Tài liệu Đồ án Thi công đường Sắt gia cố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất

GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 1 MỤC LỤC PHẦN 1 NỀN ĐẤT YẾU MỘT SỐ BIỆN PHÁP GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU ................. 5 ĐẶT VẪN ĐỀ ..................................................................................................... 6 I. II. LỊCH SỬ RA ĐỜI PHƯƠNG PHÁP GIA CÔ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT ................................................................................................................ 7 III. GIẢI PHÁP GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT . .......... 7 IV. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XIMĂNG - ĐẤT TRÊN THẾ GIỚI .................................... 8 V. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XIMĂNG - ĐẤT Ở VIỆT NAM:.................................................. 9 VI. NGUYÊN TẮC GIA CỐ ĐẤT NỀN ................................................................ 9 1. Quá trình nén chặt cơ học............................................................................. 10 2. Quá trình cố kết thấm ................................................................................... 11 3. Quá trình gia tăng cường độ của cọc gia cố và sức kháng cắt của đất nền .. 13 PHẦN 2 THI CÔNG CỌC XI MĂNG ĐẤT ................................................................. 15 I. GIỚI THIỆU ...................................................................................................... 16 4. Lịch sử phát triển.......................................................................................... 16 5. Nguyên lý gia cố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất .................................... 17 6. Tác dụng cải thiện tính chất cơ lý của cọc xi măng đất ............................... 17 a) Làm tăng cường độ và sức kháng ............................................................. 17 b) Đẩy nhanh quá trình cố kết thấm .............................................................. 18 c) Tăng module biến dạng của đất nền ......................................................... 19 Ứng dụng của cọc xi măng đất ..................................................................... 19 7. THI CÔNG CỌC XI MĂNG ĐẤT ................................................................... 21 II. Phân loại phương pháp thi công ................................................................... 21 1. a) Phân loại ................................................................................................... 21 b) Tiêu chí lựa chọn phương pháp thi công cọc............................................ 21 c) Một số cách bố trí cọc xi măng đất ........................................................... 21 Qui trình thi công cọc xi măng đất ............................................................... 23 2. 3. III. a) Giai đoạn chuẩn bị .................................................................................... 23 b) Giai đoạn thi công chính ........................................................................... 26 c) Giai đoạn hoàn thiện ................................................................................. 29 So sánh hai hình thức thi công cọc xi măng đất ........................................... 29 KIỂM ĐỊNH CHẤT LƯỢNG CỌC XI MĂNG ĐẤT .................................... 31 1. Xác định số lượng mẫu thí nghiệm .............................................................. 31 2. Kiểm định chất lượng cọc ............................................................................ 33 THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 2 PHẦN 3 ỨNG DỤNG CỌC XI MĂNG ĐẤT ĐỂ XÂY DỰNG KÈ CHỐNG SÓI LỞ TẠI KHU ĐÔ THỊ MỚI AN PHÚ THỊNH TP. QUY NHƠN, BÌNH ĐỊNH ................ 35 VỊ TRÍ ĐỊA LÝ VÀ SỐ LIỆU ĐỊA CHẤT ...................................................... 36 I. 1. Vị trí địa lý ................................................................................................... 36 2. Địa hình, địa chất khu vực ........................................................................... 36 a) Địa hình .................................................................................................... 