Tài liệu Luận văn nghiên cứu ứng dụng trụ đất xi măng gia cố chống sạt trượt công trình ven kênh chợ gạo, tỉnh tiền giang

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN PHẠM VĂN TÍCH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TRỤ ĐẤT XI MĂNG GIA CỐ CHỐNG SẠT TRƯỢT CÔNG TRÌNH VEN KÊNH CHỢ GẠO – TỈNH TIỀN GIANG LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP LONG AN, NĂM 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN PHẠM VĂN TÍCH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TRỤ ĐẤT XI MĂNG GIA CỐ CHỐNG SẠT TRƯỢT CÔNG TRÌNH VEN KÊNH CHỢ GẠO – TỈNH TIỀN GIANG LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN NGỌC PHÚC LONG AN, NĂM 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, và kết quả trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong các tạp chí khoa học và công trình nào khác. Các thông tin số liệu trong luận văn này đều có nguồn gốc và được ghi chú rõ ràng./. Tác giả Phạm Văn Tích i LỜI CÁM ƠN Trong quá trình học tập, nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu ứng dụng trụ đất xi măng gia cố chống sạt trượt công trình ven kênh Chợ gạo, tỉnh Tiền Giang.” tôi đã nhận được sự giúp đỡ, chỉ bảo nhiệt tình của các thầy, cô giáo Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An để hoàn thành luận văn này. Với tình cảm chân thành, tôi bày tỏ lòng biết ơn đối với Ban giám hiệu, phòng Phòng QLĐT-Tuyển sinh, Phòng sau ĐH&QHQT, quý thầy giáo, cô giáo đã tham gia quản lý, giảng dạy và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu. Tôi xin bày tỏ sự biết ơn đặc biệt đến Thầy TS. Nguyễn Ngọc Phúc– người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ về kiến thức, tài liệu và phương pháp để tôi hoàn thành đề tài nghiên cứu khoa học này. Tôi xin chân thành cảm ơn: – Lãnh đạo, chuyên viên Phòng QLĐT-Tuyển sinh, Phòng sau ĐH&QHQT – Ban giám hiệu, các giáo viên dạy Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An – Gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã động viên, cổ vũ, khích lệ và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua. Mặc dù đã có nhiều cố gắng trong suốt quá trình thực hiện đề tài, song có thể còn có những mặt hạn chế, thiếu sót. Tôi rất mong nhận được ý kiến đóng góp và sự chỉ dẫn của các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp. Tác giả Phạm Văn Tích ii NỘI DUNG TÓM TẮT Tình hình sạt trượt bờ sông của kênh Chợ Gạo – tỉnh Tiền Giang nói riêng và của hệ thống sông rạch nói chung ở Đồng bằng Sông Cửu Long đã ở mức báo động. Việc sạt trượt này đã gây ra hậu quả nghiêm trọng về kinh tế, an toàn giao thông, làm hư hại nhiều nhà ở, vật kiến trúc… Luận văn nghiên cứu giải pháp gia cố chống sạt trượt bờ sông với đề tài “Nghiên cứu ứng dụng trụ đất xi măng gia cố chống sạt trượt công trình ven kênh Chợ Gạo – tỉnh Tiền Giang” để góp phần ổn định giao thông thủy bộ, ổn định dân cư tránh tổn thất về đất và con người, tổn thất vật liệu, thời gian và tiền của, đồng thời tránh mất cảnh quan thiên nhiên và suy thoái môi trường. Nâng cao hiệu quả gia cố nền đất yếu bằng bằng trụ đất xi măng phù hợp với các điều kiện cụ thể của địa phương. So với các phương pháp gia cố hiện nay, công nghệ trụ đất xi măng có ưu điểm thi công nhanh, không có nhiều chất thải, không có độ lún thứ cấp, không gây dao động công trình lân cận, không gây ảnh hưởng đến môi trường xung quanh, đẩy nhanh tiến độ thi công công trình. Luận văn đã đề xuất hàm lượng xi măng dùng gia cố, chiều dài, đường kính và khoảng cách các trụ đất xi măng thích hợp cho việc gia cố chống sạt trượt công trình ven kênh Chợ Gạo – tỉnh Tiền Giang. iii ABSTRACT Most of cities and provinces of Vietnam are located in the Mekong River Delta and the Red River Delta. In those areas, soft clay is