Phân tích giải pháp xử lý nền đất yếu bằng công nghệ cột đất gia cố xi măng ở sân bay cần thơ

Bên cạnh đó việc tận dụng khả năng làm việc của bản thân đất nền là một hướng đi đúng đắn đối với những công trình có tải trọng phân bố đều trên diện rộng, do đó cần nghiên cứu giải pháp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

-š&› -

TƠN THẤT ANH HUY

PHÂN TÍCH GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CÔNG NGHỆ CỘT ĐẤT GIA CỐ XIMĂNG

Ở SÂN BAY CẦN THƠ

MÃ SỐ NGÀNH : 31.10.02

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Thành phố Hồ Chí Minh, 6/2008

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

PHỤ LỤC 2 TÍNH TOÁN ĐỘ LÚN CÔNG TRÌNH

PHỤ LỤC 1 SỐ LIỆU KẾT QUẢ XUYÊN CẮT THUẬN

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, phòng đào tạo Sau Đại học đã tận tình, giúp đỡ em trong suốt những năm học cao học và hoàn thành luận văn này Kiến thức được học trường đã giúp em rất nhiều trong công việc sau này

Em vô cùng cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Địa cơ Nền móng - Khoa Kỹ thuật Xây dựng: TS Võ Phán, TS Bùi Trường Sơn, PGS TS Châu Ngọc Ẩn, GS TS Nguyễn Văn Thơ, TS Trần Xuân Thọ, TS Lê Bá Vinh đã không quản ngại khó khăn, vất vả, tận tình truyền đạt cho em những kiến thức

cơ sở về ngành Địa kỹ thuật Xây dựng

Em xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến thầy TS Võ Phán, đã trực tiếp hướng dẫn và cho em những ý kiến chỉ đạo sâu sắc để em hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp này Thầy đã hết lòng giúp đỡ, chỉ bảo và tạo mọi điều kiện thuận lợi để em hoàn thành luận văn đúng thời hạn

Tôi chân thành cảm ơn sự quan tâm, động viên, giúp đỡ của các bạn trong khóa Cao học trong thời gian học và thực hiện luận văn Thạc sĩ này

Kính chúc sức khỏe đến quý thầy cô

là một giải pháp tối ưu cần được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi

Để thực hiện được điều này, trong luận văn này tác giả đã tập trung nghiên cứu và phân tích những vấn đề sau:

- Nghiên cứu tổng quan các giải pháp gia cố nền đất yếu hiện nay

- Trình bày cơ sở lý thuyết của giải pháp xử lý bằng cột đất ximăng

- Nghiên cứu tương quan giữa các chỉ tiêu cơ lý của đất theo kết quả thí nghiệm trong phòng và kết quả thí nghiệm thi công thực tế ở hiện trường để xác định tính chất cơ học của cột đất ximăng tùy theo tỉ lệ trộn giữa ximăng và đất

- Nghiên cứu tương quan giữa thí nghiệm xuyên cắt thuận và khả năng chịu tải của cột đất ximăng thi công thực tế tại hiện trường Từ đó đưa ra những kiến nghị cho công tác kiểm tra, đánh giá chất lượng cột đất gia cố trong quá trình thi công

- Ứng dụng vào thiết kế và tính toán nền móng tại sân bay Cần Thơ

Topic name

Analysis of weak soil foundation treatment method by the deep soil

mixing column technology in Can Tho airfield

Summary

Rehabilitation of Can Tho airfield to international airfield is considered one of national main point projects in the economical – social development planning, state 2010 – 2020 However, Can Tho airfield is located on weak soil foundation of the Cuu Long delta Therefore, to ensure the effetely using of the special grade airfield, needs to have a reasonable and economical geological solution With the specific advantage in weak soil foundation treatment, the deep soil mixing column is considered a most optimal solution needs to search and apply

To execute above matter, in this topic (composition), the author has researched and analyzed some matter as follows:

- Overall research of solutions of weak soil foundation treatment solution as present

- Present the basic theory of the deep soil mixing column (DSMC) solution

- Research the correlation of mechanical – physical property between laboratory test and site test to define mechanical property of the deep soil mixing column depending on cement – soil mixing ratio

- Research the correlation of shear strength test result and bearing capacity

of the deep soil mixing column at site Since then to give out proposals for supervision, evaluation quality of deep soil mixing column during the construction

- Apply the research to foundation designation and calculation in Can Tho airfield

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài: 1

2 Mục đích nghiên cứu đề tài: 2

3 Phương pháp nghiên cứu: 3

4 Ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tài: 3

5 Phạm vi nghiên cứu của luận văn: 4

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ ĐẶC TÍNH ĐẤT YẾU VÀ CÁC GIẢI PHÁP XỬ LÝ ĐẤT YẾU 5

1.1 Đất yếu ở đồng bằng sông Cửu Long nói chung và khu vực sân bay Cần Thơ nói riêng: 5

1.2 Sơ lược các giải pháp xử lý đất yếu: 7

1.2.1 Đệm vật liệu rời (đệm cát, đá, sỏi): 7

1.2.2 Giếng cát: 8

1.2.3 Bấc thấm: 10

1.2.4 Gia tải trước bằng phương pháp hút chân không: 12

1.2.5 Cột đất ximăng: 12

1.3 Nhận xét và kết luận: 14

Chương 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN BẰNG CỘT ĐẤT XIMĂNG 16

2.1 Giới thiệu chung về công nghệ cột đất ximăng: 16

2.1.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng trên thế giới: 16

2.1.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng trong nước: 16

2.2 Tóm tắt về phương pháp cột đất ximăng: 17

2.3 Phương pháp thi công: 19

2.3.1 Phương pháp khô: 19

2.3.2 Phương pháp ướt: 20

2.4 Nguyên lý tính toán: 21

2.5 Phương pháp tính toán cho giải pháp cột đất ximăng: 22

2.5.1 Khả năng chịu tải theo đất nền: 22

2.5.2 Khả năng chịu tải theo vật liệu cột: 23

2.5.3 Khả năng chịu tải giới hạn của nhóm cột đất ximăng 26

2.5.3.1 Khả năng chịu tải trọng giới hạn theo cơ chế phá hoại khối: 26

2.5.3.2 Khả năng chịu tải trọng giới hạn theo cơ chế phá hoại cục bộ: 27

2.5.4 Tính toán độ lún công trình: 28

2.5.5 Tính toán độ lún theo thời gian của nền đất: 34

2.6 Nhận xét và kết luận: 35

Chương 3 - NGHIÊN CỨU KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM CỘT ĐẤT XIMĂNG TRONG PHÒNG VÀ HIỆN TRƯỜNG 36

3.1 Mục đích nghiên cứu: 36

3.2 Cơ sở nguyên lý của phương pháp cột đất gia cố ximăng: 37

3.3 Thí nghiệm trong phòng: 38

3.3.1 Công tác thí nghiệm: 39

3.3.2 Thí nghiệm nén 01 trục nở hông tự do mẫu đất gia cố: 40

3.3.2.1 Quan hệ giữa cường độ kháng nén qu với hàm lượng ximăng: 45

3.3.2.2 Quan hệ giữa môđun đàn hồi E50 với hàm lượng ximăng: 46

3.3.3 Thí nghiệm cắt trực tiếp mẫu đất gia cố: 47

3.3.3.1 Quan hệ giữa lực dính C với hàm lượng ximăng: 50

3.3.3.2 Quan hệ giữa góc nội ma sát ϕ ớivàm lượng ximăng: 51

3.3.4 Nhận xét và kiến nghị: 52

3.4 Thí nghiệm hiện trường: 54

3.4.1 Nhổ hoặc đào: 54

3.4.2 Thí nghiệm xuyên cắt thuận: 55

3.4.3 Thử nghiệm nén tĩnh cột đơn: 61

3.5 Nhận xét và kết luận: 65

Chương 4 - ỨNG DỤNG VÀO THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN TẠI SÂN BAY CẦN THƠ 67