36 b) Điều kiện địa chất ..................................................................................... 37 c) Điều kiện thủy văn .................................................................................... 37 QUI TRÌNH THI CÔNG CỌC XI MĂNG ĐẤT .............................................. 38 II. 1. Mặt bằng thi công ......................................................................................... 38 2. Máy móc, thiết bị thi công ........................................................................... 39 a) Phần di động ............................................................................................. 39 b) Phần cố định ............................................................................................. 40 3. Nhân công .................................................................................................... 41 4. Trình tự thi công cọc xi măng đất ................................................................ 41 III. KIỂM TRA, ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CỌC XI MĂNG ĐẤT ................. 43 1. Máy móc, thiết bị ......................................................................................... 43 2. Qui trình kiểm tra ......................................................................................... 43 3. Đánh giá kết quả kiểm tra ............................................................................ 46 THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 3 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 01 Sơ đồ phân loại chung các thiết bị trộn sâu ...................................................... 16 Hình 02. Minh họa phương pháp gia cố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất .................. 17 Hình 03. Ứng dụng của cọc xi măng đất ........................................................................ 19 Hình 04. Công trình đường Lương Định Của sử dụng cọc xi măng đất D800 gia cố nền đất yếu và giảm độ lún. ................................................................................................... 20 Hình 05.. Công trình Saigon Pearl (quận Bình Thạnh, TP HCM) sử dụng cọc xi măng đất làm tường chắn đât, thi công 3 lớp hàng cọc, D1000, L=12m. ...................................... 21 Hình 06. Công trình bờ kè ở Quận 7 - TP HCM, dự án xây dựng hồ xử lý nước thải kênh Nhiêu Lộc. ...................................................................................................................... 21 Hình 07. Bố trị trụ trộn khô ............................................................................................ 22 Hình 08. Bố trí trụ trộn ướt trên cạn ............................................................................... 22 Hình 09. Bố trí trụ trộn ướt trên biển.............................................................................. 23 Hình 10. Các loại xe khoan ............................................................................................ 25 Hinh 11. Silo chứa xi măng và bồn tự trộn .................................................................... 25 Hinh 12. Thiết bị bơm và trộn vữa ................................................................................. 25 Hình 13. Đầu khoan máy khoan thi công pheo phương pháp trộn ướt .......................... 26 Hình 14. Thiết bị điện toán, ghi chép tốc độ khoan xuống và lên .................................. 26 Hình 15. Sơ đồ thi công theo phương pháp trộn khô ..................................................... 27 Hình 16. Quy trình thi công cọc xi mặng đất theo công nghệ trộn ướt .......................... 28 Hình 17. Lấy mẫu thí nghiệm ......................................................................................... 32 Hình 18. Mẫu thí nghiệm cọc xi măng đất lấy từ hiện trường ....................................... 32 Hình 19. Các thiết bị thí nghiệm .................................................................................... 33 Hình 20. Vị trí khu đô thị và quy hoạch các đảo của khu đô thị .................................... 36 Hình 21. Mặt cắt đại diện tuyến kè................................................................................. 39 Hình 22. Sơ đồ hệ thống Jet Grounting .......................................................................... 