Nghiên cứu ứng dụng phương pháp cọc xi măng đất theo công nghệ nhật bản trong gia cố nền đất yếu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HỌ VÀ TÊN HỌC VIÊN: LÝ DUYÊN LỘC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP CỌC XI MĂNG ĐẤT THEO CÔNG NGHỆ NHẬT BẢN TRONG GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

TRONG GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU

NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP - 60580208

S K C0 0 5 8 3 0

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

HỌ VÀ TÊN HỌC VIÊN: LÝ DUYÊN LỘC

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP CỌC XI MĂNG ĐẤT THEO CÔNG NGHỆ NHẬT BẢN

TRONG GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

TRONG GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU

NGÀNH: XÂY DỰNG DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP- 60580208

Hướng dẫn khoa học: TS TRẦN VĂN TIẾNG

Tp Hồ Chí Minh, tháng 02/2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi, được thực hiện dưới sự hướng

dẫn khoa học của TS Trần Văn Tiếng

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2018

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Lý Duyên Lộc

LỜI CẢM ƠN

Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Ban giám hiệu, quý thầy cô trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện, giúp đỡ để tôi có môi trường học tập và thực hiện đề tài nghiên cứu này

Đặc biệt gửi lời cảm ơn đến thầy TS Trần Văn Tiếng là người trực tiếp giảng

dạy và hướng dẫn tôi thực hiện đề tài nghiên cứu này

Xin cảm ơn gia đình đã động viên tôi trong suốt quá trình học tập và làm việc Cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp đã luôn khích lệ để tôi vượt qua những khó khăn Mặc dù đã có nhiều cố gắng, tuy nhiên vẫn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự đóng góp quý báu của thầy cô và các bạn

TPHCM, Ngày tháng năm 2018

Học viên

Lý Duyên Lộc

TÓM TẮT

Tại Việt Nam, ngành xây dựng giao thông đang phát triển mạnh mẽ nhằm phục vụ hoạt động phát triển kinh tế và xã hội Ở một số dự án xây dựng đường giao thông đi qua khu vực có địa chất yếu cần được xử lý để đảm bảo không bị lún, trượt Trên thế giới và trong nước có rất nhiều công nghệ xử lý đất yếu đã được ứng dụng vào gia cố nền Trong các phương pháp gia cố nền, cọc xi măng đất với ưu điểm tận dụng đất tại chỗ, thời gian thi công nhanh đã được phát triển mạnh Vì vậy, việc ứng dụng phương pháp cọc xi măng đất cần được nghiên cứu để phát huy hết công dụng của nó Tuy nhiên, để kiểm tra sự phù hợp cũng như ứng dụng thành công cọc xi măng đất thì cần nghiên cứu các thông số liên quan đến cọc xi măng đất như sức chịu tải, độ lún cho phép và độ ổn định của nền đất sau khi gia cố

Đề tài tập trung nghiên cứu về việc ứng dụng, thiết kế tính toán và kiểm tra độ lún,

độ ổn định nền đất yếu được gia cố bằng cọc xi măng đất thi công theo công nghệ Nhật Bản (Jet Grouting), quá trình kiểm tra được mô phỏng tính toán bằng phần mềm Plaxis 3D, cung cấp thêm các thông số về ứng xử của nền đất sau gia cố và điều chỉnh thiết kế cho phù hợp Quá trình đánh giá dựa trên công trình thực tế tại tuyến đường

Hồ Chí Minh đoạn La Sơn-Túy Loan (km0+00 - km80+00m) tại nút giao (cầu vượt) Hòa Liên, thành phố Đà Nẵng Từ đó, đánh giá ưu nhược điểm và đưa ra phương án thiết kế cọc xi măng đất tối ưu thi công theo công nghệ Nhật Bản

Kết quả nghiên cứu cho thấy sử dụng cọc xi măng đất thi công theo công nghệ Nhật Bản để xử lý đất yếu bên dưới nền đường thỏa mãn độ lún cho phép và đáp ứng yêu cầu thiết kế Điều này cho thấy khả năng ứng dụng của cọc xi măng đất trong gia

cố nền đất yếu tại nhiều khu vực ở nước ta

ABSTRACT

In Vietnam, transportation construction has been developing strongly to serve economic and social development activities In some construction projects of routes going through geologically weak areas, these routes need be handled to ensure that they do not sink or slide In Vietnam and in the world, there are many weak ground treatment technologies applied to consolidating the roadbed Among the methods of reinforcing the ground, cement column with advantages of land use on the spot, fast construction time has developed strongly Therefore, the application of cement column should be researched to promote all its uses However, in order to test the suitability

as well as the successful application of cement column, it is necessary to study the parameters related to cement column such as bearing capacity, permissible settlement and stability of the ground after reinforcement

The research focuses on the application and calculation design and the testing settlement, stability of the weak ground reinforced by the cement column based Japanese technology (Jet Grouting) The process of testing is simulated and calculated

by Plaxis 3D software, and provides additional parameters on the behavior of the ground after reinforcement and appropriate adjustment the design The evaluation process is based on the actual construction of the Ho Chi Minh route in La Son-Tuy Loan segment (km0+00 - km80+00m) at the Hoa Lien intersection (overpass), Da Nang city From that point, the study also evaluates the advantages and disadvantages and proposes the optimal design of cement column used Japanese technology

The result of the study shows that the use of cement column based Japanese technology to handle weak soil under the roadbed satisfies the allowed settlement and meets design requirements This proves the applicability of cement column for weak ground reinforcement in many areas in Vietnam

MỤC LỤC

LÝ LỊCH KHOA HỌC i

LỜI CAM ĐOAN iii

LỜI CẢM ƠN iv

TÓM TẮT v

MỤC LỤC vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU xii

DANH MỤC HÌNH ẢNH xiv

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 1

3 Nội dung nghiên cứu 2

4 Phạm vi nghiên cứu 2

5 Phương pháp nghiên cứu 2

6 Ý nghĩa nghiên cứu 2

CHƯƠNG 1NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CỌC ĐẤT TRỘN XI MĂNG THEO CÔNG NGHỆ NHẬT BẢN 4

1.1 Tổng quan về cọc xi măng đất 4

1.1.1 Khái niệm cọc đất trộn xi măng 4

1.1.2 Những nghiên cứu ngoài nước 4

1.1.3 Những nghiên cứu trong nước 4

1.2 Lịch sử hình thành và phát triển 5

1.3 Các công nghệ đất trộn xi măng 5

1.3.2 Công nghệ dùng cánh trộn 6

1.3.3 Công nghệ Jet Grouting (Công nghệ Nhật Bản) 7

1.4 Ưu nhược điểm cọc xi măng đất 10

1.4.1 Ưu điểm 10

1.4.2 Nhược điểm 10

1.5 Ứng dụng của công nghệ đất trộn xi măng 10

1.6 Cường độ đất trộn xi măng của các công nghệ 11

1.7 Các công trình ứng dụng cọc đất trộn xi măng 13

1.7.2 Tại Việt Nam 14

CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN SỨC CHỊU TẢI VÀ BIẾN DẠNG CỦA NỀN ĐẤT GIA CỐ XI MĂNG THEO 16

2.1 Các quan điểm tính toán 16

2.1.1 Theo quan điểm cọc đất trộn xi măng làm việc như cọc 16

2.1.1.1 Đánh giá ổn định các cọc gia cố theo trạng thái giới hạn 1 16

2.1.1.2 Đánh giá ổn định các cọc gia cố theo trạng thái giới hạn 2 17

2.1.2 Theo quan điểm cọc và đất làm việc đồng thời 18

2.1.2.1 Khả năng chịu tải của nền sau khi gia cố 18

2.1.2.2 Khả năng chịu tải của nền đất bên dưới khối gia cố 20

2.1.2.3 Độ lún của nền đất sau gia cố 20

2.1.2.4 Độ ổn định của nền sau gia cố 22

2.1.3 Quan điểm của Viện Kĩ thuật Châu Á (A.I.T) 23

2.1.3.1 Sức chịu tải của cọc đơn 23

2.1.3.2 Khả năng chịu tải giới hạn của nhóm cọc đất gia cố xi măng 25

2.1.3.3 Tính toán biến dạng 25

2.2 Các mô hình bố trí cọc đất trộn xi măng 27

2.3 Tính toán mô phỏng nền gia cố cọc xi măng đất bằng phần tử hữu hạn 28

2.3.1 Cơ sở lý thuyết trong Plaxis 28

2.3.2 Các thông số cơ bản trong mô hình Plaxis 28

2.3.2.1 Loại vật liệu đất nền “Drained, Undrained, Non-porous” 28

2.3.2.2 Thông số độ cứng của đất nền 29

2.3.2.3 Thông số sức kháng cắt của đất nền 31

2.3.3 Các mô hình đất nền trong Plaxis 32

2.3.3.1 Mô hình Morh-Coulomb 32

2.3.3.2 Mô hình Hardening Soil 36

2.4 Quá trình thi công công trình cọc xi măng đất theo công nghệ Nhật bản (Phương pháp Jet grouting) 42

2.4.1 Phương pháp thi công 42

2.4.2 Trình tự thi công 42

2.4.3 Thiết bị 43

2.4.4 Khoan 43

2.4.5 Phun vữa 43

2.4.6 Hỗn hợp vữa 43

2.4.7 Tính toán thiết kế các thông số khoan phụt 43

CHƯƠNG 3SỬ DỤNG CỌC XI MĂNG ĐẤT GIA CỐ CÔNG TRÌNH ĐƯỜNG HỒ CHÍ MINH (KM0+00 - KM80+00) TẠI NÚT GIAO HÒA LIÊN TP ĐÀ NẴNG 46

3.1 Tổng quan về công trình 46

3.2 Cơ sở thực hiện và tính toán thiết kế cọc xi măng đất 47

3.3 Điều kiện địa chất công trình 49

CHƯƠNG 4PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ CÁC GIẢI PHÁP XỬ LÝ 53

4.1 Giới thiệu 53

4.2 Phương án gia cố bằng cọc xi măng đất theo công trình thực tế 53

4.3 Các phương án gia cố bằng cọc xi măng đất đề xuất 53

4.3.1 Phương án 1: Cách bố trí cọc theo dạng hình tam giác Gia cố nền đất yếu khu vực đường dẫn vào cầu bằng cọc xi măng đất với phương pháp Jet Grouting (phun đôi) có đường kính D=0,8m với chiều sâu cọc L=8m và khoảng cách gia cố là d1=1,8m, d2=1,8m 53

4.3.2 Phương án 2: Cách bố trí cọc theo dạng hình vuông Gia cố nền đất yếu khu vực đường dẫn vào cầu bằng cọc xi măng đất với phương pháp Jet Grouting (phun đơn) có đường kính D=0,6m với chiều sâu cọc L=10m và khoảng cách gia cố là d1=1,8m, d2=2m 54

4.3.3 Phương án 3: Cách bố trí cọc theo dạng hình vuông Gia cố nền đất yếu khu vực đường dẫn vào cầu bằng cọc xi măng đất với phương pháp Jet Grouting (phun ba) có đường kính D=1m với chiều sâu cọc L=7m và khoảng cách gia cố là d1=1,8m, d2=2m 54

4.3.4 Phương án 4: Cách bố trí cọc theo dạng hình vuông Gia cố nền đất yếu khu vực đường dẫn vào cầu bằng cọc xi măng đất với phương pháp Jet Grouting (phun đơn) có đường kính D=0,6m với chiều sâu cọc L=13,6m và khoảng cách gia cố là d1=1,8m, d2=2m 54

4.3.5 Phương án 5: Cách bố trí cọc theo dạng hình vuông: Gia cố nền đất yếu khu vực đường dẫn vào cầu bằng cọc xi măng đất với phương pháp Jet Grouting (phun ba) có đường kính D=1m với chiều sâu cọc L=4,9m và khoảng cách gia cố là d1=1,8m, d2=2m 54

4.3.6 Phương án 6: Cách bố trí cọc theo dạng hình khối đối xứng theo tim đường Gia cố nền đất yếu khu vực đường dẫn vào cầu bằng cọc xi măng đất với phương pháp Jet Grouting (phun đơn) có đường kính D=0,6m với chiều sâu

cọc L=10m và khoảng cách gia cố là d1=0,6m, d2=2m 55

4.3.7 Phương án 7: Cách bố trí cọc theo dạng hình khối đối xứng theo tim đường Gia cố nền đất yếu khu vực đường dẫn vào cầu bằng cọc xi măng đất với phương pháp Jet Grouting (phun đôi) có đường kính D=0,8m với chiều sâu cọc L=8m và khoảng cách gia cố là d1=0,8m và d2=2m 55

4.3.8 Phương án 8: Cách bố trí cọc theo dạng hình khối đối xứng theo tim đường Gia cố nền đất yếu khu vực đường dẫn vào cầu bằng cọc xi măng đất với phương pháp Jet Grouting (phun ba) có đường kính D=1m với chiều sâu cọc L=7m và khoảng cách gia cố là d1=1m và dọc d2=2m 55

4.3.9 Phương án 9: Cách bố trí cọc theo dạng hình khối đối xứng theo tim đường Gia cố nền đất yếu khu vực đường dẫn vào cầu bằng cọc xi măng đất với phương pháp Jet Grouting (phun đơn) có đường kính D=0,6m với chiều sâu cọc L=14,2m và khoảng cách gia cố là d1=0,6m, d2=2m 55

4.3.10 Phương án 10: Cách bố trí cọc theo dạng hình khối đối xứng theo tim đường Gia cố nền đất yếu khu vực đường dẫn vào cầu bằng cọc xi măng đất với phương pháp Jet Grouting (phun ba) có đường kính D=1m với chiều sâu cọc L=5,1m và khoảng cách gia cố là d1=1m và dọc d2=2m 55

4.4 Các thông số thiết kế cọc xi măng đất được đề xuất trong các phương án gia cố 56

4.4.1 Thông số thiết kế cọc xi măng đất 56

4.4.2 Thông số địa chất trong mô hình Morh-coulumb 57

4.5 Mô phỏng số 59

4.5.1 Xây dựng mô hình phân tích lún nền đất yếu bằng phần mềm Plaxis 3D 59

4.5.1.1 Phương án 1: 59

- Mô hình các giai đoạn thi công: 61

4.5.1.2 Phương án 2 64

- Mô hình các giai đoạn thi công: 65

4.5.1.3 Phương án 3 68

- Mô hình các giai đoạn thi công: 70

4.5.1.4 Phương án 4 71

- Mô hình các giai đoạn thi công: 72

4.5.1.5 Phương án 5 74

- Mô hình các giai đoạn thi công: 75

4.5.1.6 Phương án 6 76

- Mô hình các giai đoạn thi công: 78

4.5.1.7 Phương án 7 82

- Mô hình các giai đoạn thi công: 83

4.5.1.8 Phương án 8 85

- Mô hình các giai đoạn thi công: 86

4.5.1.9 Phương án 9 88

- Mô hình các giai đoạn thi công: 90

4.5.1.10 Phương án 10 91

- Mô hình các giai đoạn thi công: 92

4.6 Kết quả tính lún của nền đất yếu sau khi gia cố cọc xi măng đất bằng phương pháp giải tích 94

4.7 Phân tích kết quả khả năng chịu tải, độ lún và độ ổn định của nền đất yếu sau khi gia cố cọc xi măng đất 11 mô hình 98

TÀI LIỆU THAM KHẢO 106

Bảng 4.17 Thông số địa chất của mô hình Morh-Coulomb, phương án 8 có đường

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Phân loại các công nghệ đất trộn xi măng [8] 6 Hình 1.2 Các cánh trộn thuộc công nghệ CDM [2] 7 Hình 1.3 Các đầu phun đơn, phun đôi, phun ba của Jet Grouting [9] 8 Hình 1.4 Sản phẩm của công nghệ Jet Grouting [5] 9

Hình 1.5 Sự phù hợp của Jet grouting trong các loại đất khác nhau 11(theo Keller group) 11

Hình 1.6 Xử lý nền bằng cọc xi măng đất công nghệ cánh trộn [2] 14 Hình 1.7 Xử lý nền bằng cọc xi măng đất công nghệ Jet Grouting [2] 14 Hình 1.8 Xử lý nền bằng cọc xi măng đất do Cienco 4 thi công (Hồ Sơ TKKT) 15 Hình 2.1 Bảng tra hệ số Nc theo 22 TCN 244-98 Quy trình xử lý thiết kế nền đất yếu bằng bấc thấm 19