4.1 Vị trí địa lý sân bay Cần Thơ: 67

4.2 Hiện trạng địa chất công trình: 67

4.3 Yêu cầu và tiêu chuẩn tính toán nền đắp trên đất yếu: 73

4.4 Số liệu tính toán: 74

4.4.1 Thông số kỹ thuật của máy bay: 74

4.4.2 Kết cấu mặt đường: 75

4.5 Kết quả tính toán: 75

4.5.1 Đặc trưng của cột đất ximăng: 75

4.5.2 Lựa chọn sơ bộ khoảng cách bố trí cột: 76

4.5.3 Kiểm tra khả năng chịu tải theo vật liệu cột: 77

4.5.4 Kiểm tra khả năng chịu tải của đất nền tại cao độ mũi cột: 78

4.5.5 Kết quả kiểm tra độ lún công trình: 78

4.5.6 Tính toán độ lún theo thời gian: 81

4.6 Nhận xét và kết luận: 84

4.7 Phân tích bài toán gia cố nền bằng cột đất ximăng bằng phần mềm Plaxis 3D Tunnel: 85

4.8 Tính toán ổn định nền đường bằng phần mềm Slope/W: 91

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 95

Kết luận: 95

Kiến nghị: 96

TÀI LIỆU THAM KHẢO 97

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài:

Thực hiện quyết định của Thủ tướng Chính phủ số 344/2005/QĐ-TTg ngày 26/12/2005 về phương hướng, nhiệm vụ và kế hoạch phát triển giao thông vận tải vùng đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) đến năm 2010 và Nghị quyết

số 21/NQ-BCT ngày 20/01/2003 của Bộ Chính trị có nêu rõ: “Xây dựng Thành phố Cần Thơ thành Thành phố loại I trực thuộc Trung ương”

Trong thời gian vừa qua Thành phố Cần Thơ và miền Tây Nam Bộ đã có những bước tiến vượt bậc trong phát triển kinh tế xã hội, chiếm tỷ trọng lớn trong nền kinh tế quốc dân Thành phố Cần Thơ nằm ở vị trí trung tâm của các tỉnh miền Tây Nam Bộ, là vựa lúa xuất khẩu và cung cấp phần lớn nguồn hàng xuất khẩu nông, thủy sản của cả nước Điều đó đặt ra một tầm quan trọng đặc biệt trong dịch vụ vận chuyển hàng không và là điều không thể thiếu được trong mọi hoạt động kinh tế, du lịch, thương mại thời mở cửa

Vì vậy, việc triển khai nâng cấp sân bay Cần Thơ thành sân bay quốc tế được xem là một trong những công trình trọng điểm quốc gia nằm trong kế hoạch phát triển kinh tế - xã hội của đất nước giai đoạn 2010 ÷ 2020 Cùng với sự phát triển kinh tế của đất nước, nhu cầu xây dựng và xây dựng hệ thống đường giao thông tại khu vực đồng bằng sông Cửu Long nhằm phục vụ sự nghiệp phát triển kinh tế xã hội, đảm bảo an ninh quốc phòng ngày càng cấp thiết Một số dự án đã được triển khai xây dựng trên nền đất yếu tại các khu vực nói trên đã đạt được nhiều lợi ích cho công cuộc xây dựng và bảo vệ Tổ quốc Tuy nhiên, việc xây dựng công trình trên nền đất yếu đã gặp không ít khó khăn trong công tác xử lý nền đất yếu Trong khi đó một số biện pháp xử lý nền đất yếu truyền thống chưa mang lại hiệu quả như mong muốn

Sân bay Cần Thơ được xây dựng trên vùng đất yếu, do đó sự đòi hỏi tìm kiếm giải pháp nền móng kinh tế là rất cần thiết Các giải pháp thông dụng xử lý nền đất yếu hiện nay như: giếng cát, đệm cát, cọc cát, bấc thấm, bơm hút chân không thường khó kiểm soát được biến dạng lún, độ ổn định công trình và

thời gian thi công kéo dài Bên cạnh đó việc tận dụng khả năng làm việc của bản thân đất nền là một hướng đi đúng đắn đối với những công trình có tải trọng phân

bố đều trên diện rộng, do đó cần nghiên cứu giải pháp thích hợp trong việc xử lý nền đất yếu trong việc thiết kế và thi công sân bay Cần Thơ

2 Mục đích nghiên cứu đề tài:

Khi xây dựng các công trình có quy mô tải trọng lớn, việc lựa chọn giải pháp nền móng thường gặp nhiều khó khăn Khó khăn là ở chỗ chọn giải pháp cọc bê tông cốt thép thì giá thành cao, chọn giải pháp gia cố nền bằng cọc tre và cọc tràm thì cơ sở lý thuyết không rõ ràng, chiều sâu gia cố hạn chế, thi công bằng phương pháp thủ công nên tiến độ chậm, hiệu quả kinh tế không cao Vì vậy, nghiên cứu giải pháp gia cố nền móng thích hợp cho các công trình có quy

mô tải trọng lớn trên nền đất yếu là nhu cầu cấp bách và thiết thực

Một vài năm gần đây, ở một số địa phương đã mạnh dạn áp dụng phương pháp gia cố nền đất yếu bằng cột đất gia cố ximăng Đây là phương pháp mới, tận dụng được nguồn nguyên liệu tại chỗ, phù hợp với điều kiện Việt Nam nên làm giảm giá thành công trình, mang lại hiệu quả kinh tế cao Tuy nhiên, việc áp dụng rộng rãi phương pháp này vẫn còn bị hạn chế, một phần là do chưa xây dựng được cơ sở lý thuyết và thực nghiệm vững chắc Do đó, bài toán đặt ra là phải xây dựng được cơ sở lý thuyết cho phương pháp, tiến hành các nghiên cứu thực nghiệm để kiểm chứng và hoàn thiện công nghệ thi công Công việc này đòi hỏi nhiều thời gian, công sức và kinh phí của nhiều tổ chức, nhiều cá nhân cùng tham gia Có như vậy, giải pháp gia cố nền đất yếu bằng cột đất gia cố ximăng mới có thể được áp dụng rộng rãi trong thực tế xây dựng, mang lại hiệu quả kinh tế cao

Trước những vấn đề đã trình bày ở trên thì đề tài tập trung nghiên cứu giải quyết những vấn đề sau:

- Nghiên cứu tổng quan các giải pháp gia cố nền đất yếu hiện nay

- Trình bày cơ sở lý thuyết của giải pháp xử lý bằng cột đất ximăng

- Nghiên cứu tương quan giữa các chỉ tiêu cơ lý của đất theo kết quả thí nghiệm trong phòng và kết quả thí nghiệm thi công thực tế ở hiện trường

để xác định tính chất cơ học của cột đất ximăng tùy theo tỉ lệ trộn giữa ximăng và đất

- Nghiên cứu tương quan giữa thí nghiệm xuyên cắt thuận và khả năng chịu tải của cột đất ximăng trên số liệu kiểm tra thực tế tại hiện trường, nghiên cứu một số thí nghiệm hiện trường khác (đào và nhổ cột, nén tĩnh cột đơn ) Từ đó đưa ra những kiến nghị khi thiết kế nền móng công trình cũng như công tác kiểm tra khả năng chịu tải của công trình trong quá trình thi công