often found. The thickness of soft clay can be from 4 meters to 40 meters. In recent years, especially in Tien Giang, Cho Gao canal, the slope of roadway embankments, riverbanks, dams, dykes… were collapsed more and more dangerous. Cho Gao river is one of most important water transportation of Tien Giang river systems. Many big ship carried goods, sand, concrete run through Cho Gao river in this moment. With high density of these transportation system, there are a lot of unsafe collapse and slip surfaces in both two side of Cho Gao river that appeared and are appearing. In this research a series of unconfined compression tests have been performed in laboratory for this research on samples prepared with different conditions to find out reasonable parameters of CDM parameters and factor of safety of riverbank stabilization problem. These effects of other important factors including curing time, dry weight ratio of cement to clay (aw), water-clay to cement (wc/c) ratio, curing environment. To achieve the purpose of this research, a series of FEM parametric studies were performed on two-dimensional model by varying the value of the investigated parameters in model as mentioned above to evaluate their influence on riverbank stabilization that the soft soil foundation of riverbank is improved by CDM columns. The model for analyzed of riverbank and soft soil, PLAXIS program is used to numerically analyze the problem. The unconfined compressive strength of soil mixing sample is the largest value when it has 20% cement content. CDM column which the diameter is 0.6 m with the spacing is 1.0 m and the length is 10.3 m is obtained as the best configuration to stabilization the slope of Cho Gao canal. iv MỤC LỤC DANH MỤC ĐỒ THỊ VÀ HÌNH VẼ ........................................................................vii DANH MỤC BẢNG BIỂU .......................................................................................... ix DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT ..................................................... x PHẦN MỞ ĐẤU ............................................................................................................ 1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu ................................................................1 Mục đích nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .....................1 Phương pháp nghiên cứu .................................................................................2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...................................................................2 Cấu trúc của luận văn ......................................................................................2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TRỤ ĐẤT XI MĂNG ......................................... 4 Giới thiệu .........................................................................................................4 Lịch sử phát triển .............................................................................................6 Nguyên lý và đặc tính công nghệ trụ đất xi măng ...........................................6 Ứng dụng công nghệ trụ đất xi măng ..............................................................8 1.4.1. Tại United States:...................................................................................11 1.4.2. Tại Nhật Bản: .........................................................................................11 1.4.3. Tại Scadinavia: ......................................................................................11 Các lý thuyết tính toán ổn định và biến dạng của trụ đất xi măng ................12 1.5.1. Khả năng chịu tải của trụ đất xi măng đơn ............................................12 1.5.2. Khả năng chịu tải của nhóm trụ đất xi măng .........................................14 1.5.3. Tính toán độ lún của nhóm trụ đất xi măng ...........................................16 Kết luận chương 2 .........................................................................................17 CHƯƠNG 2. THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA VẬT LIỆU ĐẤT TRỘN XI MĂNG .................................................................................... 