành phải thành thạo

Hiện nay trên thế giới đã phát triển ba công nghệ Jet-grouting: đầu tiên là công nghệ S, tiếp theo là công nghệ T, và gần đây là công nghệ D

+ Công nghệ đơn pha S: Công nghệ đơn pha tạo ra các cọc đất gia cố măng có đường kính

vừa và nhỏ 0,4 – 0,8 Công nghệ này chủ yếu dùng để thi công nền đất đắp, cọc…

+ Công nghệ hai pha D: Công nghệ hai pha tạo ra các cọc đất gia cố xi măng có đường kính

từ 0,8 – 1,2m Công nghệ này chủ yếu dùng để thi công các tường chắn, cọc và hào chống thấm

+ Công nghệ ba pha T: Phụt ba pha là phương pháp thay thế đất mà không xáo trộn đất

Công nghệ T sử dụng để làm các cọc, các tường ngăn chống thấm, có thể tạo ra cột Soilcrete đường kính đến 3m

1.4.3.3 Trình tự thi công cọc đất gia cố xi măng (DSMC) [21]

Thi công cải tạo nền đất yếu bằng cọc đất gia cố xi măng 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 1.21: Mô hình hóa trình tự thi công DSMC 1.4.3.4 Quản lý chất lượng trong quá trình thi công xét về điều kiện trộn [21]

_ Số lượng trục trộn

_ Các lưỡi trộn

_ Tốc độ lúc đưa xuống/đưa lên

_ Mức độ trộn (Số vòng quay của lưỡi)

1.4.3.5 Phản ứng hóa học và các kết quả thử nghiệm trong phòng thí nghiệm [21]

1.4.3.6 Quy trình kiểm soát chất lượng cho DSMC [21]

Phương pháp trộn sâu có nhiều điểm chưa chắc chắn như : Các thuộc tính của đất (Wn, WL, Wp, pH); Các địa tầng; Mức độ trộn và điều kiện bão dưỡng (xử lý)

Hình 1.24: Sơ đồ quy trình kiểm soát chất lượng DSMC 1.4.4 Nguyên lý thiết kế chung của công nghệ trộn sâu [19]

Trộn sâu là quá trình cải thiện đất nền nên thiết kế gồm hai khía cạnh riêng biệt: a) Thiết kế chức năng mô tả cách thức tương tác lẫn nhau giữa đất xử lý và đất tự nhiên để tạo nên ứng xử chung cần thiết;

b) Thiết kế công nghệ mô tả cách thức đạt được các đặc tính kỹ thuật yêu cầu của đất xử lý bằng cách chỉnh lý các thông số kiểm soát công nghệ

Sơ đồ thiết kế

THIẾT KẾ: cường độ thiết kế

THI CÔNG

KẾT THÚC

Thử nghiệm trong phòng TN

Quản lý chất lượng trong Thi công

Sự kiểm nghiệm chất lượng

(1) Loại Xi măng (2) Hàm lượng xi măng (3) Tỷ lệ Nước / Ximăng

(1) Cách trộn (2) Kiểm tra hàm lượng Xi măng

(1) Kiểm tra lỗ khoan (2) Kiểm tra đầu cọc

Xi măng + Nước

Đất được gia cố

Sản phẩm Hydat hóa + Khoáng sét

Hợp chất được tạo ra bởi phản ứng của sản phẩm hyđrat hóa,khoáng sét ngầm

Hình 1.22: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CỦA SỰ ỔN ĐỊNH

A

Hình 1.23: SƠ ĐỒ VỀ MỐI QUAN HỆ GIỮA LƯỢNGXI MĂNG THÊM VÀO VÀ CƯỜNG ĐỘ

* aw: Hàm lượng XM thêm vào

* Thử nghiệm trộn trong phòng TN

= Trọng lượng của Ximăng

Trọng lượng khô của đất

B

C

Đất xử lý trộn sâu được thiết kế sao cho công trình xây dựng đạt các yêu cầu về tính khả thi, kinh tế và lâu dài, chịu được các tác động và ảnh hưởng trong quá trình thi công và sử dụng, tức là thỏa mãn các điều kiện về trạng thái giới hạn cực hạn, và trạng thái giới hạn sử dụng

Thiết kế thường theo phương pháp lặp, trong đó kết quả của nhiều phương pháp thí nghiệm kiểm tra là một phần quan trọng Hình 1.17 giới thiệu sơ đồ thiết kế lặp các dự án trộn sâu

Hình 1.25: Quy trình thiết kế lặp, gồm thí nghiệm trong phòng, thiết kế chức

năng, thử hiện trường và thiết kế công nghệ

Thiết kế sơ bộ dựa trên kết quả thí nghiệm mẫu trộn trong phòng Tương quan cường độ nén không hạn chế nở hông giữa mẫu thân trụ hiện trường và mẫu trộn trong phòng có thể chọn theo kinh nghiệm từ 0.2 đến 0.5 tùy theo loại đất và tỷ lệ trộn Nếu kết quả thí nghiệm hiện trường không đáp ứng yêu cầu thì phải điều chỉnh thiết kế công nghệ và khi cần thiết điều chỉnh cả thiết kế chức năng

Xác lập các điều kiện thiết kế

Thí nghiệm trong phòng với đất đại diện và theo tỷ lệ trộn khác nhau

Xác lập cường độ thiết

Cơ sở dữ liệu về tương quan giữa cường độ trong phòng và hiện trường

Đề xuất giải pháp thi công và sơ bộ xác định kích thước khối gia cố

Phân tích thiết kế để đáp ứng các yêu cầu chức năng tổng thể

Điều chỉnh tính năng trộn nếu

cường độ và độ đồng nhất chưa

Kết quả khảo

sát hiện trường

Chế tạo trụ thử để xác nhận cường độ dự tính và độ đồng

Thiết kế kỹ thuật thi công, thi công đại trà theo quy trình đã đảm bảo chất lượng yêu cầu

1.4.5 Các giả thiết tính toán và phương hướng thiết kế cho cọc đất gia cố xi măng 1.4.5.1 Các giả thiết tính toán

_ Việc tính toán thiết kế được giả thiết thực hiện cho tổ hợp bất lợi nhất của tác động tải trọng và khả năng chịu tải có thể xảy ra trong quá trình thi công và khai thác sử dụng

_ Các mô hình tính toán giả thiết sự tương tác giữa các cọc và đất không được gia cố Sự tương tác này có ý nghĩa là tại bất kỳ đoạn nào của cọc đất đã được gia cố thì biến dạng cắt cần phải nhỏ hơn giá trị giới hạn và trong cả hai loại đất và cọc xảy ra các biến dạng và nén như nhau

_ Sự tương tác hoàn toàn giữa các cọc và đất không được gia cố ở giữa các cọc được giả thiết xảy ra khi không có chuyển dịch trong đất tự nhiên nơi xây dựng công trình

_ Tải trọng trên một bề mặt được gia cố bằng các cọc đất gia cố xi măng được hệ thống nền cọc mang tải một phần, còn lại một phần do phần đất không được gia cố nằm trong các cọc Mô đun chịu nén của các cọc đất gia cố xi măng cao hơn đáng kể so với phần đất không được gia cố Do đó, độ lún do tải trọng của một bề mặt được gia cố cần nhỏ hơn của một bề mặt không được gia cố

1.4.5.2 Phương hướng thiết kế [19]

a/ Ổn định

a1) Cường độ kháng cắt của nền gia cố

Thường trụ xử lý được dùng để ổn định mái dốc, khối đắp hoặc tường hào Mặt phá hoại theo mặt phẳng hoặc cung tròn, huy động sức kháng cắt của trụ và đất xung quanh trụ Phân tích ổn định dựa theo các phương pháp hiện hành (xem BS 8006:1995) Nền xử lý có cường độ kháng cắt tính theo công thức:

Ctb = Cu (1- a) + a Cc (1-21) Trong đó:

+ Cu là sức kháng cắt của đất, tính theo phương pháp trọng số cho nền nhiều lớp; +

Cc là sức kháng cắt của trụ; + a là tỷ số diện tích a = n.(Ac / Bs); + n là số trụ trong 1 m chiều dài khối đắp; Bs là chiều rộng khối đắp;

+ Ac là diện tích tiết diện trụ

Ghi chú: Sức kháng cắt của trụ, C c xác định bằng các thí nghiệm hiện trường, hoặc mẫu lấy từ thân trụ cho kết quả phù hợp thực tế hơn

a2) Ảnh hưởng của vị trí trụ dọc theo mặt trượt khả dĩ

Trong trường hợp dùng các trụ đơn lẻ để chống mất ổn định cần lưu tâm đến nguy cơ phá hoại uốn của trụ Ứng xử của trụ khác nhau trong vùng chủ động, vùng chịu cắt và vùng bị động ( xem hình B.5) Trong vùng chủ động lực dọc trục của trụ sẽ góp phần làm tăng sức kháng cắt và kháng uốn trong khi đó tại vùng bị động các trụ thậm chí bị nứt do chịu kéo Do đó các trụ trong vùng chủ động có lợi tăng điều kiện ổn định Trong vùng cắt và bị động bố trí trụ thành tường hoặc thành khối sẽ hiệu quả hơn bố trí các trụ đơn lẻ để ngăn phá hoại trượt

Hình 1.26: Lực dọc trục của trụ trong vùng chủ động tăng sức kháng cắt và kháng

uốn , trong vùng bị động trụ có thể bị nứt khi chịu kéo

1 – Vùng bị động; 2 – Vùng cắt, 3 – Vùng chủ động

a3) Gối lên nhau

Trụ tăng ổn định thường được bố trí hàng đơn hoặc hàng đôi Gối đè nhau các trụ trong hàng sẽ tăng sức kháng mô men và lật Vùng gối nhau phải đủ để tạo thành tường liên tục Điều quan trọng là khống chế và giám sát độ gối thẳng đứng suốt chiều dài các trụ Khả năng chịu tải trọng ngang của tường quyết định bởi sức kháng cắt của đất xử lý ở chỗ gối nhau

a4) Phân cách các trụ

Phá hoại xảy ra ở vùng chịu cắt do phân cách các trụ trong hàng khi mặt trượt nằm gần đỉnh trụ và sức kháng kéo thấp trong vùng gối nhau Dự tính sức kháng kéo của đất xử lý ở vùng gối nhau khoảng 5% đến 15% cường độ kháng nén không hạn chế nở hông (có thể thấp hơn hoặc cao hơn tùy theo chất lượng và hiệu quả trộn sâu) Khi các trụ phân cách với nhau, sức kháng cắt của trụ trong hàng bằng sức kháng cắt của trụ đơn

a5) Xử lý toàn khối

Do tính chất của đất nền xử lý khác xa nền chưa xử lý, có thể xem khối xử lý được chôn trong đất để truyền tải trọng tác dụng đến lớp thích hợp (Kitazume, 1996)

Bước đầu tiên gồm phân tích ổn định công trình bên trên làm việc đồng thời với nền xử lý Bước thứ hai gồm phân tích ổn định của nền xử lý chịu tác động của ngoại tải: phá hoại

trượt, lật, mất khả năng chịu tải Bước thứ ba, kiểm tra độ lún của nền Có thể dùng phương pháp PTHH để phân tích ứng suất và biến dạng của nền xử lý phức tạp, số liệu đầu vào chiếm vai trò quan trọng

b/ Độ lún

b1) Độ lún toàn phần

Trụ để giảm độ lún thường được bố trí theo lưới tam giác hoặc ô vuông Phân tích lún dựa trên quan điểm đồng biến dạng- nói cách khác, cho rằng hiệu ứng vòm phân bố lại tải trọng sao cho biến dạng thẳng đứng tại độ sâu nhất định trở thành bằng nhau trong trụ và đất quanh trụ

Đối với nhóm trụ, độ lún trung bình sẽ được giảm bởi ứng suất cắt của đất, huy động tại bề mặt tiếp xúc theo chu vi khối với đất xung quanh Chỉ chuyển dịch khá nhỏ ( vài mm ) đủ để huy động sức kháng cắt của đất Ứng suất cắt gây nên độ lún lệch các trụ trong nhóm Độ lún lệch này sẽ giảm dần theo mức độ cố kết của đất, cho nên sẽ không kể đến trong tính lún tổng

b2) Tốc độ lún

Trong trộn khô, có thể tính thấm của trụ cao hơn đất xung quanh, trụ có tác dụng như băng thoát nước thẳng đứng Tuy nhiên, tốc độ lún không chỉ quyết định bởi hiệu ứng thoát nước Khi trụ gia cố và đất sét yếu xung quanh cùng làm việc, hiện tượng nổi trội chính là sự phân bố ứng suất trong hệ thống trụ-đất theo thời gian Ngay khi tác động, tải trọng được chịu bởi áp lực nước lỗ rỗng dư Trụ tăng độ cứng theo thời gian, sẽ chịu dần tải trọng, giảm bớt tải trọng lên đất Hệ quả là áp lực nước lỗ rỗng dư trong đất yếu sẽ được giảm nhanh, thậm chí chưa có thấm hướng tâm Phân bố lại ứng suất là nguyên nhân chính để giảm độ lún và tăng tốc độ lún Do đó, cho dù tính thấm của trụ chỉ bằng của đất thì quá trình cố kết cũng nhanh hơn nhờ hiện diện của các trụ Trụ đất xi măng đã làm tăng hệ số cố kết một chiều

Trong trộn ướt, tính thấm của trụ không cao hơn nền đất xung quanh Nhưng nhờ phân bố lại ứng suất mà quá trình cố kết một chiều xảy ra nhanh hơn

c/ Tường vây

Tường vây tạo bởi các trụ gối đè nhau không cho nước rò rỉ qua tường Quan trọng là độ đồng nhất và phòng rò rỉ Thường dùng thêm vữa sét để tăng sức chống rò rỉ Nếu thiết kế tường ngăn ô nhiễm phải kiểm tra phản ứng của chất nhiễm bẩn với đất xử lý, đặc biệt khi chúng có tính a xít cao

d/ Tính toán nền gia cố theo biến dạng

Độ lún tổng (S) của nền gia cố được xác định bằng tổng độ lún của bản thân khối gia cố và độ lún của đất dưới khối gia cố:

S = S1 + S2 (1-22) trong đó: S1 - độ lún bản thân khối gia cố

S2 - độ lún của đất chưa gia cố, dưới mũi trụ Độ lún của bản thân khối gia cố được tính theo công thức:

s c

qH E

qH S

)1(

q - tải trọng công trình truyền lên khối gia cố (kN);

H - chiều sâu của khối gia cố (m)

a - tỷ số diện tích, a = (nAc / BL), n- tổng số trụ, Ac diện tích tiết diện trụ, B, L kích thước khối gia cố;

-Ec- Mô đun đàn hồi của vật liệu trụ; Có thể lấy Ec = (50÷100) Cc trong đó Cc là sức kháng cắt của vật liệu trụ

Es - Mô đun biến dạng của đất nền giữa các trụ (Có thể lấy theo công thức thực nghiệm Es = 250Cu, với Cu là sức kháng cắt không thoát nước của đất nền)

Ghi chú: Các thông số E c , C c , E s , C u xác định từ kết quả thí nghiệm mẫu hiện trường cho kết quả phù hợp thực tế hơn

1.4.6 Thí nghiệm cho cọc đất gia cố xi măng

1.4.6.1 Phần chung

Phương pháp thí nghiệm phải thích hợp với mục đích ứng dụng Nếu để giảm độ lún, mô đun biến dạng là thông số cần quan tâm chính, còn trong ổn định và chống trượt thì thông số cường độ lại là chủ yếu Để ngăn ngừa vùng ô nhiễm thì tính thấm lại được xét đến đầu tiên

1.4.6.2 Thí nghiệm trong phòng

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

a/ Maóu cheỏ taùo trong phoứng

Heọ soỏ hieọu chổnh giửừa cửụứng ủoọ maóu trong phoứng vaứ hieọn trửụứng xaực ủũnh qua keỏt quaỷ thớ nghieọm vaứ kinh nghieọm thửùc teỏ Thớ nghieọm maóu troọn khoõ thửụứng sau khi troọn 3, 7,

14, 28 vaứ 90 ngaứy Maóu troọn ửụựt thớ nghieọm sau 3,7, 14 vaứ 28 ngaứy

b/ Laỏy maóu hieọn trửụứng

Maóu ủửụùc laỏy nhụứ thieỏt bũ khoan xoay Lửùa choùn kyừ thuaọt laỏy maóu, ủửụứng kớnh maóu phuù thuoọc vaứo loaùi vaứ cửụứng ủoọ cuỷa ủaỏt xửỷ lyự Soỏ lửụùng maóu phuù thuoọc quy moõ hoaởc ủoọ phửực taùp cuỷa dửù aựn Ít nhaỏt caàn khoan laỏy maóu 3 hoỏ cho moọt loaùi maựy troọn Chieàu saõu khoan ủeỏn muừi truù xửỷ lyự

ẹaởc trửng cửụứng ủoọ vaứ moõ ủun ủaứn hoài Ecol cuỷa maóu thửụứng ủửụùc xaực ủũnh tửứ keỏt quaỷ thớ nghieọm neựn khoõng haùn cheỏ nụỷ hoõng Tuy nhieõn keỏt quaỷ thớ nghieọm chũu aỷnh hửụỷng cuỷa caực khe nửựt trong maóu Neỏu thaỏy maóu bũ raùn nửựt thỡ neõn thớ nghieọm neựn 3 truùc

c/ Laỏy maóu ửụựt

Duùng cuù laỏy maóu ửụựt duứng ụỷ chaõu AÂu Maóu ủửụùc laỏy khi vửứa thi coõng xong truù troọn ửụựt, thửụứng 500m3 ủaỏt xửỷ lyự laỏy 1 maóu hoaởc moọt ngaứy thi coõng cuỷa 1 maựy laỏy 1 maóu ẹửa thieỏt bũ xuoỏng ủoọ saõu caàn laỏy maóu, thieỏt bũ tửù ủoọng ngoaùm laỏy maóu, ủửa leõn maởt ủaỏt vaứ cho vaứo khuoõn hỡnh truù hoaởc laọp phửụng Thớ nghieọm maóu sau khi baỷo dửụừng trong nhieọt ủoọ quy ủũnh So saựnh maóu baỷo dửụừng taùi hieọn trửụứng vaứ maóu laỏy ửụựt cho bieỏt sửù khaực nhau cuỷa

cửụứng ủoọ vaứ taờng trửụỷng cửụứng ủoọ

1.4.6.3 Thớ nghieọm hieọn trửụứng

a/ Thớ nghieọm truù thửỷ

ẹeồ khaỷo saựt ủoọ ủoàng nhaỏt cuỷa truù thửỷ caực daùng xuyeõn hoaởc khoan laỏy maóu nhử ủaừ noựi trong phaàn treõn ủửụùc aựp duùng, ủoõi khi coứn caột nguyeõn caỷ truù ẹoỏi vụựi moọt thieỏt bũ troọn, neõn thi coõng khoõng ớt hụn hai truù thửỷ vụựi haứm lửụùng chaỏt keỏt dớnh khaực nhau Moọt khớa caùnh quan troùng cuỷa thớ nghieọm hieọn trửụứng ủoự laứ xaực ủũnh caực thoõng soỏ kieồm soaựt cho thi coõng goàm vaọn toỏc pha xuyeõn xuoỏng, ruựt leõn, toỏc ủoọ quay vaứ moõ men xuaộn, toỏc ủoọ truyeàn lieọu v.v

b/ Xaực ủũnh trửùc tieỏp ủaởc trửng cụ hoùc

Thí nghiệm nén ngang thμnh hố khoan (pressuremeter test) cho phép xác định cường độ kháng cắt vμ hệ số nén của trụ Thí nghiệm cần phải khoan trước hố trong thân trụ vμ lắp đặt thiết bị nén ngang thμnh hố khoan Phương pháp thí nghiệm xem các chỉ dẫn hiện hμnh (TCXDVN 112:1984)

Thí nghiệm nén tĩnh trụ đơn để xác định sức chịu tải của trụ thực hiện theo tiêu chuẩn TCXDVN 269: 2002 Kết quả thí nghiệm cho biết sức chịu tải cực hạn của trụ đơn ứng với độ lún bằng 10% đường kính trụ

Thí nghiệm bμn nén hiện trường theo TCXDVN 80 : 2002 Kích thước bμn nén có thể

mở rộng đến 2 lần đường kính trụ

Thí nghiệm chất tải diện rộng tiến hμnh cùng quan trắc độ lún sâu, độ lún bề mặt, áp lực nước lỗ rỗng phản ánh khá chính xác ứng xử của nền đất xử lý nên được dùng cho các công trình có quy mô lớn Quy trình thí nghiệm do thiết kế quy định

c/ Khaỷo saựt ủoọ ủoàng nhaỏt vaứ xaực ủũnh giaựn tieỏp caực ủaởc trửng cụ hoùc

Thớ nghieọm CPT, ủaùi dieọn laứ xuyeõn coõn thoõng duùng, duứng ủeồ xaực ủũnh caực thoõng soỏ cửụứng ủoọ vaứ ủoọ lieõn tuùc cuỷa truù Khoự khaờn khi thửùc hieọn thớ nghieọm CPT laứ giửừ ủoọ thaỳng ủửựng vỡ theỏ khoỏi lửụùng thớ nghieọm bũ giụựi haùn

Thớ nghieọm xuyeõn truù ( xem hỡnh B.2) duứng ủaàu xuyeõn caựnh caỷi tieỏn coự caựnh xuyeõn vụựi vaọn toỏc khoaỷng 20 mm/s, ghi lieõn tuùc sửực khaựng xuyeõn Phửụng phaựp duứng cho caực truù saõu khoõng quaự 8 m, cửụứng ủoọ khoõng quaự 300 kPa Neỏu duứng khoan daón hửụựng coự theồ thớ nghieọm xuyeõn ủeỏn ủoọ saõu 20 m, cửụứng ủoọ 600 kPa Trong boọ thieỏt bũ cuỷa Thuùy ẹieồn coứn coự xuyeõn caựnh ngửụùc, ủaàu caựnh xuyeõn ủửụùc ủaởt trửụực trong khi cheỏ bũ truù, keồ caỷ daõy keựo Toỏc ủoọ keựo xuyeõn tửụng tửù nhử aỏn xuyeõn Khoỏi lửụùng thớ nghieọm theo quy moõ xaõy dửùng tham khaỷo baỷng 1.7

Baỷng 1.7: Khoỏi lửụùng thớ nghieọm dửù kieỏn

Thớ nghieọm\ Quy moõ ≤100 truù ≤500 truù ≤1000 truù ≤ 2000 truù

Hỡnh 1.27: ẹaàu xuyeõn caựnh duứng thớ nghieọm xuyeõn toaứn truù