Tài liệu Nghiên cứu giải pháp cọc đất xi măng xử lý nền đường đầu cầu chàng ré, tỉnh sóc trăng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI LÊ VĂN QUẾ NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CỌC ĐẤT XI MĂNG XỬ LÝ NỀN ĐƯỜNG ĐẦU CẦU CHÀNG RÉ, TỈNH SÓC TRĂNG Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng Mã số: 60-58-02-04 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. PHẠM QUANG TÚ HÀ NỘI, NĂM 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung trong luận văn này là do chính tôi thực hiện, các số liệu, hình ảnh, biểu đồ trong đề tài đều là chân thực, không trùng lặp với bất kỳ nghiên cứu nào trước đây. Các biểu đồ, số liệu và tài liệu tham khảo đều được trích dẫn, chú thích nguồn thu thập chính xác rõ ràng. Hà Nội, ngày 20 tháng 12 năm 2017 Tác giả luận văn Lê Văn Quế i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên cho học viên gửi đến quý Thầy Cô trong Bộ môn Địa Kỹ thuật thuộc Trường Đại học Thuỷ Lợi lòng biết ơn sâu sắc vì sự tận tình mà các Thầy Cô đã hướng dẫn và truyền đạt cho học viên những kiến thức quý báu trong các học kỳ vừa qua. Học viên xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành. Học viên xin chân thành cám ơn Thầy TS Phạm Quang Tú, người Thầy đã hết lòng giúp đỡ và hướng dẫn học viên trong thời gian học tập, cũng như trong quá trình thực hiện luận văn Thầy đã hỗ trợ học viên rất nhiều về việc bổ sung kiến thức chuyên môn, nguồn tài liệu và những lời động viên quý báu trong quá trình học viên học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn này. Học viên xin chân thành cám ơn các Thầy GS.TS Trịnh Minh Thụ, PGS.TS Hoàng Nguyễn Hữu Huế, PGS.TS Hoàng Việt Hùng, PGS.TS Bùi Văn Trường, PGS.TS Nguyễn Hữu Thái, TS Nguyễn Quang Tuấn, TS Đỗ Tuấn Nghĩa, TS. Nguyễn Văn Lộc và các thầy cô trong Khoa Công trình, Bộ môn Địa Kỹ thuật đầy nhiệt huyết và lòng yêu nghề, tạo điều kiện tốt nhất cho học viên học tập và nghiên cứu, luôn tận tâm giảng dạy và cung cấp cho học viên nhiều tư liệu quan trọng và cần thiết, giúp học viên giảm bớt rất nhiều khó khăn trong thời gian thực hiện luận văn. Học viên xin chân thành cám ơn quý Thầy, Cô, Anh Chị nhân viên của Phòng Đào tạo Đại học & Sau Đại học thuộc Trường Đại học Thủy Lợi và bạn bè, gia đình đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho học viên trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn. ii MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH ..............................................................................................vi DANH MỤC BIỂU BẢNG .............................................................................................x DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................xi MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN BẰNG CỌC ĐẤT XI MĂNG .............................................................................................................................4 1.1. Tổng quan về hiện tượng lún đường dẫn vào cầu ....................................................4 1.2. Đánh giá nguyên nhân hiện tượng lún đường dẫn vào cầu .....................................4 1.3. Một số phương pháp xử lý nền đất yếu. ...................................................................5 1.3.1. Phương pháp thay thế lớp đất nền yếu bằng đệm cát ............................................5 1.3.2. Phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc cát ........................................................7 1.3.3. Phương pháp xử lý nền đất yếu bằng giếng cát .....................................................7 1.3.4. Phương pháp xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm .....................................................9 1.3.5. Phương pháp Cọc bêtông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật ................................11 1.3.6. Phương pháp gia tải trước bằng bấc thấm hút chân không .................................12 1.3.7. Phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc đất xi măng ........................................13 1.3.8. So sánh tính khả thi của các giải pháp xử lý nền ................................................15 1.4. Sự cố thường gặp với các đoạn nền đường đầu cầu ...............................................15 1.4.1. Trượt ....................................................................................................................16 1.4.2. Các vấn đề về biến dạng ......................................................................................17 1.5. Xử lý nền đất yếu bằng cọc đất xi măng ................................................................17 1.5.1. Giới thiệu chung ..................................................................................................17 1.5.2. Các kiểu bố trí cọc đất xi măng ...........................................................................19 1.5.3. Công nghệ đơn pha (Công nghệ S): ....................................................................21 1.5.4. Công nghệ hai pha (Công nghệ D): .....................................................................21 1.5.5. Công nghệ ba pha (Công nghệ T): ......................................................................22 1.5.6. Trình tự thi công cọc đất xi măng .......................................................................23 1.5.7. Công tác thí nghiệm cọc đất xi măng ..................................................................23 1.6. Ứng dụng thực tế của cọc đất xi măng trong các công trình xây dựng hiện nay ...23 1.7. Kết luận chương 1 ..................................................................................................26 iii CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT ............ 