39 Hình 23. Giàn khoan phụt Jet Grounting........................................................................ 40 Hình 24. Máy trộn vữa và máy bơm trong thi công cọc xi măng đất ............................. 41 Hình. Tia vữa phun tạo cọc xi măng đất......................................................................... 42 Hình 25. Trình tự đào lộ đầu cọc .................................................................................... 44 Hình 26. Kiểm tra đường kính cọc bằng thước .............................................................. 44 Hình 27. Công tác khoan lấy mẫu .................................................................................. 45 Hình 28. Công tác bảo dưỡng mẫu ................................................................................. 45 Hình 29. Nén mẫu ........................................................................................................... 46 THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 4 DANH MỤC BẢNG Bảng 01 Nhân công: một đội khoan gồm có các thành phần sau: .................................. 23 Bảng 02. Thiết bị thi công cọc xi măng đất theo phương pháp trộn khô ....................... 23 Bảng 03. Thiết bị thi công cọc xi măng đất theo phương pháp trộn ướt ........................ 24 Bảng 04. Đặc tính kỹ thuật công nghệ trộn khô của Bắc Âu và Nhật Bản .................... 27 Bảng 05. So sánh công nghệ trộn khô Bắc Âu và Nhật Bản .......................................... 27 Bảng 07. So sánh công nghệ trộn ướt trên cạn của châu Âu và Nhật Bản ..................... 29 Bảng 08. Khối lượng mẫu thí nghiệm tối thiểu dự kiến ................................................. 33 Bảng 09. Chức năng của các loại thí nghiệm ................................................................. 33 Bảng 10. Các chỉ tiêu cơ lý của đất nền khu đô thị ....................................................... 37 THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT PHẦN 1 NỀN ĐẤT YẾU. MỘT SỐ BIỆN PHÁP GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN 5 GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT I. 6 ĐẶT VẪN ĐỀ Nền đất yếu là nền đất không đủ sức chịu tải, không đủ độ bền và biến dạng nhiều, do vậy không thể xây dựng các công trình. Đất yếu là một loại đất không có khả năng chống đỡ kết cấu bên trên, vì thế nó bị lún tuỳ thuộc vào quy mô tải trọng bên trên. Khi thi công các công trình xây dựng gặp các loại nền đất yếu, tùy thuộc vào tính chất của lớp đất yếu, đặc điểm cấu tạo của công trình mà người ta dùng phương pháp xử lý nền móng cho phù hợp để tăng sức chịu tải của nền đất, giảm độ lún, đảm bảo điều kiện khai thác bình thường cho công trình. Trong thực tế xây dựng, có rất nhiều công trình bị lún, sập khi xây dựng trên nền đất yếu do không có những biện pháp xử lý hiệu quả, không đánh giá chính xác được các tính chất cơ lý của nền đất để làm cơ sở và đề ra các giải pháp xử lý nền móng phù hợp. Đây là một vấn đề hết sức khó khăn, đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa kiến thức khoa học và kinh nghiệm thực tế để giải quyết, giảm được tối đa các sự cố, hư hỏng của công trình khi xây dựng trên nền đất yếu. Một số đặc điểm của nền đất yếu Thuộc loại nền đất yếu thường là đất sét có lẫn nhiều hữu cơ; Sức chịu tải bé (0,5 – 1kg/cm2); Đất có tính nén lún lớn (a>0,1 cm2/kg); Hệ số rỗng e lớn (e > 1,0); Độ sệt lớn (B>1); Mô đun biến dạng bé (E<50kg/cm2); Khả năng chống cắt (C) bé, khả năng thấm nước bé; Hàm lượng nước trong đất cao, độ bão hòa nước G>0,8, dung trọng bé Các loại nền đất yếu chủ yếu và thường gặp - Đất sét mềm: Gồm các loại đất sét hoặc á sét tương đối chặt, ở trạng thái bão hòa nước, có cường độ thấp; - Đất bùn: Các loại đất tạo thành trong môi trường nước, thành phần hạt rất mịn, ở trạng thái luôn no nước, hệ số rỗng rất lớn, rất yếu về mặt chịu lực; - Đất than bùn: Là loại đất yếu có nguồn gốc hữu cơ, được hình thành do kết quả phân hủy các chất hữu cơ có ở các đầm lầy (hàm lượng hữu cơ từ 20 -80%); - Cát chảy: Gồm các loại cát mịn, kết cấu hạt rời rạc, có thể bị nén chặt hoặc pha loãng đáng kể. Loại đất này khi chịu tải trọng động thì chuyển sang trạng thái chảy gọi là cát chảy; - Đất bazan: là loại đất