- Đưa ra kết luận và kiến nghị của tác giả

3 Phương pháp nghiên cứu:

- Nghiên cứu các lý thuyết và phương pháp tính toán sức chịu tải của đất nền trước và sau khi gia cố của các tác giả trong và ngoài nước Trên cơ sở nghiên cứu lý luận về lý thuyết, thí nghiệm, kinh nghiệm thực tế rút ra được những thông số cần thiết nhằm phục vụ cho việc thiết kế công trình

- Ứng dụng giải pháp nghiên cứu vào công trình thực tế thông qua kết quả tính toán và số liệu thí nghiệm thực tế tại hiện trường

- Sử dụng phần mềm (Excel, Plaxis, Geo-Slope ) và một số chương trình tính toán ổn định và biến dạng công trình trước và sau khi có giải pháp gia

cố trên cơ sở quy trình, quy phạm hiện hành của Nhà nước

4 Ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tài:

- Để đáp ứng yêu cầu khai thác cho công trình giao thông cấp đặc biệt, đặc biệt là những công trình chịu tải trọng lớn phân bố đều và đòi hỏi về tiến

độ thi công Với những ưu điểm riêng trong công tác xử lý nền đất yếu, công nghệ cột đất ximăng được xem như là một giải pháp tối ưu cần được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi, đặc biệt cho những khu vực có nền đất yếu

- Trên cơ sở nghiên cứu, đề tài sẽ đưa ra được những số liệu và nhận xét mang tính định hướng cho việc áp dụng tiêu chuẩn thiết kế đường khi sử dụng giải pháp xử lý nền bằng cột đất ximăng và góp phần hoàn thiện hơn

công tác kiểm tra, đánh giá chất lượng công trình thi công thực tế tại hiện trường

5 Phạm vi nghiên cứu của luận văn:

- Do thời gian không cho phép, nên phạm vi nghiên cứu chỉ được xem xét giải pháp tính toán ở phần đường cất hạ cánh mà chưa xem xét ở phần sân

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ ĐẶC TÍNH ĐẤT YẾU VÀ CÁC GIẢI PHÁP

XỬ LÝ ĐẤT YẾU

1.1 Đất yếu ở đồng bằng sông Cửu Long nói chung và khu vực sân bay Cần Thơ nói riêng:

Đồng bằng sông Cửu Long là vùng châu thổ rộng lớn gồm 13 tỉnh, thành

từ Long An đến Cà Mau Phần lớn các công trình đều được xây dựng trên những vùng đất yếu Mức độ đất yếu thay đổi khác nhau tùy thuộc vào cấu tạo địa chất của từng vùng có tầng bùn sét dày hay mỏng

- Đất mềm yếu nói chung là loại đất có:

+ Khả năng chịu tải nhỏ (áp dụng cho đất có cường độ kháng nén quy ước dưới 50 kN/m2)

+ Có tính nén lún lớn, hệ số rỗng lớn (e >1)

+ Có môđun biến dạng thấp (Eo < 5000 kN/m2)

+ Có góc nội ma sát ϕ = 5o - 10o và lực dính: C = 5 - 10 kN/m2

- Đất yếu có thể được chia làm 4 nhóm chủ yếu như sau:

+ Các loại đất sét (á sét, sét) ở trạng thái mềm, bão hòa nước thuộc các giai đoạn đầu của quá trình hình thành đá sét

+ Các loại cát hạt nhỏ, cát bụi ở trạng thái rời, bảo hòa nước

+ Các loại đất bùn, than bùn và đất than bùn, + Các loại đất hoàng thổ có độ rỗng lớn, gây lún sụt

Tại khu vực đồng bằng sông Cửu Long các loại đất được hình thành và phân bố như sau:

- Sự phân bố đất yếu theo chiều sâu:

+ Khu vực 1: có lớp đất yếu dày từ 1 ÷ 30m + Khu vực 2: có lớp đất yếu dày từ 5 ÷ 30m + Khu vực 3: đất sét dày từ 15 ÷ 300m

- Sự phân bố đất yếu theo mặt bằng:

+ Khu vực I: Khu vực đất sét yếu màu xám nâu và xám vàng + Khu vực II: Khu vực đất bùn sét xen kẹp với các lớp á cát + Khu vực III: Khu vực cát hạt mịn, á cát xen kẹp bùn á cát + Khu vực IV: Khu vực đất than bùn, sét, bùn á sét, cát bụi, á cát

+ Khu vực V: Khu vực bùn á sét và bùn cát ngập nước

Hình 1.1 Bản đồ phân bố đất yếu ở đồng bằng sông Cửu Long

Theo sơ đồ phân bố đất yếu ở đồng bằng sông Cửu Long thì sân bay Cần Thơ nằm trong khu vực có điều kiện bất lợi cho việc xây dựng các công trình Địa chất công trình và địa chất thủy văn của sân bay Cần Thơ rất phức tạp cho việc phát triển sân bay, nền móng công trình nằm trên vùng đất yếu, mực nước ngầm cao vì vậy công tác xây dựng công trình cần phải xem xét tới các giải pháp

xử lý nền, nhất là để khai thác các loại máy bay có tải trọng lớn

1.2 Sơ lược các giải pháp xử lý đất yếu:

Khi xây dựng công trình đường bộ hoặc các công trình khác trên đất yếu

mà thiếu các biện pháp xử lý thích đáng và hợp lý thì sẽ phát sinh biến dạng, thậm chí gây hư hỏng công trình Nghiên cứu xử lý đất yếu mục đích làm tăng độ bền của đất, giảm tổng độ lún và độ lún lệch, rút ngắn thời gian thi công và giảm chi phí đầu tư xây dựng Theo báo cáo về các sự cố công trình nền đường ôtô xây dựng trên vùng đất yếu trong những năm gần đây, các vấn đề mắc phải của nền đường đắp trên đất yếu trong thời gian qua ở Việt Nam chủ yếu dưới dạng nền đường bị lún sụt - trượt trồi và ở dạng lún kéo dài ảnh hưởng lớn đến chất lượng khai thác đường Đất yếu là một trong những đối tượng nghiên cứu và xử lý rất phức tạp, đòi hỏi công tác khảo sát, điều tra, nghiên cứu, phân tích và tính toán rất công phu Để xử lý đất yếu đạt hiệu quả cao đòi hỏi phải có kinh nghiệm thiết

kế và bề dày xử lý của tư vấn trong việc lựa chọn giải pháp hợp lý

Dưới đây là một số giải pháp xử lý nền đất yếu ở nước ta hiện nay:

1.2.1 Đệm vật liệu rời (đệm cát, đá, sỏi):

Đệm vật liệu rời mà phổ biến là đệm cát Đây là phương pháp thay thế lớp đất yếu bằng lớp đất tốt nhằm tạo ra lớp đệm chịu lực bên trên, thay thế toàn bộ hoặc một phần của lớp đất yếu và chỉ giới hạn chiều dày 4 đến 5 m

Lớp đệm cát có tác dụng tăng tốc độ cố kết của nền đất yếu dưới nó sau khi đắp đất, để tăng cường độ chống cắt của đất yếu dẫn đến tăng sức chịu tải của đất nền và tăng khả năng ổn định của công trình Lớp đệm cát còn có tác dụng cải tạo sự phân bố ứng suất lên đất yếu, để tăng tốc độ cố kết nền đất yếu có thể kết hợp gia cố nền bằng cừ tràm Tại sân đỗ máy bay của sân bay Rạch Giá cũng đã

sử dụng giải pháp này, cừ tràm đóng 16 cọc/m2, chiều sâu đóng 4,5m Trên đỉnh

cừ tràm sau khi đã đắp một lớp 30 cm rải một lớp vải địa kỹ thuật để thuận lợi cho việc thi công và tạo điều kiện phân bố đều tải trọng đắp trên các cừ tràm

