Nghiên cứu gia cường nền đất yếu có cát san lấp bằng phương pháp thẩm thấu xi măng cho nhà ở thấp tầng tại an giang

Tính cấp thiết và định hướng nghiên cứu của đề tài

1 Tính cấp thiết của đề tài:

Tốc độ đô thị hóa tại An Giang đã tăng nhanh, đạt trên 35%, dẫn đến việc xây dựng nhà ở cũng gia tăng với trung bình khoảng 4.372 căn mỗi năm, tương ứng với tổng diện tích nhà ở tăng 1.173.000 m² Tuy nhiên, do địa hình trũng, An Giang thường xuyên bị lũ lụt, khiến nhiều hộ dân phải sống trong những căn nhà tạm bợ không an toàn Đặc biệt, các khu vực ven sông, kênh, rạch có nguy cơ sạt lở cao, do đó, phần lớn người dân hiện sống trên các cụm, tuyến dân cư được xây dựng trên nền cát san lấp với chiều cao từ 3 - 4m.

Hình 1-1: Nhà dân được xây dựng trên cụm, tuyến dân cư vượt lũ tại An Giang

Tình hình kinh tế của người dân An Giang đang gặp nhiều khó khăn, với thu nhập bình quân đầu người chỉ đạt 33,98 triệu đồng/năm Chi phí xây dựng nhà ở chất lượng cao cũng khá cao, khiến đa số người dân khó có khả năng xây dựng nhà ở khang trang và an toàn.

Việc giảm giá thành xây dựng và tối ưu hóa sử dụng nguồn tài nguyên là rất cần thiết Cần nghiên cứu và đưa ra các giải pháp thiết kế và xây dựng phù hợp với điều kiện thực tế của người dân và địa phương Điều này sẽ giúp đáp ứng kịp thời nhu cầu về nhà ở trong tỉnh trong thời gian tới.

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:

Nghiên cứu về gia cường nền đất bằng phương pháp gia cố nông xi măng trộn cát cho nhà ở thấp tầng tại An Giang nhằm mục tiêu mang lại hiệu quả kinh tế và đảm bảo kỹ thuật Phương pháp này không chỉ dự kiến được áp dụng rộng rãi trong các khu dân cư của tỉnh An Giang mà còn có thể mở rộng ra nhiều khu vực khác.

Để cải thiện các tính chất cơ lý của vật liệu tại chỗ, việc xác định tỷ lệ gia cố xi măng - cát phù hợp là rất quan trọng Điều này không chỉ đáp ứng các yêu cầu về kỹ thuật mà còn đảm bảo tính kinh tế trong xây dựng công trình nhà ở thấp tầng trên các khu dân cư được san lấp bằng vật liệu cát.

So sánh và đánh giá hiệu quả của phương pháp gia cố đất nền bằng hỗn hợp vữa xi măng trộn cát với các phương pháp khác sẽ giúp rút ra những kết luận thuyết phục, từ đó khuyến khích ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực xây dựng Việc phân tích sự khác biệt về hiệu suất, độ bền và tính kinh tế giữa các phương pháp này là cần thiết để xác định ưu điểm nổi bật của phương pháp gia cố bằng vữa xi măng trộn cát, góp phần nâng cao chất lượng công trình.

- Đưa ra các kiến nghị, khuyến cáo trong việc thiết kế, thi công móng công trình

Sử dụng cát san lấp kết hợp với vữa xi măng là phương pháp hiệu quả để gia cố nền móng cho các công trình nhà ở thấp tầng tại tỉnh An Giang, phục vụ nhu cầu xây dựng của các hộ dân trong khu dân cư.

4 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài:

Nghiên cứu ứng dụng giải pháp gia cố nền móng bằng vữa xi măng kết hợp cát san lấp cho các công trình nhà ở thấp tầng tại tỉnh An Giang nhằm nâng cao độ bền và ổn định cho nền móng Việc áp dụng phương pháp này không chỉ giúp cải thiện chất lượng công trình mà còn đảm bảo an toàn cho cư dân trong khu vực.