yếu có độ rỗng lớn, dung trọng khô bé, khả năng thấm nước cao, dễ bị lún sụt. THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT II. 7 LỊCH SỬ RA ĐỜI PHƯƠNG PHÁP GIA CÔ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT Từ lâu ta đã biết nếu trộn đất sét với một lượng vôi , xi măng hoặc chất liên kết vô cơ tương tự thì sẽ được một vật liệu có tính chất cơ học cao hơn hẳn đất không gia cố . Kỹ thuật gia cố vôi đầu tiên được áp dụng và phát triển mạnh mẽ trong việc xây dựng các lớp móng đường . Gần đây người ta áp dụng kỹ thuật này để cải thiện tính chất cơ lý của đất sét yếu trên nền thiên nhiên . Trước đây người ta thường gia cố nền đất yếu bằng cọc vôi . Để thi công cọc vôi người ta đào hoặc khoan lỗ có đường kính 30–50 cm cách nhau từ 2-5m rồi cho vôi cục chưa tôi vào . Khi tác dụng với nước , vôi sống được tôi sẽ tăng thể tích lên 60-80% , do đó tác dụng nén chặt đất xung quanh . Đồng thời vôi còn tác dụng với đất xung quanh cọc làm tăng cường độ , hút nước rồi tỏa nhiệt , làm nước bốc hơi và làm giảm độ ẩm của đất yếu xung quanh cọc vôi . Tuy nhiên do độ thấm của đất nhỏ nên sự lan truyền của vôi trong khối đất bị hạn chế , nên việc cải thiện tính chất của đất yếu của cột vôi còn rất cục bộ . Để giải quyết vấn đề này , năm 1975 các kỹ sư Thụy Điển đã trộn trực tiếp vôi với đất sét mềm ngay trong vùng đất yếu , làm thành các cọc gia cố vôi . Kỹ thuật gia cố vôi của Thụy Điển là xây dựng ngay trong vùng đất yếu các cọc có đường kính 50 cm bằng một thiết bị trộn đặc biệt , kiểu khoan đĩa hoặc giống như một dụng cụ đánh trứng khổng lồ . Khoan được xoắn vào đất đến cao độ tương ứng với chiều dài cọc thiết kế và được rút lên khi xoay ngược chiều . Tốc độ quay và khả năng chuyển vật liệu được điều chỉnh phù hợp với bước của dụng cụ để tránh làm xáo động đất . Vôi sống sẽ được chuyển đồng thời bằng khí nén từ xi lô qua ông dẫn trong cần khoan vào đất . Tốc độ rút lên cố thể được điều chỉnh phù hợp với tính chất đất . Quá trình khuấy trộn đồng thời cũng làm chặt đất xung quanh cọc . Tác dụng lý hóa giữa vôi và đất xảy ra , quá trình rắn chắc của đất gia cố phát triển theo thời gian tạo thành cọc có sức chịu tải nhất định . Đây là tiền đề cho các công nghệ gia cố phát triển sau này như gia cố cọc xi măng đất , gia cố cọc cát hay kết hợp cọc vôi , cát , xi măng . III. GIẢI PHÁP GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT . Cọc đất–ximăng(Đ–XM) là một trong những giải pháp xử lý nền đất yếu với khả năng ứng dụng tương đối rộng rãi như: làm tường hào chống thấm cho đê đập, gia cố nền móng cho các công trình xây dựng, ổn định tường chắn, chống trượt mái dốc, gia cố đất yếu xung quanh đường hầm, gia cố nền đường, mố cầu dẫn...So với một số giải pháp xử THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 8 lý nền hiện có, công nghệ cọc Đ–XM có ưu điểm là khả năng xử lý sâu (đến 50m), thích hợp với các loại đất yếu (từ cát thô cho đến bùn yếu), thi công được cả trong điều kiện nền ngập sâu trong nước hoặc điều kiện hiện trường chật hẹp, trong nhiều trường hợp đã đưa lại hiệu quả kinh tế rõ rệt so với các giải pháp xử lý khác.  Ứng dụng của cọc đất – ximăng  - Làm giảm độ lún và tăng độ ổn định của nền đất đắp.  - Làm tăng độ ổn định của mái dốc, gia cố hố đào móng nông.  - Nền và móng cho công trình.  - Giảm áp lực đất chủ động, tăng áp lực đất bị động lên tường cừ ở hố đào sâu.  Các công trình thông dụng sử dụng công nghệ cột đất – ximăng:  - Công trình giao thông: nền đắp của đường bộ, đường sắt, đường dẫn đầu cầu, bến bãi đỗ xe, cảng container……  - Móng bồn bể chứa. Nền móng nhà công nghiệp  - Các loại hố đào.  - Các vùng đất lấn biển, san lấp ven sông  Hiệu quả từ việc sử dụng công nghệ gia cố đất nền bằng cột đất – ximăng: IV.  - Kinh tế, thời gian xử lý nhanh.  - Không gây ảnh hưởng tới các công trình lân cận. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XIMĂNG - ĐẤT TRÊN THẾ GIỚI Tại Châu Âu, công nghệ cọc Đ-XM được nghiên cứu và ứng dụng bắt đầu ở Thụy Điển và Phần Lan bắt đầu từ năm 1967. Nước ứng dụng công nghệ Đ-XM nhiều nhất là Nhật Bản và các nước vùng Scandinaver. Theo thống kê của hiệp hội CDM (Nhật Bản), tính chung trong giai đoạn 1980-1996 có 2345 dự án, sử dụng 26 triệu m3 BTĐ. Riêng từ 1977 đến 1993, lượng đất gia cố bằng xi măng ở Nhật vào khoảng 23,6 triệu m3 cho các dự án ngoài biển và trong đất liền, với khoảng 300 dự án. Hiện nay hàng năm thi công khoảng 2 triệu m3. Tại Trung Quốc, công tác nghiên cứu bắt đầu từ năm 1970, tổng THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 9 khối lượng xử lý bằng cọc Đ-XM ở Trung Quốc cho đến nay vào khoảng trên 1 triệu m3. V. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XIMĂNG - ĐẤT Ở VIỆT NAM: Tại Việt nam, việc áp dụng thi công đại trà gia cố nền đất sử dụng công nghệ khô trộn sâu – thi công cọc Đ-XM bắt đầu được tiến hành từ những năm đầu thế kỷ 21. Năm 2001, tập đoàn Hercules của Thuỵ điển hợp tác với Công ty CP Phát triển kỹ thuật xây dựng( TDC) thuộc Tổng công ty xây dựng Hà nội đã thi công xử lý nền móng cho 08 bể chứa xăng dầu có đường kính 21m, cao 9m ( dung tích 3000m3 / bể) của công trình Tổng kho xăng dầu Cần thơ bằng cọc đất xi măng. Từ năm 2002 đến 2005 đã có một số dự án bắt đầu ứng dụng cọc Đ-XM vào xây dựng các công trình trên nền đất, như: Dự án cảng Ba Ngòi (Khánh Hòa) đã sử dụng 4000m cọc Đ-XM có đường kính 0,6m , gia cố nền móng cho nhà máy nước huyện Vụ Bản (Hà Nam), xử lý móng cho bồn chứa xăng dầu ở Đình Vũ (Hải Phòng), dự án thoát nước khu đô thị Đồ Sơn - Hải Phòng, dự án sân bay Cần Thơ, dự án cảng Bạc Liêu, các dự án trên đều sử dụng công nghệ trộn khô, độ sâu xử lý trong khoảng 20m. Năm 2004, Viện Khoa học Thủy lợi đã tiếp nhận chuyển giao công nghệ khoan phụt cao áp (Jet-grouting) từ Nhật Bản. Đề tài đã ứng dụng công nghệ và thiết bị này trong nghiên cứu sức chịu tải của cọc đơn và nhóm cọc, khả năng chịu lực ngang, ảnh hưởng của hàm lượng XM đến tính chất của cọc Đ-XM,... nhằm ứng dụng cọc Đ-XM vào xử lý đất yếu, chống thấm cho các công trình thuỷ lợi. Nhóm đề tài cũng đã sửa chữa chống thấm cho Cống Trại (Nghệ An), cống D10 (Hà Nam), Cống Rạch C (Long An)...Tại thành phố Đà Nẵng, cọc Đ- XM được ứng dụng ở Plazza Vĩnh Trung dưới 2 hình thức: Làm tường trong đất và làm cọc thay cọc nhồi. Tại Tp. Hồ Chí Minh, cọc Đ-XM được sử dụng trong dự án Đại lộ Đông Tây, building Saigon Times Square.. Hiện nay, các kỹ sư hãng Orbitec đang đề xuất sử dụng cọc ĐXM để chống mất ổn định công trình hồ bán nguyệt – khu đô thị Phú Mỹ Hưng, dự án đường trục Bắc – Nam (giai đoạn 3) cũng kiến nghị chọn cọc Đ-XM xử lý đất yếu. VI. NGUYÊN TẮC GIA CỐ ĐẤT NỀN Cọc Đ-XM được gia cố là hỗn hợp giữa đất nguyên trạng nơi gia cố với hỗn hợp xi măng được phun xuống thông qua thiết bị khoan trộn. Cột gia cố tạo thành bởi hỗn hợp đất tại chỗ và chất kết dính, mà thông thường là vôi và ximăng. Mũi trộn được đưa xuống đất bằng cách khoan xoay, khi tới độ sâu thiết kế, mũi trộn đảo chiều ngược lại và đồng thời rút dần lên, trộn đất tại chỗ với chất gia cố. Trong suốt quá trình rút lên, hỗn hợp chất gia cố được phun vào bằng khí nén ở đầu mũi trộn, tới cao độ đầu cột thì dừng lại. THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 1. 10 Quá trình nén chặt cơ học Gia cố nền bằng cọc xi măng đất là dùng thiết bị chuyên dụng đưa một lượng vật liệu vào nền đất dưới dạng cọc hỗn hợp cát - xi măng - vôi. Lượng vật liệu cát, xi măng và vôi này sẽ chiếm chỗ các lỗ hổng trong đất làm cho độ lỗ rỗng giảm đi, các hạt đất sắp xếp lại, kết quả là đất nền được nén chặt. Xét một khối đất có thể tích ban đầu Vo , thể tích hạt rắn Vho , thể tích lỗ rỗng ban đầu Vro, ta có: Vo = Vho + Vro (1) Sau khi gia cố, thể tích khối đất sẽ là V, thể tích hạt rắn là Vh, thể tích lỗ rỗng Vr: V = Vh + Vr (2) Như vậy, sự thay đổi thể tích khối đất là: ∆ V = Vo – V (3) = (Vho + Vro) - (Vh + Vr) Thể tích các hạt rắn được coi như không đổi trong quá trình gia cố, nghĩa là Vho = Vh , do đó: ∆ V = Vro - Vr ∆ V = ∆ Vr (4) Biểu thức (4) cho thấy: sự thay đổi thể tích khối đất khi gia cố chính là sự thay đổi thể tích lỗ rỗng trong khối đất. Như vậy, khi gia cố nền bằng cọc xi măng đất quá trình nén chặt đất sẽ xảy ra tức thời. Hiệu quả nén chặt phụ thuộc vào thể tích vật liệu được đưa vào nền, nghĩa là phụ thuộc vào số lượng, đường kính cũng như khoảng cách giữa các cọc, hình dạng bố trí cọc. Việc xác định đường kính cọc, khoảng cách giữa các cọc và sơ đồ bố trí cọc hoàn toàn có thể xác định như đối với cọc cát. Còn chiều sâu gia cố phụ thuộc vào chiều sâu vùng hoạt động nén