19 Giới thiệu .......................................................................................................19 Phương pháp thí nghiệm................................................................................19 2.2.1. Chế tạo và bảo dưỡng mẫu đất xi măng ................................................19 2.2.2. Thí nghiệm nén mẫu đất trộn xi măng ...................................................25 Kết quả thí ngiệm ..........................................................................................26 2.3.1. Ảnh hưởng thời gian bảo dưỡng đến cường độ mẫu đất trộn xi măng ..26 v 2.3.2. Ảnh hưởng wT/c đến cường độ mẫu đất trộn xi măng ...........................27 2.3.3. Ảnh hưởng hàm lượng xi măng đến cường độ mẫu đất trộn xi măng ...29 Kết luận chương 2 .........................................................................................30 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN GIA CỐ TRỤ ĐẤT XI MĂNG CHỐNG SẠT TRƯỢT CÔNG TRÌNH VEN KÊNH CHỢ GẠO – TIỀN GIANG ...................... 32 Giới thiệu .......................................................................................................32 Tính chất của các lớp đất ...............................................................................33 Mô tả mô hình ...............................................................................................35 Mô hình tính toán trong Plaxis ......................................................................37 3.4.1. Giới thiệu chung về phần mềm Plaxis 8.2 .............................................37 3.4.2. Sơ đồ tính toán nền đất yếu được xử lý bằng trụ đất xi măng ...............39 3.4.3. Khai báo các điều kiện biên ...................................................................41 3.4.4. Khai báo đặc trưng vật liệu ....................................................................41 3.4.5. Chia lưới tính toán .................................................................................43 3.4.6. Khai báo điều kiện ban đầu của mực nước ............................................44 3.4.7. Tính toán ................................................................................................45 Kết quả mô phỏng và phân tích kết quả ........................................................49 3.5.1. Khi mực nước trong kênh lớn nhất, MNmax ...........................................49 3.5.2. Khi mực nước trong kênh thấp nhất, MNmin ..........................................50 Kết luận chương 3 .........................................................................................53 PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................ 