Cát được sử dụng làm đệm cát thoát nước phải là cát sạch có độ thấm cao

và phải đảm bảo yêu cầu kỹ thuật theo quy định

Ưu điểm: đây là biện pháp gia cố nền được sử dụng rộng rãi nhất do phương pháp thi công đơn giản, sử dụng vật liệu địa phương

Khuyết điểm: biện pháp này chỉ được sử dụng trong điều kiện tải trọng công trình không quá lớn và lớp đất yếu không quá dày (Hđy < 3m) Bên cạnh đó việc khai thác cát ngày càng gặp nhiều khó khăn, giá vật liệu tăng cao cũng gây ảnh hưởng đến giá thành công trình

nền đất yếu bảo hòa nước đến độ sâu thiết kế để làm chức năng những kênh thoát nước thẳng đứng, nhằm đẩy nhanh quá trình cố kết nền đất yếu Do đó, phương pháp này luôn phải kèm theo biện pháp gia tải trước để tăng nhanh quá trình cố kết Lớp đất yếu bảo hòa nước càng dày thì phương pháp giếng cát càng hiệu quả

về độ lún tức thời Trong thực tế, phương pháp này đã được ngành giao thông vận tải áp dụng phổ biến từ năm 1990 để xử lý nền đất yếu Công trình có quy

mô lớn đầu tiên áp dụng giếng cát để xử lý nền đất yếu được triển khai trên đường Thăng Long - Nội Bài (Hà Nội) sau này được áp dụng đại trà trên nhiều tuyến QL khác nữa, trong đó có đường Láng - Hòa Lạc (Hà Nội) Giải pháp giếng cát kết hợp với bệ phản áp sẽ tăng khả năng chống trượt trồi của nền đường

1:1

50 1:1

Giếng cát là một thiết bị tiêu nước thẳng đứng được dùng để:

+ Tăng nhanh tốc độ cố kết của nền đất yếu, nước lỗ rỗng thoát chủ yếu theo phương ngang về phía tâm của giếng cát, sau đó chảy tự do theo phương thẳng đứng dọc giếng cát về phía các lớp đất dễ thấm nước Hệ thống giếng cát trong nền đất yếu sẽ giúp rút ngắn chiều dài đường thấm, làm cho đất nhanh chóng đạt đến giới hạn ổn định về lún, đồng thời làm cho đất nền có khả năng biến dạng đồng đều

+ Tăng độ chặt của đất nền, tăng sức chịu tải của đất nền

Ưu điểm:

Khi dùng giếng cát, trị số môđun biến dạng của vùng đất được nén chặt xung quanh sẽ giống nhau, vì vậy sự phân bố ứng suất trong nền đất xử lý đồng đều hơn Giải pháp này nền đất yếu có tốc độ cố kết nhanh hơn so với phương án

sử dụng bấc thấm, thời gian chờ lún cũng ngắn hơn Thường sử dụng trong trường hợp nền đất yếu có chiều sâu 10m đến 30m

Khuyết điểm: khi thi công giếng cát có thể bị đứt đoạn dẫn đến vai trò thoát nước không được đảm bảo Tại các vùng có mực nước ngầm cao thì sau một thời gian thi công cát trong giếng sẽ theo nước lẫn vào trong đất vì vậy tốc

độ cố kết của đất sẽ có sự sai lệch đáng kể so với tính toán

1.2.3 Bấc thấm:

Việc thi công giếng cát có nhược điểm là tốn công, máy móc nặng, tốc độ thi công chậm, khi nền bị cố kết và biến dạng có thể cắt đứt đường thấm và giá thành công trình cao

Để giảm bớt khối lượng công việc, đẩy nhanh tốc độ thi công và tốc độ cố kết thì giải pháp được tính đến là sử dụng vật liệu dễ thấm và hút nước Từ những năm 90 của thập kỷ trước cạnh phương pháp cổ điển, lần đầu tiên công nghệ mới

xử lý đất yếu bằng phương pháp bấc thấm thoát nước thẳng đứng (PVD) kết hợp gia tải trước đã được đưa vào sử dụng rộng rãi trên thế giới Tại Việt Nam, công nghệ mới bấc thấm này đã được sử dụng trong xử lý nền đất yếu cho Dự án nâng cấp Quốc lộ 5 trên đoạn Km 47 - Km 62 vào năm 1993, sau đó dùng cho Quốc lộ

51 (TP Hồ Chí Minh đi Vũng Tàu) và đường Láng - Hòa Lạc Từ 1999 - 2004, phương pháp này đã được sử dụng rộng rãi để xử lý đất yếu trong các dự án nâng cấp và cải tạo Quốc lộ 1A, Quốc lộ 18, Quốc lộ 60, Quốc lộ 80, đường Nguyễn Hữu Cảnh (TPHCM)

Bấc thấm là vật liệu địa kỹ thuật dùng để thoát nước đứng và ngang nhằm gia tăng khả năng ổn định của nền móng, được cấu tạo từ hai lớp: lớp áo lọc bằng vải địa kỹ thuật không dệt, sợi liên tục PP hoặc PET 100% không thêm bất cứ chất kết dính nào và lớp lõi thoát nước bằng nhựa PP, có tác dụng:

+ Ổn định nền: Các công trình có thể ứng dụng bấc thấm để xử lý nền đất

yếu rất đa dạng, bao gồm đường cao tốc, đường dẫn đầu cầu, đường băng sân bay, đường sắt, bến cảng, kho bãi xây dựng trên nền đất yếu và có tải trọng động

+ Xử lý môi trường: Bấc thấm được sử dụng để xử lý nền đất yếu, đất nhão

thường ở các khu vực ô chôn lấp rác thải Nó cũng được sử dụng để tẩy rửa các khu vực đất ô nhiễm, bằng công nghệ hút chân không, hút nước ngầm thấm qua các lớp đất bị ô nhiễm, mang theo các chất ô nhiễm lên bề mặt để xử lý

Đặc tính chính

• Giảm thiểu tối đa sự xáo trộn các lớp đất

• Khả năng tương thích cao của lõi cũng như vỏ bấc thấm với nhiều loại đất

• Dễ dàng thi công, hiệu suất có thể đạt tới 8.000md/ngày

• Không cần cấp nước khi thi công

• Có thể đóng bấc tới độ sâu 40m hoặc hơn

Lợi thế thi công

• Chi phí thấp để xử lý nền đất yếu

• Tiếc kiệm được khối lượng đào đắp

• Rút ngắn được thời gian thi công

• Giảm được chi phí vận chuyển, chi phí thi công

Hình 1.4: Mặt bằng thi công bấc thấm

1.2.4 Gia tải trước bằng phương pháp hút chân không [1]:

Đây là phương pháp gia cố nền hiện đại nhất hiện nay, đặc biệt thích hợp cho những công trình không có mặt bằng rộng để gia tải bằng đệm cát và cần thời gian cố kết nhanh Nguyên lý hoạt động của phương pháp gia tải trước bằng hút chân không là nếu cách ly được mặt đất với lớp không khí bên trên và hút chân không khu vực cô lập, trong khu vực này áp lực trong lỗ rỗng gồm áp lực khí và

áp lực nước sẽ hạ thấp, ứng suất hữu hiệu gia tăng lượng tương ứng gây biến dạng co khối đất, mặt đất lún xuống Nhìn góc cạnh khác, toàn khu vực bị hạ áp lực lỗ rỗng chịu một áp lực nén bằng với trọng lượng cột không khí tương ứng với tỷ lệ hút chân không, nếu như hút chân không được 80% thì áp lực nén tương ứng với 80% trọng lượng không khí tức là 80 kPa Vì áp lực khí trong lỗ rỗng giảm giống nhau theo mọi phương nên trong khối đất bị hút chân không không xuất hiện ứng suất lệch nên không có hiện tượng trượt ở khu vực biên chịu tải Tại Việt Nam, giải pháp này được áp dụng để xử lý nền móng nhà máy khí điện đạm Cà Mau