ép dưới đáy móng công trình, nghĩa là, tại độ sâu mà ở đó thoả mãn một trong các điều kiện sau đây: - ứng suất nén ép (σ z ) nhỏ hơn hoặc bằng 0,1 ứng suất bản thân (σ bt) của đất. - ứng suất nén ép (σ z) nhỏ hơn hoặc bằng áp lực bắt đầu cố kết thấm của đất. - ứng suất nén ép σ z ≤ 20 – 30 kPa Việc kiểm tra đánh giá định lượng tác dụng nén chặt đất khi gia cố nền bằng cọc xi măng đất có thể thực hiện được bằng nhiều phương pháp như khoan lấy mẫu đất trong phạm vi giữa các cọc để xác định hệ số rỗng cũng như khối lượng thể tích của đất sau gia cố THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 11 hoặc dùng thí nghiệm xuyên tĩnh hay nén tĩnh nền. Các công việc này đơn giản, dễ tiến hành. 2. Quá trình cố kết thấm Ngoài tác dụng nén chặt đất, cọc xi măng đất còn có tác dụng làm tăng nhanh quá trình cố kết của đất nền. Do cọc xi măng đất được đưa vào nền dưới dạng khô nên hỗn hợp cát - xi măng - vôi sẽ hút nước trong đất nền để tạo ra 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 hổng của đất, nghĩa là làm tăng nhanh quá trình cố kết của nền đất. Quá trình này xảy ra ngay sau khi bắt đầu gia cố và kéo dài cho đến khi nền đất được gia cố xong, toàn bộ cọc xi măng đất trở thành một loại bê tông . Đây là quá trình biến đổi hoá lý phức tạp, chia làm hai thời kỳ: thời kỳ ninh kết và thời kỳ rắn chắc. Trong thời kỳ ninh kết, vữa xi măng mất dần tính dẻo và đặc dần lại nhưng chưa có cường độ. Trong thời kỳ rắn chắc, chủ yếu xảy ra quá trình thuỷ hoá các thành phần khoáng vật của clinke, gồm silicat tricalcit 3CaO.SiO2, silicat bicalcit 2CaO.SiO2, aluminat tricalcit 3CaO.Al2O3, fero-aluminat tetracalcit 4CaO.Al2O3Fe2O3: 3CaO.SiO2 + nH2O ⇒ Ca(OH)2 + 2CaO.SiO2(n-1)H2O. 2CaO.SiO2 + mH2O ⇒ 2CaO.SiO2mH2O. 3CaO.Al2O3 + 6H2O ⇒ 3CaO.Al2O3.6H2O. 4CaO.Al2O3Fe2O3 + nH2O ⇒ 3CaO.Al2O3.6H2O +CaO.Fe2O3.mH2O Các sả n phẩm chủ y ế u được hình thành sau quá trình thuỷ hoá là Ca(OH)2, 3CaO.Al2O3.6H2O, 2CaO.SiO2mH2O và CaO.Fe2O3.mH2O. Quá trình rắn chắc của xi măng có thể chia ra làm 3 giai đoạn :  Giai đoạn hoà tan: các chất Ca(OH)2, 3CaO.Al2O3.6H2O sinh ra sau quá trình thuỷ hoá hoà tan được trong nước sẽ ngay lập tức hoà tan tạo thành thể dịch bao quanh mặt hạt xi măng.  Giai đoạn hoá keo: đến một giới hạn nào đó, lượng các chất Ca(OH)2 , 3CaO.Al2O3.6H2O không hoà tan được nữa sẽ tồn tại ở thể keo. Chất silicat bicalcit (2CaO.SiO2) vốn không hoà tan sẽ tách ra ở dạng phân tán nhỏ trong dung dịch, tạo thành keo phân tán. Lượng keo này ngày càng sinh ra nhiều, làm cho các hạt keo phân tán tương đối nhỏ tụ lại thành THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 12 những hạt keo lớn hơn ở dạng sệt khiến cho xi măng mất dần tính dẻo và ninh kết lại dần dần nhưng chưa hình thành cường độ.  Giai đoạn kết tinh: các chất Ca(OH)2 , 3CaO.Al2O3.6H2O từ thể ngưng keo chuyển sang dạng kết tinh, các tinh thể nhỏ đan chéo nhau làm cho xi măng bắt đầu có cường độ, chất 2CaO.SiO2mH2O tồn tại ở thể keo rất lâu, sau đó có một phần chuyển thành tinh thể. Do lượng nước ngày càng mất đi, keo dần dần bị khô, kết chặt lại và trở nên rắn chắc. Các giai đoạn hoà tan, hoá keo và kết tinh không xảy ra độc lập, mà xảy ra đồng thời với nhau, xen kẽ nhau. Ngoài ra, vôi trong hỗn hợp tạo cọc có tác dụng như chất gắn kết giống như xi măng, đồng thời có khả năng hấp thụ nước lớn và toả nhiệt làm tăng sức kháng cắt của cọc và tăng nhanh quá trình cố kết của đất nền. Quá trình thuỷ hoá vôi kèm theo sự toả nhiệt được biểu diễn bằng phản ứng sau : CaO + H2O ⇒ Ca(OH)2 + 15,5 kcalo Cường độ củ a hỗn hợp tăng lên mộ t phần do phản ứng silicat, mộ t phần do phản ứng carbonat, lượng CaCO3 còn dư trong vôi sẽ trở thành những mầm kết tinh, bao quanh bởi các hạt keo và tinh thể, chúng phát triển và tăng dần cường độ. Mặt khác, nếu tỷ lệ phối trộn giữa xi măng, cát và vôi cũng như thành phần hạt của cát hợp lý thì cọc xi măng đất sau khi đông cứng vẫn có thể cho nước thoát qua và làm việc tương tự 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 cọc rồi sau đó thoát ra ngoài dọc theo chiều dài cọc. Bài toán cố kết thấm của nền đất khi gia cố bằng cọc xi măng đất cũng giống như bài toán cố kết thấm của nền khi dùng 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 trị số áp lực nước lỗ rỗng trong nền và năm 