Hình 2.2 Sơ đồ bố trí cọc xi măng đất [2] 19 Hình 2.3 Phân tích ổn định trượt sâu nền đường theo Bishop [5] 23 Hình 2.4 Bố trí theo dải (1), hình tam giác (2), hình vuông (3) hoặc nhóm (2) [3] 27 Hình 2.6 Bố trí kiểu tường (1), kiểu ô (2), kiểu khối (3), kiểu diện (4) [3] 28 Hình 2.7 Ý tưởng cơ bản của mô hình đàn dẻo lý tưởng 33

Hình 2.8 Xác định E ref từ thí nghiệm 3 trục cố kết thoát nước 34

Hình 2.9 Xác định E oed từ thí nghiệm nén cố kết 35

Hình 2.10 Mối quan hệ Hyperpolic giữa ứng suất lệch và biến dạng dọc trục trong thí

nghiệm 3 trục thoát nước 37

Hình 2.11 Vùng đàn hồi của MH Hardening soil trong không gian ứng suất chính 38 Hình 2.12 Xác định 0 từ thí nghiệm 3 trục thoát nước 39

Hình 2.13 Xác định từ thí nghiệm nén cố kết 40

Hình 2.14 Xác định hệ số mũ (m) từ thí nghiệm 3 trục thoát nước 41 Hình 2.15 Mô tả quá trình thi công tạo cọc đất gia cố xi măng [15] 42 Hình 3.1 Hình ảnh phối cảnh tuyến đường sau khi hoàn thành (Hồ sơ TKKT) 47 Hình 3.3 Mặt cắt dọc đường dẫn vào cầu vượt Hòa Liên TP Đà Nẵng 49 Hình 3.4 Địa chất công trình nút giao Hòa Liên thành phố Đà Nẵng 49 Hình 3.5 Mặt cắt lỗ khoan LKBS105 50 Hình 3.6 Mặt cắt lỗ khoan LKM1 51 Hình 3.7 Mặt cắt lỗ khoan LKM2 52

Hình 4.1 Cọc xi măng đất gia cố nền đường bố trí cọc dạng rải đều kiểu 55 Hình 4.2 Cọc xi măng đất gia cố nền đường bố trí cọc dạng khối 56 Hình 4.3 Cọc đất trộn xi măng bố trí hình tam giác với đường kính cọc 61 Hình 4.4 Khai báo mô hình làm việc của cọc xi măng đất (MODEL) 62 Hình 4.5 Mesh 3D 62 Hình 4.6 Mô hình mô phỏng cọc xi măng đất trên nền đất yếu 63 Hình 4.7 Chuyển vị lớn nhất cọc xi măng đất sau khi cố kết 15 năm là 2,34cm, nhỏ

nhất là 0,84cm 63

Hình 4.8 Cọc đất trộn xi măng bố trí hình vuông với đường kính 65 Hình 4.9 66 Hình 4.10 Mesh 3D 66 Hình 4.11 Mô hình mô phỏng cọc xi măng đất trên nền đất yếu chịu tải trọng 67 Hình 4.13 Mặt cắt ngang cọc xi măng đất 68 Hình 4.15 Chuyển vị lớn nhất cọc xi măng đất sau khi cố kết 15 năm là 4,14cm, nhỏ

nhất là 0,78cm 70

Hình 4.16 Mặt cắt ngang cọc xi măng đất 71 Hình 4.17 Cọc đất trộn xi măng bố trí hình vuông với đường kính 72 Hình 4.18 Chuyển vị lớn nhất cọc xi măng đất sau khi cố kết 15 năm là 4,39cm, nhỏ

nhất là 0,66cm 73

Hình 4.19 Mặt cắt ngang cọc xi măng đất 74 Hình 4.20 Cọc đất trộn xi măng bố trí hình vuông với đường kính 75 Hình 4.21 Chuyển vị lớn nhất cọc xi măng đất sau khi cố kết 15 năm là 3,840cm, nhỏ

nhất là 3,282cm 76

Hình 4.22 Mặt cắt ngang cọc xi măng đất 76 Hình 4.23 Cọc đất trộn xi măng bố trí hình khối đối xứng qua tim đường với đường

kính D=0,6m, chiều sâu L=10m 78

Hình 4.24 Khai báo mô hình làm việc của cọc xi măng đất (MODEL) 79 Hình 4.25 Mesh 3D 79 Hình 4.26 Mô hình mô phỏng cọc xi măng đất trên nền đất yếu 80 Hình 4.27 Chuyển vị lớn nhất cọc xi măng đất sau khi cố kết 15 năm là 3,27cm, nhỏ

nhất là 1,01cm 81

Hình 4.28 Mặt cắt ngang và mặt cắt dọc cọc xi măng đất bố trí kiểu đối xứng qua tim

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Các dự án xây dựng đường giao thông đi qua khu vực có địa chất yếu cần được xử

lý đất yếu bên dưới nền đường để tránh lún, trượt Mỗi giải pháp xử lý nền đất yếu phù hợp với điều kiện thi công và điều kiện địa chất khác nhau Vài năm trở lại đây, gia cố nền bằng cọc xi măng đất theo công nghệ Nhật Bản được ứng dụng một số nơi tại Việt Nam cho thấy tiềm năng ứng dụng của chúng Tuy nhiên, để kiểm tra sự phù hợp cũng như ứng dụng thành công gia cố nền bằng cọc xi măng đất tại một vị trí bất kỳ thì cần nghiên cứu các thông số liên quan đến cọc xi măng đất như sức chịu tải, độ lún cho phép và độ ổn định của nền đất sau khi gia cố

Việc tính toán, thiết kế cọc xi măng đất dựa vào kết quả thí nghiệm trong phòng hay thực nghiệm hiện trường của các đề tài nghiên cứu trước đây đôi khi còn gặp nhiều hạn chế, vì không thể dự đoán hết các ứng xử của cọc và đất nền Vì vậy, mô phỏng sự làm việc của cọc xi măng đất và đất nền bằng phần tử hữu hạn thông qua phần mềm Plaxis 3D sẽ cung cấp thêm các thông số về ứng xử của nền đất sau gia cố

và từ đó điều chỉnh thiết kế cho phù hợp Điều này giúp việc ứng dụng cọc xi măng đất theo công nghệ Nhật Bản trong gia cố đất yếu dưới nền đường được hiệu quả

2 Mục tiêu nghiên cứu

Đề tài tập trung xác định sức chịu tải của nhóm cọc xi măng đất, độ lún, và độ ổn định của nền đất yếu dưới nền đường sau gia cố theo nhiều phương án gia cố khác nhau trong đó có đối sánh với phương án đã được áp dụng thực tế bằng phần tử hữu hạn thông qua phần mềm Plaxis 3D Từ đó, đánh giá và đưa phương án gia cố bằng cọc xi măng đất theo công nghệ Nhật Bản

Các kết quả thu được sẽ làm cơ sở để đánh giá lại phương án đã được ứng dụng gia cố nền đất yếu phù hợp với điều kiện địa chất khu vực thi công là tuyến đường Hổ Chí Minh đoạn La Sơn-Túy Loan (km 0+00 - km80+00) tại nút giao Hòa Liên, thành phố Đà Nẵng Từ đó sẽ đề xuất phương án hợp lý hơn cho công trình này và khu vực khác

Mô phỏng đánh giá lại phương án thiết kế thực tế Đề xuất các giải pháp gia cố khác sử dụng cọc xi măng đất theo công nghệ Nhật Bản Mô phỏng số và đánh giá kết quả lựa chọn phương pháp tối ưu có thể ứng dụng cho từng điều kiện địa chất

3 Nội dung nghiên cứu

Luận văn tập trung nghiên cứu những nội dung sau đây:

1 Nghiên cứu tổng quan về cọc đất trộn xi măng theo công nghệ Nhật Bản

2 Nghiên cứu phương pháp tính toán, thiết kế cọc đất trộn xi măng theo công nghệ Nhật Bản gia cố nền đất yếu

3 Ứng dụng phần tử hữu hạn để mô phỏng ứng xử của nền đất sau khi gia cố cọc đất trộn xi măng tại tuyến đường Hổ Chí Minh đoạn La Sơn-Túy Loan (km0+00 - km80+00m) tại nút giao Hòa Liên, thành phố Đà Nẵng

4 Đề xuất các mô hình gia cố và phân tích các mô hình đó sử dụng phần mềm Plaxis 3D và chọn mô hình tính toán phù hợp với bài toán tính sức chịu tải, độ lún và

độ ổn định của nền sau khi gia cố bằng cọc đất trộn xi măng theo công nghệ Nhật Bản

sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn

4 Phạm vi nghiên cứu

Luận văn tập trung phân tích ứng xử của nền đất yếu sau gia cố bằng cọc đất trộn

xi măng theo công nghệ Nhật Bản sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn thông qua phần mềm Plaxis 3D tại khu vực đất yếu trên tuyến đường Hổ Chí Minh đoạn La Sơn-Túy Loan (km 0+00 - km80+00m) tại nút giao Hòa Liên thành phố Đà Nẵng

5 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu này được thực hiện theo phương pháp mô phỏng bằng phần tử hữu hạn thông qua phần mềm Plaxis 3D:

Mô phỏng các phương án gia cố nền cho công trình thực tế bằng cọc xi măng đất theo công nghệ Nhật Bản

Đánh giá, phân tích, so sánh các phương án để lựa chọn phương án gia cố hợp lý

6 Ý nghĩa nghiên cứu

Công tác gia cố nền đất yếu bằng phương pháp cọc xi măng đất theo công nghệ Nhật Bản tại một số khu vực cho thấy phương pháp có tính khả thi cao, phù hợp với

điều kiện nền đất yếu ở Việt Nam Phương pháp chỉ ra mối liên hệ giữa các thông số địa chất, thông số thiết kế cọc xi măng đất với sức chịu tải, độ lún, độ ổn định của nền đất sau gia cố bằng cọc đất trộn xi măng theo công nghệ Nhật Bản, chỉ ra điều kiện áp dụng phù hợp với công nghệ đất trộn xi măng

CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CỌC ĐẤT TRỘN XI MĂNG

THEO CÔNG NGHỆ NHẬT BẢN

1.1 Tổng quan về cọc xi măng đất

1.1.1 Khái niệm cọc đất trộn xi măng

Đất trộn xi măng là là sản phẩm được tạo ra từ đất và xi măng khô hoặc vữa xi măng (xi măng và nước), có thể thêm hoặc không thêm phụ gia [1], [2]

Cọc đất trộn xi măng là cọc được tạo thành từ đất và xi măng (vữa hoặc khô) trộn lại với nhau và được thi công theo nhiều công nghệ khác nhau theo TCVN 9403: 2012 [3]

1.1.2 Những nghiên cứu ngoài nước

Cọc xi măng đất được nghiên cứu và phát triển đầu tiên tại Thụy Điển và Nhật Bản từ những năm 1960 Hiện nay công nghệ cọc xi măng-đất được phổ biến trên toàn thế giới và ứng dụng nhiều nhất ở Nhật Bản và các nước Bắc Âu Công nghệ thi công cũng đã phát triển hoàn thiện trộn sâu, trộn tổ hợp có phun tia và trộn bề mặt

1.1.3 Những nghiên cứu trong nước

Ở Việt Nam, những nghiên cứu được manh nha từ những năm 1980, nhưng số lượng công trình áp dụng công nghệ cọc xi măng-đất đến nay là rất khiêm tốn Trong giai đoạn hiện nay, việc hoàn thiện lý thuyết tính toán và thực nghiệm để áp dụng rộng rãi sẽ đem lại hiệu quả rất lớn trong công nghệ xử lý nền móng nói riêng và sự phát triển ngành xây dựng nói chung ở nước ta

So với các giải pháp nền hiện có, công nghệ cọc xi măng-đất có khả năng xử lý sâu đến 50m, thích hợp với các loại đất yếu (từ cát thô cho đến bùn yếu), thi công được trong điều kiện nền ngập sâu trong nước hay điều kiện hiện trường chật hẹp, nhiều trường hợp đã đem lại hiệu quả kinh tế rõ rệt so với các giải pháp xử lý nền khác

Ở Việt Nam hiện nay dùng hai công nghệ thi công cọc xi măng đất là công nghệ trộn khô (Dry Jet Mixing) và công nghệ trộn ướt (Wet Mixing hay Jet-Grouting) - là công nghệ của Nhật Bản Mỗi công nghệ sẽ có thiết bị và dây chuyền thi công phù hợp khác nhau

Đất trộn xi măng thi công bằng tia áp lực cao gọi chung là Jet Grouting xuất hiện lần đầu ở Anh năm 1950 bắt nguồn từ ngành công nghiệp khai khoáng Jet Grouting được ứng dụng tại Nhật năm 1970 để tạo tường ngăn nước [5] Cuối những năm 70, hầu hết kỹ thuật cơ bản của Jet Grouting được tìm ra tại Đức, Pháp, Ý, Singapore và Brazil Tại Nam Mĩ, Jet Grouting bắt đầu đề cập năm 1979 và ứng dụng vào năm

1984 Tại Mĩ, Jet Grouting thực sự được ứng dụng năm 1987 [6]

Tại Việt Nam, các nhà thầu Nhật Bản sử dụng Jet Grouting để sửa chữa khuyết tật cọc khoan nhồi cầu Thanh Trì, Hà Nội vào tháng 5 năm 2004 Sửa chữa cống D10 (Hà Nam), chống thấm Đập Đá Bạc (Hà Tĩnh) và Đê Quai (Sơn La) cũng là các công trình

sử dụng Jet Grouting từ năm 2004 [7]

1.3 Các công nghệ đất trộn xi măng

Công nghệ gia cố đất tại chỗ với xi măng được chia ra hai nhóm: trộn ướt (chất kết dính là vữa xi măng) và trộn khô (xi măng khô) Cả hai nhóm trộn ướt và trộn khô đều bao gồm rất nhiều công nghệ khác nhau Trong nhóm trộn khô chỉ có trộn bằng bằng

cơ học, còn trong nhóm trộn ướt có thể là trộn cơ học, bằng tia áp lực hoặc kết hợp cả hai, được thể hiện trên Hình 1.1

Hình 1.1 Phân loại các công nghệ đất trộn xi măng [8]

1.3.2 Công nghệ dùng cánh trộn

Các công nghệ sử dụng cánh trộn hoặc cánh trộn kết hợp tia áp lực cao gọi chung

là công nghệ Deep Mixing Method (DMM) và công nghệ chỉ sử dụng tia áp lực cao gọi là Jet Grouting [1], [8]:

- DMM là công nghệ gia cố đất tại chỗ với chất kết dính (vôi, xi măng hoặc các chất kết dính khác) ở dạng khô hoặc ướt, được thêm vào đất thông qua lỗ phun và trộn đều bởi cần trộn có gắn các cánh trộn hoặc kết hợp tia áp lực cao, gia cố đất có độ sâu tối thiểu là 3m cho đến 50m, đường kính cọc từ 0,6 - 1,5m [1], [4] DMM bao gồm nhiều công nghệ khác (DSM, CDM, SMW, JACSMAN) được phân loại theo dạng chất kết dính được thêm vào (khô hoặc ướt), kiểu trộn (trộn bằng cánh trộn hay kết hợp tia áp lực cao), và vị trí của cánh trộn (ở đầu cần trộn hay trên thân cần trộn) Các công nghệ thuộc CDM được thể hiện trên Hình 1.2

Hình 1.2 Các cánh trộn thuộc công nghệ CDM [2]

1.3.3 Công nghệ Jet Grouting (Công nghệ Nhật Bản)

Jet Grouting là một công nghệ trộn sâu, dùng tia vữa xi măng, nước hoặc khí áp lực cao (20-60 MPa) cắt xói đất tại chỗ và trộn với vữa xi măng loãng để hình thành cọc đất xi măng (soilcrete) có chiều sâu đến 40m (ở Nhật Bản) và có cường độ cao hơn đất tại chỗ từ 10-100 lần Ưu điểm lớn của công nghệ này là đường kính soilcrete

có thể thay đổi tùy vào bộ thông số vận hành Jet Grouting, đường kính cọc soilcrete không cố định như công nghệ đất trộn ximăng bằng cánh trộn kim loại thông thường (CDM hay DDM)

Trong đề tài nghiên cứu này trình bày sâu rộng về công nghệ Xói trộn vữa cao áp (Jet Grouting) ở Việt Nam, từ đó cụ thể phương pháp thiết kế, quy trình thi công, kiểm tra chất lượng, và nghiệm thu được trình bày một cách chi tiết, kế thừa các thành quả nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam Nhằm đưa các kết quả nghiên cứu khoa học vào

Jet grouting bao gồm các công nghệ: phun đơn, phun đôi, phun ba, SuperJet, X-Jet:

- Phun đơn: Áp lực phun từ 20 - 60 MPa, vận tốc 200m/s, cọc tạo ra có đường

kính từ 0,4 - 1,2m Cọc tạo thành có đường kính nhỏ nhất nhưng cường độ tốt nhất so với công nghệ khác, hiệu quả trong đất rời hơn đất dính [9]

- Phun đôi: Kết hợp màng khí bao quanh tia vữa làm tăng hiệu quả cắt, xói Cọc

tạo thành có đường kính 1m trong đất chặt và 1,5m trong đất rời [9]

- Phun ba: Tia khí sẽ bao quanh tia nước, bên dưới sẽ có tia vữa phun áp lực cao

nữa nên hiệu quả cắt xói sẽ hơn hai đầu phun trên Đường kính cọc từ 0,9 - 1,4m, hoạt động hiệu quả trong đất dính [9]

Hình 1.3 Các đầu phun đơn, phun đôi, phun ba của Jet Grouting [9]

Ưu, nhược điểm công nghệ Jet Grouting:

Đầu phun đơn

 Thiết bị đơn giản , vận hành

dễ dàng

 Thích hợp thi công chống thấm đứng

 Thích hợp cho các loại đất rời

 Tạo ra cột đất có đường kính nhỏ

 Khó kiểm định chất lượng cho đất dính

 Rất khó khống chế phình trồi

Đầu phun kép

 Kinh tế

 Được sử dụng nhiều nhất

 Các công cụ thiết bị có sẵn trên thị trường

 Có năng lượng cao và tạo ra kích thước xử lý lớn

 Rất khó kiểm soát phình trồi trong đất dính

 Không nên dùng gia cường bên dưới móng hiện hữu

 Đòi hỏi nhiều kinh nghiệm trong quá trình vận hành

 Khó kiểm soát phình trồi

Superjet

 Giá thành thấp nhất tính trên

1 đơn vị thể tích xử lý

 Hỗn hợp vữa-đất được trộn đồng đều nhất

 Cần thiết bị và dụng cụ đặc biệt

 Khó kiểm soát hiện tượng nâng nền trong đất dính

 Khó xử lý bùn thải

 Không thể khoan phụt gần mặt đất mà không có thiết

bị phụ trợ

 Vận chuyển khó khăn nhất

 Cần thiết bị đặc biệt và phải kiểm tra hàng ngày

 Hệ thống ra đời trẻ nhất nên công trình tham khảo còn ít

Hình 1.4 Sản phẩm của công nghệ Jet Grouting [5]

Theo công nghệ Nhật Bản, Jet Grouting có thể ứng dụng để gia cố đất nền với mục đích chuyển tải trọng móng từ lớp đất yếu sang lớp đất có đủ khả năng chịu tải Jet Grouting có ưu điểm là có thể xử lý những lớp đất yếu sâu bên dưới mà không cần phải đào hay phá hủy lớp kết cấu bên trên, có thể thi công ở không gian chật hẹp Do

đó, giao thông không bị gián đoạn khi thi công Jet Grouting

Tuy nhiên, Jet Grouting là công nghệ mới ở Việt Nam và chưa được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực giao thông Vì vậy, việc ứng dụng công nghệ này để xử lý lún ở đường đầu cầu tại công trình nút giao Hòa Liên thành phố Đà Nẵng là một bước đi tiên phong trong ngành, hứa hẹn mang lại giải pháp mới thực sự hiệu quả

So với các phương pháp gia cố nền đất yếu khác, Jet Grouting có ưu điểm là xử lý được lớp đất yếu có chiều dày lớn mà không chiếm dụng nhiều diện tích, không phá

vỡ lớp kết cấu bên trên gây ảnh hưởng đến giao thông trong quá trình thi công

Mặt khác, Jet Grouting có thể áp dụng được cho tất cả các loại đất Xuất hiện ở nước ta từ năm 1999 [10], công nghệ Jet Grouting chủ yếu chỉ được áp dụng cho các công trình thủy lợi, đặc biệt là chống thấm và giảm dòng thấm qua các công trình đê đập Dù vậy, Jet Grouting vẫn còn là một công nghệ mới đối với nước ta Ngành giao thông và xây dựng vẫn chưa có tiêu chuẩn ngành hướng dẫn ứng dụng [10] Nghiên cứu và áp dụng công nghệ Jet Grouting để xử lý các vấn đề của ngành giao thông nói chung và hiện tượng lún ở đường đầu cầu nói riêng là cần thiết

1.4 Ưu nhược điểm cọc xi măng đất

1.4.1 Ưu điểm

- Về tính năng sử dụng:

+ Tăng khả năng chịu tải của đất nền

+ Tăng khả năng chống trượt của mái dốc

+ Giảm ảnh hưởng của công trình lân cận

+ Giảm độ lún của công trình

+ Ổn định vách hố đào

+ Ngăn dòng thấm xâm nhập vào hố đào

Ngăn dòng thấm xâm nhập vào hố đào

- Về kinh tế và môi trường:

+ Sử dụng vật liệu có sẵn, giá thành thấp so với cọc nhồi đường kính bé

+ Hạn chế gây ô nhiễm môi trường do không có chất thải dung dịch bentonite như cọc nhồi và tường barettle

1.4.2 Nhược điểm

+ Khả năng chịu uốn, cắt kém

+ Tải trọng bản thân tường tương đối lớn

+ Diện tích bề mặt thi công lớn

+ Vấn đề kiểm tra chất lượng cọc dưới sâu có độ chính xác chưa cao

1.5 Ứng dụng của công nghệ đất trộn xi măng

Công nghệ đất trộn xi măng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực và ngành nghề như:

Công nghệ trộn bằng cơ học DMM gia cố trong đất sét làm tăng khả năng chịu tải, giảm độ lún, gia tăng áp lực đất bị động, giảm áp lực đất chủ động, và tăng khả năng chống lại áp lực ngang của thành hố đào Ngoài ra, khi gia cố đất cát, DMM còn ngăn

sự hóa lỏng của nền và hạ mực nước ngầm [2], [3]

Công nghệ Jet Grouting phù hợp xử lý mọi loại đất trừ đá tảng, cuội (Hình 1.5) nên phù hợp để ứng dụng nhiều trường hợp: kiểm soát nước ngầm (ngăn nước thấm vào hố đào, chống thấm đường hầm, ngăn chất thải ngấm vào nước ngầm); kiểm soát chuyển vị (hạn chế chuyển vị ngang của hố đào hay hầm, tăng hệ số ổn định của nền đường, gia cố mái dốc, tránh hóa lỏng nền); chịu tải trọng công trình (gia cố móng các công trình lân cận, tăng khả năng chịu lực của móng sau một thời gian sử dụng, làm việc như móng cọc truyền tải trọng xuống đất yếu); bảo vệ môi trường (tạo tường ngăn chất thải ngấm vào mực nước ngầm, tạo tường theo phương đứng hay ngang ngăn dòng thấm gây ô nhiễm) [6]

Hình 1.5 Sự phù hợp của Jet grouting trong các loại đất khác nhau

(theo Keller group)

1.6 Cường độ đất trộn xi măng của các công nghệ

Cường độ của đất trộn xi măng thuộc nhóm sử dụng cánh trộn DMM được thể hiện ở Bảng 1.1:

Bảng 1.1 Cường độ của đất trộn xi măng thuộc nhóm DMM [1]

>4(đất cát)

SSM- Trộn ướt, trộn sâu

0,6-1,2(đất bùn) 3,5-10 (đất hạt thô)

Jacsman- Trộn ướt, trộn sâu, có kết hợp tia áp lực cao

1,2-3 (đất cát pha bụi) 2,5-8 (đất cát pha bụi

và sét)

Cường độ đất trộn xi măng thi công theo công ghệ Jet Grouting được thể hiện ở Bảng 1.2:

Bảng 1.2 Cường độ của đất trộn xi măng ứng với các dạng phun của Jet Grouting

[13]

Cường độ soilcrete (MPa)

Tại Việt Nam, cường độ đất trộn xi măng thi công bằng cánh trộn dao động từ 0,05 - 1,1MPa [3], theo công nghệ Jet Grouting thì dao động từ 0,5 - 3MPa [11], từ 0,5-15MPa [6]

1.7 Các công trình ứng dụng cọc đất trộn xi măng

1.7.1 Trên thế giới

Nhật Bản và các nước vùng Scandinaver là các nước ứng dụng công nghệ xi măng đất nhiều nhất Theo thống kê của hiệp hội CDM (Nhật Bản), tính chung trong giai đoạn 1980 - 1996 có 2.345 dự án, sử dụng 26 triệu m3

xi măng đất Riêng từ 1977 đến

1993, lượng đất gia cố bằng xi măng ở Nhật vào khoảng 23,6 triệu m3 cho các dự án ngoài biển và trong đất liền, với khoảng 300 dự án Hiện nay, mỗi năm có khoảng 2 triệu m3 cọc đất trộn xi măng được thi công tại Nhật Bản

Tại Trung Quốc, công tác nghiên cứu bắt đầu từ năm 1970, tổng khối lượng xử lý bằng cọc đất gia cố xi măng ở Trung Quốc cho đến nay vào khoảng trên 1 triệu m3 Tại Châu Âu, nghiên cứu và ứng dụng bắt đầu ở Thụy Điển và Phần Lan bắt đầu từ năm 1967 Năm 1974, một đê đất thử nghiệm (6m x 8m) đã được xây dựng ở Phần Lan sử dụng cọc vôi đất, nhằm mục đích phân tích hiệu quả của hình dạng và chiều dài cọc về mặt khả năng chịu tải

Hình 1.6 Xử lý nền bằng cọc xi măng đất công nghệ cánh trộn [2]

Hình 1.7 Xử lý nền bằng cọc xi măng đất công nghệ Jet Grouting [2]

1.7.2 Tại Việt Nam

Tại Việt nam, IBST là đơn vị đầu tiên đưa chất gia cố là xi măng vào (khởi thuỷ của phương pháp là cọc vôi), điều này được nêu trong hội nghị gia cố sâu tổ chức tại Stockholm 2001 Phương pháp gia cố nền bằng cọc xi măng đất đã được nghiên cứu từ năm 1980 với sự giúp đỡ của Viện Địa kỹ thuật Thuỵ Điển (SGI) với một thiết bị thi công Đề tài được kết thúc vào năm 1986 thiết bị được chuyển giao cho LICOGI

Từ năm 2002 đã có một số dự án bắt đầu ứng dụng cọc đất gia cố xi măng vào xây dựng các công trình trên nền đất, cụ thể như: Dự án cảng Ba Ngòi (Khánh Hòa) đã sử dụng 4.000m cọc đất gia cố xi măng có đường kính 0,6m thi công bằng trộn khô; xử lý nền cho bồn chứa xăng dầu đường kính 21m, cao 9m ở Cần Thơ Năm 2004 cọc đất gia cố xi măng được sử dụng để gia cố nền móng cho nhà máy nước huyện Vụ Bản (Hà Nam), xử lý móng cho bồn chứa xăng dầu ở Đình Vũ (Hải Phòng), các dự án trên