54 1. Kết luận..........................................................................................................54 2. Kiến nghị .......................................................................................................54 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 55 vi DANH MỤC ĐỒ THỊ VÀ HÌNH VẼ Hình 1.1 Phân loại phương pháp xử lý và gia cố nền đất yếu .........................................4 Hình 1.2 So sánh cường độ của đất yếu, đất trộn xi măng và bê tông ............................5 Hình 1.3 Trình tự thi công trụ đất xi măng......................................................................7 Hình 1.4 Các dạng gia cố cơ bản của trụ đất xi măng .....................................................8 Hình 1.5 Máy thi công trụ đất xi măng tại sân bay Cần Thơ ..........................................9 Hình 1.6 Mũi trộn được sử dụng tại sân bay Cần Thơ ....................................................9 Hình 1.7 Trụ đất xi măng tại sân bay Cần Thơ .............................................................10 Hình 1.8 Tường chắn đất tại Hermann Hospital, Housto ..............................................10 Hình 1.9 Dạng phá hoại của trụ đất xi măng .................................................................13 Hình 1.10 Bố trí nhóm trụ đất xi măng .........................................................................14 Hình 1.11 Lún của nhóm trụ đất xi măng ......................................................................17 Hình 2.1 Phơi khô đất ....................................................................................................19 Hình 2.2 Thiết bị trộn ....................................................................................................24 Hình 2.3 Khuôn tạo mẫu nén bằng ống nhứa PVC .......................................................24 Hình 2.4 Khuôn tạo mẫu nén bằng ống nhứa PVC .......................................................25 Hình 2.5 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và thời gian bảo dưỡng, với wT/c= 3 ..26 Hình 2.6 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và thời gian bảo dưỡng, với wT/c= 4 ..26 Hình 2.7 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và thời gian bảo dưỡng, với wT/c= 5 ..27 Hình 2.8 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và tỉ lệ tổng lượng nước /xi măng, với thời gian bảo dưỡng 7 ngày ...........................................................................................27 Hình 2.9 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và tỉ lệ tổng lượng nước /xi măng, với thời gian bảo dưỡng 14 ngày .........................................................................................28 Hình 2.10 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và tỉ lệ tổng lượng nước /xi măng, với thời gian bảo dưỡng 28 ngày .........................................................................................28 Hình 2.11 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và hàm lượng xi măng, với thời gian bảo dưỡng 7 ngày ..........................................................................................................29 Hình 2.12 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và hàm lượng xi măng, với thời gian bảo dưỡng 14 ngày ........................................................................................................29 Hình 2.13 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và hàm lượng xi măng, với thời gian bảo dưỡng 28 ngày ........................................................................................................30 Hình 3.1 Mái dốc bờ kênh tự nhiên bị sạt trượt ............................................................32 Hình 3.2 Hình trụ hố khoan ...........................................................................................34 Hình 3.3 Mặt cắt ngang kênh Chợ Gạo .........................................................................35 Hình 3.4 Mô hình gia cố mái dốc bằng trụ đất xi măng ................................................39 Hình 3.5 Mô hình hiện trạng Kênh Chợ Gạo ................................................................40 Hình 3.6 Mô hình Kênh đã được đắp bằng lớp đất .......................................................40 