1942, N.Carrillo đã phân bài toán cố kết thấm 3 chiều thành tổng hợ p củ a bài toán cố kế t thấm theo chiều thẳng đứng và theo hướng xuyên tâm. K.Terzaghi đã dùng phương pháp giải tích để giải bài toán cố kết thấm theo chiều thẳng đứng, còn R.E.Glover, R.A.Barron đã giải bài toán cố kết thấm theo hướng xuyên tâm. Năm 1948, R.A.Barron đã đưa ra lời giải toàn diện đầu tiên cho bài toán cố kết của trụ đất có chứa một cọc cát (cát - xi măng - vôi) ở giữa. Khi trong nền có các cọc xi măng đất, chiều dài đường thấm theo phương ngang sẽ nhỏ hơn nhiều lần chiều dài đường thấm theo phương đứng, do đó có thể coi vai trò thoát THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 13 nước theo phương ngang của cọc xi măng đất là chủ yếu. Tuy vậy, trong tính toán quá trình cố kết của nền đất gia cố vẫn thường xác định độ cố kết toàn phần (kết quả tổng hợp của quá trình thoát nước theo phương ngang và theo 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 cọc xi măng đất ảnh hưởng nhiều đến quá trình cố kết của nền đất. Theo nhiều nghiên cứu, khi hệ số thấm ngang của nền đất kh < 1.10-7 cm/s hoặc hệ số cố kết theo phương ngang Ch < 1.10-4 m2/ng.đ thì tác dụng cố kết của nền đất sẽ bị hạn chế. Để đảm bảo cọc xi măng đất làm việc tốt trong quá trình cố kết thì hệ số thấm của vật liệu cọc cần lấy > 2÷ 3 m/ng.đ. Muốn vậy, cần chế tạo mẫu chế bị với các tỷ lệ xi măng, cát và vôi 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 cọc 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 trong thời gian sử dụng công trình. 3. Quá trình gia tăng cường độ của cọc gia cố và sức kháng cắt của đất nền Khi gia cố nền đất yếu bằng cọc cát, sức kháng cắt của cọc cát dưới tác dụng của tải trọng ngoài xác định theo định luật Coulomb τ = σ tgϕ , với ϕ là góc ma sát trong của cát. Khi trộn thêm xi măng và vôi vào cát, do hình thành liên kết xi măng - vôi trong cọc nên khả năng chịu lực nén và lực cắt của cọc gia cố tăng lên đáng kể. Lúc đó, sức kháng cắt của cọc xi măng đất xác định theo biểu thức τ = σ tgϕ + Cxm , với Cxm là lực dính được tạo nên bởi liên kết xi măng - vôi. Giá trị Cxm có thể xác định được nhờ thí nghiệm cắt các mẫu chế bị ở trong phòng. Như vậy, khác với cọc cát, cọc xi măng đất có độ bền lớn nhờ lực dính trong hỗn hợp tạo cọc tăng lên. Độ bền của cọc xi măng đất phụ thuộc vào lực dính trong liên kết xi măng - vôi, nghĩa là phụ thuộc vào hàm lượng xi măng và vôi trong hỗn hợp tạo cọc. Mặt khác, khi trộn xi măng, vôi vào trong cát và đưa vật liệu vào nền đất, ở mặt tiếp xúc giữa cọc và đất nền sẽ xảy ra quá trình trao đổi ion và phản ứng puzolan. Các ion calci THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 14 hoá trị 2 thay thế các ion natri và hydro hoá trị 1 ở trong lớp điện kép bao quanh mỗi hạt khoáng vật sét. Vì cần ít hơn calci hoá trị 2 để trung hoà lưới điện âm trên mặt của mỗi khoáng vật sét nên giảm được kích thước của lớp điện kép và do đó làm tăng lực hút của các hạt sét, dẫn đến lực dính của đất tăng lên. Hơn nữa, silic và nhôm trong khoáng vật sét sẽ phản ứng với silicat calci và hydrat nhôm calci trong phản ứng puzolan, tạo ra các hợp chất có độ bền cao và rất bền trong môi trường nước. Những quá trình này làm tăng lực ma sát và lực dính của đất xung quanh cọc gia cố, dẫn đến làm gia tăng cường độ của đất nền. Cần phải nhấn mạnh rằng, tất cả các quá trình nén chặt cơ học, quá trình cố kết, quá trình gia tăng cường độ của cọc và đất nền khi gia cố bằng cọc xi măng đất đều có liên hệ hữu cơ với nhau. Các quá trình này không độc lập với nhau mà diễn ra đồng thời với nhau, là động lực thúc đẩy phát triển của nhau. THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT PHẦN 2 THI CÔNG CỌC XI MĂNG ĐẤT THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN 15 GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT I. 16 GIỚI THIỆU 4. Lịch sử phát triển Hình 01 Sơ đồ phân loại chung các thiết bị trộn sâu Công nghệ gia cố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất bắt đầu được nghiên cứu và ứng dụng vào những năm 60 của thế kỷ XX tại Thụy Điển và Nhật Bản. Kỹ thuật phun khô dùng vôi bột chưa tôi được dùng ở Nhật Bản từ nững năm 70. Khoảng thời gian đó trụ đất vôi cũng dùng ở Thụy Điển. Trộn ướt vữa xi măng cũng được Nhật Bản áp dụng trong