- Nghiên cứu về địa chất khu vực tỉnh An Giang phục vụ cho việc thiết kế thi công các công trình nhà thấp tầng

Nghiên cứu lý thuyết tính toán là rất quan trọng trong việc gia cố và xử lý nền móng cho các công trình xây dựng Bài viết này sẽ áp dụng cơ sở lý thuyết đó để thực hiện tính toán cho các công trình dân dụng tại An Giang, nhằm đảm bảo tính an toàn và hiệu quả trong thiết kế và thi công.

Nghiên cứu giải pháp xử lý nền đất yếu bằng vữa xi măng kết hợp với cát san lấp đã được thực hiện qua thí nghiệm và theo dõi ngoài hiện trường Kết quả nghiên cứu giúp lựa chọn tỷ lệ và định mức phù hợp, từ đó áp dụng hiệu quả trong thiết kế và thi công các công trình nhà thấp tầng tại tỉnh An Giang.

Sử dụng phần mềm Plaxis để phân tích ổn định và biến dạng của việc gia cố nền móng là một phương pháp hiệu quả Bài viết so sánh công trình gia cố cọc truyền thống như cọc bê tông cốt thép, cừ tràm, và cừ đá với phương pháp sử dụng vữa xi măng liên kết với cát, nhằm đánh giá các yếu tố kinh tế và kỹ thuật Việc này giúp đưa ra những lựa chọn tối ưu cho việc gia cố nền móng trong xây dựng.

4.2 Phạm vi nghiên cứu và giới hạn của đề tài:

Nghiên cứu này tập trung vào các công trình nhà ở thấp tầng, cụ thể là những công trình có chiều cao nhỏ hơn 03 tầng, được xây dựng trên nền cát san lấp tại các khu dân cư ở tỉnh An Giang.

Kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm thực địa, thí nghiệm trong phòng thí nghiệm và nghiên cứu mô phỏng, cụ thể như:

Nghiên cứu lý thuyết và thực địa về sự liên kết giữa vữa xi măng và cát nhằm xác định các chỉ tiêu cơ lý của nền móng khi gia cố với các tỷ lệ khác nhau Thông qua việc phân tích số liệu quan trắc và thí nghiệm về Mác vữa, nghiên cứu sẽ lựa chọn tỷ lệ gia cố hợp lý, phục vụ cho việc xây dựng nhà ở thấp tầng tại tỉnh An Giang.

- Nghiên cứu mô phỏng: ứng dụng phần mềm Plaxis để mô phỏng tính toán và kiểm tra kết quả

- Thực nghiệm ở quy mô nhỏ để quan sát, nhận xét và rút ra các kinh nghiệm để triển khai tại thực địa đạt hiệu quả cao hơn

- So sánh các kết quả tính toán lý thuyết và mô phỏng thực tế

Việc thiết kế công trình cụ thể thông qua các phương pháp tính toán nhằm gia cố nền móng bằng vữa xi măng kết hợp với cát mang lại hiệu quả kỹ thuật và kinh tế đáng kể So với việc sử dụng các loại cọc thông thường như cọc bê tông cốt thép tiết diện nhỏ, cừ đá và cừ tràm, phương pháp này cho thấy sự vượt trội trong khả năng ổn định và tiết kiệm chi phí.

II Những thông tin chung về điều kiện tự nhiên, địa hình, địa chất, nhu cầu xây dựng và việc sử dụng các loại móng, cọc để gia cố nền trong xây dựng nhà ở tại An Giang:

1 Điều kiện tự nhiên, địa hình và địa chất của thành phố Long Xuyên, tỉnh An Giang:

Tổng quan về các nghiên cứu trong và ngoài nước

1 Tổng quan về các nghiên cứu ngoài nước:

Phương pháp trộn xi măng đất để gia cố nền đất được áp dụng rộng rãi trên thế giới, chủ yếu dưới dạng cọc xi măng đất với hai hình thức trộn khô và trộn ướt Phương pháp cọc xi măng - đất đã được phát triển từ những năm 1970 tại Thụy Điển, chủ yếu sử dụng phương pháp trộn khô Trong khi đó, trộn sâu đã được áp dụng phổ biến ở Châu Âu, Châu Á và Bắc Mỹ Gần đây, một nghiên cứu mới từ Nhật Bản giới thiệu phương pháp trộn vòi phun khô (DJM – dry jet mixing) cho các ứng dụng trên đất liền, sử dụng hệ thống cấp liệu khí nén.

Vào năm 1978, Viện nghiên cứu công trình công cộng (PWRI) thuộc Bộ xây dựng đã thực hiện một công trình với sự tham gia của các thành viên từ PHRI và những chuyên gia có kinh nghiệm về kỹ thuật ướt Đến đầu những năm 1980, Hiệp hội DJM được thành lập tại Nhật Bản, giới thiệu thiết bị DJM tiêu chuẩn với 2 trục trộn, lưỡi có đường kính 1m và độ sâu thâm nhập tối đa 33m (theo Hiệp hội DJM 2002) Trong suốt những năm qua, tỷ lệ sử dụng các chất kết dính đã được ghi nhận như sau: 28% xi măng Portland, 30% xi măng xỉ loại B, 33% các chất gốc xi măng, 8% vôi nhanh và 1% các chất khác.

Hình 1-12: Các máy khoan trộn ướt

Công nghệ cọc xi măng - đất đã được nghiên cứu và ứng dụng lần đầu tiên ở Thụy Điển và Phần Lan từ năm 1967, nhưng Nhật Bản là quốc gia áp dụng công nghệ này nhiều nhất Theo thống kê của hiệp hội CDM Nhật Bản, ứng dụng công nghệ này đã phát triển mạnh mẽ trong thời gian qua.

Từ năm 1980 đến 1996, có 2.345 dự án sử dụng 26 triệu m³ bê tông đá, trong đó từ 1977 đến 1993, Nhật Bản đã sử dụng khoảng 23,6 triệu m³ đất gia cố bằng xi măng cho khoảng 300 dự án cả trên biển và đất liền, với khối lượng thi công hàng năm đạt khoảng 2 triệu m³ Trong khi đó, Trung Quốc bắt đầu nghiên cứu từ năm 1970 và tổng khối lượng xử lý bằng cọc hiện nay đã vượt qua 1 triệu m³.

Phương pháp trộn nông được phát triển nhằm giảm chi phí cải tạo đất quá lỏng hoặc mềm, bao gồm trầm tích nạo vét và đất hữu cơ ướt Đây cũng là giải pháp hiệu quả để khắc phục đất và bùn ô nhiễm tại chỗ Để đảm bảo sự ổn định cho toàn bộ thể tích đất, cần phải trộn kỹ với chất kết dính khô hoặc ướt Loại hỗn hợp này thường liên quan đến “sự ổn định toàn khối”, có thể đạt được bằng cách sử dụng các trụ chồng chéo kết hợp với thiết bị trộn như phương pháp DM Việc sử dụng thiết bị khoan trộn có đường kính lớn hoặc bố trí đa trục giúp ổn định đất yếu ở độ sâu tối đa khoảng 12m, đồng thời mang lại hiệu quả về chi phí.

Phương pháp trộn nông khô được phát triển gần đây nhằm ổn định lớp trên của than bùn, bùn hoặc đất sét mềm ở độ sâu khoảng 5m, được ứng dụng trong các dự án cải tạo đường bộ và đất đai Các thiết bị trộn của phương pháp ổn định toàn khối này tương đối mới, với nhiều kiểu mẫu khác nhau, thường được lắp vào tay của máy xúc Quá trình trộn được thực hiện theo phương ngang hoặc dọc xuyên qua khối đất để tạo ra hỗn hợp đất - chất kết dính đồng nhất.

Hình 1-13: Máy khoan cọc xi măng - đất sau cải tiến

Dự án thương mại đầu tiên tại Thụy Điển được triển khai vào năm 1995, với việc xử lý 10.000m³ than bùn dọc theo đường cao tốc 601 Sundsvägen Phương pháp sử dụng xi măng nhanh làm chất kết dính đã được áp dụng để ổn định bùn nạo vét, tạo ra khu vực mới cho cảng container tại Cảng Hamina và một công viên ven biển ở Helsinki, nơi cũng có bùn lắng bị ô nhiễm Tại Phần Lan, các chất kết dính giá thành thấp như xỉ lò cao, tro, thạch cao và các phụ phẩm khác thường được sử dụng thay cho vôi và xi măng Những chất kết dính tổng hợp này có thể được trộn sẵn tại nhà máy hoặc ngay tại công trình.

Gần đây, một phương pháp ổn định toàn khối mới đã được áp dụng, cho phép tiến trình trộn lặp lại theo cả phương ngang và phương dọc trong các khối đất thông qua các cách bố trí trộn và xới đa dạng, khác với các phương pháp trộn sâu truyền thống Độ sâu xử lý của hệ thống này được giới hạn khoảng 5m Phương pháp gia cố nông có thể thực hiện theo hai hình thức: trong phương pháp trộn khô, bột xi măng được phun vào đất qua các lỗ ở đầu ống bằng hệ thống khí nén, sau đó được trộn với đất bằng cách xoay hai cánh gắn đối xứng ở đầu ống, mà không cần sử dụng nước, giúp tránh tăng thêm lượng nước vào đất.

Trong phương pháp trộn ướt, xi măng được hòa trộn với nước để tạo thành dung dịch lỏng, sau đó được bơm vào đất qua các lỗ ở đầu ống với áp lực khoảng 20Mpa Thiết bị thi công của phương pháp này có thiết kế gọn nhẹ và dễ di chuyển Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp là đường kính của cọc xi măng cần phải điều chỉnh theo độ sâu, tùy thuộc vào sức chống cắt của đất.

Thiết bị thi công gọn nhẹ và dễ di chuyển, phù hợp cho các công trình trong điều kiện địa hình chật hẹp Với giá thành hợp lý, thiết bị này lý tưởng cho các công trình nhỏ, đặc biệt là nhà ở thấp tầng với ngân sách hạn chế, đồng thời tận dụng được vật liệu có sẵn tại công trình.

+ Khuyết điểm: không sử dụng được cho việc gia cố đất nền cho các công trình có tải trọng lớn

Lĩnh vực áp dụng của công nghệ này bao gồm các công trình dân dụng thấp tầng với tải trọng nhẹ, cũng như các công trình giao thông tại khu vực nông thôn và trong nội bộ các khu dân cư, nơi chịu tải trọng thấp.

Cải tạo đất mềm trên bề mặt thông qua phương pháp trộn nông khô, còn được gọi là “sự ổn định toàn khối”, có thể thực hiện bằng thiết bị cọc xi măng vôi truyền thống hoặc máy chuyên dụng Các cọc chồng chéo bên được tạo ra nhờ vào chuyển động lên và xuống của một hoặc nhiều thiết bị trộn quay vòng Phương pháp này mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất khi sử dụng máy khoan trộn có đường kính lớn hoặc bố trí đa trục, điều này đã được chứng minh tại Mỹ.

Gần đây, Phần Lan đã phát triển một phương pháp ổn định toàn khối mới, bắt đầu từ dự án nghiên cứu của Bộ Giao thông vào năm 1992 nhằm tạo ra một phương pháp ổn định than bùn hiệu quả và kinh tế Phương pháp này sử dụng một máy xúc bên được trang bị máy trộn ổn định toàn khối, cho phép chất kết dính như xi măng hoặc nhựa được đưa vào đầu trộn trong khi máy hoạt động, di chuyển theo cả hai phương ngang và dọc để ổn định khối đất.

Hình 1-14: Máy khoan cọc xi măng - đất khoan nông

1 Thùng đựng hỗn hợp vữa/vôi + thang đo lường;

4 Than bùn, gyttja (trầm tích đen) hoặc đất sét;

5 Than bùn, gyttja (trầm tích đen), đất sét;

6 Hướng ổn định khối lượng;

7 Vải địa kỹ thuật (gia cố nền);

8 Kè tải trọng đặt trước Ở Châu Âu, có sự tiến bộ và phát triển gần đây với các phương pháp trộn đất sâu và nông, bao gồm các phương pháp trộn khô và trộn ướt để gia cố đất nền Ứng dụng thực tế của phương pháp trộn sâu và trộn nông cũng được thảo luận và triển khai thực hiện tại một số dự án Các thiết bị để thực hiện việc gia cố đất nền bằng cọc xi măng - đất với phương pháp trộn nông như hình sau:

Hình 1-15: Dây chuyền khoan cọc xi măng đất

Các máy trộn nông đang được phát triển tại Phần Lan và Thụy Điển có sự khác biệt cơ bản so với máy trộn cố định cọc Thiết bị trộn khối lượng hiện đang trong giai đoạn phát triển và thử nghiệm, được gắn vào tay của máy xúc chạy bánh xích, cho phép di chuyển theo cả phương ngang và phương thẳng đứng để thực hiện quá trình trộn Tuy nhiên, việc di chuyển ngang trở nên khó khăn hơn khi độ sâu tăng lên, có thể dẫn đến tình trạng không thể di chuyển Chất kết dính được nạp từ một bộ phận độc lập gọi là thùng chứa chất kết dính điều áp, kết hợp với máy nén, máy sấy khô và bộ phận điều khiển cung cấp Bộ phận điều khiển này đảm nhận việc bơm chất kết dính vào đất để đảm bảo phân bố đồng đều.

Hình 1-16: Máy khoan, Các thiết bị khoan và cọc xi măng - đất

Nguyên lý gia cường đất nền bằng xi măng trộn đất tại chỗ

Phương pháp trộn đất tại chỗ được áp dụng nhằm cải thiện đặc tính kỹ thuật và môi trường của lớp đất nền mềm, với mục tiêu chính là ổn định và gia cố đất yếu, giảm thiểu hiện tượng hóa lỏng và xử lý môi trường Trong quá trình này, đất được trộn với các chất kết dính ổn định khác nhau, tạo ra phản ứng hóa học với đất và nước ngầm Hỗn hợp đất ổn định mới có cường lực, khả năng chống thấm và chịu nén cao hơn so với đất ban đầu, nhờ vào sự trao đổi ion ở bề mặt khoáng chất và việc lấp đầy các khoảng trống bằng sản phẩm phản ứng hóa học Các chất kết dính quan trọng nhất trong phương pháp này là xi măng và vôi.

Phương pháp này sử dụng thiết bị để kết hợp nước xi măng với đất nền hiện trạng, tạo thành mảng vữa xi măng - đất hoặc cọc xi măng - đất Nước xi măng được trộn sẵn và bơm vào đất nền với tỷ lệ phù hợp, theo nguyên lý dịch chuyển lên xuống bằng mũi khoan hoặc ống thép Trong quá trình này, nước xi măng được phun vào nền đất bằng áp lực khí nén với hỗn hợp khô hoặc bằng bơm vữa cho hỗn hợp ướt.

Các phương pháp gia cố

Kỹ thuật trộn đất bao gồm hai phương pháp chính: trộn sâu (DMM) và trộn nông (SMM) Phương pháp DMM, được áp dụng rộng rãi hơn, nhằm mục đích ổn định đất ở độ sâu tối thiểu 3m, với khả năng xử lý lên đến 50m.

Chất kết dính được bơm vào đất dưới dạng khô hoặc ướt qua các trục trộn quay rỗng, được trang bị mũi khoan và lưỡi trộn để tăng cường hiệu quả Phương pháp SMM (trộn nông) giúp giảm chi phí cải tạo đất quá lỏng hoặc mềm, bao gồm trầm tích nạo vét và đất hữu cơ ướt dày Phương pháp này cũng thích hợp để khắc phục đất và bùn ô nhiễm tại chỗ, yêu cầu trộn kỹ với chất kết dính để đảm bảo sự ổn định toàn bộ thể tích đất Sự ổn định toàn khối có thể đạt được nhờ lắp các trụ chồng chéo và sử dụng thiết bị khoan trộn lớn, giúp ổn định đất yếu ở độ sâu tối đa khoảng 12m.

Phương pháp ổn định toàn khối sử dụng thiết bị trộn đa dạng, được lắp vào tay máy xúc, với kiểu dáng giống như cánh quạt tàu hoặc đầu trộn/xới có lưỡi quay theo trục ngang hoặc đứng Quá trình trộn diễn ra liên tục theo chiều ngang hoặc dọc, giúp tạo ra hỗn hợp đất và chất kết dính đồng nhất.

Hình 2-1: Máy khoan cọc xi măng - đất sau cải tiến c) Ưu, khuyết điểm:

Phương pháp này có nhiều ưu điểm, đặc biệt là khả năng áp dụng cho các công trình có tải trọng lớn trên nền đất yếu Nó cho phép khoan đến độ sâu vượt quá 50m, mang lại hiệu quả cao cho các dự án xây dựng.

Phương pháp trộn sâu gặp khó khăn trong việc xử lý khi xuyên qua mực nước ngầm, có thể gây ô nhiễm nguồn nước khi khoan cọc qua khu vực này Ngoài ra, phương pháp này hạn chế thi công tại các địa hình chật hẹp và chi phí xây dựng cao, do đó không phù hợp cho các công trình quy mô nhỏ.

- Công trình tạm thời: tăng sức chịu tải ngang cho cọc, ngăn chặn nâng đáy hố đào, ổn định mái dốc, tường hào bao hố móng, công trình ngầm,

Công trình vĩnh cửu bao gồm các giải pháp xử lý tăng cường độ cho nền đất yếu, đảm bảo chống thấm dưới nền các công trình thủy lợi như đê, đập, cống lấy nước, và kè chống xói lở bờ sông Ngoài ra, các biện pháp này còn giúp ổn định tường chắn và gia cố neo chống trượt cho mái dốc, góp phần nâng cao độ bền và an toàn cho các công trình xây dựng.

2.3 Các phương pháp tính toán cọc ximăng - đất:

2.3.1 Theo quy trình Thụy Điển: a) Khả năng chịu tải của cọc đơn:

- Khả năng chịu tải theo vật liệu:

Khả năng chịu cắt của vật liệu cọc là yếu tố quyết định khả năng chịu tải của cọc đơn, chủ yếu phụ thuộc vào khả năng chịu cắt dọc theo mặt trượt Khả năng này bị ảnh hưởng bởi vị trí của các cọc và dạng phá hoại Các cọc được phân thành ba nhóm: nhóm thứ nhất nằm trong vùng chủ động, nhóm thứ hai trong vùng cắt, và nhóm thứ ba trong vùng bị động Mặt trượt được mô tả qua ba mặt phá hoại (AB, BC, CD).

Hình 2-2: Các mặt trượt giả định

Các dạng phá hoại của cọc phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm độ bền chống cắt của cọc, độ bền chống cắt của đất không gia cố xung quanh, chiều cao nền đường, chiều sâu, hướng cung trượt, đường kính cọc, chiều dài cọc và khoảng cách giữa các cọc.

- Dạng a, b: Độ bền cắt và độ bền nén của cọc bị vượt qua

- Dạng c, d, e: Khả năng kháng uốn của cọc bị vượt qua

- Dạng f, g, h: Khả năng chịu lực ngang của đất không gia cố xung quanh bị vượt qua

Hình 2-3: Các dạng phá hoại có thể của cọc ximăng - đất

Cọc nằm trong vùng chủ động:

u col 4cos u col ucol d C N tg

Cọc nằm trong vùng cắt:

D - Đường kính cọc; Α - Góc hợp bởi mặt trượt giả định và mặt phẳng nằm ngang;

N - Lực dọc trục trong cọc;

Cu.col - Lực dính không thoát nước của vật liệu cọc; σu.col - Góc nội ma sát không thót nước của vật liệu cọc; Eu.soil

28 Áp lực hông tác dụng lên cọc có thể tính toán theo biểu thức:

(1 ) n u soil ho u col u soil u soil

 (2.3) Trong đó: σho - Tổng áp lực ngang ban đầu của đất;

Cu.col - Độ bền chống cắt không thoát nước của đất yếu xung quanh cọc;

Eu.soil và Vu.soil là các mô-đun đàn hồi không thoát nước cùng với hệ số Poisson của đất yếu, được xác định thông qua thí nghiệm nén ba trục không thoát nước.

Khi v=0,5 (ứng với trường hợp σho = σvo) và khi Eu.soil = 55.Cu.soil thì:

Trong đó: σvo = .z - Tổng áp lực chất tải do trọng lượng bản thân

Qo- Áp lực phân bố do tải trọng ngoài

Khả năng chống cắt không thoát nước tức thời Ta của cọc dọc theo mặt trược được tính như sau:

Cọc nằm trong vùng chủ động:

Cọc nằm trong vùng chủ động:

Kp là hệ số áp lực đất bị động của vật liệu cọc, trong khi σhcrit là áp lực ngang tới hạn tác động lên cọc Giá trị của σhcrit phụ thuộc vào độ bền chống cắt và độ bảo hòa của cọc, với khoảng giá trị từ 100 đến 150 kPa Thông số này được xác định thông qua thí nghiệm nén ba trục không thoát nước.

Với các dạng phá hoại khác:

Với cọc trong vùng chủ động:

Với cọc trong vùng chịu cắt: S = T

+ Khả năng chịu tải cực hạn tức thời khi phá hoại cọc theo Bergado

Trong trường hợp CXMĐ bị phá hoại, các cọc đất xi măng sẽ được coi như một lớp đất sét cứng nứt nẻ Độ bền cắt của hỗn hợp sét ở dạng cực hay hợp sẽ đặc trưng cho giới hạn trên của độ bền.

Khả năng chịu tải ngăn này do cọc đất xi măng bị phá hoại ở độ sâu z được tính từ quan hệ

Qgh = Acọc (3,5 Ccọc + 3 σn) (2.7) Trong đó:

Ccọc - Lực đính kết của vật liệu cọc đất xi măng σn – Áp lực ngang tổng cộng tác dụng lên cọc đất xi măng tại mặt cắt giới hạn

Giả thiết góc ma sát trong của đất là 30 độ, với hệ số áp lực bị động Kp tương ứng Áp lực tổng σn được xác định bằng σp cộng với 5Cu, trong đó σp là áp lực tổng của các lớp phủ bên trên và Cu là độ bền cắt không thoát nước của đất sét không ổn định Công thức này được áp dụng trong thiết kế khi xem xét áp lực tổng của các lớp phủ, vì áp lực đất bị động có sự thay đổi khi có chuyển vị ngang lớn.

+ Lực dọc trục trong cọc:

Lực dọc trục trong cọc dọc theo mặt trượt nằm dưới nền:

Acol Diện tích tiết diện ngang;

Mq0 - Phần ứng suất phát sinh trong cọc do nền đắp

- Khả năng chịu tải theo đất nền:

Khả năng chịu tải giới hạn của cọc xi măng đất sét yếu khi đất phá hoại tính theo biểu thức sau:

Trong đó: d- Đường kính cọc đất xi măng;

Hcọc - Chiều dài cọc đất xi măng;

Cu - Độ bền cắt không thoát nước trung bình của đất sét bao quanh, được xác định bằng thí nghiệm hiện trường

* Khả năng chịu tải giới hạn của nhóm cọc đất trộn xi măng:

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 đất xi măng.

B, L, H - Chiều rộng, chiều dài và chiều cao của nhóm cọc đất xi măng

Hệ số 6 dùng cho móng chữ nhật khi chiều dài lớn hơn chiều rộng nhiều Còn hệ số 9 dùng cho móng vuông

Khả năng chịu tải giới hạn có chú ý đến phá hoại cục bộ, được tính theo biểu thức:

Qgh = 5.5 Ctb (1+0.2 b/L) (2.13) Trong đó: b, L: Chiều rộng và chiều dài vùng chịu tải cục bộ;

Ctb - Độ bền cắt trung bình dọc theo bề mặt phá hoại giả định

Hình 2-5: Ứng suất của đất nền

2.3.2 Theo quy trình Nhật Bản:

- Sức chịu tải theo vật liệu:

Khả năng chịu nén của cọc đất xi măng có thể tính toán theo công thức sau:

P= ∆p.A < Pa =qu.Ap (2.14) Trong đó:

P - Tải trọng của nền đắp do một cọc dỡ (kN);

∆p - Tổng tải trọng phân bố của nền đắp;

Pa - Lực nén lớn nhất mà cọc có thể chịu đựng (kN);

A - Diện tích nền đất do một cọc dỡ;

A= x 2 (đối với cọc đất xi măng bố trí ô vuông cách nhau x mét);

Qu - Cường độ chịu nén của cọc (kN/m 2 );

Ap - Diện tích tiết diện ngang của cọc (m 2 )

* Sức chịu tải theo đất nền

Ru = Rpu + L ∑ Tdi.hi (2.15) Trong đó:

Ru - Sức chịu tải cực hạn của cọc đất xi măng;

Rpu - Sức chịu tải mũi cực hạn của cọc đất xi măng;

Tdi – Ma sát thành cực hạn;

Hi - Chiều dày phân tố;

L – Chu ci cọc gia cố;

Sức chịu tải mũi cực hạn phụ thuốc vào loai đất Đất rời: Rpu u N Ap (2.16)

Trong đó: N số SPT trung bình ld trên ld dưới mũi cọc Đất dính:

Rpu=6.c.Ap (2.17) Trong đó: c - Lực dính của đất nền

Ma sát thành bên của cọc tính theo công thức sau:

N (kN/m 2 ): Đối với đất rời

Tdi = c hay q0/2 (kN/m 2 ): Đối với đất dính

Sức chịu tải cho phép cho trường hợp cọc gia cố làm việc đơn lẻ:

Sức chịu tải cọc đất xi măng xác định theo sự làm việc chung của cọc:

Trong đó: qd - Sức chịu tải cực hãn dưới mũi cọc đất xi măng; qd = c Nc +0,5 B.N + q.Nq

Nc, Nq, N Hệ số sức chịu tải;

 - Dung trọng đất dưới đáy móng; q - Phụ tải hông; c - Lực dính của lớp đất ngay tại đáy móng;

Ab - Diện tích đáy móng khối quy ước;

Tdi- Ma sát thành cực hạn theo chu vi khối quy ước; hi - Chiều dày các lớp phân tố;

Ls- chu vi khối quy ước

Sức chịu tải của toàn bộ hệ gia cố: qa = min [qa1, qa2]

* Cường độ chịu cắt của diện tích có cọc đất xi măng

Lực cắt được tính theo công thức sau:

Cp=qup/2; Co=quo/2; ap =Ap/A

T - Cường độ kháng cắt trung bình tại khu vực có cọc xi măng

Cp - Cường độ kháng cắt của một cọc đất xi măng;

C0 - Cường độ kháng cắt của nền đất (vùng đất được gia cố); α - Hệ số giảm cường độ chống cắt của đất phụ thuộc vào εup; a0 - Diện tích tương đối

2.3.3 Theo quy trình Trung Quốc DBJ 08 – 40 – 94:

Khả năng chịu tải cho phép của cọc đất xi măng được xác định thông qua các thí nghiệm cụ thể Tuy nhiên, có thể ước tính giá trị này theo công thức và nên chọn trị số nhỏ hơn để đảm bảo an toàn trong thiết kế.

Pa = Up ∑ qsili +α Ap.qp (2.21) Trong đó:

Qsi: Ma sát bên đơn vị của lớp đất thứ I; η - Hệ số chiết giảm cường độ thân cọc (0,3 ÷ 0,4);

Cường độ chịu nén của mẫu đất xi măng sau 90 ngày tuổi được đo bằng đơn vị kPa, trong khi khả năng chịu tải của móng nền đất thiên nhiên tại mũi cọc được ký hiệu là qp Hệ số chiết giảm khả năng chịu tải của móng đất thiên nhiên tại mũi cọc, ký hiệu là α, có giá trị dao động từ 0,4 đến 0,6.

Ap- Diện tích mặt cắt cọc (m 2 );

Li- Chiều dày của lớp đất thứ i

* Khả năng chịu tải cho phép của khối móng tổ hợp:

Khả năng chịu tải cho phép của khối móng tổ hợp có thể ước tính theo công thức sau:

Fsp - Sức chịu tải cho phép của móng tổ hợp (kPa);

Fs - Sức chịu tải cho phép của đất móng thiên nhiên giữa các cọc (kPa); m - Tỷ diện tích thay thế;