Hình 3.7 Mô hình gia cố bằng trụ đất xi măng ..............................................................40 Hình 3.8 Lưới phần tử hữu hạn .....................................................................................44 vii Hình 3.9 Áp lực nước lỗ rỗng ban đầu ..........................................................................44 Hình 3.10 Ứng suất hữu hiệu ban đầu trong nền đất khi sử dụng trụ đất xi măng .......45 Hình 3.11 Phase 1 - Đắp đất tạo mái Kênh ...................................................................47 Hình 3.12 Phase 2 - Thi công trụ đất xi măng ...............................................................47 Hình 3.13 Phase 3 - Gia tải 20kN/m2 ............................................................................48 Hình 3.14 Quá trình tính toán ........................................................................................48 Hình 3.15 Chuyển vị của mái dốc Kênh với MNmax .....................................................49 Hình 3.16 Chuyển vị theo phương ngang của mái dốc Kênh với MNmax .....................49 Hình 3.17 Chuyển vị theo phương đứng của mái dốc Kênh với MNmax .......................50 Hình 3.18 Chuyển vị của mái dốc Kênh với MNmin ......................................................50 Hình 3.19 Chuyển vị theo phương ngang của mái dốc Kênh với MNmin ......................51 Hình 3.20 Chuyển vị theo phương đứng của mái dốc Kênh với MNmin .......................51 Hình 3.21 Hệ số ổn định của mái dốc Kênh sau khi gia cố...........................................52 viii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Một số thuật ngữ và từ viết tắt .........................................................................5 Bảng 2.1 Các trường hợp tạo mẫu đất xi măng .............................................................20 Bảng 2.2 Tính chất cơ bản của đất dùng thí nghiệm .....................................................21 Bảng 2.3 Tính chất của xi măng Hà Tiên PCB40 .........................................................22 Bảng 2.4 Khối lượng vật liệu cho mỗi lần trộn .............................................................23 Bảng 3.1 Đặc trưng chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất .........................................................33 Bảng 3.2 Các trường hợp mô phỏng với L=2,9 m ........................................................36 Bảng 3.3 Các trường hợp mô phỏng với L= 6,6 m .......................................................36 Bảng 3.4 Các trường hợp mô phỏng với L= 10,3 m .....................................................37 Bảng 3.5 Thông số các lớp đất trong mô hình Plaxis ....................................................42 Bảng 3.6 Thông số trụ đất xi măng trong mô hình Plaxis .............................................43 Bảng 3.7 Các giai đoạn tính toán...................................................................................46 Bảng 3.8 Chuyển vị theo phương ngang trường hợp L= 10,3m (Đơn vị: mm) ............52 Bảng 3.9 Chuyển vị theo phương đứng trường hợp L= 10,3m (Đơn vị: mm) ..............53 Bảng 3.10 Hệ số an toàn  Msf trường hợp trụ đất xi măng có chiều dài L= 10,3m ..53 ix DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT ĐBSCL DMM FEM MNmax MNmin PTHH TPHCM UBND XM Đồng bằng sông Cửu Long Deep Mixing Method Finite Element Method Mực nước lớn nhất Mực nước nhỏ nhất Phần tử hữu hạn Thành phố Hồ Chí Minh Ủy ban nhân dân Xi măng x PHẦN MỞ ĐẤU Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu Kênh Chợ Gạo là tên gọi chung cho tuyến đường thủy dài 28,5 km bao gồm đoạn Rạch Lá bắt đấu từ sông Vàm Cỏ và quanh co uốn khúc theo đường trũng tự nhiên dài khoảng 10 km. Cuối kênh là rạch Kỳ Hôn dài 7 km, nối với sông Tiền tại khu vực Mỹ Tho. Nối giữa Rạch Lá và rạch Kỳ Hôn là một tuyến kênh đào thẳng. Nối sông Tiền và sông Vàm Cỏ, chảy qua địa phận huyện Chợ Gạo, tỉnh Tiền Giang và huyện Châu Thành, tỉnh Long An. Đây là tuyến đường thủy huyết mạch nối thành phố Hồ Chí Minh với các tỉnh miền Tây Nam Bộ. Thời gian gần đây, do sự phát triển mạnh trong các lĩnh vực kinh tế - xã hội của đất nước, hoạt động giao thông thủy trên tuyến kênh Chợ Gạo tăng lên nhanh chóng vượt mức dự báo, đi kèm theo là các hiện tượng sạt trượt bờ kênh. Theo đánh giá của ngành chức năng, tốc độ sạt trượt chung khoảng 2 ÷ 3 m/năm, đặc biệt khu vực ấp Long Thạnh (xã Quơn Long) lên đến 4 m/năm. Trước tình hình đó, các cơ quan chức năng và nhân dân của huyện Chợ Gạo – tỉnh Tiền Giang đã có nhiều biện pháp chống đỡ, gia cố chống sạt trượt như: Trồng cây, cỏ, cặm chà, rọ đá, tường bê tông cốt thép... Tuy nhiên, một số giả pháp mềm thì đạt được hiệu quả không cao, còn các giải pháp cứng lại gặp khó khăn về tài chính do chiều dày lớp đất yếu quá lớn. Từ đó nghiên cứu chống sạt trượt bờ sông bằng công nghệ trụ đất xi là việc cần thiết, cấp bách và có ý nghĩa to lớn về kỹ thuật, kinh tế, văn hóa xã hội, chính trị…đối với huyện Chợ Gạo và cộng đồng dân cư Đồng bằng sông Cửu Long. Mục đích nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Chống sạt trượt bờ sông, góp phần ổn định giao thông thủy bộ, ổn định dân cư tránh tổn thất về đất và con người, tổn thất vật liệu, thời gian và tiền của, đồng thời tránh mất cảnh quan thiên nhiên và suy thoái môi trường. Nâng cao hiệu quả gia cố nền đất yếu bằng bằng trụ đất xi măng phù hợp với các điều kiện cụ thể của địa phương. 1 Tìm ra hàm lượng xi măng thích hợp cho việc gia cố nền đất yếu tại huyện Chợ Gạo. Đề xuất chiều dài, đường kính và khoảng cách các trụ đất xi măng thích hợp cho việc gia cố chống sạt trượt công trình ven kênh Chợ Gạo – tỉnh Tiền Giang. Phương pháp nghiên cứu Dựa vào số liệu địa chất, tải trọng, các cơ sở lý thuyết và các tài liệu tham khảo có liên quan tiến hành phân tích, đánh giá cụ thể cho trường hợp trụ đơn và nhóm trụ bị tác động bởi áp lực ngang của nền đất. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết các dạng phá hoại của trụ đất xi măng. Thí nghiệm nén trên các mẫu đất trộn xi măng. Mô phỏng và phân tích ổn định và biến dạng bằng phần mềm Plaxis. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Sức chịu tải của trụ đất xi măng khi thay đổi chiều dài, đường kính và khoảng cách khi gia cố chống sạt trượt công trình ven kênh Chợ Gạo – tỉnh Tiền Giang. Địa chất tại huyện Chợ Gạo – tỉnh Tiền Giang. Cấu trúc của luận văn Nội dung luận văn gồm có Phần mở đầu, 03 chương nội dung và phần kết luận và kiến nghị, trình bày các vấn đề sau: Phần mở đầu: Trình bày các vấn đề tổng quan về đề tài nghiên cứu của Luận văn thạc sĩ như: Tính cấp thiết, mục tiêu, đối tượng và phương pháp nghiên cứu. Chương 1. Tổng quan về trụ đất xi măng: Nghiên cứu tổng quan về sự làm việc của trụ đất xi măng. Các phương pháp gia cố đất yếu được sử dụng hiện nay cũng như phương pháp gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng. Chương này cũng trình bày về lịch sử phát triển và nguyên lý thi công của phương pháp này. Chương 2. Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của vật liệu đất trộn xi măng: Tạo mẫu đất trộn xi măng với các hàm lượng xi măng khác nhau và thí nghiệm 2 nén các mẫu đất trộn xi măng này để tìm ra hàm lượng xi măng thích hợp cho việc gia cố nền đất yếu tại huyện Chợ Gạo – tỉnh Tiền Giang. Chương 3. Tính toán gia cố chống sạt trượt bằng trụ đất xi măng cho công trình ven kênh Chợ Gạo – tỉnh Tiền Giang: Mô hình tính toán có mặt cắt ngang từ mặt cắt ngang của kênh Chợ Gạo và các tính chất của đất và trụ đất xi măng được thí nghiệm từ các thí nghiệm ở phần trên. Sử dụng phần mềm Plaxis để kiểm tra môment uốn, ứng suất dọc trục và chuyển vị ngang. Các kết quả tính toán và mô phỏng được phân tích và so sánh với nhau. Phần kết luận và kiến nghị: Trình bày các kết quả và kiến nghị của nghiên cứu. 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TRỤ ĐẤT XI MĂNG Giới thiệu Trong những năm gần đây, có nhiều phương pháp xử lý và gia cố nền đất yếu phát triển mạnh. Han-Georg Kempfert (2006) đã phân loại phương pháp xử lý và gia cố nền đất yếu theo ba nhóm chính là cố kết, thay thế đất và các phần tử dạng trụ như Hình 1.1. Soil improvement and stabilisation method Soil replacement Consolidation Static Consolidation Dynamic Consolidation Preloading (1) Surcharging (2) Groundwater lowering (3) Consolidation with vacuum (4) Alectro-osmosis (5) Pressure grouting (6) Replacement by excavation Replacement by displacement With schovel excavator (12) Using vibration box (13) Using vibration cylinder (pipe) (14) Using feeder equipment (15) Vibrocompaction (7) Vibroflotation (8) Impact (tamping) compaction (9) Impuls compaction (10) Blasting (11) Colum type element Stone/ gravel columns (20) Grounted stone/ gravel columns (21) Sand compaction piles (22) Geotextil encased sand/ gravel column (23) CSV-lime columns (24) Jet grouting (25) Deep mix method (26) Precast stone-mortar columns (27) Vibro-concrete columns (28) Displacement piles (29) Bored piles (30) Vibrodisplacement (16) Displacement by surcharging (17) Displacement by blasting (18) Displacement by driving in stones (19) Hình 1.1 Phân loại phương pháp xử lý và gia cố nền đất yếu Phương pháp cơ học để thi công trụ gia cố vào đất bằng thiết bị trộn được gọi là phương pháp trộn sâu (DMM – Deep Mixing Method). DMM trở thành một thuật ngữ chung để mô tả kỹ thuật cải tạo đất yếu. Bruce, D. A. (2000) đã đề nghị các kỹ thuật này được phân loại dựa trên các đặc điểm: 1) Phương pháp đưa chất kết dính vào đất, 2) Phương pháp trộn, và 3) Vị trí của các lưỡi trộn. Công nghệ trộn sâu có nhiều thuật ngữ và từ viết tắt. Bảng 1.1 chỉ ra một số từ viết tắt và thuật ngữ dùng trong thi công và nghiên cứu (Filz, 2005). Một số cụm từ 4 khác đôi khi cũng được dùng như Mixed – in – Place piles, in situ soil mixing và soil cement columns. Trong nghiên cứu này sẽ sử dụng thuật ngữ trộn sâu (DMM – Deep Mixing Method) và sản phẩm của quá trình thi công trộn sâu là trụ đất xi măng. Bảng 1.1 Một số thuật ngữ và từ viết tắt SMW DSM DCM Soil Mix Wall Deep Soil Mixing Deep Chemical Mixing CDM Cement Deep Mixing DMM Deep Mixing Method CCP DCCM Chemical Churning Pile Deep Cement Continuous Method DJM DLM SWING RM JACSMAN DeMIC Dry Jet Mixing Deep Lime Mixing Spreadable WING Method Rectangular Mixing Method Jet and Churning System Management Deep Mixing Improvement by Cement Stabilization Mặc dù có nhiều kỹ thuật trộn sâu khác nhau, nhưng phương pháp chung nhất là tạo ra các trụ gia cố bằng thiết bị khoan với một hoặc nhiều cần trộn để đưa chất kết dính vào đất nguyên trạng nơi gia cố. Chất kết dính thường được sử dụng là một hỗn hợp xi măng, vôi, nước và đôi khi có thêm các thành phần phụ gia. Kết quả của sự trộn chất kết dính và đất tạo ra một vật liệu có cường độ và độ cứng lớn hơn đất tự nhiên nhưng nhỏ hơn bê tông. Hình 1.2 là một ví dụ về so sánh cường độ của đất tự nhiên, đất trộn xi măng và bê tông. Soft Soil Soil-Cement Concrete 200 kPa 2,000 kPa 20,000 kPa Hình 1.2 So sánh cường độ của đất yếu, đất trộn xi măng và bê tông 5 Mục đích chính của phương pháp trộn sâu là: Giảm tính biến dạng, tăng cường độ của đất, tăng độ cứng động của đất và khắc phục hậu quả của mặt đất bị ô nhiễm (Holm, 2003). Lịch sử phát triển Vào cuối những năm 1960, Nhật bản và Thụy Điển bắt đầu nghiên cứu độc lập và phát triển kỹ thuật trộn đất dưới sâu sử dụng vôi sống dạng hạt. Người Nhật Bản tập trung vào xử lý và gia cố đất phù với với các dự án lớn ở biển và cửa sông, trong khi Thụy Điển chủ yếu tập trung vào các dự án về đường bộ và đường sắt. Trong thập niên 1970, phương pháp trộn vôi sống với đất yếu được thực hiện tại hiện trường để tạo ra trụ vôi tại Nhật Bản và Thụy Điển. Xi măng khô cũng sớm được thêm vào như một chất phụ gia để có được cường độ lớn hơn. Ngày nay, trụ vôi/ xi măng, hay trụ xi măng đã thay thế hoàn toàn trụ vôi. Phương pháp dùng bột vôi, xi măng khô được hiểu chung là phương pháp trộn khô. Đến giữa thập niên 1970, một cố gắng tạo ra nền đất được gia cố đồng nhất bởi phương pháp trộn sâu, người Nhật Bản bắt đầu giới thiệu chất tác nhân gia cố là xi măng dạng lỏng. Việc sử dụng tác nhân gia cố ở dạng lỏng được gọi là phương pháp trộn ướt. Phương pháp trộn ướt đầu tiên được giới thiệu tại Nhật Bản cho một thí nghiệm làm ổn định đất sét ở vùng biển nhưng sau đó nó được ứng dụng trên đất liền. Nguyên lý và đặc tính công nghệ trụ đất xi măng Trụ đất xi măng là hỗn hợp giữa đất nguyên trạng nơi gia cố và hỗn hợp xi măng được phun xuống thông qua thiết bị khoan trộn. Trụ đất xi măng được tạo thành bởi hỗn hợp đất tại chỗ và chất kết dính, thông thường là vôi và xi măng. Mũi trộn được đưa xuống đất bằng cách khoan xoay, khi tới độ sâu thiết kế, mũi trộn đảo chiều quay ngược lại và đồng thời rút dần lên trộn đất tại chỗ với chất gia cố. Trong suốt quá trình rút lên, hỗn hợp được phun vào bằng khí nén ở đầu mũi trộn, tới cao độ đầu trụ thì dừng lại. Quá trình thi công của phương pháp trụ đất xi măng gồm các bước như Hình 1.3. 6 Hình 1.3 Trình tự thi công trụ đất xi măng Bước đầu, khi các lưỡi khoan đi xuống đất bị khoan có chiều hướng đi lên và kết cấu đất bị phá vở cho đến độ sâu thiết kế; Bước thứ hai là phun vật liệu liên kết qua ruột cần khoan rỗng đến phần đáy hố khoan và bắt đầu trộn đều; Bước thứ ba là trộn đều từng khoảng cọc nhất định; Bước thứ tư là tác động đầm chặt phần đã trộn. Việc hình thành cường độ xảy ra thông qua quá trình ninh kết của hỗn hợp đất xi măng. Khi xi măng được trộn với đất, xi măng sẽ phản ứng với nước trong đất tạo thành Canxi hydroxide Ca(OH)2 từ đó kết hợp với đất sét nền tạo ra keo ninh kết C-SH, đây là quá trình hydrate hóa. Phản ứng này diễn ra nhanh và mạnh, đồng thời tỏa ra một nhiệt lượng lớn làm bốc hơi nước có trong đất. Hiện tượng này làm đất được gia cố tăng độ bền hơn trước. Xi măng + H2O → keo C-S-H + Ca(OH)2 Trong đó: C: CaO, S: SiO2, H: H2O 7 Quá trình ninh kết hỗn hợp đất và xi măng sẽ phát nhiệt một phần nước xung quanh bị hút vào do quá trình thủy quá, một phần khác bị bốc hơi do nhiệt. Hiện tượng này làm đất xung quanh trụ đất xi măng tăng độ bền hơn trước. Ứng dụng công nghệ trụ đất xi măng Ứng dụng của trụ đất xi măng để cải tạo đất được trình bày trong một số công bố của Bengt B. Homs (1999), D.A. Bruce (2000)… Các nghiên cứu ứng dụng khác nhau của kỹ thuật trộn sâu được thực hiện như nền móng của nhà, đường vào cầu, móng bồn dầu, đường đắp cao, ổn định mái dốc…Yang (1997) đề nghị các dạng bố trí trụ đất xi măng để gia cố đất cho các dự án ở biển và đất liền (Hình 1.4). Dạng tường Dạng lưới Dạng khối Dạng tường Dạng lưới Dạng trụ Dạng tường tiếp xúc Dạng lưới tiếp xúc Dạng khối tiếp xúc Dạng trụ tiếp xúc Dạng khối Dạng diện Hình 1.4 Các dạng gia cố cơ bản của trụ đất xi măng Các dạng gia cố thực tế của trụ đất xi măng dựa trên mục đích của việc gia cố đất nền. Trụ đất xi măng đơn có thể được sử dụng để chống lại lực nén dọc trục. Trong khi dạng khối, dạng lưới được sử dụng để tăng khả năng chịu lực cắt của mái dốc và đường đắp cao. 8