những năm 70. Phương pháp trôn khô và trộn ướt được phổ biến và ứng dụng rộng THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 17 rãi ở Nhật Bản và Châu Âu từ thập niên 80 để gia cố nền đất yếu, gia cố mái dốc, bờ kè, giải quyết vấn đề ô nhiễm của các bãi chôn lấp chất thải. Gần đây, công nghệ trộn tổ hợp được phát triển kết hợp với phun tia, máy trộn bề mặt. Sơ đồ phân loại thiết bị được tóm tắt trong hình xx. 5. Nguyên lý gia cố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất Hình 02. Minh họa phương pháp gia cố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất Gia cố nền đất bằng cọc xi măng đất là sử dụng thiết bị chuyên dụng đưa chất kết dính (là xi măng hoặc hỗn hợp xi măng và các loại vật liệu khác như cát, nước, vôi,…) vào nền đất làm tăng các tính chất cơ lý nền đất. Từ đó giúp đất nền giảm thể tích lỗ rỗng, tăng cường độ và sức khác, đẩy nhanh quá trình cố kết thấm. 6. Tác dụng cải thiện tính chất cơ lý của cọc xi măng đất a) Làm tăng cường độ và sức kháng Thứ nhất, Cường độ của nền đất được gia cố bằng cọc xi măng đất được cải thiện nhờ góc ma sát trong, lực dính và trọng lượng thể tích của đất được tăng lên.  Theo mục 3.37 TCVN 45-78, cường độ chịu tải của đất nền được xác định theo công thức R m1m2  Ab  Bh ' Dc   ' h0  ktc Trong đó: THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 18  A,B,D là các hệ số phụ thuộc vào góc ma sát trong  của đất nền.  c là lực dính của lớp đất dưới đáy móng.   ,  ' lần lượt là trọng lượng thể tích trung bình của các lớp đất trên và dưới đáy móng.  b, h0 là bề rộng đáy móng và độ sâu chôn móng.  m1 , m2 , ktc là các hệ số xét đến điều kiện làm việc. Ta có thể thấy, cường độ chịu tải của đất nền phụ thuộc nhiều vào lực dính c, góc ma sát trong  và các trọng lượng thể tích  ,  ' .  Lượng vật liệu được đưa vào đất nền sẽ chiếm chỗ của các lỗ rỗng trong đất, từ đó các hạt đất được sắp xếp lại kết quả là độ rỗng của đất giảm đi và nền đất được nén chặt lại. Vì vậy trọng lượng riêng tự nhiên của đất nền được tăng thêm.  Khi được phun vào đất, quá trình ninh kết và rắn chắc của xi măng xảy ra bằng phản ứng hóa học tạo thành nhiều sản phẩm như Ca(OH)2, 3CaO.Al2O3.6H2O, 2CaO.SiO2.mH2O và CaO.Fe2O3.mH2O. Trong đó Ca(OH)2 và 3CaO.Al2O3.6H2O có tính dính và dẻo. Do đó, chúng góp phần làm tăng lực dính của đất nền.  Khi xi măng trong đất rắn chắc, góc ma sát trong của nền đất cũng được cải thiện thêm. Thứ hai, nền đất trước khi được gia cố có sức kháng cắt    .tg  c . Khi được gia cố bằng cọc xi măng đất sức kháng cắt của đất nền cũng được cải thiện nhờ hai yếu tố. Một là, sức kháng cắt được bổ sung thành phần lực dính cxm được tạo nên bởi liên kết của xi măng với các hạt trong đất. Hai là, góc ma sát trong được tăng lên theo tỉ lệ xi măng được thêm vào nền đất.    .tg ' c   cxm b) Đẩy nhanh quá trình cố kết thấm Sau khi được phun vào đất, xảy ra các chuỗi phản ứng hóa học phức tạp được phân chia làm hai thờ ký: ninh kết và rắn chắc. THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 19  Trong thời kỳ ninh kết vữa xi măng mất dần tính dẻo và đặc dần lại nhưng chưa có cường độ.  Trong thời kỳ rắn chắc, chủ yếu xảy ra quá trình thuỷ hoá các thành phần khoáng vật của clinke bao gồm các phản ứng. 3CaO.SiO2 + nH2O  Ca(OH)2 + 2CaO.SiO2(n-1)H2O 2CaO.SiO2 + mH2O  2CaO.SiO2.mH2O 3CaO.Al2O3 + 6H2O  3CaO.Al2O3.6H2O 4CaO.Al2O3Fe2O3+nH2O 3CaO.Al2O3.6H2O+CaO.Fe2O3.mH2O CaO + H2O  Ca(OH)2 + 15,5 kcalo Các phản ứng hóa học này sử dụng nước làm chất tham gia và tỏa ra một lượng nhiệt lớn làm thất thoát một lượng lớn nước lỗ rỗng trong đất. Do đó cọc xi măng đất còn giúp đẩy nhanh quá trình cố kết của đất nền. c) Tăng module biến dạng của đất nền Sau khi xi măng rắn chắc và hình thành cường độ, cường độ chịu nén cũng như cắt của nền đất được cải thiện. Vì vậy module biến dạng của đất nền được tăng lên. 7. Ứng dụng của cọc xi măng đất Hình 03. Ứng dụng của cọc xi măng đất THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 20 Từ khi ra đời, cọc xi măng đất đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều công trình với mục đích tạm thời lẫn vĩnh cửu. Hình 04. Công trình đường Lương Định Của sử dụng cọc xi măng đất D800 gia cố nền đất yếu và giảm độ lún. THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN