Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây, sự phát triển kinh tế xã hội và các chính sách an sinh của Nhà nước đã thúc đẩy sự gia tăng các công trình xây dựng, đặc biệt tại tỉnh Đồng Tháp Các công trình như trường học, trạm y tế và trụ sở cơ quan nhà nước ở vùng nông thôn đang được đầu tư mạnh mẽ Tuy nhiên, nhiều công trình ở các vùng đất yếu như huyện Tháp Mười, Châu Thành và Lai Vung đang gặp phải những thách thức trong việc xử lý nền móng, dẫn đến chi phí cao và đôi khi không đảm bảo tính ổn định Hiện nay, hầu hết các công trình áp dụng giải pháp xử lý nền móng bằng cọc bê tông cốt thép và móng băng giao nhau trên nền gia cố cừ tràm, nhưng vẫn tồn tại nhiều vấn đề bất cập cần được khắc phục.
Cừ tràm yêu cầu phải ngập trong mực nước ngầm hoặc nằm trong vùng nước mao dẫn, dẫn đến chi phí tăng do chiều sâu móng phải lớn hơn Với chiều dài tối đa 5m, cừ tràm khi xử lý móng sẽ giống như một "bè" trên nền đất yếu, gây ra độ ổn định thấp và độ lún lớn Do đó, cần làm móng có kích thước lớn, làm tăng chi phí xây dựng.
Lún chỉ xảy ra trong bề dày lớp đất yếu có cừ tràm, trong khi lún của lớp đất yếu dưới móng cừ tràm lại rất lớn và có sự biến dạng theo thời gian.
Lớp đất có gia cố cừ tràm chỉ cải thiện khả năng chịu tải một cách hạn chế, trong khi khả năng chịu tải của lớp đất yếu dưới móng cừ tràm vẫn rất thấp Do đó, việc đánh giá khả năng chịu tải của móng trên nền cừ tràm cần được thực hiện cẩn thận, đặc biệt là trong khu vực chịu ứng suất từ công trình.
Nguồn vật liệu ngày càng khan hiếm và diện tích trồng bị hạn chế, dẫn đến giá thành cao và chất lượng cừ không đồng đều Việc quản lý chất lượng trong thi công trở nên khó khăn, đặc biệt ở những vùng sâu, vùng xa.
+ Đối với cọc bê tông cốt thép:
Giá thành cao, điều kiện vận chuyển, thi công vùng sâu, vùng xa gặp nhiều khó khăn
Việc sử dụng cọc trong những nền đất yếu dày không mang lại hiệu quả, vì cần phải dùng cọc có chiều dài và độ mảnh lớn, dẫn đến việc phải sử dụng mối nối Tuy nhiên, chất lượng và tuổi thọ của mối nối thường không cao.
Việc không khai thác hiệu quả khả năng chịu tải của nền đất yếu có thể gây ra nhiều vấn đề, đặc biệt đối với các công trình có tải trọng lớn như nền nhà kho và nhà công nghiệp.
Khó khăn khi thi công trong mực nước ngầm cao, trong các khu vực nhà xây chen
Hiện nay, các giải pháp xử lý nền móng tại tỉnh Đồng Tháp vẫn gặp nhiều tồn tại như chi phí cao và hiệu quả không đạt yêu cầu, dẫn đến tình trạng lún lớn ở các công trình Do đó, việc tìm kiếm một giải pháp mới vừa hiệu quả vừa tiết kiệm chi phí là rất cần thiết Nghiên cứu về cọc đất gia cố xi măng đường kính nhỏ để xử lý nền móng cho nhà dân dụng thấp tầng tại huyện Tháp Mười sẽ đáp ứng nhu cầu cấp thiết trong việc cải thiện tình trạng nền móng công trình hiện nay.
Mục tiêu nghiên cứu đề tài
Tại tỉnh Đồng Tháp, việc xây dựng công trình ở vùng đất yếu đang gặp phải nhiều vấn đề nghiêm trọng liên quan đến chất lượng và kinh phí.
Tại các khu vực đất yếu của tỉnh Đồng Tháp như huyện Tháp Mười, Châu Thành, Lai Vung và Lấp Vò, giải pháp xử lý móng công trình chủ yếu sử dụng móng cọc bê tông cốt thép và móng băng trên nền gia cố cừ tràm Tuy nhiên, các giải pháp này đã bộc lộ nhiều hạn chế, bao gồm chi phí xử lý cao và tình trạng lún của công trình vẫn tiếp diễn ngay cả sau khi đưa vào sử dụng.
Nghiên cứu này nhằm đánh giá hiệu quả kỹ thuật và kinh tế của phương pháp gia cố nền đất yếu bằng xi măng hóa (cọc đất gia cố xi măng) tại huyện Tháp Mười, tỉnh Đồng Tháp.
Nghiên cứu đánh giá về chỉ tiêu cơ lý của nền đất yếu tại khu vực nghiên cứu trước và sau khi gia cố
Nghiên cứu đánh giá về khả năng chịu lực, ổn định của nền đất yếu tại khu vực nghiên cứu trước và sau khi gia cố
Nghiên cứu phân tích để đề xuất quy trình công nghệ khoan, bơm xi măng vào nền đất
Xây dựng thực tế công trình trên nền đất yếu sau khi đã gia cố bằng công nghệ khoan, bơm xi măng vào nền đất.
Phương pháp nghiên cứu
Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận văn:
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thí nghiệm trong phòng và thi công, cũng như thử nghiệm hiện trường, nhằm đối chứng và phân tích kết quả nghiên cứu Từ đó, chúng tôi rút ra những kết luận cần thiết cho đề tài nghiên cứu.
Nghiên cứu lý thuyết về mô hình và các phương pháp tính toán cho cọc đất gia cố xi măng đường kính nhỏ nhằm gia cố nền đất yếu đã được triển khai cả trên thế giới và tại Việt Nam Các phương pháp này giúp nâng cao hiệu quả trong việc cải thiện tính chất cơ học của nền đất, đảm bảo an toàn và ổn định cho các công trình xây dựng.
Nghiên cứu công nghệ và thiết bị thi công cọc đất gia cố xi măng với đường kính nhỏ là giải pháp tối ưu cho nhu cầu và điều kiện vận chuyển lắp đặt tại đồng bằng sông Cửu Long Khu vực này có nhiều cầu yếu, gây khó khăn trong việc vận chuyển thiết bị lớn và cồng kềnh.
Nghiên cứu thí nghiệm trong phòng tập trung vào việc khảo sát các phương pháp thử nghiệm, nhằm xác định kết quả tối ưu dựa trên hàm lượng xi măng và thời gian Qua việc phân tích và đánh giá các kết quả thử nghiệm, nghiên cứu còn ứng dụng những phát hiện này vào tính toán ổn định của nền đất được gia cố.
Theo Tiêu chuẩn TCVN 9403:2012, trụ xi măng đất được định nghĩa là trụ tròn làm từ hỗn hợp đất và xi măng, được chế tạo bằng cách trộn xi măng hoặc vữa xi măng với đất tại chỗ Tuy nhiên, có nhiều quan điểm khác nhau trong việc lựa chọn mô hình tính toán, dẫn đến sự không rõ ràng trong việc sử dụng thuật ngữ giữa trụ và cọc đất gia cố xi măng Vấn đề này sẽ được làm rõ trong luận án.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
Nghiên cứu này nhằm cung cấp giải pháp hiệu quả về kinh tế và kỹ thuật cho các bên liên quan trong đầu tư xây dựng, bao gồm chủ đầu tư, đơn vị thiết kế, thẩm tra và thẩm định, giúp xử lý nền móng cho các công trình xây dựng tại những khu vực có địa chất yếu và giao thông khó khăn.
Mô hình và phương pháp lý thuyết tính toán cho cọc đất gia cố xi măng đóng vai trò quan trọng trong xây dựng Bài viết này sẽ làm rõ các khía cạnh liên quan đến cọc đất gia cố xi măng nói chung, cũng như tập trung vào cọc đất gia cố xi măng có đường kính nhỏ Việc hiểu rõ các phương pháp này giúp nâng cao hiệu quả thiết kế và thi công, đảm bảo tính ổn định và độ bền cho công trình.
Góp phần thúc đẩy ứng dụng công nghệ mới cọc đất gia cố xi măng vào ứng dụng trong thực tế cuộc sống và phát triển kinh tế
Việc ứng dụng công nghệ hiện đại vào gia cố nền móng tại các khu vực có nền đất yếu không chỉ nâng cao hiệu quả kinh tế mà còn tạo dựng một cơ sở vững chắc cho sự phát triển bền vững.
Nghiên cứu đã xây dựng một cơ sở thực nghiệm nhằm áp dụng rộng rãi phương pháp xử lý nền móng bằng trụ đất xi măng tại huyện Tháp Mười, tỉnh Đồng Tháp.
Giới hạn của nghiên cứu
Do hạn chế về thời gian và khả năng, tác giả chỉ tập trung nghiên cứu cọc đất gia cố xi măng với đường kính nhỏ để xử lý nền móng cho nhà dân dụng thấp tầng tại huyện Tháp Mười, tỉnh Đồng Tháp Nghiên cứu này chưa mở rộng ra toàn bộ khu vực Đồng Bằng Sông Cửu Long, do đó chưa thể đưa ra kết luận tổng quát và thuyết phục hơn.
Quy mô công trình nghiên cứu là móng cho nhà dân dụng thấp tầng tối đa là 3 tầng xây dựng trên vùng có địa chất yếu.
Nội dung nghiên cứu
Nội dụng đề tài gồm: Phần mở đầu, 4 chương, phần kết luận và kiến nghị, tài liệu tham khảo và phần phụ lục
Trong phần mở đầu, bài viết sẽ trình bày lý do chọn đề tài nghiên cứu, xác định mục đích và đối tượng nghiên cứu, cùng với phạm vi nghiên cứu Ngoài ra, phương pháp nghiên cứu sẽ được nêu rõ, nhằm đảm bảo tính chính xác và đáng tin cậy của kết quả Cuối cùng, phần này cũng sẽ đề cập đến ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài, nhấn mạnh giá trị của nghiên cứu trong việc đóng góp vào lĩnh vực liên quan.
Chương 1: tổng quan về ứng dụng trụ đất gia cố xi măng để xử lý nền đất yếu
Chương 2: cơ sở lý thuyết và mô hình tính cọc đất gia cố xi măng trên nền đất yếu
Chương 3: ứng dụng tính toán cho công trình cụ thể khu vực nghiên cứu
Chương 4: kết quả nghiên cứu thực nghiệm hiện trường cọc đất gia cố xi măng cho các khu vực đất yếu
PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ: Nhận xét, đánh giá và rút ra kết luận đồng thời đề nghị hướng nghiên cứu tiếp sau nghiên cứu nay.
TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG TRỤ ĐẤT GIA CỐ XI MĂNG ĐỂ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU
Giới Thiệu lịch sử hình thành
Phương pháp cọc xi măng – đất đã được sử dụng từ lâu để cải tạo đất, nhằm cải thiện các đặc trưng như tăng cường độ kháng cắt và giảm nén lún Bằng cách trộn đất nền với xi măng, các hạt đất sẽ tương tác và cải thiện tính chất của đất thông qua sự đổi mới nhờ trao đổi ion tại bề mặt hạt sét Quá trình này giúp gắn kết các hạt đất và lấp đầy các lỗ rỗng nhờ các sản phẩm của phản ứng hóa học Phương pháp trộn sâu được phân loại theo chất kết dính (như xi măng, vôi, thạch cao, tro bay) và cách thức trộn (khô/ướt, quay/phun tia, guồng xoắn hoặc lưỡi cắt).
Cọc xi măng – đất được phát triển tại Thụy Điển và Nhật Bản từ những năm 1960, với phương pháp phun khô sử dụng vôi bột chưa tôi xuất hiện ở Nhật Bản vào những năm 1970 Cùng thời gian này, cọc đất vôi cũng ra đời tại Thụy Điển Nhật Bản đã áp dụng phương pháp trộn ướt với vữa xi măng trong những năm 1970, sau đó phương pháp này đã lan rộng ra toàn thế giới Gần đây, các hỗn hợp xi măng, vôi với thạch cao, tro bay và xỉ cũng đã được giới thiệu, cùng với sự cải tiến của thiết bị trộn Phương pháp này không chỉ được áp dụng ở nhiều quốc gia mà còn giúp giải quyết các vấn đề môi trường, như ngăn chặn và xử lý các vùng bị ô nhiễm Công nghệ tổ hợp mới cũng đã được phát triển, kết hợp giữa trộn và phun tia, cũng như máy trộn bề mặt.
Vào năm 1967, Viện Nghiên cứu Hải cảng và Bến tàu thuộc Bộ Giao thông Vận tải Nhật Bản đã khởi động các thí nghiệm sử dụng vôi cục và vôi bột để xử lý đất biển thông qua phương pháp trộn vôi dưới sâu Nghiên cứu này được thực hiện bởi các nhà khoa học như Okumura, Terashi và nhiều người khác trong những năm đầu thập niên 70.
Năm 1974, Viện nghiên cứu hải cảng và bến tàu báo cáo phương pháp trộn vôi dưới sâu đã được bắt đầu ứng dụng toàn diện tại Nhật Bản
Vào năm 1976, Viện Nghiên cứu Công chánh thuộc Bộ Xây dựng Nhật Bản đã hợp tác với Viện Nghiên cứu Máy xây dựng Nhật Bản để nghiên cứu phương pháp trộn phun khô dưới sâu bằng bột xi măng Đến cuối năm 1980, bước thử nghiệm đầu tiên đã được hoàn thành Năm 1977, Nhật Bản đã lần đầu tiên áp dụng thành công phương pháp trộn xi măng dưới sâu vào thực tế.
Nhật Bản và các nước Scandinavia hiện đang dẫn đầu trong việc ứng dụng công nghệ xi măng đất Theo thống kê từ hiệp hội CDM Nhật Bản, trong giai đoạn 1980-1996, đã có 2.345 dự án sử dụng tổng cộng 26 triệu m³ xi măng đất Từ năm 1977 đến nay, công nghệ này đã được triển khai rộng rãi và mang lại nhiều lợi ích cho ngành xây dựng.
Vào năm 1993, Nhật Bản đã sử dụng khoảng 23.6 triệu m3 đất gia cố xi măng cho khoảng 300 dự án cả trên biển và đất liền Hiện nay, mỗi năm, lượng thi công đạt khoảng 2 triệu m3.
Tại Trung Quốc, nghiên cứu về công nghệ trộn sâu bắt đầu từ năm 1970, mặc dù các kỹ sư đã tiếp cận phương pháp này từ cuối những năm 1960 qua việc học hỏi từ Nhật Bản Thiết bị trộn sâu trên đất liền được giới thiệu vào năm 1978 và nhanh chóng được áp dụng để xử lý nền móng cho các khu công nghiệp tại Thượng Hải Đến nay, tổng khối lượng xử lý bằng công nghệ trộn sâu ở Trung Quốc đã vượt qua 1 triệu m3.
Từ năm 1987 đến 1990, công nghệ trộn sâu đã được áp dụng tại Cảng Thiên Tân để xây dựng hai bến cập tàu và cải tạo nền cho 60 ha khu dịch vụ Tổng cộng, 513.000m3 đất đã được gia cố, bao gồm các móng kè và móng tường chắn phía sau các bến cập tàu.
Xử lý sự cố nền công trình nhà ở Đài Bắc - Đài Loan
Vào năm 1992, một sự hợp tác giữa Nhật Bản và Trung Quốc đã thúc đẩy sự phát triển công nghệ CDM tại Trung Quốc, với dự án đầu tiên là cảng Yantai Trong dự án này, 60.000m3 xử lý ngoài biển đã được thiết kế và thi công bởi các kỹ sư Trung Quốc (Tang, 1996).
Viện khoa học công nghệ Xây dựng (IBST) đã tiên phong trong việc ứng dụng chất gia cố xi măng, khởi đầu từ phương pháp cột vôi, điều này được xác nhận tại hội nghị gia cố sâu ở Stockholm năm 2001 Tại Việt Nam, phương pháp này đã được nghiên cứu từ đầu những năm 80 với sự hỗ trợ của Viện Địa kỹ thuật Thụy Điển (SGI) và do TS Nguyễn Tráp dẫn dắt Đề tài nghiên cứu kết thúc vào năm 1986, sau đó thiết bị thi công được chuyển giao cho LICOGI.
Vào năm 2000, phương pháp áp dụng trong lĩnh vực xăng dầu đã trở lại nhằm đáp ứng yêu cầu thực tế, chấp nhận giá trị độ lún cao hơn bình thường nhưng mang lại hiệu quả kinh tế cao COFEC là đơn vị đầu tiên đưa phương pháp này trở lại, hiện nay là C&E Consultants Trong thời gian này, nhiều thí nghiệm hiện trường đã được thực hiện, với quy mô không thua kém các đồng nghiệp khác Hiện tại, C&E đang tiến hành thí nghiệm quan trắc sự thay đổi áp lực nước dưới đáy khối gia cố tại TP Hồ Chí Minh, với độ sâu hơn 20m, nhằm xem xét tính thoát nước cố kết của đất nền Hai đầu đo đã được lắp đặt để phục vụ cho nghiên cứu lâu dài.
Năm 2004, Viện Khoa học Thủy lợi đã tiếp nhận công nghệ khoang phụt cao áp (Jet-grouting) từ Nhật Bản để nghiên cứu sức chịu tải của cọc đơn và nhóm cọc, cũng như khả năng chịu lực ngang và ảnh hưởng của hàm lượng xi măng đến tính chất của xi măng đất Công nghệ này được ứng dụng nhằm xử lý đất yếu và chống thấm cho các công trình thủy lợi, trong đó có việc sửa chữa chống thấm cho Cống Trại (Nghệ An), cống D10 (Hà Nam) và cống Rạch C (Long An).
Số liệu về một số công trình khác sử dụng Trụ đất xi măng ở Việt Nam
STT Tên công trình Đường kính cọc (m)
Tổng mét dài đã thi công (m)
1 Đường vào sân đỗ cảng hàng không Cần Thơ 0.6 32000 Trộn ướt
Trạch I Đồng Nai 0.6 15000 Trộn khô
Thiêm với đại lộ Đông
Hầm chui đường sắt vành đai đường Láng
Xử lý nền đất yếu bằng cọc ĐGCXM công nghệ trộn khô tại Sân bay
NGUYÊN LÝ HÌNH THÀNH CƯỜNG ĐỘ CỦA TRỤ ĐẤT XI MĂNG
Tất cả các loại đất đều có thể trộn với xi măng để cải thiện tính chất cơ lý Đặc biệt, đất cát và cát pha cho thấy sự gia tăng rõ rệt về tính chất cơ lý Trong khi đó, đất sét pha, đất sét và bùn sét cũng có sự cải thiện tương đối khi được kết hợp với xi măng.
Hiệu quả xử lý đất bằng xi-măng giảm khi hàm lượng chất hữu cơ và chỉ số dẻo tăng Đất chứa chất hữu cơ chỉ tăng độ bền không đáng kể khi xử lý bằng xi-măng Tuy nhiên, việc sử dụng xi-măng để xử lý đất hữu cơ vẫn mang lại hiệu quả cao hơn so với vôi.
Đất có thành phần hóa học phức tạp, bao gồm hữu cơ, nhiễm mặn và độ pH thấp dưới 5, dẫn đến việc cải thiện tính chất đất chỉ đạt hiệu quả hạn chế Để nâng cao tính chất cơ lý của đất, thường sử dụng các phụ gia như vôi, thạch cao và xỉ lò cao Mặc dù có thể sản xuất xi măng phù hợp với từng loại đất, nhưng chi phí sản xuất hiện nay tại Việt Nam vẫn cao hơn so với các phương pháp khác.
Đối với đất có khả năng phản ứng pozzolan cao, độ bền sau xử lý phụ thuộc vào tính chất của các khối gắn kết hóa rắn Ngược lại, đất với khả năng phản ứng pozzolan thấp hơn thì độ bền chịu ảnh hưởng bởi các khối đất hóa rắn Vì vậy, nếu các điều kiện xử lý giống nhau, đất có khả năng phản ứng pozzolan cao sẽ đạt độ bền cao hơn.
Hilt và Davidson nhận thấy rằng sét montmorillonit và sét kaolinit có hiệu quả đối với tác nhân pozzolan hơn là như sét chứa ilit, clorit hay vermiculit
Hàm lượng vật chất gắn kết thứ cấp được sản sinh trong phản ứng pozzolan giữa hạt sét và vôi hydrat Ca(OH)2 phụ thuộc vào hàm lượng và thành phần khoáng vật sét, cũng như hàm lượng silica vô định hình và alumina trong đất Khoáng vật montmorillonit có khả năng phản ứng cao hơn so với ilit và kaolinit do tính kết tinh thấp của nó.
1.2.3 Thành phần và hàm lượng các muối dễ hòa tan
Các nhà khoa học Nga: T.G.Samoilov; V.M.Bezruk, v.v đã chỉ rằng:Các muối clorua (NaCl, CaCl2, MgCl2) trong đất chiếm hàm lượng 5% sẽ xuất hiện tính xấu do sự tăng thể tích của chúng khi hydrate
Việc xi măng hóa đất sét có chứa muối giúp loại bỏ tính thấm nước của đất, nhờ vào khả năng hòa tan của các muối.
Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng trị số pH dưới 6 có tác động tiêu cực đến quá trình ngưng kết và hóa cứng của đất xi măng Ngược lại, đất cacbonat với pH từ 7 đến 12 sẽ thúc đẩy sự hình thành các liên kết kiến trúc ổn định, tăng cường lực dính kết và cải thiện cấu trúc trong hỗn hợp xi măng đất.
1.2.5 PHẢN ỨNG GIỮA XI MĂNG VÀ ĐẤT
Khái niệm xi măng Portland:
Xi măng Portland là một loại bột vô cơ có khả năng kết dính thủy lực, được sản xuất bằng cách nghiền mịn hỗn hợp clinker xi măng Portland cùng với 3 ÷ 5% phụ gia thạch cao theo khối lượng clinker.
Ngoài ra, có các chất kết dính từ xi măng Portland, được sản xuất bằng cách nghiền mịn xi măng Portland kết hợp với các phụ gia như bột đá vôi, bột puzolan và tro xỉ Những sản phẩm này đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật quy định bởi các cơ quan chức năng.
Thành phần khoáng vật của xi măng Portland:
Alit, hay silicat canxi (C3S), chiếm 45-60% trong clinker và là khoáng vật quan trọng nhất quyết định cường độ cũng như các tính chất khác của xi măng Đặc điểm nổi bật của alit là khả năng đông kết nhanh, cường độ cao, tỏa nhiều nhiệt và dễ bị ăn mòn.
Bêlit, hay còn gọi là silicat canxi (C2S), chiếm 20-30% trong clinker và là khoáng vật quan trọng thứ hai trong thành phần của clinker Đặc điểm nổi bật của bêlit là khả năng đông kết chậm, nhưng đạt được cường độ cao ở giai đoạn muộn, đồng thời tỏa nhiệt ít và có khả năng chống ăn mòn tốt.
Aluminat canxi (C3A) chiếm từ 4 đến 12% trong clinker, có đặc điểm đông kết nhanh nhưng cường độ thấp Khoáng vật này tỏa nhiệt nhiều và dễ bị ăn mòn.
ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA ĐẤT XI MĂNG
Những đặc tính kỹ thuật quan trọng bao gồm sức chịu tải, cường độ chống cắt, cường độ đâm thủng, tính thấm, tính nén lún và mô đun đàn hồi.
Cường độ của đất xi măng thu được từ thí nghiệm nén một trục nở hông, thí nghiệm
Thí nghiệm trục dạng UU với phương pháp cắt nhanh được thực hiện trên các mẫu khác nhau như mẫu trong phòng, mẫu hiện trường, mẫu tươi và mẫu lõi khoan, nhằm so sánh trước, trong và sau khi xây dựng công trình Thí nghiệm nén một trục nở hông là phổ biến nhất, giúp xác định độ bền nén nở hông của đất xi măng Kết quả từ thí nghiệm này đóng vai trò quan trọng trong thiết kế, kiểm tra và đánh giá chất lượng công trình.
Thí nghiệm nén một trục nở hông cho mẫu cọc đất – xi măng theo tiêu chuẩn ASTM D2166 cho thấy mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng thông qua đồ thị ứng suất-biến dạng Đồ thị này có đặc điểm là tăng dốc đến đỉnh (độ bền nén) rồi giảm đột ngột đến giá trị độ bền dư rất nhỏ, với sự phân định các đới thể hiện hiệu quả xử lý xi-măng Đất xử lý cho thấy sự gia tăng rõ rệt về độ bền và mô đun biến dạng, tuy nhiên, hành vi của vật liệu sét chuyển sang giòn và gần như giòn Hành vi tổng quát của sét sau xử lý được mô tả là giòn với biến dạng lớn và độ bền thấp, trong khi biến dạng nhỏ tương ứng với độ bền cao thể hiện hành vi giòn Độ ẩm giảm tùy thuộc vào hàm lượng xi-măng trong hỗn hợp, cho thấy độ bền tăng không nhiều khi hàm lượng xi-măng thấp (5%), nhưng tăng đáng kể khi hàm lượng xi-măng cao hơn Theo điều kiện thí nghiệm, hàm lượng xi-măng tối ưu từ 15% đến 20% và thời gian bảo dưỡng từ 1 đến 2 tháng là lý tưởng để đạt được độ bền tối ưu.
Mitchell et al đã thực hiện các nghiên cứu toàn diện nhằm tổng hợp các nghiên cứu trước đây về đặc tính độ bền của đất sau khi xử lý bằng xi-măng Kết quả cho thấy độ bền nén nở hông, qu, tăng tuyến tính với hàm lượng xi-măng (Aw), đặc biệt rõ rệt hơn ở đất hạt thô so với đất hạt mịn Ngoài qu, các thông số khác như lực dính và góc ma sát trong cũng gia tăng theo Aw và thời gian bảo dưỡng Nghiên cứu của Mitchell et al chỉ ra mối quan hệ giữa thời gian bảo dưỡng và qu.
Trong đó: qu (t) : độ bền nén nở hông tại thời gian t ngày, kPa qu (t0) : độ bền nén nở hông tại thời gian t0 ngày, kPa
Aw: hàm lượng xi-măng, % theo khối lượng
K= 480Aw cho đất hạt thô và bằng 70Aw cho đất hạt mịn t: thời gian bảo dưỡng
T.S Phùng Vĩnh An đã chỉ ra những vấn đề tồn tại trong tài liệu và tiêu chuẩn thiết kế hiện hành, đồng thời đưa ra các công thức thực nghiệm để xác định các chỉ tiêu cơ lý của cọc XMĐ (φ, C, E) dựa trên chỉ tiêu thí nghiệm nén mẫu hình trụ (qu), phù hợp với điều kiện tại Việt Nam.
Cường độ kháng nén một trục nở hông (qu) ở các ngày tuổi 14, 21, 56, 90 có thể xác định theo công thức: qu 14=(0,43 ÷ 0.667)qu 28 qu 21=0,56qu 28 qu 56=(1,04 ÷ 1,25)qu 28 qu 90=(1,33 ÷ 2,7)qu 28
Góc ma sát trọng φ và lực dính có thể xác định theo các công thức:
Loại đất được cải tạo đóng vai trò quan trọng trong việc ảnh hưởng đến cường độ của đất xi măng Phương pháp cải tạo khác nhau trên các loại đất khác nhau sẽ mang lại những kết quả khác nhau Việc gia tăng hàm lượng xi măng sẽ làm tăng cường độ của đất xi măng, nhưng chỉ đến một giới hạn nhất định.
1.4.2 Môđun đàn hồi và hệ số Poisson
Môđun đàn hồi (E50) của đất xi măng tỷ lệ thuận với cường độ nén nở hông (qu) trong khoảng từ 350 đến 1000 lần, theo nghiên cứu của Saito và cộng sự (1980) Các yếu tố ảnh hưởng đến môđun này bao gồm loại đất, hàm lượng xi măng, tỷ lệ xi măng trong vữa, môi trường xử lý và độ tuổi Đối với đất dính có hàm lượng cát dưới 10-15%, tỷ lệ này dao động từ 400 đến 600.
Hệ số Poisson bằng 0,5 nếu mẫu đất xi măng được chất tải trong điều kiện không thoát nước, khoảng 0,3 – 0,45 trong những điều kiện chất tải khác (CDM, 1994)
Hệ số nén của đất xi măng được xác định thông qua thí nghiệm nén cố kết, từ đó tạo ra đường cong e-logP Giá trị P đạt khoảng 27% so với độ bền nén nở hông (CDM).
1994) Sự xi măng hóa trong đất xi măng không gây ảnh hưởng do áp lực cố kết lớn hơn
P Trong điều kiện áp lực ở trạng thái nghỉ (K0) Thực tế, áp lực quá cố kết của đất xi măng thấp hơn P Tuy nhiên điều này ảnh hưởng không đáng kể đến việc tính toán.
SƠ ĐỒ BỐ TRÍ TRỤ ĐẤT XI MĂNG
Cọc ximăng đất được bố trí theo nhiều kiểu khác nhau, bao gồm kiểu đơn, kiểu đôi, kiểu dải, kiểu lưới tam giác, kiểu ô vuông, kiểu diện và kiểu khối, tùy thuộc vào điều kiện tác dụng của tải trọng và mục đích sử dụng.
Kiểu đơn là phương pháp bố trí cọc theo lưới ô vuông hoặc lưới tam giác, thường được sử dụng để gia cố các khối đất đắp nền đường hoặc các công trình chịu tải trọng thẳng đứng lớn.
Kiểu dải là phương pháp bố trí cọc nhằm gia cố cho các hố đào và ổn định mái dốc, đặc biệt hiệu quả cho các công trình chịu lực ngang lớn.
Kiểu lưới và kiểu khối thường được áp dụng trong các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp, với các cọc được bố trí bên dưới móng của công trình.
1 - Bố trí kiểu dải; 2 - Bố trí lưới tam giác;
3 - Bố trí lưới ô vuông; 4 - Bố trí dạng khối;
Các dạng bố trí trụ đất xi măng trộn khô
1- Kiểu tường; 2- Kiểu kẻ ô 3- Kiểu khối; 4 - Kiểu diện Hình ảnh thí dụ bố trí trụ đất xi măng trộn ướt
1- Kiểu khối; 2 - Kiểu tường; 3- Kiểu kẻ ô; 4 - Kiểu cột;
5 - Cột tiếp xúc; 6 - Tường tiếp xúc; 7- Kẻ ô tiếp xúc; 8 - Khối tiếp xúc;
Hình ảnh thí dụ bố trí trụ đất xi măng trộn ướt trên biển
PHẠM VI VÀ ỨNG DỤNG TRỤ ĐẤT XI MĂNG
Trụ đất xi măng là giải pháp hiệu quả để xử lý nền đất yếu, được áp dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng như giao thông, thuỷ lợi, sân bay và bến cảng Chúng có vai trò quan trọng trong việc làm tường hào chống thấm cho đê đập, sửa chữa thấm mang cống, gia cố đất quanh đường hầm, ổn định tường chắn, chống trượt đất cho mái dốc, gia cố nền đường và mố cầu dẫn Ngoài ra, trụ đất xi măng còn giúp ngăn ngừa hiện tượng hóa lỏng của đất và cải tạo các vùng đất nhiễm độc.
Các ứng dụng của Cọc ximăng đất ( Terashi, 1997) 1- Đường bộ, ổn định/lún; 2 - Ổn định đê cao; 3 - Mố cầu; 4 -Thành hố đào;
5 - Giảm ảnh hưởng từ các công trình lân cận; 6 - Chống nâng háy hố đào;
7 - Chống chuyển dịch ngang của móng cọc; 8 - Đê biển; 9 - Ngăn nước;
Cọc đất ximăng đã được sử dụng nhiều ở Nhật Bản và các nước vùng Bắc Âu như Phần Lan, Thụy Điển…
CÁC DẠNG PHÁ HOẠI TRỤ ĐẤT XI MĂNG
Dạng phá hoại của cột đất xi măng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như sức chống cắt của đất, sức chống cắt và đường kính của cột, chiều dài cột, khoảng cách giữa các cột, chiều cao nền đường, chiều sâu và hướng cung trượt Các dạng phá hoại này được phân loại theo tiêu chí của Kivelo.
Các dạng phá hoại của Cọc ximăng đất ( Kivelo, 1997)
- Dạng a , b : Độ bền cắt và độ bền nén của cột bị vượt qua
- Dạng c , d , e : Khả năng kháng uốn của cột bị vượt qua
- Dạng f , g , h : Khả năng chịu lực ngang của đất không gia cố xung quanh cột bị vượt qua
NHẬN XÉT
Phương pháp gia cố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất đã trở nên phổ biến trên toàn thế giới và được áp dụng rộng rãi tại Việt Nam trong thời gian gần đây, mang lại hiệu quả cao Phương pháp này không chỉ tiết kiệm thời gian mà còn tăng cường khả năng ổn định cho đất yếu một cách hiệu quả.
Các chỉ tiêu về cường độ, biến dạng của cọc xi măng đất phụ thuộc vào hàm lượng xi măng, loại đất nền, hàm lượng hữu cơ, độ PH
Hình dáng, kích thước và bố trí của cọc xi măng đất thay đổi tùy thuộc vào từng loại công trình Cọc xi măng đất có hiệu quả cao khi được áp dụng cả trên đất liền và trên biển.
SỞ LÝ THUYẾT VÀ MÔ HÌNH TÍNH TRỤ ĐẤT GIA CỐ XI MĂNG TRÊN NỀN ĐẤT YẾU
SỨC CHỊU TẢI TRỤ ĐƠN
Khả năng chịu tải của trụ xi măng đất phụ thuộc vào sức kháng cắt của đất sét yếu xung quanh, hay còn gọi là đất bị phá hoại, và sức kháng cắt của vật liệu trụ xi măng đất, tức là cột xi măng đất bị phá hoại.
Loại phá hoại đầu phụ thuộc cả vào sức cản do ma sát mặt ngoài cột xi măng đất và sức chịu chân cột xi măng đất
Khả năng chịu tải giới hạn ngắn của cọc xi măng đất phụ thuộc vào sức kháng cắt của vật liệu Đối với đất sét yếu, khả năng này được tính toán dựa trên một biểu thức cụ thể.
Qult,soil = (.d.Hcol+2.25 d 2 )Cu,soil (2.1)
Trong đó: d - đường kính của cột xi măng đất;
Hcol - chiều dài cột xi măng đất;
Độ bền cắt không thoát nước trung bình của đất sét bao quanh, được xác định thông qua các thí nghiệm ngoài trời như thí nghiệm cắt cánh và xuyên côn, là một yếu tố quan trọng trong nghiên cứu địa chất.
Sức cản mặt ngoài của đất sét Cu được giả định bằng độ bền cắt không thoát nước, trong khi sức chịu ở chân cọc xi măng đất tương ứng là 9 Cu Sức chịu ở chân cọc xi măng đất treo thường thấp hơn so với mặt ngoài và không đóng vào tầng nén chặt Tuy nhiên, sức chịu này sẽ tăng lên khi cọc xi măng đất cắt qua tầng ép lún vào đất cứng có sức chịu tải cao Phần lớn tải trọng sẽ được truyền vào lớp đất dưới qua đáy của cọc xi măng đất, nhưng sức chịu ở chân cọc không thể vượt quá độ bền nén của chính cọc xi măng đất.
Khi cọc xi măng đất bị phá hoại, chúng được coi như một lớp đất sét cứng nứt nẻ Độ bền cắt của hỗn hợp sét ở dạng cục thể hiện giới hạn trên của độ bền, và khi xác định qua thí nghiệm xuyên hoặc cắt cánh, giới hạn này thường đạt khoảng 2 đến 4 lần độ bền cắt theo mặt liên kết, được xác định qua thí nghiệm nén có nở hông.
Hình 2-1 minh họa sơ đồ phá hoại của đất dính được gia cố bằng cọc xi măng-đất Đường bao phá hoại tương ứng trên hình cho thấy khả năng chịu tải giới hạn trong thời gian ngắn, do cọc xi măng-đất bị phá hoại ở độ sâu z, được tính dựa trên mối quan hệ cụ thể.
Qult ,col = Acol x(3.5 Ccol +3n) (2.2) Trong đó:
Ccol - lực dính kết của vật liệu cọc xi măng đất
n - áp lực ngang tổng cộng tác động lên cọc xi măng đất tại mặt cắt giới hạn
Giả thiết góc ma sát trong của đất là 30 o Hệ số tương ứng hệ số áp lực bị động Kb khi gh,cọc xi măng đất0 o
p - áp lực tổng của các lớp phủ bên trên
Cu - độ bền cắt không thoát nước của đất sét không ổn định bao quanh
Công thức này được áp dụng trong thiết kế để tính toán áp lực tổng của các lớp phủ phía trên, do áp lực đất bị động có sự thay đổi khi xảy ra chuyển vị ngang lớn.
Do hiện tượng rão, độ bền giới hạn lâu dài của cọc xi măng đất thấp hơn độ bền ngắn hạn, với độ bền rão Qrão của cọc xi măng đất dao động từ 65% - 85% Qult Giả thiết rằng quan hệ biến dạng - tải trọng là tuyến tính cho tới khi xảy ra rão Quan hệ này có thể được sử dụng để tính toán sự phân bố tải trọng và môđun ép co của vật liệu cọc xi măng đất, tương ứng với độ dốc của đường quan hệ Khi vượt quá độ bền rão, tải trọng trên cọc xi măng đất được coi là hằng số.
Hình 2-2: Quan hệ ứng suất - biến dạng vật liệu xi măng đất
Có thể sử dụng mối quan hệ này để xác định sự phân bố tải trọng σrão, DSMC và mô đun ép co của vật liệu cột đất xi măng, tương ứng với độ dốc của đường quan hệ Khi tải trọng vượt quá độ bền rão, tải trọng tác động lên cọc đất xi măng được coi là hằng số.
KHẢ NĂNG CHỊU LỰC TỚI HẠN CỦA NHÓM TRỤ XI MĂNG ĐẤT
Hình 2-4: Phá hoại cắt cục bộ
Khả năng chịu tải giới hạn của nhóm cọc xi măng đất được xác định bởi độ bền cắt của đất chưa xử lý giữa các cột và độ bền cắt của vật liệu cọc Sự phá hoại của khối đất liên quan trực tiếp đến khả năng chịu tải của cọc xi măng đất.
Sức chống cắt dọc theo mặt phá hoại cắt qua toàn bộ khối là yếu tố quyết định khả năng chịu tải và khả năng chịu tải giới hạn của nhóm cọc xi măng đất.
Qgh,nhóm = 2CuH[B+L] +(69)Cu2BL (2.4)
B, L và H - chiều rộng, chiều dài và chiều cao của nhóm cọc xi măng đất Hệ số
6 dùng cho móng chữ nhật khi chiều dài lớn hơn chiều rộng nhiều (tức là L>>B) Còn hệ số 9 dùng cho móng vuông
Cu - Ứng suất cắt không thoát nước của đất xung quanh cọc
Cu2 - Ứng suất cắt không thoát nước của đất dưới mũi cọc
Trong thiết kế, không nên sử dụng khả năng chịu tải giới hạn, vì điều này yêu cầu huy động sức kháng tải trọng lớn nhất, dẫn đến biến dạng đáng kể, khoảng 5-10% bề rộng vùng chịu tải.
Khả năng chịu tải giới hạn của cột xi măng đất, với việc xem xét phá hoại cục bộ ở rìa, phụ thuộc vào độ bền chống cắt trung bình của đất tại mặt phá hoại gần tròn Độ bền cắt trung bình này có thể được tính toán tương tự như khi xác định ổn định mái dốc Để tính toán khả năng chịu tải giới hạn có chú ý đến phá hoại cục bộ, sử dụng biểu thức gh tb q 5,5.C (1 0, 2 )b.
Trong đó: b, l - chiều rộng và chiều dài vùng chịu tải cục bộ;
Độ bền cắt trung bình (Ctb) dọc theo bề mặt phá hoại giả định chịu ảnh hưởng bởi diện tích tương đối của cột xi măng đất (bx1) và độ bền cắt của vật liệu cọc xi măng đất Để đảm bảo an toàn trong thiết kế, nên áp dụng hệ số an toàn là 2,5.
ĐỘ LÚN ỔN ĐỊNH
Phương pháp đánh giá độ lún khối gia cố dựa trên giả thuyết rằng mô hình nền đất yếu được gia cố bằng các trụ đất – xi măng có sự tương tác với phần đất yếu xung quanh Tải trọng tác dụng lên bề mặt khối gia cố chủ yếu được các trụ đất – xi măng chịu, trong khi phần còn lại do đất yếu trong khối gia cố đảm nhận.
Trong nền đất yếu được gia cố bằng cọc đất – xi măng, phần đất yếu và cọc sẽ có cùng biến dạng Độ lún tổng cộng của công trình trên nền đã xử lý bằng cọc đất – xi măng bao gồm tổng độ lún của khối đất gia cố (Δh1) và độ lún của đất nền không được xử lý dưới cọc (Δh2) Có hai trường hợp cần xem xét.
Trong trường hợp tải trọng tác dụng tương đối nhỏ và ứng suất trong cọc chưa vượt quá giới hạn từ biến, sự phân bố ứng suất phụ thuộc vào độ cứng tương đối của cọc và tác động của đất không ổn định Thông thường, lún được tính theo quan hệ Ecol = (50 100) Cc, với môđun này thường xác định từ thí nghiệm nén một trục và có giá trị từ 15 – 25 MPa Ứng suất trong cọc cũng bị ảnh hưởng bởi môđun nén của đất nền xung quanh Nếu đất nền quá cố kết và ứng suất chưa vượt quá áp lực tiền cố kết, môđun nén có thể được xác định dựa trên kinh nghiệm.
Cu - Độ bền cắt không thoát nước của đất nền xung quanh, xác định bằng thí nghiệm cắt cánh ngoài trời, (Kpa)
Khi đất cố kết bình thường hoặc chỉ bị cố kết nhẹ, mô đun nén cần được xác định từ thí nghiệm nén Áp lực P tc phát sinh từ công trình hoặc đất đắp sẽ được chia thành hai phần: một phần truyền cho cọc đất xi măng chịu (q1) và phần còn lại do đất xung quanh chịu (q2) Trong trường hợp nền đất và cọc biến dạng đồng đều, ta có mối quan hệ giữa các yếu tố đất và cọc.
N – Số lượng cọc đất ximăng gia cố trong diện tích B*L
Biểu thức trên được rút gọn như sau: soil col a E q aE q
(2.8) Độ lún Δh1 được xác định như sau: soil col c tc
Áp lực P tc được phân bố đồng đều và không thay đổi xuyên suốt chiều sâu của khối cọc xi măng đất, không bị ảnh hưởng hay giảm đi bởi lực dính từ các yếu tố xung quanh.
Hệ số an toàn: c gh đ
Khoảng cách giữa các tim cọc xác định theo hệ số an toàn, theo Bengt.B.Brom thì hệ số an toàn cho thiết kế từ 2 – 3
Hình 2-5 minh họa sơ đồ tính lún cho công trình trong trường hợp 1 Để xác định độ lún của phần dưới khối gia cố (Δh2), ta áp dụng phương pháp tính lún tương tự như đối với nền đất thông thường Ứng suất gây lún được tính dựa trên tải trọng q truyền xuống, tuy nhiên, một phần ứng suất này sẽ giảm do tác động của ma sát bên từ khối tham gia.
Độ lún của nền đất thường được tính bằng phương pháp cộng từng phân tố, tương tự như các trường hợp tính lún thông thường Công thức tính độ lún được thể hiện như sau: \( h = \sum_{i} \beta_{i} \sigma_{gl} \sum_{i} E_{i} \).
Trong đó: si - Độ lún lớp phân tố đất thứ i i
gl - Ứng suất gây lún trong lớp phân tố đất thứ i
Ứng suất gây lún tại đáy khối gia cố (σ_gl = q) ảnh hưởng đến độ lún Δh2 trong phạm vi Ha từ đáy khối gia cố Độ lún này được xác định theo công thức: i_gl bt i σ.
Ha - Chiều sâu vùng nén lún bên dưới khối gia cố i
bt - Ứng suất do trọng lượng bản thân đất nền gây ra trong lớp đất thứ i: i
i , hi-Dung trọng tự nhiên của đất và chiều dày lớp đất phân tố thứ i
Trong trường hợp tải trọng tác dụng quá lớn, ứng suất trong cọc có thể vượt quá giới hạn từ biến Áp lực đáy móng được phân chia thành hai phần: phần q1 truyền cho cọc và phần q2 truyền cho đất nền xung quanh Phần q1 được xác định bởi tải trọng ứng với giới hạn từ biến của cọc.
Phần q2 truyền qua đất nền được tính bằng công thức q2 = P tc - q1, dùng để xác định độ lún Δh1 của khối cọc và đất Để tính toán độ lún này, khối sẽ được chia thành các lớp, sau đó tính độ lún của mỗi lớp và cộng lại Độ lún Δh2 của đất nền không xử lý nằm dưới khối cọc và đất được xác định dựa trên giả thiết rằng tải trọng q1 truyền xuống đáy khối gia cố, gây lún từ cao trình này trở xuống, trong khi phần q2 truyền xuống từ mặt đất bắt đầu tính lún từ đáy khối cọc và đất.
Hình 2-6: Sơ đồ tính lún công trình trường hợp 2
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
Chiều dài thiết kế cọc đất gia cố xi măng được xác định dựa trên yêu cầu xử lý độ lún của nền đắp tại từng khu vực Độ lún tổng của nền gia cố bao gồm độ lún của khối gia cố và độ lún của đất dưới khối gia cố, được tính theo công thức: Δh = Δh1 + Δh2, trong đó Δh1 là tải tác dụng lên cột và Δh2 là tải tác dụng lên đất yếu xung quanh cột.