Luận văn thạc sĩ Địa kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu gia cố nền đất yếu dưới nền đường bằng giải pháp cột đất trộn xi măng

Các công trình đã và đang sử dụng giải pháp cột đất trộn xi măng chủ yếu được thiết kế bằng cách vay mượn quy trình của nước ngoài như Thụy Điển, Nhật Bản, Trung Quốc… Khi áp dụng phương

-

PHAN HỮU HOÀNG

NGHIÊN CỨU GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU DƯỚI NỀN ĐƯỜNG BẰNG GIẢI PHÁP CỘT ĐẤT

2.TS LÊ BÁ VINH

Cán bộ chấm nhận xét 1: GS.TSKH NGUYỄN VĂN THƠ

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS NGUYỄN VIỆT TUẤN

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại

HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 08 tháng 01 năm 2014 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm có:

1 PGS.TS CHÂU NGỌC ẨN 2 GS.TSKH NGUYỄN VĂN THƠ 3 TS NGUYỄN VIỆT TUẤN 4 TS LÊ BÁ VINH

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

MSHV: 11094294

I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU DƯỚI NỀN ĐƯỜNG BẰNG GIẢI PHÁP CỘT ĐẤT TRỘN XI MĂNG

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan về gia cố nền đất yếu bằng cột đất trộn ximăng Chương 2: Cơ sở lý thuyết về tính toán gia cố nền bằng cột đất trộn xi măng Chương 3: Phân tích, tính toán cho các công trình thực tế

Kết luận và kiến nghị

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21/01/2013 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 22/11/2013 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: 1.GS.TSKH LÊ BÁ LƯƠNG

2.TS LÊ BÁ VINH

Tp HCM, ngày tháng năm 2013

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN KHOA QUẢN LÝ

ĐÀO TẠO CHUYÊN NGHÀNH

1 GS TSKH Lê Bá Lương PGS TS Võ Phán TS Nguyễn Minh Tâm

2 TS Lê Bá Vinh

Luận văn thạc sĩ là một cơ hội để học viên có thể tổng hợp kiến thức và vận dụng vào một đề tài cụ thể, đồng thời đó cũng là một thử thách mà học viên cần phải vượt qua Để có thể thực hiện luận văn, ngoài nổ lực hết mình của bản thân thì sự hướng dẫn nhiệt tình của Quý Thầy Cô, sự quan tâm giúp đỡ, động viên của bạn bè, đồng nghiệp và gia đình là nguồn động lực lớn nhất để tôi có thể hoàn thành luận văn này

Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TSKH Lê Bá Lương và TS Lê Bá Vinh đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn này

Xin chân thành cảm ơn toàn thể Quý Thầy Cô bộ môn Địa Cơ Nền Móng đã tham gia giảng dạy và truyền đạt kiến thức, tạo mọi điều kiện tốt nhất trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn

Với những hiểu biết của bản thân, chắc chắn không tránh khỏi những sai sót khi thực hiện Luận văn, kính mong Quý Thầy Cô, bạn bè góp ý chân thành để tôi hoàn thiện thêm kiến thức của mình

Một lần nữa xin chân thành cảm ơn!

Phan Hữu Hoàng

Cột đất trộn ximăng là một giải pháp hiệu quả đã được sử dụng tại nhiều quốc gia trên thế giới Những năm gần đây, một số công trình ở Việt Nam cũng đã bắt đầu ứng dụng công nghệ này với nhiều mục đích khác nhau

Những nội dung nghiên cứu chính của đề tài: - Tính toán sức chịu tải của cột đơn và sức chịu tải của nhóm cột - Xác định độ lún ổn định của nền sau khi gia cố bằng cột xi măng đất bằng giải tích và bằng phương pháp phần tử hữu hạn So sánh với kết quả quan trắc thực tế để nhận xét và rút ra kết luận

- So sánh sự thay đổi hệ số thấm của nền sau khi gia cố cột xi măng đất với hệ số thấm của nền đất yếu trước khi gia cố, từ đó để nhận xét và rút ra kết luận

- Xác định hệ số phân bố ứng suất của nền sau khi gia cố cột xi măng đất bằng các công thức giải tích và phương pháp phần tử hữu hạn từ đó để nhận xét và rút ra kết luận

Mixed soil cement column is an effective solution has been used in many countries around the world In recent years, a number of projects in Vietnam have also started to use this technology for many different purposes

The content of the research topic: - Calculation of load capacity of single pile and pile group load capacity of - Determination of steady subsidence after the reinforced soil cement column analytically and by finite element method Compared with the actual observation results to comment and draw conclusions

- Comparison of the change of the absorption coefficient as reinforced concrete columns with soil permeability coefficient of soft ground before reinforcement, from which to comment and draw conclusions

- Determine the coefficient of the stress distribution after soil cement columns reinforced by the analytical formulas and the finite element method from which to comment and draw conclusions

Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu thực sự của

cá nhân tôi, được thực hiện dưới sự hướng dẫn của GS.TSKH Lê Bá Lương và

Mở Đầu

1 Đặt vấn đề nghiên cứu 1

2 Nội dung ngiên cứu 1

3 Phương pháp nghiên cứu 2

4 Phạm vi nghiên cứu 2

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỘT ĐẤT TRỘN XI MĂNG 1.1 Các giai đoạn phát triển về việc sử dụng phương pháp trộn hóa học trong việc giữ ổn định cho nền 4

1.1.1 Giới thiệu cột xi măng đất 4

1.1.2 Ưu điểm của cột xi măng đất 4

1.1.3 Ứng dụng cột xi măng đất trên thế giới……… 5

1.1.4 Ứng dụng cột xi măng đất ở Việt Nam 7

1.2 Công nghệ trộn sâu 10

1.2.1 Giới thiệu công nghệ trộn sâu 10

1.2.2 Thiết bị thi công công nghệ trộn sâu 11

1.2.3 Công nghệ thi công trộn khô……… 16

1.2.4 Công nghệ trộn hỗn hợp 17

1.2.5 Các quá trình cơ và hóa lý xảy ra trong gia cố nền bằng cột xi măng đất 18 1.2.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ cột xi măng đất 22

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TÍNH TOÁN GIA CỐ NỀN BẰNG CỘT ĐẤT TRỘN XI MĂNG 2.1 Tính toán khả năng chịu tải 25

2.1.1 Khả năng chịu tải theo vật liệu cọc 25

2.1.2 Khả năng chịu tải theo đất nền 26

2.1.3 Khả năng chịu tải của nhóm cọc xi măng đất 28

2.2 Tính toán độ lún ổn định của nền gia cố bằng cột đất trộn xi măng 31

2.2.1 Theo tiêu chuẩn Việt Nam 31

2.2.3.Độ lún ổn định của công trình theo phương pháp Asaoka 32

2.2.4 Mô phỏng tính lún theo phương pháp PTHH 33

2.3 Đánh giá sự thay đổi hệ số thấm của nền gia cố cột đất trộn xi măng 33

2.3.1 Phương pháp Asaoka 33

2.3.2 Phương pháp thử dần bằng phần mềm Plaxis 2D theo phương pháp ktđ 34 2.3.3 Mô phỏng công trình theo phương pháp phần tử drain( Sử dụng phần tử drain mô phỏng sự làm việc của nền đất có xử lý cột đất trộn xi măng) 34

2.3.4 Phương pháp Thụy Điển 36

2.4 Sự phân bố ứng suất trong nền khi gia cố bằng cột đất trộn xi măng 36

2.4.1 Theo lý thuyết của Terzaghi 37

2.4.2 Theo tiêu chuẩn BS 8006: có hai trường hợp tính SRR 37

2.4.3 Theo lý thuyết của Guido: 38

2.4.4 Theo lý thuyết của Carlsson: 38

2.4.5 Theo phương pháp của Thụy Điển: 38

2.4.6 Theo phương pháp của Low năm 1994: 38

2.4.7 Theo phương pháp của Hewlet và Randolph: 39

2.4.8 Theo phương pháp của Nhật Bản: 39

2.4.9 Theo phương pháp phần tử hữu hạn: 40

2.4.10 Theo phương pháp ALiCC: 40

Chương 3 PHÂN TÍCH, TÍNH TOÁN CHO CÁC CÔNG TRÌNH THỰC TẾ A DỰ ÁN MẬU THÂN- SÂN BAY TRÀ NÓC THÀNH PHỐ CẦN THƠ ĐOẠN 5: KM3+400÷KM4+200 3.1 Đặc điểm chung của công trình: .42

3.1.1 Giới thiệu về công trình 42

3.1.2 Quy mô công trình 42

3.1.3 Mặt cắt ngang điển hình .43

3.1.4 Thông số địa chất công trình: 44

3.1.5 Đặc điểm công trình 48

3.1.6 Thông số cột đất trộn xi măng: 48

3.2.1 Khả năng chịu tải của cọc đơn theo vật liệu 50

3.2.2 Khả năng chịu tải của cọc đơn theo đất nền 51

3.3 Tính toán sức chịu tải của nhóm cọc 52

3.3.1 Theo quan niệm của Nhật Bản 52

3.3.2 Theo viện địa kỹ thuật châu Á 54

3.4 Tính toán độ lún ổn định của nền gia cố bằng cột đất trộn xi măng 55

3.4.1 Theo tiêu chuẩn Việt Nam 55

3.4.2 Theo tiêu chuẩn Trung Quốc 57

3.4.3 Tính toán độ lún công trình theo phương pháp phần tử hữu hạn 57

3.4.4 Độ lún ổn định của công trình theo phương pháp Asaoka: 61

3.5 Đánh giá sự thay đổi hệ số thấm của nền gia cố cột xi măng đất: 64

3.5.1 Phương pháp Asaoka 64

3.5.2 Phương pháp thử dần bằng phần mềm Plaxis 2D theo phương pháp ktđ 65

3.5.3 Mô phỏng công trình theo phương pháp phần tử drain ( Sử dụng phần tử drain mô phỏng sự làm việc của nền đất có xử lý cột đất trộn xi măng): 70

3.6 Sự phân bố ứng suất trong nền khi gia cố bằng cột đất trộn xi măng 76

3.6.1 Mô tả bài toán 76

3.6.2 Phân tích tính toán sự phân bố ứng suất 77

3.6.2.1 Theo lý thuyết của Terzaghi 77

3.6.2.2 Theo tiêu chuẩn BS 8006: 78

3.6.2.3 Theo lý thuyết của Guido: 78

3.6.2.4 Theo lý thuyết của Carlsson: 78

3.6.2.5 Theo phương pháp của Thụy Điển: 79

3.6.2.6 Theo phương pháp của Low năm 1994: 79

3.6.2.7 Theo phương pháp của Hewlet và Randolph: 79

3.6.2.8 Theo phương pháp của Nhật Bản: 80

3.6.2.9 Theo phương pháp phần tử hữu hạn: 81

3.6.2.10 Theo phương pháp ALiCC 84

3.6.3 Nhận xét kết quả tính toán 86

3.2.2 Phương pháp thử dần bằng phần mềm Plaxis 2D theo phương pháp ktđ 92

3.2.3 Mô phỏng công trình theo phương pháp phần tử drain ( Sử dụng phần tử drain mô phỏng sự làm việc của nền đất có xử lý cột đất trộn xi măng): 96

3.2.4 Phương pháp Thụy Điển 101

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .103

TÀI LIỆU THAM KHẢO 107

A DỰ ÁN MẬU THÂN- SÂN BAY TRÀ NÓC THÀNH PHỐ CẦN THƠ

ĐOẠN 5: KM3+400÷KM4+200

Bảng 1.1 Một số công trình tiêu biểu được TDC xử lý bằng công nghệ cột đất trộn

xi măng theo phương pháp trộn sâu 9

Bảng 1.2 Bảng so sánh công nghệ trộn ướt công nghệ Châu Âu và Nhật Bản 14

Bảng 1.3 Bảng đặc tính kỹ thuật công nghệ trộn ướt Châu Âu và Nhật Bản 14

Bảng 1.4 So sánh công nghệ trộn sâu của Bắc Âu và Nhật Bản 16

Bảng 3.1 Thông số vật liệu khai báo trong Plaxis 47

Bảng 3.2 Bảng kết quả tính lún theo phương pháp lớp tương đương 56

Bảng 3.3 Bảng kết quả quan trắc lún 62

Bảng 3.4 Bảng kết quả tính toán lún ổn định theo các phương pháp 63

Bảng 3.5 Thông số các lớp đất và cột CDM theo phương pháp khối tương đương 65 Bảng 3.6 Kết quả tính lún theo thời gian theo phương pháp khối tương đương 70

Bảng 3.7 Kết quả tính lún theo thời gian theo phương pháp phần tử drain 72

Bảng 3.8 Bảng kết quả tính toán tải trọng tác dụng lên đầu cột xi măng đất 83

Bảng 3.9 Tổng hợp kết quả tính toán hệ số SRR theo các phương pháp 85

B DỰ ÁN XA LỘ VEN BIỂN ARIAKE SEA CỦA NHẬT BẢN Bảng 3.10 Chỉ tiêu cơ lý đất tự nhiên 88

Bảng 3.11 Kết quả quan trắc lún 91

Bảng 3.12 Thông số các lớp đất và cột CDM theo PP khối tương đương 92

Bảng 3.13 Kết quả tính lún theo thời gian theo PP khối tương đương 96

Bảng 3.14 Kết quả tính lún theo thời gian theo phương pháp phần tử drain 101

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Cột xi măng đất sau thi công 5

Hình 1.2 Ví dụ về bố trí cột xi măng đất 5

Hình 1.3 Một số hình ảnh ứng dụng của công nghệ trộn sâu 10

Hình 1.4 Phân loại chung các thiết bị trộn sâu 11

Hình 1.5 Hình ảnh một số thiết bị trộn khô và trộn ướt 12

Hình 1.6 Sơ đồ thi công trộn ướt 13

Hình 1.7 Các kiểu bố trí trụ trộn ướt trên mặt đất 15

Hình 1.8 Các kiểu bố trí trụ trùng nhau theo công nghệ trộn ướt 15

Hình 1.9 Sơ đồ thi công trộn khô 16

Hình 1.10 Ổn định khối kiểu A 17

Hình 1.11 Ổn định khối kiểu B 17

Hình 2.1 Sơ đồ tính toán sức chịu tải của nhóm cọc theo Nhật Bản(1 lớp đất) 28

Hình 2.2 Sơ đồ tính toán sức chịu tải của nhóm cọc theo Nhật Bản(2 lớp đất) 29

Hinh 2.3 Phá hoại khối 30

Hình 3.2 Mặt cắt địa chất đại diện 46

Hình 3.3 Sơ đồ bố trí cọc xi măng đất 49

Hình 3.4 Sơ đồ bố trí cọc trong nhóm 54

Hình 3.5 Mô hình tính toán lún ổn định theo phương pháp phần tử hữu hạn 59

Hình 3.6 Kết quả tính toán lún ổn định theo phương pháp phần tử hữu hạn 60

Hình 3.7 Độ lún ổn định của nền theo pp Asaoka 62

Hình 3.8 Mô hình tính toán xác định hệ số thấm theo pp khối tương đương 66

Hình 3.10 Kết quả xác định hệ số thấm theo pp khối tương đương TH2 67

Hình 3.11 Kết quả xác định hệ số thấm theo pp khối tương đương TH3 67

Hình 3.12 Kết quả xác định hệ số thấm theo pp khối tương đương TH4 68

Hình 3.13 Kết quả xác định hệ số thấm theo pp khối tương đương TH5 68

Hình 3.14 Kết quả xác định hệ số thấm theo pp khối tương đương TH6 69

Hình 3.15 Kết quả xác định hệ số thấm theo pp khối tương đương TH7 69

Hình 3.16 Mô hình tính toán xác định hệ số thấm theo pp phần tử drain 73

Hình 3.17 Kết quả xác định hệ số thấm theo pp phần tử drain TH1: 73

Hình 3.18 Kết quả xác định hệ số thấm theo pp phần tử drain TH2: 74

Hình 3.19 Kết quả xác định hệ số thấm theo pp phần tử drain TH3: 74

Hình 3.20 Kết quả xác định hệ số thấm theo pp phần tử drain TH4: 75

Hình 3.21 Kết quả xác định hệ số thấm theo pp phần tử drain TH5: 75

Hình 3.22 Mặt bằng bố trí cọc xi măng đất 77

Hình 3.23 Mặt cắt ngang hình bố trí cọc xi măng đất 77

Hình 3.24 Mô hình tính toán hệ số phân bố ứng suất 81

Hình 3.25 Kết quả tính toán ứng suất tổng theo phương đúng 82

Hình 3.26 Chuyển vị theo phương đứng 82

Hình 3.27 Chuyển vị theo phương ngang 82

Hình 3.28 Biểu đồ kết quả tính toán hệ số SRR theo các phương pháp 85

B DỰ ÁN XA LỘ VEN BIỂN ARIAKE SEA CỦA NHẬT BẢN Hình 3.29 Hình ảnh về xa lộ ven biển Ariake của Nhật Bản 87

Hình 3.30 Sơ đồ bố trí cọc xi măng đất 89

Hình 3.31 Độ lún ổn định của nền theo pp Asaoka 91

Hình 3.32 Mô hình tính toán xác định hệ số thấm theo pp khối tương đương 93

Hình 3.33 Kết quả xác định hệ số thấm theo pp khối tương đương TH1 93

Hình 3.34 Kết quả xác định hệ số thấm theo pp khối tương đương TH2 94

Hình 3.35 Kết quả xác định hệ số thấm theo pp khối tương đương TH3 94

Hình 3.36 Kết quả xác định hệ số thấm theo pp khối tương đương TH4 95

Hình 3.37 Mô hình tính toán xác định hệ số thấm theo pp phần tử drain 98

Hình 3.38 Kết quả xác định hệ số thấm theo pp phần tử drain TH1: 98

Hình 3.40 Kết quả xác định hệ số thấm theo pp phần tử drain TH3: 99 Hình 3.41 Kết quả xác định hệ số thấm theo pp phần tử drain TH4: 100 Hình 3.42 Kết quả xác định hệ số thấm theo pp phần tử drain TH5: 100

Mở Đầu

1.Đặt vấn đề nghiên cứu

Đối với nước ta đây là một công nghệ mới nên các tiêu chuẩn ngành, cũng như tiêu chuẩn của Việt Nam hướng dẫn về công nghệ cột đất trộn xi măng vẫn chưa thực sự hoàn chỉnh TCVN 9403- 2012 " Gia cố nền đất yếu- phương pháp trụ đất xi măng " vừa mới ban hành tháng 12/2012 chưa có hướng dẫn cụ thể về tính toán thiết kế cột đất ximăng

Các công trình đã và đang sử dụng giải pháp cột đất trộn xi măng chủ yếu được thiết kế bằng cách vay mượn quy trình của nước ngoài như Thụy Điển, Nhật Bản, Trung Quốc…

Khi áp dụng phương pháp xử lý bằng cột đất trộn xi măng thì vấn đề quan tâm nhiều nhất là độ lún công trình khi khai thác, ảnh hưởng của hàm lượng hữu cơ đến cường độ đạt được trong cột xi măng đất, ổn định của nền gia cố, sự phân bố ứng suất trên đầu cột và đất nền xung quanh, và sự thay đổi hệ số thấm của nền đất sau khi gia cố cột xi măng đất

2 Nội dung nghiên cứu

Những nội dung nghiên cứu chính của đề tài: - Mục tiêu 1 của đề tài này là: Xác định độ lún ổn định của nền sau khi gia cố bằng cột xi măng đất bằng giải tích và bằng phương pháp phần tử hữu hạn So sánh với kết quả quan trắc thực tế để nhận xét và rút ra kết luận

- Mục tiêu 2 của đề tài này là: So sánh sự thay đổi hệ số thấm của nền sau khi gia cố cột xi măng đất với hệ số thấm của nền đất yếu trước khi gia cố, từ đó để nhận xét và rút ra kết luận

- Mục tiêu 3 của đề tài này là: Xác định hệ số phân bố ứng suất của nền sau khi gia cố cột xi măng đất bằng các công thức giải tích và phương pháp phần tử hữu hạn từ đó để nhận xét và rút ra kết luận

3 Phương pháp nghiên cứu - Với mục tiêu 1:

+ Xác định độ lún ổn định của nền gia cố bằng cột xi măng đất bằng phương pháp giải tích

+ Ứng dụng phần mềm Plaxis 2D-V8,5 để mô phỏng và phân tích bài toán + Xác định độ lún ổn định của nền gia cố cột xi măng đất bằng phương pháp Asaoka, được dựa vào từ số liệu quan trắc thực tế hiện trường từ đó để nhận xét và rút ra kết luận

- Với mục tiêu 2: + Xác định sự thay đổi hệ số thấm của nền gia cố cột xi măng đất bằng phương pháp Asaoka

+ Xác định sự thay đổi hệ số thấm của nền gia cố cột xi măng đất bằng phương pháp khối tương đương

+ Xác định sự thay đổi hệ số thấm của nền gia cố cột xi măng đất bằng phương pháp phần tử drain

+ Xác định sự thay đổi hệ số thấm của nền gia cố cột xi măng đất bằng phương pháp Thụy Điển

So sánh hệ số thấm được xác định từ các phương pháp trên với hệ số thấm của nền đất yếu khi chưa gia cố cột xi măng đất từ đó rút ra nhận xét và kết luận

-Với mục tiêu 3: + Xác định hệ số phân bố ứng suất vào nền sau khi gia cố cột xi măng đất bằng các phương pháp giải tích và phương pháp phần tử hữu hạn khác nhau, từ đó so sánh kết quả đạt được với phương pháp phần tử hữu hạn từ đó rút ra nhận xét và kết luận

4 Phạm vi nghiên cứu

Thời gian thực hiện đề tài ngắn nên tác giả chỉ phân tích các vấn đề về xác định độ lún ổn định, sự phân bố ứng suất của nền đất yếu sau khi được gia cố bằng cột đất trộn xi măng, sự thay đổi hệ số thấm khi nền sau khi gia cố cột xi măng đất

Các số liệu về công trình thực tế đặc biệt là số liệu quan trắc còn hạn chế nên kết quả nghiên cứu chỉ đại diện cho một khu vực nhất định chưa thể đại diện cho cả khu vực rộng lớn

Chương 1TỔNG QUAN VỀ GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỘT ĐẤT

TRỘN XI MĂNG

1.1 Các giai đoạn phát triển về việc sử dụng phương pháp trộn hóa học trong việc giữ ổn định cho nền

1.1.1 Giới thiệu cột xi măng đất

Cột xi măng đất (tên tiếng anh là Deep Soil Mixing hay DSM) được nghiên cứu ở Nhật bởi giáo sư Tenox Kyushu của đại học ToKyo vào khoảng những năm 1960 Loai cọc này sử dụng chủ yếu là đất tại chỗ gia cố với hàm lượng xi măng và chất phụ gia nhất định tùy thuộc vào loại và các tính cơ-lý-hóa của đất nền Nó sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao khi địa chất là đất cát Cột xi măng đất thường được thi công bằng công nghệ trộn sâu hay gọi tắt là DMM (Deep Mixing Method) Cột xi măng đất có thể làm móng sâu thay thế cọc nhồi trong một số trường hợp nhất định; làm tường trong đất (khi xây dựng tầng hầm); gia cố nền (khi xây dựng các công trình trên nền đất yếu) Thông thường loại cọc này không có cốt thép, song trong một số trường hợp cần thiết cốt thép cứng cũng có thể ấn vào cọc vữa khi vừa thi công xong

Sử dụng xi măng trộn với đất nền nhờ các phản ứng hóa học – vật lý xảy ra làm cho đất nền đông cứng nhanh thành một thể cột xi măng đất có độ ổn định cao làm tăng khả năng chịu tải của đất nền

1.1.2 Ưu điểm của cột xi măng đất

Một số ưu điểm của cột đất trộn xi măng: - Tăng khả năng chống trượt của mái dốc, - Tăng cường độ chịu tải của đất nền, - Giảm ảnh hưởng chấn động đến công trình lân cận, - Tránh hiện tượng biến loãng của đất nền,

- Cô lập phần đất bị ô nhiễm, - Giảm độ lún của công trình, - Thi công đơn giản nhanh chóng,

- Sử dụng vật liệu có sẵn, cốt liệu chính là đất tại chỗ nên giá thành thấp, - Thiết bị thi công không quá đắt (giá một thiết bị thi công cột khoảng 4 tỉ VND, chưa kể trạm trộn và thiết bị bơm vữa xi măng),

- Quá trình khoan có thể kiểm tra địa chất khu vực khoan nhờ thiết bị tự động đo và ghi momen xoắn ở đầu cần khoan,

- Chất lượng thi công không phụ thuộc nhiều vào yếu tố con người nhờ được tự động hóa,

- Công trình thi công không gây ồn ào (vì không sử dụng cốt liệu nơi khác) phù hợp với việc xây dựng móng nhà cao tầng trong đô thị

1.1.3 Ứng dụng cột xi măng đất trên thế giới

Cột đất gia cố xi măng do nước Mỹ nghiên cứu đầu tiên thành công sau Đại chiến thế giới thứ 2 năm 1945, khi đó dùng cột có đường kính từ 0,3-0,4 m, dài 10-12m Nhưng đến năm 1996 cột đất gia cố với mục đích thương mại mới được sử dụng với số lượng lớn

Sự phát triển của công nghệ trộn sâu bắt đầu từ Thụy Điển và Nhật Bản từ những năm 1960 Trộn khô dùng vôi hạt làm chất gia cố đã được đưa vào thực tế ở Nhật vào giữa những năm 1970 Cũng trong khoảng thời gian đó trộn khô ở Thụy Điển dùng vôi bột trộn vào để cải tạo các đặc tính lún của đất sét mềm dẻo, mềm

Hình 1.1Cột xi măng đất sau thi công

Hình 1.2 Ví dụ về bố trí cột xi măng

đất

yếu Trộn ướt dùng vữa xi măng làm chất gia cố cũng được áp dụng trong thực tế ở Nhật từ giữa những năm 1970

Những nước ứng dụng công nghệ trộn sâu nhiều nhất là Nhật Bản và các nước Bắc Âu Theo thống kê của hiệp hội cột trộn sâu CDM Nhật Bản tính chung

Tạp chí tin tức kỹ thuật (ENR) thường xuyên thông báo các thành tựu của CDM ở Nhật, chẳng hạn số 1983 đăng kết quả ứng dụng cho các công trình nền móng thi công trong nước, số 1989 về tác dụng chống động đất, số 1986 về các tường chống thấm Hàng năm các hội nghị về các công nghệ gia cố nền được tổ chức tại Tokyo, trong hội nghị nhiều thành tựu mới về bơm phụt vữa CDM đã được trình bày

Tại Trung Quốc, công tác nghiên cứu bắt đầu từ năm 1970, mặc dù từ cuối những năm 1960, các kỹ sư Trung Quốc đã học hỏi phương pháp trộn vôi dưới sâu và CDM ở Nhật Thiết bị trộn sâu trên đất liền xuất hiện 1978 và ngay lập tức được xử lý nền tại các khu công nghiệp ở Thượng Hải

Năm 1976, Viện nghiên cứu công chánh thuộc bộ xây dựng Nhật Bản hợp tác với viện nghiên cứu máy xây dựng Nhật Bản bắt đầu nghiên cứu phương pháp trộn phun khô dưới sâu bằng bột xi măng, bước thử nghiệm đầu tiên hoàn thành vào năm 1980

Năm 1986, phương pháp trộn dưới sâu được ứng dụng để gia cố nền đất yếu tại một số nơi tại Mỹ

Năm 1990, Nhật Bản đưa ra loại công nghệ thi công trộn dưới sâu mới gọi là phương pháp RR, khi thi công đầu trộn lên xuống, lắc ngang và quay trong lộn ngược tạo thành cột xi măng đất

Đến năm 1992, một sự hợp tác giữa Nhật Bản và Trung Quốc đã tạo ra một sự thúc đẩy cho sự phát triển mạnh cho công nghệ CDM ở Trung Quốc công trình

được thiết kế bởi các kỹ sư Trung Quốc

Năm 1993, hiệp hội DJM của Nhật xuất bản sách hướng dẫn những thông tin mới nhất thiết kế và thi công cột xi măng đất

1.1.4 Ứng dụng cột xi măng đất ở Việt Nam

Công nghệ trộn sâu đã được miêu tả trong quyển “xử lý sự cố nền móng công trình” của giáo sư Nguyễn Bá Kế xuất bản năm 2000 Năm 2002 viện KHCN đã có nghiên cứu về cột xi măng đất Hiện nay bộ xây dựng đã nghiên cứu ban hành tiêu chuẩn thiết kế cột xi măng đất

Năm 2002 một số công trình đã ứng dụng cột xi măng đất vào xây dựng các công trình trên đất yếu Cụ thể như cảng: Ba Ngòi (Khánh Hòa) đã sử dụng 4000m cột xi măng đất có đường kính 60 cm thi công bằng trộn khô, xử lý nền cho bồn chứa xăng dầu đường kính 35m cao 4m ở Cần Thơ Năm 2003 một việt kiều ở Nhật đã thành lập một công ty xử lý nền móng tại thành phố HCM, ứng dụng phương pháp trộn sâu để tạo cột xi măng đất lồng ống thép Cột xi măng đất lồng ống thép cho phép ứng dụng cho các công trình nhà cao tầng đến 15m, thay thế cho cọc nhồi rẻ và thi công nhanh Năm 2004 cột xi măng đất được ứng dụng để gia cố nền móng cho nhà nước máy huyện Vũ Bản tỉnh Hà Nam, xử lý móng cho nền chứa xăng dầu ở Đình Vũ tỉnh Hải Phòng Các dự án trên đều sử dụng phương pháp trộn khô độ sâu trên 20m

Tháng 5 năm 2004 các nhà thầu Nhật đã sử dụng Jet - Grouting để sử chữa các khuyết tật cho cọc nhồi của cầu Thanh Trì (Hà Nội)

Năm 2005, một số dự án cũng áp dụng cột xi măng đất như: dự án thoát nước khu đô thi Đồ Sơn Hải Phòng, dự án đường cao tốc TP Hồ Chí Minh đi Trung Lương, dự án cảng Bạc Liêu

Trong nước hiện nay có một số công ty đầu tư công nghệ máy móc, chuyên phục vụ xử lý nền bằng công nghệ cột đất trộn xi măng và đã có nhiều kinh nghiệm trong lĩnh vực này Một số công trình đã được công ty tư vấn xây dựng và môi trường ECE Consultants thi công xử lý nền (bao gồm gia cố nền và gia cố vách hố đào) bằng công nghệ cột xi măng đất như sau:

- Gia cố bồn dầu 3000m3 tại kho xăng dầu Miền Tây giai đoạn 1 thi công năm 2000

- Gia cố bồn dầu 10000m3 tại kho A, kho xăng dầu Nhà Bè thi công năm 2001

- Gia cố bồn dầu 3000m3 tại kho xăng dầu Đình Vũ Hải Phòng - Gia cố bồn dầu 12000m3 tại kho C kho xăng dầu Nhà Bè thi công năm 2002

- Gia cố bồn xăng dầu 12500m3 tại kho xăng dầu miền tây thi công năm 2003

- Gia cố móng nhà 3 tầng tổng kho xăng dầu miền tây năm 2001 - Gia cố nhà máy điện đạm Phú Mỹ năm 2003

- Gia cố móng nhà máy xử lý nước Nam Định năm 2003 - Gia cố chống trượt bãi rác thải Đông Thạnh năm 2003 - Gia cố bể chứa nước, lọc nước nhà máy xử lý nước Nam Định năm 2005 Công ty cổ phần phát triển kỹ thuật xây dựng (TDC) thuộc tổng công ty xây dựng Hà Nội (HANCORP) cũng là một công ty chuyên xử lý nền móng bằng cột xi măng đất Theo số lieu của công ty tổng khối lượng thự hiện đến năm 2008 như sau:

Bảng 1.1 Một số công trình tiêu biểu được TDC xử lý bằng công nghệ cột đất trộn

xi măng theo phương pháp trộn sâu

1.2 Công nghệ trộn sâu

1.2.1 Giới thiệu công nghệ trộn sâu:

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

Hình 1.3 Một số hình ảnh ứng dụng của công nghệ trộn sâu

1.2.2 Thiết bị thi công công nghệ trộn sâu:

1.2.2.1 Thiết bị thi công theo công nghệ Bắc Âu:

Thiết bị có khả năng tạo trụ đến độ sâu 25m, đường kính 0,6m đến 1m, độ nghiên tới 700 so với phương đứng Máy có một cần, lỗ phun xi măng ở đầu trộn Năng lượng trộn và khối lượng xi măng được quan trắc, và trong nhiều trường hợp được kiểm soát tự động để đất được trộn đều

Đầu trộn được xuyên xuống độ sâu thiết kế , khi rút lên xi măng được phun qua lỗ ở đầu trộn qua ống dẫn trong cần trộn Đất và xi măng được trộn đều nhờ đầu trộn

Phương pháp trộnTrộn sâu

Quay một trục

Một cần, nhiều cần

Guồng xoắn liền khối

Guồng xoắn tháo rời

Một cần, một cánh, nhiều cánh

Nhiều cần, nhiều cánh

Trộn tổ hợp

Quay một trục+

tịnh tiến theo tuyến

Quay trong mặt phẳng+ tịnh tiến theo tuyến

Chỉ tịnh tiến theo tuyến

Một cần, cánh+ phun tia áp cao Cắt cánh hoặc

bánh lốp

Một cần, cánh gia cố khối lớn

Máy đào

Hình 1.4 Phân loại chung các thiết bị trộn sâu

được quay trong mặt phẳng ngang , thậm chí đổi hướng quay một vài lần

Tốc độ quay của đầu trộn và tốc độ rút lên đều được hiệu chỉnh để hỗn hợp đất- xi măng được đạt tới độ đồng nhất mong muốn

1.2.2.2 Thiết bị thi công theo công nghệ Nhật Bản:

Nhật Bản chế tạo ra nhiều loại máy trộn có một cần hoặc nhiều cần, mỗi cần có đầu trôn nhiều lưỡi cắt đường kính từ 0,8m đến 1,3m có khả năng tạo trụ đến độ sâu 33m, xi măng đi vào máy trộn nhờ khí nén, thiết bị mới có đầu chụp ngăn xi măng phụt lên trên mặt đất, lỗ phun xi măng nằm cả ở phía trên và phía dưới hệ lưỡi cắt

Hình 1.5 Hình ảnh một số thiết bị trộn khô và trộn ướt

a Thiết bị trộn khô b Sơ đồ làm việc của hệ thống

cánh khoan c Mô hình thi công trộn sâu d Hệ thống cánh khoan đang làm

c

d

1.2.2.3 Công nghệ thi công trộn ướt

Trộn ướt là quá trình xáo tới đất bằng cơ học tại hiện trường và trộn vữa xi măng gồm xi măng và nước, có hoặc không có phụ gia với đất khi cần có thể thêm chất độn ( cát và phụ gia) Khối lượng vữa được thay đổi theo độ sâu Khi chế tạo trụ trong đất rời dùng khoan guồng xoắn liên tục có cánh trộn, có đủ công suất để phá vỡ cấu trúc của đất và trộn đều vữa

Cường độ và tính thấm của trụ phụ thuộc vào thành phần và đặc tính của đất ( hàm lượng hạt mịn, hàm lượng hữu cơ, loại sét, thành phần hạt….) khối lượng, hàm lượng vữa, và quy trình trộn

Có thể ngưng trộn khi vữa chưa bắt đầu đong cứng , khởi động trộn lại tại độ sâu 0,5m trong đất đã xử lý

Bơm để chuyển vữa đến lỗ phun cần phải có đủ công suất (tốc độ truyền và áp lực) để truyền lượng vữa thiết kế an toàn

a Thi công trộn ướt theo công nghệ Châu âu

Thi công trộn ướt theo công nghệ Châu Âu thường là khoan guồng xoắn( liên tục hoặc cục bộ) hoặc cắt cánh phụ thuộc vào điều kiện đất nền và ứng dụng

b Thi công trộn ướt theo công nghệ Nhật Bản

Công nghệ này được dùng trên đất liền và trên biển Trên đất liền dùng thiết bị có một, hai và bốn trục, có nhiều tầng cánh trộn để tạo sự đồng nhất cho trụ Chỉ số

quay cánh, khối lượng vữa được kiểm soát tự động, đường kính cánh cắt từ 1m đến 1,3m , chiều sâu tối đa đến 48m Khi thi công trên biển thường dùng tàu lớn có thiết bị trộn, bồn chứa, trạm trộn vữa, phòng điều khiển trên đó Các thiết bị này có thể tạo các trụ có diện tích tiết diện từ 1,5m2 đến 6,9m2 và có độ sâu tối đa tới 70m tính từ mặt nước biển

Bảng 1.2 Bảng so sánh công nghệ trộn ướt công nghệ Châu Âu và Nhật Bản

Bảng 1.3 Bảng đặc tính kỹ thuật công nghệ trộn ướt Châu Âu và Nhật Bản

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

Đường kính (m) 0.4 - 0.9 1.0 - 1.3 1.0 - 1.6 Chiều sâu tối đa 25 m 48 m 70m từ mặt nước Vị trí lỗ phun Cần khoan Cần và Cánh Cần và Cánh Đầu trộn

Áp lực phun(kPa) 500 ÷ 1000 300 ÷ 600 300 ÷ 800 Trạm trộn

vữa Công suất( m3/phút) 0.08 ÷ 0.25 0.25 ÷ 1.0 0.5 ÷ 2.0

Khối lượng vữa

Nhật Bản, trên biển

Vận tốc rút lên( m/phút) 3.0 ÷ 5.0 0.7 ÷ 1.0 1.0 Tốc độ quay cánh trộn( vòng/phút) 25 ÷ 50 20 ÷ 40 20 ÷ 60 Số lượng vòng quay cánh Chủ yếu là

guồng xoắn 350 cho mỗi m 350 cho mỗi m Khối lượng vữa phun( kg/m3) 80 ÷ 450 70 ÷ 300 70 ÷ 300 Pha phun xi măng hoặc pha lên Pha xuống hoặc pha lên Pha xuống Pha xuống hoặc pha lên

1.2.3 Công nghệ thi công trộn khô

Trộn khô là quá trình xáo tơi đất bằng cơ học tại hiện trường bằng cơ học và trộn bột xi măng khô với đất có hoặc không có phụ gia

Qui trình thi công gồm các bước sau : - Định vị thiết bị trộn

- Xuyên đầu trộn xuống độ sâu thiết kế đồng thời phá tơi đất - Rút đầu trộn lên đồng thời phun xi măng vào đất

- Đầu trộn quay và trộn đều xi măng và đất - Kết thúc thi công

Nguyên tắc chung của phương pháp trộn khô :

Bảng 1.4 So sánh công nghệ trộn sâu của Bắc Âu và Nhật Bản

Thiết bị Chi tiết Bắc Âu Nhật Bản

Đường kính 0,4m đến 1m 0,8m đến 1,3m

Vị trí lỗ phun Đáy trục trộn Đáy trục hoặc trên cánh cắt Đầu

Máy khí nén Máy sấy Bồn chứa

Xi măng

Hình 1.9 Sơ đồ thi công trộn khô

1.2.4 Công nghệ trộn hỗn hợp

Có vài phương pháp dùng kỹ thuật tương tự trộn sâu Điển hình là kết hợp trộn cơ học với thủy lực Dưới đây giới thiệu phương pháp gia cố toàn khối, phun áp cao kết hợp với trộn cơ học

a Gia cố toàn khối

Trong trường hợp đất nền rất xấu như than bùn, sét hữu cơ, bùn sét yếu, cần gia cố đến độ sâu 2m đến 3m, độ sâu lớn nhất đã xử lý là 5m Máy thi công khác với máy trộn sâu tạo trụ Chất kết dính được cấp đến đầu trộn trong lúc bộ trộn quay đồng thời chuyển động theo phương ngang và phương đứng Máy chủ của đầu trộn thường là máy đào Hai công nghệ gia cố khối thể hiện ở bên dưới

Hình 1.11 Ổn định khối kiểu B Hình 1.10 Ổn định khối kiểu A 1 Bồn chứa và cân 2 Máy đào 3 Cần trộn 4,5 Đất xấu cần xử lý 6 Hướng

di chuyển 7 Vải địa kỹ thuật 8 Đất san nền, gia tải trước

b.Khoan phụt vữa cao áp Jet Grouting

Phương pháp mới này kết hợp lợi thế của trộn cơ học và phun vữa lỏng( Jet grouting) Máy có cả đầu trộn và vòi phun, có thể tạo nên các trụ có đường kính lớn hơn đường kính đầu trộn Công nghệ kiêu này và một vài kiểu khác nữa được áp dụng ở Nhật (Tanaka 2002)

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 (200-400atm) vận tốc lớn đến 100m/s, các phần tử đất xung quanh lỗ khoan bị xói tơi ra và trộn với vữa phụt đông cứng tạo thành một khối đồng nhất “ xi măng- đất”

Ưu điểm của công nghệ phụt vữa cao áp là:

- Phạm vi áp dụng rộng, thích hợp với mọi loại đất từ bùn sét đến sỏi cuội - Có thể xử lý các lớp đất yếu một cách cục bộ không ảnh hưởng đến các lớp đất tốt

- Có thể xử lý dưới móng hoặc kết cấu hiện có mà không ảnh hưởng đến kết cấu của công trình

Nhược điểm của công nghệ phụt vữa cao áp là:

- Có thể gây ra trương nở nền và gây ra các chuyển vị quá giới hạn trong lòng đất, áp lực siêu cao có thể gây nên rạn nứt các nền đất lân cận và tia vữa có thể lọt vào các công trình ngầm

- Đối với nền đất chứa nhiều túi bùn hoặc rác hữu cơ thì các axit có trong lòng đất sẽ làm chậm hoặc phá hủy quá trình nung kết của hỗn hợp xi măng đất

1.2.5 Các quá trình cơ và hóa lý xảy ra trong gia cố nền bằng cột xi măng đất

Trên cơ sở phân tích lý thuyết các phương pháp gia cố nền bằng cột cát, cột xi măng đất, có thể nhận thấy khi gia cố nền bằng đất yếu bằng các phương pháp này thì trong đất sẽ xảy ra các quá trình cơ lý hóa sau đây

1.2.5.1 Các phản ứng hóa học

Ở trong đất luôn có một lượng nào đó các chất oxit silic SiO2 và Alumin AL2O3

măng tác dụng với nước có trong đất cải tạo bao gồm:

Hydro aluminat canxit 3CaoAl2O3 6H2O Hydro ferat aluminat canxit 3CaoAl2O3.CaSO4.3H2O Hydroxit canxi Ca(OH)2

Đã có nhiều quan niệm về sự phát triển của cường độ xi măng nhưng theo nghiên cứu của P.A Rebinder cho thấy rằng sự hình thành nên cường độ của xi măng đông cứng bao gồm 2 giai đoạn:

Giai đoạn 1: Là sự dich chuyển của ion từ mạng tinh thể của các khoáng vật của xi măng vào môi trường nước và hydrat hóa chúng trong môi trường này

Giai đoạn 2: sự đông cứng tạo nên cấu trúc tinh thể , sự phát triển cấu trúc tinh thể qua hai quá trình: Đầu tiên là sự xuất hiện của khung cấu trúc tinh thể cùng với sự phát triển mối tiếp xúc công sinh giữa các tinh thể của những thành tạo mới được hình thành, tiếp theo quá trình tạo khung là ghép các khung mới hình thành tạo nên mối liên kết cấu trúc kết tinh có cường độ cao, không có tính xúc biến từ đó tạo nên cường độ của xi măng đông cứng

1.2.5.2 Quá trình nén chặt cơ học

Gia cố nền bằng cột xi măng đất là dùng thiết bị chuyên dụng để đưa một lượng vật liệu vào đất dưới dạng cọc hỗn hợp xi măng đất Lượng vật liệu này chiếm chỗ các lỗ rỗng trong đất làm cho lỗ rỗng trong đất giảm đi, các hạt đất sắp xếp lại kết quả là đất nền được nén chặt lại

Khi gia cố nền bằng cột xi măng đất quá trình nén chặt đất sẽ xảy ra tức thời Hiệu quả nén chặt phụ thuộc vào thể tích vật liệu đưa vào nền nghĩa là phụ thuộc vào số lượng, đường kính, cũng như hình dạng của các cột và sơ đồ bố trí , còn chiều sâu gia cố phụ thuộc vào chiều sâu vùng hoạt động nén ép dưới đáy nền móng công trình, nghĩa là tại độ sâu mà ở đó thỏa mãn các điều kiện sau đây:

- Ứng lực nén ép nhỏ hơn hoặc bằng 0,1 lần ứng suất bản thân của đất nền - Ứng suất nén ép nhỏ hơn hoặc bằng áp lực bắt đầu cố kết thấm của đất - Ứng suất nén ép từ 20-30 kPa

Việc kiểm tra đánh giá định lượng tác dụng nén chặt đất khi gia cố nền bằng cột xi măng đất có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp như khoan lấy mẫu đất trong phạm vi giữa các cột để xác định hệ số rỗng cũng như khối lượng thể tích của đất sau khi gia cố hoặc dùng thí nghiệm xuyên tĩnh hoặc nén tĩnh nền

Khi xi măng được đưa vào đất nền nó sẽ hút nước trong đất nền để tạo vữa xi măng, sau đó biến thành đá xi măng Quá trình tạo vữa xi măng làm tổn thất một lượng nước lớn chứa trong lỗ rỗng của đất, nghĩa là làm tăng nhanh quá trình cố kết của đất nền Quá trình này xảy ra ngay khi gia cố và kết thúc khi quá trình gia cố xong, đây là quá trình biến đổi lý hóa phức tạp chia làm hai thời kỳ là thời kỳ ninh kết và thời kỳ rắn chắc

Mặt khác, nếu tỷ lệ phối hợp giữa xi măng và đất hợp lý thì sau khi đông cứng vẫn có thể cho thoát nước qua và làm việc như một giếng thu nước thẳng đứng giống như cọc cát Dưới tác dụng của tải trọng ngoài cùng với thời gian ứng suất hữu hiệu tăng lên, ứng suất trung tính giảm đi, nước trong lỗ rỗng của đất sẽ thấm theo phương ngang vào cột và thoát ra ngoài dọc theo chiều dài cột

Bài toán cố kết thấm của nền đất khi gia cố bằng cột xi măng đất cũng giống như bài toán cố kết thấm của nền đất được gia cố bằng cọc cát và đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu Năm 1935, L.Rendulic đã đưa ra phương trình vi phân cố kết đối xứng để xác định chỉ số áp lực nước lỗ rỗng trong nền Năm 1948, R.A.Barron đã đưa ra lời giải toàn diện đầu tiên cho bài toán cố kết của cột xi măng đất

Khi trong nền có các cột xi măng đất thì chiều dài đường thấm theo phương ngang sẽ nhỏ hơn chiều dài đường thấm theo phương đứng nhiều lần , do đó có thể xem vai trò thoát nước theo phương ngang là chủ yếu Tuy nhiên quá trình thoát nước theo phương ngang và phương đứng bằng định đề Carrillo

P= 1- (1- Ph).(1-Pv) Trong đó:

P: độ cố kết toàn phần của đất Ph: độ cố kết trung bình của đất theo phương ngang Pv: độ cố kết trung bình của đất theo phương đứng

Hệ số thấm của cột xi măng đất ảnh hưởng nhiều đến quá trình cố kết của đất nền Theo nhiều nghiên cứu, khi hệ số thấm ngang của nền đất Kh < 10-7 cm/s, thì tác dụng cố kết của nền đất sẽ bị hạn chế Để đảm bảo cột xi măng đất làm việc tốt trong quá trình cố kết thì hệ số thấm đất của vật liệu cột cần lấy > 2,3m/ng.đ Muốn vậy cần chế tạo chế bị với các tỉ lệ xi măng- đất khác nhau và tiến hành thí nghiệm mẫu xác định hệ số thấm Để đánh giá định lượng quá trình cố kết của nền đất khi gia cố bằng cột xi măng đất có thể đặt các thiết bị đo áp lực nước lỗ rỗng tại các thời điểm trước, sau khi gia cố và thời gian sử dụng công trình

1.2.5.4 Quá trình gia tăng cường độ của cột gia cố và sức kháng cắt của đất

Khi trộn xi măng trong đất và đưa vào trong đất nền, ở mặt tiếp xúc giữa cột và đất nền sẽ xảy ra sự trao đổi ion và phản ứng puzolan Các ion canxi hóa trị 2 sẽ thay thế các ion natri và hidro hóa trị 1 ở trong lớp điện kép bao quanh mỗi hạt khoáng vật sét Vì cần ít hơn canxi hóa trị 2 để trung hòa lưới điện âm trên mặt của mỗi khoáng vật sét nên giảm được kích thước của lưới điện kép và do đó làm tăng lực của các hạt sét, dẫn đến lực dính của các hạt sét tăng lên Hơn nữa silic và nhôm trong khoáng vật sẽ phản ứng với silicat canxi và hydrat nhôm canxi trong phản ứng puzolan, tạo ra các hợp chất có độ bền cao và bền trong môi trường nước Những quá trình này làm tăng lực dính và lực ma sát của đất xung quanh cột gia cố, dẫn đến làm tăng cường độ của đất nền

Tất cả các quá trình nén chặt cơ học, quá trình cố kết, quá trình gia tăng cường độ của cột và đất nền khi gia cố bằng cột xi măng đất đều có quan hệ hữu cơ với nhau Các quá trình này không độc lập với nhau mà diễn ra đồng thời với nhau, và là động lực thúc đẩy phát triển của nhau

1.2.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ cột xi măng đất

Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến cường độ của đất sau khi đã được xi măng hóa Một vài yếu tố đóng vai trò quan trọng như:

1.2.6.1 Ảnh hưởng của loại đất

Các chỉ tiêu vật lý và hóa học của đất (thành phần khoáng vật của đất, đường cong cấp phối, độ ẩm, chất hữu cơ, độ PH ) ảnh hưởng rất nhiều đến kết quả sau khi đã cải tạo đất Thông thường nếu lượng đất sét tăng lên thì lượng keo cần dùng cũng tăng theo (tăng bề mặt của hạt đất)

1.2.6.2 Tác dụng của thành phần keo

Nếu lượng keo trong thành phần bột trộn tăng lên thì cường độ của đất sau khi trộn cũng tăng lên tùy thuộc vào tính chất của đất và bột trộn Chỉ số phát triển cường độ được định nghĩa bằng tỉ số giữa cường độ của đất sau và trước khi xử lý thông qua thí nghiệm cắt trực tiếp

1.2.6.3 Ảnh hưởng của độ ẩm

Độ ẩm càng cao thì cường độ của đất sau khi xử lý càng bị giảm mà không phụ thuộc vào lượng keo gắn kết

1.2.6.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ trong quá trình xử lý

Lượng keo gắn kết nằm trong khoảng từ 20-30% trọng lượng với nhiệt độ trong quá trình trộn là 10 đến 500C Nhiệt độ càng tăng cao quá trình gắn kết hóa học xảy ra càng nhanh

1.2.6.5 Biến dạng ở trạng thái phá hoại

Tại cường độ nén dưới 1MPa, biến dạng nằm trong khoảng 1-3% Mặc dù vậy khi vượt khỏi giá trị này thì biến dạng chỉ khoảng 1%, độ cứng của đất được xử lý là độ

cứng của thành phần keo gắn

1.2.6.6 Những chỉ tiêu cơ học khác

Thí nghiệm nén ba trục của đất keo là một đề tài được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm (Juran và Riccobono năm 1997, Kohata và cộng sự năm 1992, Kamaluddin và Balasubr năm 1993, ) Ảnh hưởng của lực hông, chiều dài đường thấm và độ lớn của biểu đồ ứng suất biến dạng được nghiên cứu Bên cạnh đó tiêu chuẩn phá hoại và cường độ cực hạn cũng được nghiên cứu Rất ít khi người ta dùng thí nghiệm cắt trực tiếp để xác định cường độ của đất keo, đối với những thí nghiệm này ứng suất nén thường bằng không

Hệ số thấm của đất sau khi được keo hóa là một yếu tố rất quan trọng trong thiết kế các công trình như tường chắn đất, đê, đập…Rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hệ số thấm của đất giống như cường độ của đất, trong một số trường hợp người ta dùng bentonite để giảm hệ số thấm của đất

1.2.6.7 Ảnh hưởng của phương pháp trộn

Ứng xử của đất sét mềm được cải thiện tốt hơn thông qua cá cột đất xi măng được tạo bởi phương pháp trộn sâu Cột xi măng đất chủ yếu làm giảm độ lún và tăng độ ổn định cho nền công trình Phương pháp trộn sâu bao gồm một nhóm công nghệ gia cố nền Phương pháp mà ở đó bột xi măng khô được sử dụng làm chất phụ gia ổn định nền đươc gọi là phương pháp trộn khô, còn nếu sử dụng vữa xi măng làm chất phụ gia để ổn định nền thì được gọi là phương pháp trộn ướt Phương pháp trộn khô thường được dùng cho nền đất sét có mực nước ngầm cao, còn phương pháp trộn ướt thường được dùng cho môi trường có nền đất khô mực nước ngầm ở sâu Mặc dù công nghệ trộn khô thì được các nước Bắc Âu sử dụng, còn công nghệ trộn ướt thì được Nhật Bản sử dụng, vẫn có rất ít các nghiên cứu đưa ra phương pháp nào hiệu quả hơn Một nghiên cứu mang tính so sánh được Shiells và đồng nghiệp thực hiện năm 2003 về cường độ của hỗn hợp xi măng đất của hai phương pháp trộn sâu này cho thấy phương pháp trộn ướt thường cho hàm lượng xi măng/đất cao hơn phương pháp trôn khô Tỉ lệ

ngược lại khi chi ra rằng cường độ chịu nén của cột xi măng đất được sử dụng vữa xi măng lại thấp hơn cường độ chiu nén của cột xi măng đất được sử dụng bột xi măng khô Điều này có thể được cho là do sự khác nhau của tỉ lệ nước/xi măng của đất được gia cố của 2 phương pháp trên Các mẫu lấy từ thí nghiệm trộn ướt cho thấy hàm lượng nước cao hơn và có tỉ lệ nước/xi măng cao hơn nên dẫn đến kết quả cường độ thấp

Các nghiên cứu của Nguyễn Minh Tâm, Hui Joon Kim chỉ ra rằng: - Các mẫu thử cột xi măng đất có hàm lượng xi măng nhiều hơn sẽ dễ bị phá

hoại giòn - Cường độ chiu nén của các mẫu xi măng đất được thực hiên bằng phương

pháp trộn khô sẽ lớn hơn nhưng lại bị phá hoại giòn hơn so với phương pháp trộn ướt

- Cường độ chịu nén tự nhiên có xu hướng tăng lên cùng sự tăng của lượng xi măng Cường độ tự nhiên tăng nhanh khi lượng xi măng tăng đến 20% nhưng sau đó tăng chậm lại

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TÍNH TOÁN GIA CỐ NỀN BẰNG

CỘT ĐẤT TRỘN XI MĂNG

2.1 Tính toán khả năng chịu tải

Khả năng chịu tải của cột ximăng - đất thường được phân loại như sau:

Các qui trình tính toán của Châu Âu, Trung Quốc và Nhật Bản đều dựa trên công thức tính sức chịu tải của móng cọc, tuy nhiên cũng có một số thay đổi để phù hợp với cột đất trộn ximăng

2.1.1 Khả năng chịu tải theo vật liệu a Theo cách xác định của Châu Âu

Khả năng chịu tải giới hạn theo vật liệu của cột:

Qult,col= A.(2.cu col + Kb.σh) (2.1)

Trong đó: cu col : cường độ kháng cắt của vật liệu cọc

σh: áp lực ngang tổng cộng tác động lên cột ximăng - đất tại mặt cắt giới hạn

⇒ Hệ số tương ứng hệ số áp lực bị động Kb = 3 khi ϕgh,cột ximăng - đất=30o

Với: σp: áp lực tổng của các lớp phủ bên trên

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

b Theo viện địa kỹ thuật Châu Á