Ưu điểm: khắc phục được khuyết điểm lớn của phương pháp đệm cát là thường sử dụng bệ phản áp (tránh gây trượt công trình) choáng nhiều diện tích hoặc phải gia tải từng cấp tốn rất nhiều thời gian và đảm bảo vệ sinh môi trường Chi phí vận chuyển đất đến đắp gia tải sau phải vận chuyển đi phần còn dư là không có

Khuyết điểm: lượng nước từ khu vực xung quanh sẽ thấm vào vùng có áp lực nước lỗ rỗng thấp, điều này dẫn đến lượng nước bơm sẽ lớn hơn nhiều lần độ giảm lỗ rỗng của khu vực cần nén chặt Thi công phức tạp và chưa được sử dụng phổ biến ở nước ta hiện nay

1.2.5 Cột đất ximăng [9]:

Với đất yếu bùn sét và bùn á sét có độ thấm bé hơn 10-6 cm/s, khả năng ứng dụng cột vật liệu rời không hiệu quả vì đất không nén chặt được trong quá trình thi công vì nước trong lỗ rỗng của bùn đất khó thoát đi để lỗ rỗng có thể giảm nhỏ lại Mặt khác vật liệu rời có thể chìm dần trong bùn nên không giữ được hình dạng cột sau khi thi công

Phương pháp gia cố nền đất yếu bằng cột đất ximăng là một công nghệ mới được thế giới biết đến và áp dụng từ những năm 1970, nhưng đạt được công nghệ hoàn chỉnh và phát triển mạnh mẽ phải tính từ những năm 1990 trở lại đây Phương pháp cột đất ximăng có thể được chia ra làm 2 loại: phương pháp trộn khô và phương pháp trộn ướt Đối với Việt Nam, công nghệ cột đất ximăng lần đầu tiên được Thụy Điển chuyển giao công nghệ cho Bộ Xây dựng vào những năm 1992-1994, sử dụng trong gia cường nền nhà và công trình xây dựng dân dụng Tại nhiều nước trên thế giới, việc sử dụng công nghệ cột đất ximăng cho gia cố nền đất yếu trong các dự án đường bộ, đường sắt đã cho hiệu quả rất cao

Do vậy, nếu nghiên cứu để áp dụng cho các dự án đường bộ đắp trên nền đất yếu khu vực đồng bằng sông Cửu Long thì rất có thể sẽ là một trong các phương pháp hiệu quả góp phần giải quyết tình trạng lún kéo dài và kém ổn định của nền đường tại khu vực này

Cột đất ximăng là phương pháp gia cố nền đất yếu, sử dụng vật liệu là ximăng làm chất đóng rắn nhờ vào cần khoan xoắn và thiết bị bơm phụt vữa vào trong đất để trộn cưỡng bức đất yếu với chất đóng rắn (dạng bột hoặc dung dịch), lợi dụng chuỗi phản ứng hóa học – vật lý xảy ra giữa chất đóng rắn với đất, làm cho đất mềm yếu đóng rắn lại thành một thể cột Quá trình ninh kết hỗn hợp đất ximăng sẽ phát nhiệt, một phần nước xung quanh bị hút vào do quá trình thủy hóa, một phần khác bị bốc hơi do nhiệt Hiện tượng này làm đất xung quanh cột tăng độ bền hơn trước

Ưu điểm: thi công nhanh, đơn giản, thích hợp với đất có độ ẩm cao (>75%) Môi trường trong quá trình thi công không bị ảnh hưởng do chỉ cần đưa vật liệu ximăng vào gia cố nền, không phải huy động một khối lượng lớn vật liệu địa phương như các phương án khác

Khuyết điểm: giá thành cao Công nghệ thi công mới mẻ trong lĩnh vực giao thông, quy trình thi công nghiệm thu chưa được Bộ giao thông ban hành để

áp dụng rộng rãi mà phải sử dụng công nghệ và quy trình nước ngoài như Nhật, Thụy Điển cũng như áp dụng một số tài liệu, quy trình công nghệ của một số công trình đã được thiết kế và thi công được Bộ Giao thông Vận tải phê duyệt

Máy thi công hiện nay trong nước chưa nhiều, huy động máy móc có khó khăn hơn các phương án khác

com pressed air Air dehum idifier

Vì vậy giải pháp gia cố nền bằng vật liệu lớp đệm cát là không thích hợp Giải pháp gia cố nền bằng giếng cát và bấc thấm được áp dụng rất phổ biến cho công tác xử lý cố kết ở vùng đất yếu ở đồng bằng sông Cửu Long và đạt hiệu quả cao khi kết hợp với với gia tải trước Tuy nhiên việc kiểm soát biến dạng lún, ổn định nền gặp nhiều khó khăn và thời gian thi công kéo dài

1.3.2 Để đáp ứng yêu cầu khai thác cho công trình giao thông cấp đặc biệt, đặc biệt là những công trình chịu tải trọng lớn Với những ưu điểm riêng trong công tác xử lý nền đất yếu, công nghệ cột đất ximăng nên được dùng rộng rãi để gia cố sâu đất nền, đặc biệt gia cố vùng chịu nén của đất nền trong phạm vi 6m,

Máy nén khí

Phòng điều hành Máy phát điện

Máy khoan cột Thùng tiếp nhận

khống chế độ lún còn dư khi đưa công trình vào sử dụng đạt tiêu chuẩn 262-2000 của Bộ Giao thông Vận tải cho các loại mặt đường cấp cao Đây là giải pháp hữu ích không cần thời gian chất thải, tăng cường độ ổn định của nền và cần được nghiên cứu để ứng dụng rộng rãi

22TCN-Hình 1.6 Máy khoan cột đất ximăng

Chương 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN

BẰNG CỘT ĐẤT XIMĂNG

2.1 Giới thiệu chung về công nghệ cột đất ximăng:

2.1.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng trên thế giới:

Gia cố nền đất theo phương pháp trộn khô xuất hiện đầu tiên tại Châu Âu đặc biệt là Thụy Điển vào những năm thập niên 70 thế kỷ trước

Từ đó đến nay, công nghệ này đã được phát triển mạnh mẽ mà kết quả là các thiết bị hoàn chỉnh hơn được sử dụng để tạo ra các cột đất ximăng có chất lượng cao với những loại chất gia cố khác nhau phù hợp với từng loại đất và đã được cải tiến thông qua việc nghiên cứu các ứng dụng kỹ thuật hiện đại có hiệu quả Cho đến nay đã tạo ra các cột đất ximăng chất lượng cao để gia cố nhiều loại đất yếu khác nhau cũng như xử lý nền đất yếu có chiều dày lớn, riêng ở Nhật bản năm 2001 khối lượng thi công đạt 150 triệu md/năm

Nói chung tại nhiều nước trên thế giới, việc sử dụng công nghệ cột đất ximăng cho gia cố nền đất yếu trong các dự án đường bộ, đường sắt đã cho hiệu quả rất cao Phương pháp này dùng chủ yếu để ngăn chặn, giảm

độ lún cũng như tăng hệ số an toàn của các công trình nền đường, đường đắp cao, nền móng các công trình hạ tầng … đem lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật cao

2.1.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng trong nước:

Ở Việt Nam, công nghệ đất gia cố ximăng đã bắt đầu nghiên cứu từ năm 1980 Từ đó đến nay Bộ Xây dựng và Bộ Giao thông vận tải đã ứng dụng thi công nhiều công trình như: Tổng kho xăng dầu Nhà Bè, Tổng kho xăng dầu Hậu Giang (Trà Nóc – Cần Thơ), Cảng Ba Ngòi (Khánh Hòa) Với các công trình trên cho thấy công nghệ cột đất ximăng đã được áp dụng khá nhiều công trình ở Việt Nam đặc biệt là những công trình đường

bộ đắp trên nền đất yếu khu vực đồng bằng sông Cửu Long Đây có thể

được xem là một trong các phương pháp hiệu quả góp phần giải quyết tình trạng lún kéo dài và kém ổn định của nền đường tại khu vực này

Việc áp dụng thi công đại trà gia cố nền sử dụng thi công phương pháp khô trộn sâu – thi công cột ximăng đất xuất hiện từ những năm đầu thế kỷ 21 và bắt đầu ứng dụng trở lại do Công ty Hercules Thụy Điển quay lại và Trung Quốc đưa công nghệ rẻ rất thích hợp với Việt nam Ngày nay việc ứng dụng công nghệ cột đất ximăng được sử dụng khá rộng rãi và phổ biến tại Việt Nam

* Ứng dụng:

+ Ổn định thành hố đào: công trình khách sạn ven hồ Lake Side Hotel, công trình nhà văn phòng Tổng Công ty Hàng hải (Hà Nội)…

+ Gia cố bãi cảng: Cảng Ba Ngòi (Khánh Hòa)

+ Gia cố móng nhà: Nhà máy nước Vụ Bản (Nam Định)…

+ Đặc biệt là gia cố móng các bồn dầu: Tổng Kho Xăng dầu Nhà Bè, Kho Xăng dầu (Cần Thơ), Công ty VINAPCO Đình vũ (Hải Phòng)

Công nghệ này hiện đang triển khai thi công cho các công trình cầu đường: Đại lộ Đông Tây - Thành phố Hồ Chí Minh; Đường Láng- Hòa Lạc giai đoạn II

2.2 Tóm tắt về phương pháp cột đất ximăng [1]:

Đây là phương pháp gia cố đất sâu Cột trộn dưới sâu là phương pháp mới để gia cố nền đất yếu, sử dụng vật liệu là ximăng làm chất đóng rắn, cột đất ximăng được dùng để gia cố một phần hoặc toàn bộ bề dày lớp đất yếu nhờ vào cần khoan xoắn và thiết bị bơm phụt vữa vào trong đất để trộn cưỡng bức đất yếu với chất đóng rắn (dạng bột hoặc dung dịch), lợi dụng một chuỗi phản ứng hóa lý xảy ra giữa chất đóng rắn với đất, làm cho đất mềm yếu đóng rắn lại thành một thể cột có tính chỉnh thể, ổn định và có cường độ nhất định Chiều sâu gia cố phụ thuộc vào khả năng của thiết bị So sánh với giải pháp đang sử dụng rộng rãi hiện nay, phương pháp này đã giải quyết được các vấn

đề sau:

- Nâng cao sức chịu tải của đất nền

- Thúc đẩy nhanh quá trình cố kết, rút ngắn thời gian thi công

- Thi công nhanh, ít tốn nhân công

- Không sinh ra đất thải (giảm hoặc không cần gia tải) Đảm bảo vệ sinh môi trường

- Xác định chính xác lượng chất gia cố được trộn trong cột đất ximăng

- Không gây phá hoại và làm mất ổn định kết cấu của đất

- Không gây chấn động đến các công trình lân cận

- Tính thấm của cột sau gia cố cao hơn nhiều so với đất sét chưa gia cố (khoảng 400 ÷ 500 lần) và cột được xem như thoát nước thẳng đứng

- Phạm vi ứng dụng đa dạng: ổn định mái dốc, hố đào

Do được trộn chất gia cố nên cột đất ximăng có môđun đàn hồi và sức chống cắt cao hơn đất nền nhiều lần, số lượng các cột được phân bố trong nền đất mà nhờ vậy nền đất nói chung đã được cải thiện đáng kể về sức chịu tải Sức chịu tải này có thể thay đổi tùy theo số lượng và chất lượng chất gia cố được dùng cũng như phân bố của các cột trong nền đất (đường kính, khoảng cách giữa các tâm cột, chiều dài cột)

Ngoài sức chịu tải, cột đất gia cố ximăng còn có tác dụng như cột thoát nước thẳng đứng và cột có tính thấm cao hơn đất nền rất nhiều, được xem là làm việc như bấc thấm và đẩy nhanh quá trình cố kết

Hình 2.1 Sơ đồ bố trí cột đất xi măng trên mặt bằng

Dạng bố trí: 1 Dải; 2 Nhóm, 3 Lưới tam giác, 4 Lưới vuông

2.3 Phương pháp thi công:

Phương pháp gia cố nền bằng công nghệ trộn sâu cột đất ximăng (Cement deep mixing – CDM) là phương pháp cải tạo đất dùng cho đất sét dẻo, bùn sét, đất lẫn hữu cơ, đất lẫn bùn, cát chảy … Việc trộn hỗn hợp đất ximăng nhằm làm tăng cường độ, độ chặt, tăng môđun đàn hồi của đất gia cố Sự phát triển cường

độ được hình thành ngay sau khi gia cố và phát triển cường độ theo thời gian

Hình 2.2 Sơ đồ vận hành mũi khoan cột đất ximăng Phương pháp cột đất gia cố ximăng có thể được chia ra làm 2 loại: phương pháp trộn khô và phương pháp trộn ướt

Thích hợp đối với loại tải trọng phân bố đều hơn là tải trọng tập trung lớn Trong phương pháp này, bột ximăng được khí nén bơm vào trong đất ở dưới sâu qua một ống có lỗ phun, sau đó bột được trộn cơ học bằng các cánh quay Phương pháp trộn sâu gia cố nền đất yếu bằng cọc đất xi măng thực chất là quá trình khoan phun xi măng và trộn với đất để tạo ra các cột đất gia cố xi măng (Cement deep mixing method-CDM) có cường độ lớn hơn, tổ hợp nền và cột làm việc tốt hơn, cải thiện rõ rệt sức chịu tải của nền

Hình 2.3 Máy khoan và lưỡi khoan theo công nghệ trộn khô

Nguyên lý của phương pháp phun khô rất đơn giản là dùng một bộ thiết bị dựa trên cơ sở như một máy khoan có cánh ruột gà thi công cột đất trộn chất gia cố trong đất yếu theo hai pha: pha hạ mũi khoan đến độ sâu

dự định đồng thời làm tơi đất; pha rút mũi khoan lên đồng thời phun chất gia cố bằng khí nén ở đầu mũi trộn và trộn đều hoặc ngược lại

Sau hai pha hình thành một cột đất đã gia cố nhờ đất yếu đã được trộn đều với chất gia cố, lúc này nền đất yếu sẽ làm việc như một nền hỗn

hợp được tạo thành bởi hỗn hợp đất tại chỗ và chất gia cố

2.3.2 Phương pháp ướt:

Chất gia cố dưới dạng vữa được bơm xuống từ mặt đất cho đến đáy dưới áp suất 20 MPa từ một vòi phun xoay Vữa được trộn với đất trong quá trình mũi trộn được đưa xuống sâu và khi quay ngược trong quá trình rút mũi trộn Cũng như bêtông, tỷ lệ nước – ximăng đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành cường độ của hỗn hợp Với phương pháp này đường kính của cột đất có thể thay đổi theo độ sâu, tùy theo biến đổi độ bền cắt của đất nền

Nguyên lý của phương pháp trộn ướt: Dùng thiết bị chuyên dụng dạng máy khoan xoay kết hợp mũi trộn (03 tầng cánh trộn) thi công cột đất trộn hỗn hợp nước ximăng trong đất yếu theo hai hành trình: hành trình hạ mũi khoan (vừa hạ mũi khoan vừa phun hỗn hợp chất gia cố) đến độ sâu

dự định vừa trộn vừa làm tơi đất vừa phun chất gia cố; hành trình rút mũi khoan lên đồng thời phun bổ sung hỗn hợp chất gia cố và trộn đều hỗn hợp thành dạng hỗn hợp vữa đất và chất gia cố Sau hai pha hình thành một cột vữa đất đã được gia cố nhờ đất yếu đã được trộn đều với hỗn hợp vữa xi măng nước (chất gia cố)

Hình 2.4 Máy khoan và lưỡi khoan theo công nghệ trộn ướt của Nhật Bản

2.4 Nguyên lý tính toán [2]:

- Nguyên lý cột cứng:

Trong nguyên lý này, các cột được coi như các cột cứng Tải trọng của công trình do các cột này chịu Do trong phương pháp thi công, chất gia cố được đưa vào bằng khí nén do đó việc kiểm tra chất lượng cột là rất khó khăn

- Nguyên lý cột nửa cứng:

Trong nguyên lý này, các cột gia cố làm việc tương tác với các phần đất chưa được gia cố nằm giữa các cột được giả thiết tạo thành một khối đồng nhất Biến dạng của cột và đất xung quanh cột xem như bằng nhau, cùng biến dạng dưới tác dụng của tải trọng công trình Cột không làm việc như cột chống mà chỉ xem như cột treo

⇒ εdat = εcol Trong đó:

εdat là biến dạng của phần đất chưa gia cố (nằm giữa các cột)

εcol là biến dạng bản thân cột gia cố

2.5 Phương pháp tính toán cho giải pháp cột đất ximăng:

Đất nền tại sân bay Cần Thơ qua kết quả khảo sát địa chất công trình cho thấy ngoài lớp cát (lớp 2 dày 0.8 - 1.4m) đắp qua các giai đoạn xây dựng trước đây, chỉ có một lớp đất sét mỏng (lớp 3 dày 1.0 - 2.1m) ở trạng thái dẻo mềm còn lại là lớp bùn sét (lớp 4) các hố khoan tới độ sâu 25m vẫn chưa hết lớp đất này Nền móng công trình rất bất lợi cho việc đắp và xử lý nền đường trong quá trình khai thác với tải trọng máy bay lớn Theo tiêu chuẩn thiết kế sân bay đối với tải trọng máy bay 20 tấn trên 1 bánh của càng chính thì vùng chịu nén của đất nền là 6m và thiết kế mặt đường sân bay không cho phép đất yếu trong vùng chịu nén của đất nền

Sự phân bố tải trọng giữa các cột và đất sét không được gia cố được tính toán theo giả thuyết rằng tại bất cứ cao trình nào cũng đều xảy ra áp lực nén như nhau trong các cột và trong đất sét không được gia cố Do đó việc tính toán được dựa trên giả thiết cột đất ximăng làm việc trên nguyên lý cột nửa cứng, lúc này tải trọng trên đất sét không được gia cố truyền dần đến các cột và tải trọng này truyền xuống đáy của các cột Cột đất gia cố tương tác và cùng làm việc với nền đất tự nhiên xung quanh chưa gia cố, nền đất sau khi gia cố là nền hỗn hợp

Theo tài liệu D.T.Bergado–J.C.Chai–M.C.Alfaro–A.S.Balasubramaniam [10] và M.P.Moseley [12] thì việc tính toán được xem xét dựa trên:

2.5.1 Khả năng chịu tải theo đất nền:

Khả năng chịu tải của cột đất ximăng đơn được quyết định bởi sức kháng cắt của đất yếu bao quanh (đất phá hoại), loại phá hoại này phụ thuộc vào sức cản do ma sát mặt ngoài cột và sức chịu ở chân cột

Khả năng chịu tải giới hạn ngắn hạn của cột đơn trong đất sét yếu khi đất phá hoại được tính theo biểu thức sau:

Trong đó:

+ d: đường kính của cột

+ Hcot: chiều dài của cột

+ Cu: độ bền cắt không thoát nước trung bình của đất sét bao quanh được xác định bằng thí nghiệm ngoài hiện trường như thí nghiệm cắt cánh và xuyên côn

Giả thiết sức cản do ma sát mặt ngoài bằng độ bền không thoát nước của đất sét, sức chịu ở chân cột tương ứng là 9Cu Kinh nghiệm thi công cột đất cho thấy:

+ Khi Cu < 30 kPa: sức cản do ma sát mặt ngoài của cột đơn tương ứng với độ bền cắt không thoát nước của đất sét yếu bao quanh cột

+ Khi Cu > 30 kPa: độ bền cắt giảm đi 0,5Cu

Sức chịu ở chân cột treo, cột không đóng vào tầng nén chặt thường thấp so với sức cản mặt ngoài Sức chịu ở chân cột sẽ lớn khi cột cắt qua tầng ép lún vào đất cứng nằm dưới có sức chịu tải cao Phần lớn tải trọng tác dụng sẽ truyền vào lớp đất ở dưới qua đáy của cột Tuy nhiên sức chịu

ở chân cột không thể vượt quá cường độ chịu nén của bản thân cột

2.5.2 Khả năng chịu tải theo vật liệu cột:

Khi cột bị phá hoại thì vật liệu cột đất trộn ximăng thì vật liệu cột được xem tương tự như một lớp đất sét cứng nứt nẻ Nhận xét này dựa trên

sự quan sát thí nghiệm chịu tải trên các cột đơn đã được đào lên cho thấy cột bị phá hoại theo mặt tiếp xúc giữa đất và ximăng Thí nghiệm cũng cho thấy rằng sức chống cắt trên mặt tiếp xúc hoặc vết nứt quyết định cường độ chịu nén của cột Sức chống cắt của phần đất thuộc cột có giá trị lớn hơn được xem là giới hạn trên, giới hạn này được xác định bằng thí nghiệm chùy rơi hoặc cắt cánh và gấp 4 lần sức chống cắt dọc theo mặt tiếp xúc hoặc vết nứt, đường bao chống cắt như hình 2.5

Khả năng chịu tải giới hạn ngắn hạn do cột bị phá hoại ở độ sâu z được tính theo biểu thức sau:

Trong đó:

+ Ccot : lực dính kết của vật liệu cột

+ σn : áp lực ngang tác động lên cột tại mặt cắt giới hạn

Giả thiết góc ma sát trong của đất là 30o Hệ số 3 (tra bảng) tương ứng với hệ số áp lực bị động Kp khi ϕgh, cot = 30o

Và cũng giả thiết σn = σp + 5Cu trong đó σp là áp lực tổng của các lớp phủ bên trên, Cu là độ bền cắt không thoát nước của đất sét không

ổn định bao quanh được xác định từ thí nghiệm cắt tại hiện trường Công thức này được dùng khi thiết kế có xét áp lực tổng của các lớp phủ bên trên vì áp lực đất bị động thay đổi khi chuyển vị ngang lớn

Hình 2.5 Đường sức chống cắt giả định của cột đất ximăng

Do hiện tượng rão, độ bền giới hạn lâu dài của cột thấp hơn độ bền ngắn hạn Độ bền rão của cột Qrão,cot từ 65% ÷ 85% của Qgh,cot Giả thiết quan hệ biến dạng và tải trọng là tuyến tính cho tới khi rão, có thể dùng quan hệ này để tính sự phân bố tải trọng Qrão,cột và môđun ép co của vật liệu cột tương ứng độ dốc của đường quan hệ Khi vượt quá độ bền rão, tải trọng của cột được xem là hằng số Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng được trình bày ở hình 2.6

Hình 2.6 Quan hệ ứng suất và biến dạng giả định của cột đất ximăng Theo Sweroad (1992) thì khả năng chịu tải của cột theo vật liệu như sau:

Trong đó:

Ccot : Sức chống cắt không thoát nước của cột đất ximăng

σh : Áp lực tổng theo phương ngang tác dụng ở tiết diện nguy hiểm.Acot : Tiết diện ngang của cột

Khi cột đất ximăng chịu tải trọng dài hạn thì sức chống cắt của cột trong điều kiện dài hạn của cột đất ximăng Crão,cot nhỏ hơn sức chống cắt theo điều kiện ngắn hạn Ccot

Theo Broms và Sweroad (1992):

Crão,cot = (0,65 ÷ 0,80)Ccot Khả năng chịu tải trọng dài hạn của cột đất ximăng:

Qrão,gh = (0,65 ÷ 0,80)aCcot Trong đó: a = A/S2

A : tiết diện ngang của cột đất ximăng

S : khoảng cách giữa các cột trong lưới ô vuông

Khi thiết kế cột đất ximăng phải khống chế ứng suất trong cột nhỏ hơn ứng suất rão của cột

Theo Sweroad, σcot có thể được tính như sau:

) 1 (

cot cot

cot cot

a M

M a

q A

tỉ số của diện tích toàn

bộ cột (N×Acot) và diện tích nền xử lý bằng cột đất ximăng (BL) Mdat, Mcot – môđun nén của đất bao quanh và của vật liệu cột

2.5.3 Khả năng chịu tải giới hạn của nhóm cột đất ximăng

Khả năng chịu tải giới hạn của nhóm cột đất ximăng phụ thuộc vào độ bền cắt của đất chưa xử lý giữa các cột và độ bền cắt của vật liệu làm cột

Cơ chế phá hoại của nhóm cột có hai dạng: Sự phá hoại quyết định bởi khả năng chịu tải của khối với các cột đất ximăng (hình 2.7) hay khả năng chịu tải cục bộ của khối ở rìa công trình (hình 2.8) khi các cột đất ximăng đặt xa nhau

2.5.3.1 Khả năng chịu tải trọng giới hạn theo cơ chế phá hoại khối: Sức chống cắt dọc theo mặt phá hoại cắt qua toàn bộ khối sẽ quyết định khả năng chịu tải và khả năng chịu tải giới hạn của nhóm cột được tính theo:

Trong đó:

+ B, L, H – chiều rộng, chiều dài, chiều cao nhóm cột

+ Hệ số 6 dùng cho móng chữ nhật khi chiều dài lớn hơn chiều rộng nhiều

+ Hệ số 9 dùng cho móng hình vuông

Trong thiết kế, kiến nghị không dùng khả năng chịu tải giới hạn vì phải huy động sức kháng tải trọng lớn nhất làm cho biến dạng khá lớn, bằng 5-10% bề rộng vùng chịu tải

2.5.3.2 Khả năng chịu tải trọng giới hạn theo cơ chế phá hoại cục bộ:

Khả năng chịu tải giới hạn, có xét đến phá hoại cục bộ ở rìa khối cột, phụ thuộc vào độ bền cắt trung bình của đất, dọc theo bề mặt phá hoại gần tròn như trong hình 2.8 Độ bền cắt trung bình có thể tính như khi tính ổn định mái dốc Khả năng chịu tải giới hạn có chú ý đến phá hoại cục bộ, được tính theo biểu thức:

Trong đó:

+ b, l – chiều rộng và chiều dài vùng chịu tải cục bộ

+ Ctb – độ bền cắt trung bình dọc theo bề mặt phá hoại giả định Độ bền cắt trung bình của vùng ổn định thì chịu ảnh hưởng của diện tích tương đối của cột a và độ bền cắt của vật liệu cột Khi tính toán thiết kế, đề nghị dùng hệ số an toàn là 2,5

Hình 2.8 Phá hoại cục bộ

2.5.4 Tính toán độ lún công trình:

Các nghiên cứu trước đây, coi cột và đất không xử lý giữa các cột như

là một đơn khối và sự co ngắn dọc trục của cột tương ứng với độ lún của đất xung quanh Tuy nhiên, biến dạng thẳng đứng của đất xung quanh ở gần mặt đất lớn hơn phần biến dạng dọc trục của cột Sự khác nhau lớn nhất cũng chỉ

là một vài phần trăm độ lún tổng cộng, ngay cả khi các cột chỉ cách nhau 3 đến 4 lần đường kính cột (1,5 đến 2m), khi độ co ngắn dọc trục của các cột tương ứng với độ lún của đất xung quanh, sự phân bố tải trọng sẽ phụ thuộc vào độ cứng tương đối của vật liệu cột và cần lưu ý tới đất không được xử lý bao quanh cột, chừng nào ứng suất dọc trục của cột còn nhỏ hơn giới hạn rão của vật liệu cột (cột, rão) Sự phân bố tải trọng sẽ phụ thuộc vào môđun lún của vật liệu cột và của đất ổn định Khi cùng biến dạng tương đối, ứng suất dọc trục của cột được biểu thị như sau:

) 1 (

cot cot

cot cot

a M

M a

q A

a – diện tích tương đối của cột (

BL

A N

tỉ số của diện tích toàn

bộ cột (N×Acot) và diện tích vùng đất ổn định (BL)

Mdat, Mcot – môđun ép co của đất bao quanh và của vật liệu cột

Độ lún trong khu vực được gia cố bởi các cột được tính toán bằng cách chia tiết diện của đất sét thành các lớp đặc trưng Độ lún tổng cộng của một công trình đặt trên cột đất – ximăng như mô tả trong hình 2.9, độ lún tổng cộng lớn nhất lấy bằng tổng độ lún cục bộ của khối được gia cố (h1) và độ lún cục bộ của đất không ổn định nằm ở dưới khối (h2)

Có 2 trường hợp được nghiên cứu khi tính độ lún tổng cộng

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

Trong trường hợp này, sự phân bố ứng suất sẽ phụ thuộc vào độ cứng tương đối của cột so với đất nền xung quanh cột Môđun chịu nén của cột được dùng để tính lún có thể lấy bằng Mcot = (50÷100)Cu Ứng suất trong cột còn phụ thuộc vào môđun nén của đất nền xung quanh cột Khi đất nền quá cố kết và ứng suất chưa vượt quá áp lực tiền cố kết thì môđun nén có thể xác định từ biểu thức:

BL q M

A N

BL q

) (

) ( )

(

) (

cot 2 cot

M a

q aM

q

) 1 (

2 cot

a

q H

).

1 (

.

Hình 2.9 Tính toán lún khi cột chưa rão

Sự phân bố áp lực q từ đáy móng được giả thiết là không đổi suốt chiều cao khối cột đất ximăng và không bị giảm bớt do lực dính ở xung quanh khối cột và đất, giả thiết này được xem là an toàn

Độ lún ∆h2 bên dưới khối có thể xác định bằng cách chia đất nền bên dưới thành nhiều lớp nhỏ và tính lún cho từng lớp sau đó cộng lại để có độ lún ∆h2 Sự phân bố ứng suất trong nền bên dưới khối theo đường truyền có

độ dốc 2:1

* Trường hợp B: tải trọng tác dụng tương đối cao và tải trọng dọc trục của cột tương ứng với giới hạn rão