So sánh sự thay đổi cường độ chịu nén và tính biến dạng của nền xử lý bằng trụ đất xi măng với nền tự nhiên và ứng dụng tính toán cho công trình

--- PHẠM HUỲNH THẾ NGUYÊN SO SÁNH SỰ THAY ĐỔI CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN VÀ TÍNH BIẾN DẠNG CỦA NỀN XỬ LÝ BẰNG TRỤ ĐẤT XI MĂNG VỚI NỀN TỰ NHIÊN VÀ ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN CHO CÔNG TRÌNH Chuyên ngành

-

PHẠM HUỲNH THẾ NGUYÊN

SO SÁNH SỰ THAY ĐỔI CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN VÀ TÍNH BIẾN DẠNG CỦA NỀN XỬ LÝ BẰNG TRỤ ĐẤT

XI MĂNG VỚI NỀN TỰ NHIÊN VÀ ỨNG DỤNG TÍNH

TOÁN CHO CÔNG TRÌNH

Chuyên ngành: Địa kỹ thuật Xây Dựng

Mã số ngành: 60.58.02.11

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 01 NĂM 2019

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

- -

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Phạm Huỳnh Thế Nguyên

Ngày tháng năm sinh: 11-03-1992

Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng

MSHV: 1571027 Nơi sinh: TP Cần Thơ

Mã số ngành: 60580211

I TÊN ĐỀ TÀI :

SO SÁNH SỰ THAY ĐỔI CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN VÀ TÍNH BIẾN DẠNG CỦA NỀN XỬ LÝ BẰNG TRỤ ĐẤT XI MĂNG VỚI NỀN TỰ NHIÊN VÀ ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN CHO CÔNG TRÌNH

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG :

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan về giải pháp trụ đất xi măng để xử lý nền đất yếu

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Thí nghiệm xác định thông số cường độ chịu nén đơn trục và tính

biến dạng của mẫu đất trộn xi măng

Chương 4: Ứng dụng trụ đất xi măng để xử lý nền đất yếu cho công trình Nhà

xưởng Công ty TNHH Thương mại Dịch vụ TNM tỉnh Hậu Giang

Kết luận - Kiến nghị

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : … /… /2018

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : … /… /2018

đã dành nhiều tâm huyết để giảng dạy và truyền đạt những kiến thức khoa học, những kinh nghiệm vô cùng quý giá cho chúng em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại trường Thầy đã có những hướng dẫn tận tình giúp cho chúng em hình thành nên ý tưởng của đề tài luận văn này Thầy cũng đã có nhiều ý kiến đóng góp, phản biện quý báu và giúp đỡ chúng em rất nhiều trong suốt chặn đường vừa qua

Chúng em cũng xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô khoa Kỹ thuật Xây dựng, trường Đại học Bách Khoa TP HCM đã tận tình giảng dạy và truyền dạt những kiến thức quý giá cho chúng em trong suốt khóa học tại trường vừa qua

Trong quá trình học tập tại trường, mặc dù bản thân học viên cũng đã rất cố gắng học tập và trao dồi kiến thức Tuy nhiên với khả năng và sự hiểu biết còn hạn chế cũng

sẽ không tránh khỏi những thiếu sót nhất định Kính mong nhận được sự góp ý và chỉ bảo từ quý Thầy Cô để chúng em ngày càng được hoàn thiện hơn

Trân trọng cảm ơn

ĐỀ TÀI: SO SÁNH SỰ THAY ĐỔI CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN VÀ TÍNH BIẾN DẠNG CỦA NỀN XỬ LÝ BẰNG TRỤ ĐẤT XI MĂNG VỚI NỀN TỰ NHIÊN VÀ

ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN CHO CÔNG TRÌNH

Theo các nghiên cứu khảo sát trước đây, đất nền tại khu vực đồng bằng sông Cửu Long có chiều dày lớp đất yếu khá lớn Dẫn đến quá trình đầu tư xây dựng các công trình có quy mô lớn tại đây khá khó khăn, đòi hỏi phải tìm kiếm và áp dụng các phương pháp xử lý nền đất yếu phù Để giải quyết khó khăn trên, luận văn này tập trung nghiên cứu phân tích giải pháp trụ đất trộn xi măng và ứng dụng để xử lý cho nền đất yếu khu vực huyện Phụng Hiệp, tỉnh Hậu Giang Đối với giải pháp trụ đất xi măng đề tài tập trung nghiên cứu, so sánh giá trị các thông số cường độ chịu nén đơn trục và tính biến dạng của hỗn hợp đất trộn xi măng so với mẫu đất nguyên dạng Nhìn chung tất cả các chỉ tiêu cơ lý nghiên cứu của mẫu đất thí nghiệm đều được cải thiện tốt lên sau khi được xử lý bằng phương pháp trộn xi măng Tỉ lệ xi măng trong hỗn hợp càng lớn thì các giá trị càng được nâng lên Tốc độ gia tăng các giá trị cường độ chịu nén và Modun biến dạng tăng nhanh khi hàm lượng xi măng trong hỗn hợp thấp hơn 13% Khi hàm lượng xi măng tăng lên trên 13% ta thấy tốc độ gia tăng của 2 giá trị trên giảm đi rõ rệt

Theo như nghiên cứu, hàm lượng xi măng phù hợp nhất cho đất tại khu vực thí nghiệm là 14% (tương đương 209 kg xi măng cho 1 m3 đất) Giá trị cường độ chịu nén đơn trục ứng với hàm lượng 14% là 819.7 kN/m2 Giá trị Modun biến dạng E50 là

112071 kN/m2 Tăng tương ứng là 38 lần và 222 lần so với mẫu đất nguyên dạng Đối với nền đất yếu tại khu vực xã Hòa An, huyện Phụng Hiệp, tỉnh Hậu Giang

ta áp dụng giải pháp trụ đất xi măng để xử lý nền đất yếu cho công trình nền nhà xưởng là phù hợp, đảm bảo được cả hai yếu tố kỹ thuật lẫn kinh tế Hàm lượng xi măng được lựa chọn là 14% Cọc có đường kính 0.5 m và khoan sâu 25 m, khoảng cách các cọc là 1 m Đối với tải trọng tính toán cho nền nhà xưởng là 1375 kG/m2 thì

độ lún của nền sau khi được xử lý là khoảng 6.6 cm

AND DEFORMATION OF DEEP SOIL MIXING COLUMNS BASE WITH NATURAL BASE AND CALCULATION APPLICATION FOR THE

CONSTRUCTION

According to previous surveys, the soil in the Mekong Delta has a relatively weak soil layer This leads to a large scale of investment in the construction of large-scale projects, requiring the search and application of suitable soil treatment methods, both technically and time-consuming the cost of construction investment To solve this problem, this thesis focuses on analyzing the solution of soil cement mix and applying it to treat the weak soil in Phung Hiep district, Hau Giang province For solution of cement soil, the research focus is to compare the values of cutting resistance and deformation properties of cement mix compared to pure soil samples

In general, all of the physical properties of the soil samples were improved after treatment with cement The higher the cement ratio in the mixture, the higher the value The increase in cutting resistance and deformation modulus increases as the cement content in the mixture is 13% lower When the cement content increases by more than 13%, we see that the increase of the two values is significantly reduced According to the study, the cement content most suitable for the soil in the test area is 14% (equivalent to 209 kg of cement per 1 m3 of soil) The intensity of compression of 14% is 819.7 kN/m2 The value of deformation modulus E50 is

112071 kN/m2 The increase was 38 times and 222 times that of the pure soil sample For soft soil in Hoa An commune, Phung Hiep district, Hau Giang province, we applied the solution of cement soil to treat the weak soil for the workshop is suitable, ensuring both weak technical and economic Selected cement content is 14% The pile has a diameter of 0.5 m and a drill of 25 m, the pile distance is 1 m For the factory load is 1375 kG/m2, the settlement of the background after treatment is about 6.6 cm

Tôi xin cam đoan đây là các công việc do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy PGS TS Võ Phán

Các kết quả trong luận văn này là hoàn toàn đúng sự thật và chưa được công bố ở các nghiên cứu khác trước đây Các biểu đồ, số liệu và tài liệu tham khảo đều được trích dẫn, chú thích ngồn thu thập chính xác rõ ràng

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 2

3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2

4 TÍNH KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 3

4.1 Tính khoa học 3

4.2 Tính thực tiễn 3

5 GIỚI HẠN PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIẢI PHÁP TRỤ ĐẤT XI MĂNG ĐỂ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU 4

1.1 ĐẶC ĐIỂM VÀ TÍNH CHẤT CỦA NỀN ĐẤT YẾU 4

1.1.1 Đặc điểm và tính chất của nền đất yếu 4

1.1.2 Phân loại nền đất yếu 4

1.2 TỔNG QUAN CÁC GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU HIỆN NAY 7

1.3 TỔNG QUAN VỀ GIẢI PHÁP TRỤ ĐẤT XI MĂNG 7

1.3.1 Khái niệm và phạm vi áp dụng 7

1.3.2 Lịch sử ứng dụng trụ đất xi măng trên thế giới và Việt Nam 9

1.3.3 Quan điểm tính toán thiết kế trụ đất xi măng 11

1.3.4 Quy trình thi công trụ đất xi măng 11

1.3.5 Quy trình kiểm tra chất lượng và nghiệm thu trụ đất xi măng 14

1.3.6 Ưu điểm của giải pháp trụ đất xi măng 15

1.4 PHẢN ỨNG CỦA ĐẤT VÀ XI MĂNG 16

1.4.1 Phản ứng của đất và xi măng 16

1.4.2 Sự gia tăng các chỉ tiêu cơ lý của nền xử lý bằng trụ đất xi măng 17

1.5 NHẬN XÉT CHƯƠNG 1 18

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 19

2.1 LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ SỨC CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT 19

2.1.1 Sức chống cắt của đất rời 19

2.1.2 Sức chống cắt của đất dính 19

2.1.3 Công thức xác định sức chống cắt của đất 20

2.1.4 Một số thí nghiệm xác định thông số sức chống cắt trong phòng 21

2.2 LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ BIẾN DẠNG CỦA NỀN ĐẤT 26

2.2.1 Tổng quan về biến dạng của nền đất 26

2.2.2 Thí nghiệm nén lún 29

2.3 CỞ SỞ LÝ THUYẾT CỦA VIỆC ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP CẢI TẠO NỀN ĐẤT YẾU BẰNG XI MĂNG 32

2.3.1 Thành phần hóa học của xi măng Porland 32

2.3.2 Phản ứng hóa học của xi măng khi trộn với đất 34

2.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ TRỤ ĐẤT XI MĂNG 37

2.4.1 Phương pháp tính toán theo quan điểm như nền tương đương 37

2.4.2 Tính toán theo quan điểm trụ đất xi măng làm việc như cọc 38

2.4.3 Tính toán theo quan điểm hỗn hợp của viện kỹ thuật châu á (AIT) 39

2.5 NHẬN XÉT CHƯƠNG 2 41

CHƯƠNG 3: THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN ĐƠN TRỤC VÀ TÍNH BIẾN DẠNG CỦA MẪU ĐẤT TRỘN XI MĂNG 42

3.1 THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC CHỈ TIÊU VẬT LÝ CỦA MẪU ĐẤT NGUYÊN DẠNG, XI MĂNG VÀ NƯỚC 42

3.1.1 Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu vật lý và các thông số sức chống cắt của mẫu đất nguyên dạng 42

3.1.2 Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu vật lý của xi măng 43

3.1.3 Thí nghiệm xác định chỉ tiêu vật lý của mẫu nước dùng làm thí nghiệm 44

3.2 CHẾ BỊ MẪU ĐẤT TRỘN XI MĂNG 44

3.2.1 Dụng cụ chế bị mẫu và dụng cụ thí nghiệm 44

3.2.2 Xác định tỉ lệ xi măng trong hỗn hợp 46

3.2.3 Đúc mẫu 48

3.2.4 Chế độ dưỡng hộ 51

3.3 THÍ NGHIỆM NÉN ĐƠN TRỤC 52

3.3.1 Tiến hành thí nghiệm 52

3.3.2 Kết quả thí nghiệm 54

3.4 SO SÁNH CÁC KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 55

3.4.1 So sánh giá trị cường độ chịu nén đơn trục qu 55

3.4.2 So sánh giá trị Modun biến dạng E50 59

3.4.3 So sánh giá trị dung trọng tự nhiên và độ ẩm 61

3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 63

CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG TRỤ ĐẤT XI MĂNG ĐỂ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU CHO CÔNG TRÌNH: NHÀ XƯỞNG CÔNG TY TNHH THƯƠNG MẠI DỊCH VỤ TNM TỈNH HẬU GIANG 65

4.1 GIỚI THIỆU CÔNG TRÌNH 65

4.1.1 Thông tin chung về công trình 65

4.1.2 Đặc điểm khí hậu thủy văn vùng 66

4.1.3 Số liệu địa chất công trình 66

4.2 TỔNG HỢP SỐ LIỆU TÍNH TOÁN 69

4.2.1 Xác định các chỉ tiêu cơ lý của nền tương đương 69

4.2.2 Xác định tải trọng tác dụng 71

4.3 ỨNG DỤNG KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀO BÀI TOÁN 73

4.3.1 Các mô hình vật liệu 73

4.3.2 Mô hình tính toán 74

4.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 78

KẾT LUẬN - KIẾN NGHỊ 79

1 KẾT LUẬN 79

2 KIẾN NGHỊ 80

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Hình ảnh công trình thi công trụ đất xi măng tiêu biểu 8

Hình 2.1 Đồ thị thể hiện công thức Coulomb ứng với các trường hợp đất khác nhau 20

Hình 2.2 Biểu đồ thể hiện quan hệ giữa ứng suất - biến dạng và các giá trị Modun biến dạng E 23

Hình 2.3 Đồ thị thể hiện quan hệ giá trị lực cắt τ và áp lực σ 24

Hình 2.4 Đồ thị thể hiện quan hệ lực cắt τ và áp lực thẳng đứng σ trong thí nghiệm cắt trực tiếp 25

Hình 2.5 Đồ thị đường cong nén lún 31

Hình 2.6 Phương pháp xác định giá trị E50 32

Hình 3.1 Khuông tạo mẫu Ống nhựa PVC 60 45

Hình 3.2 Dụng cụ trộn hỗn hợp tạo mẫu đất – xi măng 45

Hình 3.3 Cân điện tử xác định hàm lượng xi măng 46

Hình 3.4 Mẫu đất được bảo dưỡng trong điều kiện bão hòa nước 48

Hình 3.5 Dụng cụ đầu khuấy hỗn hợp đất – xi măng 48

Hình 3.6 Công tác trộn hỗn hợp đất – xi măng 49

Hình 3.7 Công tác đúc mẫu 49

Hình 3.8 Mẫu đất – xi măng tỉ lệ 7% 50

Hình 3.9 Mẫu đất – xi măng tỉ lệ 10% 50

Hình 3.10 Mẫu đất – xi măng tỉ lệ 13% 50

Hình 3.11 Mẫu đất – xi măng tỉ lệ 16% 51

Hình 3.12 Bảo dưỡng mẫu trong điều kiện bão hòa nước 51

Hình 3.13 Máy nén đơn trục 52

Hình 3.14 Công tác nén các mẫu trụ đất – xi măng 53

Hình 3.15 Một số hình dạng phá hủy của mẫu 53

Hình 3.16 Biểu đồ so sánh các giá trị cường độ chịu nén đơn (kN/m2) 56

Hình 3.17 Biểu đồ quan hệ giữa giá trị cường độ chịu nén đơn với hàm lượng xi măng trong hỗn hợp ở tuổi mẫu 7 ngày 57

Hình 3.18 Biểu đồ quan hệ giữa giá trị cường độ chịu nén đơn với hàm lượng xi măng trong hỗn hợp ở tuổi mẫu 28 ngày 58

Hình 3.19 Cách xác định giá trị E50 của mẫu đất nguyên dạng 59

Hình 3.20 Biểu đồ so sánh các giá trị Modun biến dạng E (kN/m2) 61

Hình 3.21 Biểu đồ so sánh sự thay đổi giá trị độ ẩm và dung trọng của mẫu đất xi măng theo hàm lượng xi măng 62

Hình 4.1 Vị trí công trình 65

Hình 4.2 Mặt cắt địa chất hố khoan 68

Hình 4.3 Biểu đồ ứng suất gây lún do tải trọng ngoài và ứng suất do trọng lượng bản thân nền đất 72

Hình 4.4 Thông số lớp đất tự nhiên CH 74

Hình 4.5 Thông số lớp đất tự nhiên CL1 74

Hình 4.6 Thông số lớp đất tự nhiên CL2 75

Hình 4.7 Thông số nền tương đương lớp đất CH 75

Hình 4.8 Thông số nền tương đương lớp đất CL1 75

Hình 4.9 Mô hình tính toán 76

Hình 4.10 Mô hình xử lý nền dưới công trình bằng nền tương đương 76

Hình 4.11 Mô hình gia tải 77

Hình 4.12 Kết quả tính toán 77

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Kết quả thí nghiệm xác định các tính chất vật lý và thông số sức chống cắt

của mẫu đất nguyên dạng 42

Bảng 3.2 Các chỉ tiêu vật lý của xi măng 43

Bảng 3.3 Các chỉ tiêu vật lý của nước 44

Bảng 3.4 Bảng thống kê kí hiệu và số lượng các mẫu 46

Bảng 3.5 Bảng thống kê khối lượng đất và xi măng cho từng mẻ trộn 47

Bảng 3.6 Số liệu tổng hợp kết quả từ thí nghiệm nén đơn trục 54

Bảng 3.7 Số liệu tổng hợp thông số cường độ chịu nén đơn qu 55

Bảng 3.8 Bảng so sánh tốc độ thay đổi giá trị cường độ chịu nén đơn theo sự thay đổi hàm lượng xi măng ở tuổi mẫu 7 ngày 57

Bảng 3.9 Bảng so sánh tốc độ thay đổi giá trị cường độ chịu nén đơn theo sự thay đổi hàm lượng xi măng ở tuổi mẫu 28 ngày 58

Bảng 3.10 Số liệu tổng hợp giá trị modun biến dạng E50 60

Bảng 3.11 Bảng so sánh sự thay đổi giá trị độ ẩm và dung trọng của các mẫu đất trộn xi măng 62

Bảng 3.12 Bảng tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý của các mẫu thí nghiệm 63

Bảng 4.1 Vị trí xuất hiện các lớp đất hố khoan đại diện 66

Bảng 4.2 Chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất tự nhiên 67

Bảng 4.3 Công thức xác định chỉ tiêu cơ lý của nền tương đương 69

Bảng 4.4 Chỉ tiêu cơ lý của nền tương đương của lớp đất CH 70

Bảng 4.5 Chỉ tiêu cơ lý của nền tương đương của lớp đất CL1 70

Bảng 4.6 Giá trị tải trọng tính toán 71

as Tỷ lệ giữa diện tích trụ đất xi măng thay thế đất nền

Acol m2 Diện tích tương đối của trụ đất xi măng

Asoil cm2 Tổng diện tích vùng đất xử lý

[Ay] m Là chuyển vị giới hạn cho phép

ccol kN/m2 Lực dính của trụ đất xi măng

csoil kN/m2 Lực dính của đất nền nguyên dạng

ctd kN/m2 Lực dính của nền đất tương đương

cu kN/m2 Độ bền sức chống cắt không thoát nước

Ecol kN/m2 Modun biến dạng của trụ đất xi măng

Esoil kN/m2 Modun biến dạng của đất nền nguyên dạng

Etd kN/m2 Modun biến dạng của nền đất tương đương

E50 kN/m2 Modun biến dạng xác định bằng phương pháp E50

eoi Hệ số rỗng của lớp đất thứ i

hi m Bề dầy lớp đất tính lún thứ i

[M] kN.m Là momen giới hạn của trụ đất xi măng

Q Kg Khối lượng đất ở trạng thái tự nhiên

Qult kN/m2 Là sức chịu tải giới hạn của trụ đất xi măng

Qq kN Sức chịu tải của trụ đất xi măng

q kN/m2 Ngoại lực tác dụng

Si m Tổng độ lún của móng

t % Tỉ lệ xi măng trong hỗn hợp

soil độ Góc ma sát của đất nền nguyên dạng

td độ Góc ma sát của nền đất tương đương

col độ Góc ma sát của trụ đất xi măng

σbt kN/m2 Ứng suất do trọng lượng bản thân

σgl kN/m2 Ứng suất do tải trọng ngoài gây ra

γ kN/m2 Dung trọng lớp đất đắp

MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Đồng bằng Sông Cửu Long đang từng ngày thay da đổi thịt, hòa mình vào sự phát triển chung của cả nước Tuy nhiên đi cùng với sự phát triển với đó, vùng cũng đang phải đối mặt với rất nhiều khó khăn, thách thức cả khách quan lẫn chủ quan Trong đó, điều kiện địa chất tự nhiên không thuận lợi gây ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng cũng như chi phí đầu tư của các công trình xây dựng, hạ tầng giao thông, công nghiệp Từ đó làm giảm đi sức hấp dẫn đối với các nhà đầu tư dẫn đến làm chậm quá trình Công nghiệp hóa – Hiện đại hóa phát triển của vùng

Theo khảo sát, thành phần đất nền tại khu vực đồng bằng sông Cửu Long đa phần là bùn sét, bùn sét hữu cơ, bùn sét pha, mực nước ngầm tương đối cao, chiều dày lớp đất yếu lớn Mực nước ngầm ở độ sâu từ 0.5 – 1.5 m Lớp sét trạng thái dẻo nhão đến dẻo mền có bề dày thay đổi từ 0.7 m đến gần 30 m Vì vậy, quá trình xây dựng các công trình tại những vùng có địa chất yếu, phức tạp như vùng châu thổ đồng bằng sông Cửu Long đòi hỏi các nhà quản lí xây dựng phải tìm kiếm và áp dụng các phương pháp xử lý nền đất yếu phù hợp với điều kiện vùng, thỏa mãn yêu cầu về kỹ thuật, thời gian và chi phí đầu tư hợp lý

Giải pháp trụ đất xi măng đã được du nhập và áp dụng vào nước ta từ khá lâu

nhằm nâng cao chất lượng công tác gia cố nền đất yếu Đề tài “So sánh sự thay đổi giá trị sức chống cắt và tính biến dạng của nền xử lý bằng cọc đất xi măng với nền tự nhiên và ứng dụng tính toán cho công trình” được xem như một nhiệm

vụ quan trọng góp phần nâng cao hiệu quả trong việc đầu tư các công trình xây dựng của vùng đồng bằng sông Cửu Long Thêm vào đó cung cấp thêm nguồn số liệu mang tính tham khảo, góp phần khuyến khích việc áp dụng rộng rãi hơn phương pháp trụ đất xi măng vào xử lý nền đất yếu của vùng

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Đề tài luận văn này tập trung nghiên cứu vào các mục tiêu chính sau:

- Đánh giá, so sánh sự thay đổi giá trị cường độ chịu nén qu và Modun biến dạng E của nền xử lý bằng trụ đất xi măng với nền tự nhiên thông qua thí nghiệm nén nở hông các mẫu đất nguyên dạng và mẫu đất trộn xi măng Từ đó xác định được tỉ lệ xi măng phù hợp nhất cho hỗn hợp đất trộn xi măng

- Tính toán, ứng dụng giải pháp trụ đất xi măng để xử lý nền đất yếu cho công trình nền nhà xưởng tại khu vực huyện Phụng Hiệp, tỉnh Hậu Giang

3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Để giải quyết các mục tiêu chính đã nêu ở trên, đề luận văn này vận dụng các phương pháp nghiên cứu khoa học sau:

- Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu các cơ sở lý thuyết về tính toán và thí nghiệm để xác định các tính chất cơ lý của đất nền Nghiên cứu, ứng dụng các phương pháp tính toán thiết kế trụ đất xi măng cho công trình cụ thể

- Nghiên cứu thực nghiệm: Chế bị mẫu thử và thí nghiệm để tìm ra giá trị phù hợp nhất về hàm lượng xi măng trong hỗn hợp đất trộn xi măng sao cho thỏa mãn nhất cả về điều kiện đảm bảo số kỹ thuật lẫn điều kiện kinh tế

- Nghiên cứu mô phỏng bằng phần mềm: Sử dụng các phần mềm tính toán phần tử hữu hạn để tính toán bài toán bằng mô hình cụ thể

- Tính toán, ứng dụng trụ đất xi măng xử lý nền đất yếu cho công trình cụ thể

4 TÍNH KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

4.1 Tính khoa học

Đề tài luận văn này tập trung làm rõ sự ảnh hưởng chính của hàm lượng xi măng đến việc gia tăng cường độ chịu nén đơn trục và modun biến dạng của đất sau khi được xử lý bằng phương pháp trộn xi măng So sánh sự thay đổi của các giá trị này, từ đó đánh giá hiệu quả của việc xử lý nền đất yếu bằng phương pháp trụ đất xi măng cho nền đất yếu tại khu vực nghiên cứu – huyện Phụng Hiệp, tỉnh Hâu Giang

4.2 Tính thực tiễn

Với việc xác định sự thay đổi các thông số cơ lý của nền đất sau khi được xử

lý bằng phương pháp trụ đất xi măng với các hàm lượng xi măng khác nhau, đề tài luận văn này cung cấp một số thông số kỹ thuật chính mang tính tham khảo trong việc tính toán thiết kế giải pháp trụ đất xi măng để xử lý nền đất yếu

Đồng thời ứng dụng giải pháp giải quyết cho bài toán xử lý nền đất yếu tại khu vực huyện Phụng Hiệp, tỉnh Hậu Giang Từ đó khuyến khích ứng dụng giải pháp này cho toàn bộ nền đất yếu vùng Đồng Bằng Sông Cửu Long nói chung

5 GIỚI HẠN PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Đề tài luận văn này chỉ tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của sự thay đổi hàm lượng xi măng đến cường độ chịu nén và Modun biến dạng trong hỗn hợp đất trộn

xi măng Tính toán được sự thay đổi các chỉ tiêu cơ lý và biến dạng của nền đất yếu trước và sau khi xử lý bằng phương pháp trụ đất xi măng tại khu vực nghiên cứu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIẢI PHÁP TRỤ ĐẤT XI

MĂNG ĐỂ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU

1.1 ĐẶC ĐIỂM VÀ TÍNH CHẤT CỦA NỀN ĐẤT YẾU

1.1.1 Đặc điểm và tính chất của nền đất yếu

Nền đất yếu là những vùng nền đất có khả năng chịu tải trọng công trình

lớn, bão hòa nước, modun biến dạng nhỏ, khả năng kháng cắt thấp Nếu không

có những biện pháp xử lý phù hợp thì việc xây dựng các công trình dân dụng lớn

và giao thông trên nền đất yếu sẽ rất khó khăn, thậm chí không thể thực hiện được do không đảm bảo các yêu cầu về kỹ thuật của công trình Nền đất yếu là nền được hình thành từ 10,000 năm đến 15,000 năm tuổi Ở nước ta, hai vùng đồng bằng châu thổ là đồng bằng sông Cửu Long và đồng bằng sông Hồng là hai vùng có nền đất yếu lớn nhất

Một số đặc trưng có lý của nền đất yếu:

1.1.2 Phân loại nền đất yếu

Các loại nền đất yếu thường gặp ở vùng đồng bằng sông Cửu Long gồm có: nền đất sét mềm, nền đất bùn, nền than bùn và một số loại khác

- Đặc điểm nền đất sét mềm

Là loại đất xét hoặc á sét tương đối chặt, bão hòa nước và có cường độ cao hơn so với bùn Nền sét mềm là giai đoạn đầu của quá trình hình thành đất đá loại sét Tất cả các loại đất này đều được bồi tụ trong nước theo những cách khác nhau với những điều kiện thủy lực tương ứng: bồi tích ven biển, đầm phá, cửa sông, ao hồ, v.v… Trong các loại nền này, nền đất sét mềm được bồi tụ ở ven biển, cửa sông tạo thành một họ đất yếu phát triển nhất Ở trạng thái tự nhiên, độ

ẩm của nền thường bằng hoặc lớn hơn giới hạn chảy, hệ số rỗng lớn (đất sét mền

- Đặc điểm nền đất bùn

Là các lớp đất mới được tạo thành trong môi trường nước ngọt hoặc trong môi trường nước biển, gồm các hạt rất mịn với tỉ lệ phần trăm các hạt < 2μ cao, bản chất khoáng vật thay đổi và thường có kết cấu tổ ong Tỉ lệ phần trăm các chất hữu cơ dưới 10% Bùn được tạo thành chủ yếu do sự bồi lắng tại các đáy biển, vũng, vịnh, hồ, hoặc các bãi bồi cửa sông, nhất là các cửa sông chịu ảnh hưởng của thủy triều Bùn luôn no nước và rất yếu về mặt chịu lực Bùn là trầm tích thuộc giai đoạn đầu của quá trình hình thành đất đá loại sét, được hình thành trong nước, có sự tham gia của các vi sinh vật Độ ẩm của bùn luôn cao hơn giới hạn chảy

Theo thành phần hạt, bùn có thể là á cát, á sét, sét và cũng có thể là cát mịn

và đều có chứa một hàm lượng hữu cơ nhất định (từ 10% đến 12%), càng xuống

sâu hàm lượng này càng giảm Thành phần khoáng vật của bùn bồi đắp vùng biển thường chứa nhiều khoáng vật sét thuộc nhóm ilit và monmorilonit, còn trong bùn bồi đắp trong nước ngọt thì chứa nhiều ilit và kaolinit

Cường độ chịu nén của bùn rất nhỏ, biến dạng rất lớn, modun biến dạng

- Đặc điểm nền than bùn

Loại nền than bùn có nguồn gốc từ các chất hữu cơ và thường được hình thành từ đầm lầy, nơi đọng nước thường xuyên hoặc có mực nước ngầm cao Các loại thực vật ở đây phát triển, thối rửa và phân hủy, tạo ra các trầm tích hữu

cơ lẫn với các trầm tích khoáng vật Loại đất này thường được gọi là đất đầm lầy than bùn, hàm lượng hữu cơ lớn từ 20% đến trên 80%

Trong điều kiện tự nhiên, than bùn có độ ẩm rất cao, trung bình từ 85% đến 95% và có thể lên đến vài trăm phần trăm Than bùn là loại nền đất có thời gian nén lún lâu dài, không đồng đều và mạnh nhất Hệ số nén lún 0.038 đến 0.1

chúng: hàm lượng hữu cơ từ 20 - 30%: đất nhiễm than bùn; hàm lượng hữu cơ từ

30 - 60%: đất than bùn; hàm lượng hữu cơ trên 60%: than bùn

- Một số loại nền đất yếu khác

Nền cát chảy: là nền đất cát hạt mịn, hàm lượng hạt 0.002 mm đến 0.005

mm chiến từ 60% đến 70% Cát chảy có kết cấu rời rạc, khi bị bão hòa nước có thể bị nén chặt hoặc pha loãng đáng kể Khi chịu một áp lực hoặc một ứng suất thủy động sẽ xảy ra hiện tượng chảy của đất Ở trạng thái tự nhiên, nền cát chảy

có cường độ và khả năng chịu lực tương đối cao Nhưng khi bị phá hoại kết cấu

và làm rời rạc thì không còn tính chất đó nữa, nền cát chuyển sang trạng thái chảy như chất lỏng

Nền đất Bazan: phân bố chủ yếu ở vùng tây nguyên, là sản phẩm từ quá trình hoạt động của núi lửa Nền đất bazan là nền đất có độ rỗng lớn, khả năng thấm nước cao, có tính chất tương tự như nền lún sụp

1.2 TỔNG QUAN CÁC GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU HIỆN NAY

Đối với những khu vực nền đất yếu có tính nén lún cao như vùng đồng bằng sông Cửu Long thì để tăng nhanh tốc độ lún của nền và giảm thiểu độ lún

dư của nền đắp khi khai thác sử dụng thì việc sử dụng các biện pháp tiêu nước thẳng đứng như bất thấm, giếng cát…kết hợp gia tải trước đem lại hiệu quả cao Ngoài ra, để gia tăng cường độ, giảm độ lún cho nền đất yếu cũng như đảm bảo tính ổn định của nền đất đắp thì các biện pháp như cọc vật liệu rời, trụ đất xi măng,…là những giải pháp mang lại hiệu quả cao hơn Trong các giải pháp nêu trên, giải pháp trụ đất xi măng mang nhiều đặc điểm phù hợp nhất đối với việc

xử lý nền đất yếu cho khu vực vùng đồng bằng sông Cửu Long

1.3 TỔNG QUAN VỀ GIẢI PHÁP TRỤ ĐẤT XI MĂNG

1.3.1 Khái niệm và phạm vi áp dụng

Trụ đất xi măng là hỗn hợp giữa đất nguyên trạng nơi nền đất cần gia cố và

xi măng hoặc hỗn hợp vữa xi măng được phun xuống nền bởi thiết bị khoan phun Mũi khoan được khoan xuống làm tơi đất cho đến hết độ sâu nền cần xử

lý, sau đó quay ngược lại và di chuyển lên trên Trong quá trình di chuyển lên trên, xi măng được phun vào nền đất bằng áp lực khí nén đối với hỗn hợp khô hoặc bằng bơm vữa đối với hỗn hợp vữa xi măng Đây là một trong những phương pháp hiệu quả để gia cố nền đất yếu, đặc biệt phổ biến cho các công trình giao thông và thủy lợi

Giải pháp trụ đất xi măng với mục đích chính là cải thiện các đặc trưng của đất nền như tăng cường độ kháng cắt, giảm tính nén lún bằng cách trộn đất nền với xi măng (hoặc vữa xi măng) để chúng tương tác với đất Quá trình này có được nhờ sự trao đổi ion tại bề mặt các hạt sét, gắn kết các hạt đất lại với nhau

và lấp đầy các lỗ rỗng bởi các sản phẩm của phản ứng hóa học

Hình 1.1 Hình ảnh công trình thi công trụ đất xi măng tiêu biểu

Trụ đất xi măng được thi công tạo thành theo phương pháp khoan trộn sâu Dùng máy khoan và các thiết bị chuyên dùng (cần khoan, mũi khoan, ) khoan vào đất với đường kính và chiều sâu lỗ khoan theo thiết kế Đất trong quá trình khoan không được lấy lên khỏi lỗ khoan mà bị phá vỡ kết cấu, được các cánh mũi khoan nghiền tơi, trộn đều với chất kết dính (chất kết dính thông thường là

xi măng hoặc vôi, thạch cao…đôi khi có thêm chất phụ gia và cát) Phương pháp

xử lý bằng trụ đất xi măng khá đơn giản: bao gồm một máy khoan với hệ thống lưới có đường kính thay đổi tùy theo đường kính cọc được thiết kế và các xi lô

chứa xi măng có gắn máy bơm nén với áp lực nén lên tới 12 kG/cm2

Các máy khoan của Thụy Điển và Trung Quốc có khả năng khoan sâu đạt đến 35 m và tự động điều chỉnh định vị cần khoan luôn thẳng đứng Trong quá trình khoan lưỡi khoan được thiết kế để trộn hỗn hợp đất và xi măng lại với nhau, xi măng khô được phun định lượng liên tục và trộn đều tạo thành trụ đất xi măng

Quá trình phun hoặc bơm chất kết dính để trộn với đất trong hố khoan, tùy theo yêu cầu có thể được thực hiện ở cả hai pha khoan xuống và rút lên của mũi khoan hoặc chỉ thực hiện ở pha rút mũi khoan lên Để tránh lãng phí xi măng, hạn chế xi măng thoát ra khỏi mặt đất gây ô nhiễm môi trường thông thường khi rút mũi khoan lên còn cách mặt đất từ 0.5 m đến 1.5 m người ta dừng phun chất kết dính Nhưng trong thực tế, đoạn cọc 0.5 m đến 1.5 m này vẫn được bơm đầy

đủ là do chất kết dính còn lại trong ống tiếp tục được bơm ra trong khi mũi khoan rút lên khỏi mặt đất Sau khi mũi khoan đã rút lên khỏi mặt đất, hỗn hợp đất và chất kết dính dần dần đông cứng lại tạo thành trụ đất xi măng

Hiện nay, ở Việt Nam phổ biến hai công nghệ thi công trụ đất xi măng là: Công nghệ trộn khô (Dry Jet Mixing) là quá trình phun trộn xi măng khô với đất

và Công nghệ trộn ướt (Wet Mixing hay còn gọi là Jet-Gruoting) là quá trình bơm trộn vữa xi măng với đất

1.3.2 Lịch sử ứng dụng trụ đất xi măng trên thế giới và Việt Nam

Trụ đất xi măng ban đầu phát triển tại Thụy Điển và Nhật Bản từ những năm 60 Công nghệ phun khô dùng vôi bột chưa tôi và trộn ướt dùng vữa xi măng được áp dụng tại Nhật Bản từ những năm 70 Trong khoảng thời gian đó, trụ đất vôi cũng ra đời ở Thụy Điển Gần đây, hỗn hợp xi măng, vôi với thạch cao, tro bay, xỉ cũng đã được giới thiệu và trở nên phổ biến trên thế giới Giải pháp trụ đất xi măng nói chung được phân loại theo chất kết dính gồm có: xi măng, vôi, thạch cao,…và theo phương pháp trộn gồm có: khô, ướt, phun tia, guồng xoắn hoặc lưỡi cắt,…

Hiện nay, nước áp dụng công nghệ trụ đất xi măng nhiều nhất là Nhật Bản

và các nước vùng Scandinaver Theo thống kê của hiệp hội CDM Nhật Bản, tính

xi măng đất cho cả các dự án ngoài biển và lẫn trong đất liền Tại Trung Quốc, công tác nghiên cứu được bắt đầu từ năm 1970, mặc dù ngay từ cuối những năm 1960, các kỹ sư Trung Quốc đã học hỏi phương pháp trộn vôi dưới sâu và CDM từ Nhật Bản Thiết bị trộn sâu dùng trên đất liền xuất hiện đầu tiên năm 1978 và ngay lập tức được sử dụng để xử lý nền các khu công nghiệp ở Thượng Hải Tổng khối lượng xử lý bằng công nghệ trộn sâu ở Trung Quốc cho đến ngày nay

Trung Quốc đã tạo ra sự thúc đẩy cho những bước tiến của công nghệ CDM ở Trung Quốc, công trình hợp tác đầu tiên giữa hai nước là là cảng Yantai

Các trụ đất xi măng này thường được bố trí trong thân, vai hoặc ở chân các

bờ đắp, dưới nền móng công trình, trên mái dốc,… có tác dụng gia cố một phần hoặc toàn bộ nền Mục tiêu gia cố là ngăn chặn trượt mái, đẩy trồi và lún không đều Ngoài ra, trụ đất xi măng còn có tác dụng như một kết cấu ngăn dòng thấm

và chống lại hiện tượng hóa lỏng đất

Tại Việt Nam, phương pháp này đã được nghiên cứu từ những năn đầu của thập kỷ 80 (thế kỷ trước) Một số công trình sử dụng giải pháp trụ đất xi măng trong gia cố nền đất yếu tiêu biểu của Việt Nam gồm có:

- Nhà máy điện Nhơn Trạch I Đồng Nai với tổng chiều dài trụ đất xi măng đã thi công là hơn 15,000 m;

- Đường nối hầm Thủ Thiêm với đại lộ Đông Tây với tổng chiều dài trụ đất xi măng đã thi công là 100,000 m;

- Hầm chui đường sắt vành đai đường Láng Hòa Lạc km 7+358 với tổng chiều dài trụ đất xi măng đã xử lý là 150,000 m;

- Đường băng sân bay và đường dẫn vào sân đỗ cảng hàng không Cần Thơ với tổng chiều dài trụ đất xi măng tất cả các hạng mục là hơn 330,000 m

1.3.3 Quan điểm tính toán thiết kế trụ đất xi măng

Hiện nay, việc tính toán trụ đất xi măng được xem xét theo ba quan điểm: Quan điểm xem trụ đất xi măng làm việc như cọc: Việc tính toán theo sơ đồ này yêu cầu vật liệu chế tạo trụ đất xi măng phải có độ cứng lớn và chiều sâu cọc phải được đưa xuống đến tầng đất cứng có khả năng chịu tải Lúc này, toàn bộ tải trọng công trình truyền xuống chủ yếu đi vào các cọc, đất nền dưới đáy móng xung quanh các trụ đất xi măng không chịu tải Nếu cọc không đưa xuống tầng đất chịu lực, có thể tính toán sức chịu tải theo phương pháp cọc ma sát

Quan điểm xem như nền tương đương: Theo quan điểm tính toán này thì trụ đất xi măng và đất nền được xem như một nền làm việc đồng nhất với các giá trị thông số sức chống cắt và biến dạng được nâng cao Các giá trị tương đương này được tính toán dựa trên giá trị ban đầu của đất nguyên dạng, vật liệu chế tạo trụ đất xi măng và tỉ số diện tích đất bị thay thế bởi trụ đất xi măng

Quan điểm tính toán kết hợp cả hai quan điểm trên Tức khi tính toán sức chịu tải của nền thì áp dụng tính toán như đối với nền móng cọc, còn tính toán độ lún thì xem như nền tương đương với các chỉ tiêu cơ lý của nền được nâng cao

1.3.4 Quy trình thi công trụ đất xi măng

1.3.4.1 Công nghệ thi công trộn ướt Jet-Grouting

Công nghệ trộn ướt Jet Grouting (khoan phụt vữa cao áp) được phát minh ở Nhật Bản vào năm 1970 Khoan phụt vữa cao áp là một quá trình bê tông hóa đất Nhờ có tia nước và tia vữa phun ra với áp suất cao (200 ÷ 400 atm) và vận tốc lớn ≥ 100 m/s làm cho các phần tử đất xung quanh lỗ khoan bị xói tơi ra, hòa trộn với vữa và đông cứng tạo thành một khối đồng nhất

Trụ đất xi măng trong nền có vai trò giữ ổn định cho nền và chống thấm Hiệu quả chống thấm của trụ đạt được tùy thuộc vào cách lựa chọn loại vữa thích hợp, hàm lượng của nó, cũng như loại đất và lượng đất còn lại trong trụ, trong nhiều trường hợp cần bổ sung thêm bentonite Cường độ chịu nén của hỗn hợp

đất xi măng vào khoảng 800 ÷ 1200 kN/m2, phụ thuộc vào hàm lượng xi măng

và tỉ lệ đất còn lại trong khối đất xi măng

Công nghệ đơn pha (công nghệ S): với công nghệ này, hỗn hợp vữa xi măng được phun ra với vận tốc 100 m/s, vừa cắt vào đất vừa trộn vữa với đất một cách đồng thời, tạo ra được một trụ đất xi măng đồng đều với độ cứng cao

và hạn chế được hiện tượng đất bị trào ngược lên

Cấu tạo đầu khoan gồm một hoặc nhiều lỗ phun vữa, các lỗ phun có thể được bố trí ngang hàng nhau hoặc lệch hàng và phải có độ lệch góc đều nhau Công nghệ đơn pha dùng cho các trụ đất xi măng vừa và nhỏ, thường từ 0.5 m đến 0.8 m

Công nghệ hai pha (công nghệ D): ở đây hỗn hợp vữa xi măng được phun

ra kết hợp với không khí Hỗn hợp vữa vẫn được nén và bơm ở áp suất cao với vận tốc trung bình khoảng 100 m/s và được trợ giúp bởi một tia khí nén bao bọc quanh vòi phun Vòng khí nén này sẽ làm giảm ma sát giữa vữa và đất, cho phép vữa xâm nhập sâu hơn vào trong đất theo chiều ngang, do vậy tạo ra được cọc có đường kính lớn hơn Tuy nhiên dòng khí lại làm giảm độ cứng của trụ đất xi măng so với công nghệ phun đơn tia và đất bị trào ngược nhiều hơn

Cấu tạo đầu khoan gồm có một hoặc nhiều lỗ phun, bố trí ngang hàng hoặc lệch hàng và có độ lệch góc đều nhau để phun hỗn hợp vữa khí Khe phun khí nằm bao quanh lỗ phun vữa Công nghệ hai pha tạo ra được cọc có đường kính lớn hơn công nghệ một pha, đường kính cọc có thể đạt tới 1.2 m đến 1.5 m Công nghệ ba pha (công nghệ T): với công nghệ ba pha, quá trình phun có

cả vữa, không khí và nước Không giống với công nghệ một pha và hai pha, nước được bơm dưới áp suất cao và kết hợp với dòng khí nén xung quanh vòi nước làm cho không khí bị đuổi ra khỏi trụ đất xi măng Vữa được bơm qua một vòi riêng biệt nằm giữa vòi khí và vòi nước để lắp đầy khoảng trống của khí Công nghệ phun ba pha là phương pháp thay thế đất hoàn toàn, đất bị thay thế sẽ

bị trào ngược lên mặt đất và được thu gom xử lý

Cấu tạo của đầu khoan gồm một hoặc nhiều lỗ kép để phun nước và không khí đồng thời và một hoặc nhiều lỗ đơn nằm thấp hơn để phun vữa Nói chung mỗi cặp lỗ phun khí nước và vữa đều nằm đối xứng qua tâm trục của đầu khoan Các cặp lỗ được bố trí lệch góc đều nhau Trụ đất xi măng tạo ra bằng công nghệ này có thể đạt đường kính lớn hơn 3 m

1.3.4.2 Công nghệ trộn khô Dry Jet Mixing (DJM)

Phương pháp trộn khô đã được ứng dụng từ giữa thập niên 70 của thế kỷ trước, bắt đầu ở Thụy Điển và Phần Lan Trong những năm 80 và 90, việc ứng dụng phương pháp này được phổ biến nhanh chóng ở các nước Bắc Âu và Nhật Bản Ngoài ra ở Italy, các thiết bị thi công trộn sâu bằng phương pháp trộn khô cũng đã được nghiên cứu và phát triển Công nghệ này sử dụng cần khoan có gắn các cánh cắt đất để trộn hỗn hợp khô như xi măng hoặc vôi với đất Các cánh cắt các nhiệm vụ này đánh tơi đất sau đó trộn đất với xi măng bơm theo trục khoan nhằm gia tăng cường độ và giảm độ lún của nền

Ngoài xi măng và vôi, các loại bột khô khác hoặc các thành phần khác với kích thước hạt nhỏ hơn 5 mm cũng có thể được sử dụng Chủng loại và chất lượng của hỗn hợp được sử dụng là độc lập, phù hợp với các tính chất của nền đất cũng như các yêu cầu cơ học cụ thể của loại đất được xử lý Tùy theo từng loại đất mà hàm lượng vôi hoặc xi măng có thể được điều chỉnh cho thích hợp DJM sử dụng một hệ thống giám sát tự động cung cấp các số liệu liên tục về chiều sâu trộn đất, độ sâu, tốc độ rút cần cũng như tốc độ xoay của cần khoan

Các công nghệ tạo ra trụ đất xi măng DJM

Công nghệ Nhật Bản: Sử dụng rất nhiều loại máy, có một cần hay nhiều cần khoan, mỗi cần có đầu trộn nhiều lưỡi cắt đường kính từ 0.8 đến 1.3 m, khả năng khoan sâu đến hơn 30 m Xi măng hoặc vôi được bơm đến đầu trộn nhờ khí nén Các thiết bị cải tiến có đầu chụp ngăn bụi xi măng phụt lên khỏi mặt đất Lỗ phun xi măng nằm cả phía trên, phía dưới hệ lưỡi cắt hoặc ở đầu trục khoan, xi măng được phun trong một pha hoặc cả hai pha của hành trình khoan Khối lượng xi măng và áp lực nén đều được kiểm soát tự động và liên tục

Công nghệ Bắc Âu: Công nghệ Bắc Âu cho phép tạo cọc đến chiều sâu 25

so với phương đứng Máy có một cần khoan, lỗ phun xi măng đặt ở đầu cần trộn Năng lượng trộn và khối lượng xi măng sẽ được quan trắc và trong nhiều trường hợp được kiểm soát tự động để đảm bảo cọc được tạo ra một cách đồng đều nhất Đầu trộn được khoan xuyên sâu xuống đến độ sâu thiết kế, khi rút lên xi măng được phun qua lỗ ở đầu cần trộn thông qua hệ thống ống dẫn bên trong cần trộn Đất và xi măng được trộn đều nhờ đầu trộn được quay trong mặt phẳng ngang

Cả hai pha có thể được lặp lại nhiều lần tại một vị trí nếu cần Tốc độ quay của đầu trộn và tốc độ rút lên đều có thể hiệu chỉnh để đạt được độ đồng nhất mong muốn Các thiết bị tiên tiến được phát triển chứa được cả khí lẫn xi măng

1.3.5 Quy trình kiểm tra chất lượng và nghiệm thu trụ đất xi măng

Trong quá trình thi công trụ đất xi măng cần tuân thủ đúng và đảm bảo các yêu cầu của thiết kế Cần có hệ thống theo dõi các thống số kỹ thuật trong quá trình thi công, bao gồm: hàm lượng xi măng, tốc độ quay đầu trộn, tốc độ di chuyển lên xuống của đầu trộn, lưu lượng bơm và áp lực bơm Những thông số này phải được theo dõi liên tục thông qua các đồng hồ trên thiết bị và làm căn cứ

để điều chỉnh trong quá trình thi công

Sau khi quá trình khoan hoàn thành cần tiến hành kiểm tra và nghiệm thu Công tác kiểm tra, nghiệm thu phải được thực hiện trước khi tiến hành các công tác tiếp theo của công trình Các thông số cần kiểm tra gồm có: kích thước, vị trí từng trụ đất xi măng và cường độ của trụ Kích thước của trụ được kiểm tra bằng thước và máy trắc đạt Cường độ của trụ được kiểm tra bằng thí nghiệm nén trên mẫu được khoan trực tiếp từ một hoặc nhiều trụ tại công trình

Số lượng trụ khoan kiểm tra phụ thuộc vào quy mô công trình, quy mô xử

lý Trụ được khoan kiểm tra cường độ ở 14 ngày tuổi (sau đó được tính quy đổi

về 28 ngày tuổi) hoặc để đạt 28 ngày thì mới tiến hành khoan kiểm tra Vị trí khoan kiểm tra tại tim trụ Trong lỗ khoan kiểm tra, mẫu lõi khoan được lấy 100% để kiểm tra độ đồng nhất và tính liên tục của trụ Đường kính tối thiểu của

mẫu khoan là 7.6 cm Mẫu thí nghiệm từ lõi khoan được phân bổ trên suốt chiều dài trụ Số lượng mẫu thí nghiệm cách 2 m chiều dài trụ ta lấy một mẫu

1.3.6 Ưu điểm của giải pháp trụ đất xi măng

Giải pháp trụ đất xi măng so với một số giải pháp xử lý nền đất yếu hiện nay thì công nghệ này có ưu điểm nổi bật là khả năng xử lý sâu lên đến 50 m, thích hợp với nhiều loại nền yếu (từ cát thô cho đến bùn sét yếu) Ngoài ra, giải pháp trụ đất xi măng còn có thể thi công được trong nhiều điều kiện khó khăn như ngập nước ít hay diện tích thi công chật hẹp Trong nhiều trường hợp mang lại hiệu quả về mặt kinh tế rất rõ rệt so với các giải pháp xử lý khác

Tổng kết một số ưu điểm nổi bật của giải pháp:

- Thời gian thi công nhanh, do đặc điểm của công nghệ và kỹ thuật thi công không quá phức tạp, không có nhiều yếu tố rủi ro

- Hiệu quả kinh tế mang lại cao do giá thành giảm đi khá nhiều so với các giải pháp xử lý nền bằng cọc bê tông cốt thép Đặc biệt ý nghĩa đối với các công trình giao thông, công trình công nghiệp có diện tích cần xử lý lớn và trong tình hình giá thành vật liệu xây dựng leo thang như hiện nay

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

- Khả năng xử lý sâu (khả năng lên đến 50 m)

- Địa chất nền là cát rất phù hợp với công nghệ gia cố xi măng

- Dễ dàng điều chỉnh cường độ bằng cách điều chỉnh hàm lượng xi măng khi thi công Công nghệ thi công không quá phức tạp khiến cho công tác quản lý chất lượng thi công được dễ dàng

- Do tính chất đặc trưng của xi măng mà giải pháp trụ đất xi măng còn được

áp dụng như giải pháp tường ngăn dòng thấm cho các công trình hố đào sâu hoặc công trình thủy lợi Lúc này, các trụ đất xi măng được khoan thành các dãy nối liền với nhau tạo thành một khối thống nhất

1.4 PHẢN ỨNG CỦA ĐẤT VÀ XI MĂNG

1.4.1 Phản ứng của đất và xi măng

Khi xi măng được đưa vào trong đất thông qua thiết bị khoan, nước trong lỗ rỗng của đất kết hợp với xi măng tạo thành các sản phẩm hóa học gồm hydrated calcium silicate, hydrated calcium aluminate và vôi tôi Quá trình này được gọi

là quá trình thủy hợp xi măng Trong quá trình đông cứng, các hạt xi măng kết dính lại với nhau tạo nên một khung kết cấu hạt chắc chắn bao quanh xem lẫn với các hạt sét của đất

Hiệu quả của việc xử lý nền bằng xi măng hoặc vôi sẽ kém khi độ ẩm và hàm lượng hữu cơ trong đất tăng cao Chỉ số dẻo của đất càng lớn thì khả năng cải tạo nền càng kém Hiệu quả của việc xử lý nền bằng xi măng sẽ giảm dần khi hàm lượng sét và chỉ số dẻo gia tăng Một cách tổng quát, khi độ linh hoạt của sét càng lớn thì cường độ của đất xử lý bằng xi măng càng thấp Tuy nhiên điều này lại xảy ra ngược lại với vôi vì cường độ của đất trộn vôi chủ yếu phụ thuộc vào sự tham gia của hạt sét trong phản ứng pozzolan Đối với đất trộn xi măng thì cường độ này chủ yếu phụ thuộc vào sự xi măng hóa trong quá trình thủy hợp Đối với nền có hàm lượng hữu cơ cao thì việc cải tạo bằng xi măng hiệu quả hơn cải tạo bằng vôi

Trong trường hợp đất có hoạt tính pozzolan cao thì đặc trưng cường độ của đất trộn xi măng chủ yếu phụ thuộc vào ứng xử về cường độ của những hạt xi măng đông cứng Trong trường hợp đất có hoạt tính pozzolan thấp thì đặc trưng cường độ của đất trộn xi măng chủ yếu phụ thuộc vào ứng xử về cường độ của những hạt đất đông cứng Vì vậy, nếu điều kiện cải tạo đất nền như nhau thì loại đất nào có hoạt tính pozzolan cao hơn cho cường độ cao hơn Những phản ứng pozzolan lâu dài sẽ thuận lợi khi độ pH lớn vì phản ứng sẽ được thúc đẩy nhanh nhờ độ hòa tan của silicate và aluminate trong hạt sét gia tăng

1.4.2 Sự gia tăng các chỉ tiêu cơ lý của nền xử lý bằng trụ đất xi măng

Nguyên lý làm việc chung của giải pháp trụ đất xi măng là thay thế nền đất yếu dưới đáy công trình bằng lớp nền tương đương có các chỉ tiêu cơ lý được cải thiện Sự cải thiện này có được là do các phản ứng hóa học và quá trình ninh kết của xi măng trong đất Quá trình ninh kết này tạo thành các kết cấu mới rắng chắc hơn bao quanh các hạt đất Ngoài ra, trong một số trường hợp trụ đất xi măng được tính toán như một cọc cứng, với độ cứng của cọc là độ cứng của hỗn hợp đất và xi măng

Khi hỗn hợp xi măng dưới dạng bột hoặc vữa xi măng được đưa vào nền, đầu tiên nó chiếm thể tích lỗ rỗng của đất làm giảm áp lực lỗ rỗng trong đất Sau

đó xảy ra quá trình ninh kết hình thành các trụ đất xi măng trong nền Chỉ tiêu kháng cắt của trụ đất xi măng lớn hơn của đất nền tự nhiên rất nhiều, do đó làm thay đổi các thông số chung của nền đất hỗn hợp giữa trụ đất xi măng và nền tự nhiên quanh cọc

2 Việc sử dụng xi măng (hoặc vôi) để cải tạo nền đất yếu đã được nghiên cứu và

sử dụng từ rất sớm Từ lâu, các chuyên gia từ Nhật Bản và Thụy Điển đã nghiên cứu và thử nghiệm giải pháp này trong thời gian dài Ứng dụng phổ biến và mang lại hiệu quả nhất của giải pháp đó là cải tạo nền đất yếu dưới nền đường, nền nhà xưởng và các công trình thủy lợi

3 Tại Việt Nam, giải pháp này cũng đã được phát triển và ứng dụng rộng rãi tại rất nhiều công trình, mang lại hiệu quả cao cả về mặt kỹ thuật lẫn kinh tế

4 Dựa vào các nghiên cứu về phản ứng giữa đất và xi măng, ta thấy giải pháp trụ đất xi măng rất thích hợp trong việc xử lý nền đất yếu cho các công trình tại vùng đồng bằng sông Cửu Long

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ SỨC CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT

Trong thực tế, khi ta gia tăng tải trọng hoặc gia tăng ứng suất trong nền đất cho đến khi đạt biến dạng quá lớn, tức bị phá hoại không thể phục hồi thì ta có thể nói đất nền dưới móng của công trình hay nền đất đắp đạt trạng thái giới hạn Điều này được dùng như một định nghĩa sức kháng của đất tương ứng với ứng suất lớn nhất mà đất có thể gánh đỡ Trong lĩnh vực cơ học đất, người ta gọi đó

là sức kháng cắt của đất (hay sức chống cắt của đất)

2.1.1 Sức chống cắt của đất rời

Đối với các loại đất rời như sỏi, sạn, đá dăm và cát không chứa các hạt mịn thì sức chống cắt chỉ có duy nhất thành phần ma sát Thành phần ma sát này bao gồm: ma sát trượt khi các hạt trượt lên nhau, ma sát lăn khi các hạt lăn tròn lên nhau và ma sát gài móc giữa các hạt với nhau Loại ma sát này phụ thuộc vào hình dạng của hạt, dạng cấu trúc khung hạt và trạng thái của đất Trong đất giữa hai hạt đất thường gồm cả ma sát trượt và ma sát lăn, hạt đất từ vị trí này dưới tác dụng của lực cắt đủ lớn sẽ di chuyển đến vị trí khác có thể do trượt hoặc lăn hoặc bao gồm cả trượt và lăn Thông thường khó phân biệt hai loại ma sát này

2.1.2 Sức chống cắt của đất dính

Các loại đất dính như đất hạt mịn có tỉ lệ diện tích bề mặt lớn hơn nhiều so với đất không dính như cát, sỏi nên lực bề mặt có ảnh hưởng không kém phần quan trọng so với lực thể tích Sức chống cắt của đất dính gồm hai thành phần là thành phần ma sát giống đất hạt thô và thành phần thứ hai được gọi là lực dính,

kí hiệu là c Các loại lực bề mặt này gây ra lực dính khó xác định được một cách chính xác Lực dính của đất là lực liên kết giữa các hạt, không là một hằng số đặc trưng cho một loại đất mà nó phụ thuộc vào lực tác động lên khung hạt

Trong trường hợp đất dính bão hòa nước, tỷ số giữa lực tác động với lực dính được gánh đỡ bởi khung hạt tùy thuộc vào độ thoát nước lỗ rỗng thặng dư

Vì lực gánh đỡ bởi áp lực nước lỗ rỗng không sinh ra lực ma sát Như thế sẽ có hai biên giới hạn: sức chống cắt ứng với điều kiện áp lực nước lỗ rỗng thặng dư thoát hết (áp lực nước lỗ rỗng thặng dư bằng không) và sức chống cắt ứng với điều kiện không thoát nước lỗ rỗng thặng dư

2.1.3 Công thức xác định sức chống cắt của đất

Sức chống cắt của đất tại một điểm trên một mặt phẳng là một hàm tuyến tính theo ứng suất pháp tuyến trên mặt đó Năm 1776 Coulomb đã đưa ra công thức xác định sức chống cắt của đất như sau:

(2.1) Trong đó:

Sau này, Terzaghi mới chứng minh rằng sức chống cắt của đất phụ thuộc vào ứng suất pháp hữu hiệu chứ không phải vào ứng suất pháp tổng, vì chỉ có phần ứng suất pháp tuyến hữu hiệu phát sinh ma sát và công thức được ông viết lại dưới dạng:

(2.2) Trong đó:

σ': ứng suất hữu hiệu

υ’: góc ma sát nội tại của đất (độ)

Tính toán kết quả thí nghiệm:

được xác định theo công thức sau:

Trong đó:

bằng số đọc của đồng hồ nhân với hệ số vòng lực của thiết bị thí nghiệm

A: diện tích tiết diện mẫu khi bị phá hoại, lúc này mẫu đất không còn giữ được

mẫu lúc này được xác định theo công thức:

(2.4)

Với ε là biến dạng tương đối theo phương đứng của mẫu đất thí nghiệm, là

tỷ số không thứ nguyên của biến thiên chiều dài Δh (tại thời điểm phá hoại) đối

(2.5)

Ngoài ra, từ thí nghiệm nén đơn trục, dựa vào định luật Hooke, ta có mối

Với E là modun biến dạng của đất, là tỷ số giữa ứng suất tác dụng lên mẫu đất thí nghiệm và biến dạng của mẫu tương ứng hoặc là độ dốc của đường cong quan hệ ứng suất và biến dạng Modun biến dạng E được chia thành hai loại ứng

quát (gồm cả biến dạng đàn hồi và biến dạng dư)

Hình 2.2 Biểu đồ thể hiện quan hệ giữa ứng suất - biến dạng và các giá trị

Modun biến dạng E

Thí nghiệm nén đơn trục phù hợp để xác định thông số sức chống cắt của

một vòng tròn Mohr ứng suất tổng Cường độ chịu nén đơn hay sức chịu nén một

định nghĩa là một phần hai của cường độ chịu nén đơn Lúc này ta có phương trình sức chống cắt không thoát nước có dạng:

(2.7) (2.8) (2.9)

Hình 2.3 Đồ thị thể hiện quan hệ giá trị lực cắt τ và áp lực σ

đó Sức kháng cắt gây ra bởi đất khi cho một phần của mẫu trượt lên phần còn lại

và được đo sau từng khoảng dịch chuyển đều đặn Sự phá hoại mẫu xảy ra khi sức kháng cắt của đất đạt giá trị cực đại mà đất có thể chịu được

Thí nghiệm cắt trực tiếp có khuyết điểm là mặt cắt đã được định sẵn trước,

có thể không phải là trường hợp nguy hiển nhất trong thực tế phá hủy và tiết diện cắt bị thay đổi liên tục trong quá trình cắt

Thông thường, một thí nghiệm cắt trực tiếp được tiến hành ít nhất với ba ứng suất pháp σ khác nhau, nhưng nếu cần chính xác hơn, loại bỏ sai số chủ quan thí nghiệm vẫn có thể tiến hành với nhiều hơn ba ứng suất pháp tuyến σ

Tính toán kết quả thí nghiệm:

- Ứng suất cắt τ đƣợc xác định nhƣ sau:

(2.10) Với: R là hệ số vòng (chuyển từ giá trị chuyển vị sang giá trị lực), phụ thuộc và từng loại thiết bị thí nghiệm