28 2.1. Khái niệm về cọc đất xi măng ................................................................................ 28 2.2. Nguyên lý tính toán thiết kế ................................................................................... 29 2.2.1. Phương pháp tính toán theo quan điểm cọc đất xi măng làm việc như cọc ........ 30 2.2.2. Phương pháp tính toán theo quan điểm nền tương đương .................................. 31 2.2.3. Phương pháp tính toán theo quan điểm hỗn hợp của Viện Kỹ Thuật Châu Á (AIT) .............................................................................................................................. 32 2.2.4. Tính toán biến dạng ............................................................................................. 33 2.2.5. Tính toán các thông số cọc đất xi măng .............................................................. 36 2.2.6. Kiểm tra ổn định .................................................................................................. 40 2.2.7. Cơ sở lý thuyết xử lý lún lệch giữa đường dẫn vào cầu và mố cầu bằng cọc đất xi măng .......................................................................................................................... 41 2.2.8. Độ lún của mố cầu ............................................................................................... 42 2.2.9. Độ lún của nền đường đã được gia cố bằng cọc đất xi măng ............................. 43 2.2.10. Phương pháp thi công cọc đất xi măng: ........................................................... 44 2.2.11 Giám sát, kiểm tra và quan trắc trong quá trình thi công [14] ........................... 47 2.3. Kết luận chương 2 ................................................................................................. 50 CHƯƠNG 3 THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG XI MĂNG TỐI ƯU KHI TRỘN VỚI ĐẤT KHU VỰC XÂY DỰNG CẦU CHÀNG RÉ .................................. 52 3.1. Giới thiệu chung ..................................................................................................... 52 3.2. Thí nghiệm xác định đặc trưng cơ lý của mẫu đất trộn với xi măng .................... 54 3.2.1. Các đặc trưng cơ lý của đất, xi măng, nước làm thí nghiệm............................... 54 3.2.2. Dụng cụ thiết bị thí nghiệm và chuẩn bị vật tư ................................................... 56 3.2.3. Phương pháp thí nghiệm ..................................................................................... 57 3.2.4. Đúc mẫu và dưỡng hộ ......................................................................................... 60 3.2.5. Trình tự thí nghiệm.............................................................................................. 61 3.2.6. Tiến hành thí nghiệm nén đơn trục ..................................................................... 62 3.2.7. Kết quả thí nghiệm .............................................................................................. 62 3.3. Nhận xét ................................................................................................................. 66 3.4. Kết luận chương 3 .................................................................................................. 67 CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ XỬ LÝ NỀN BẰNG CỌC ĐẤT XI MĂNG ĐƯỜNG DẪN ĐẦU CẦU CHÀNG RÉ ............................................................................................... 69 iv 4.1. Tổng quan về công trình .........................................................................................69 4.1.1. Giới thiệu về khu vực và công trình thi công ......................................................69 4.1.2. Giới thiệu về đường dẫn vào cầu Chàng Ré ........................................................70 4.2. Các số liệu đầu vào .................................................................................................71 4.2.1. Địa tầng và chỉ tiêu cơ lý các lớp đất ..................................................................71 4.2.2. Yêu cầu thiết kế ...................................................................................................72 4.2.3. Sơ đồ tính toán và các trường hợp tính toán........................................................75 4.3. Nguyên lý tính toán, thiết kế cọc đất xi măng. .......................................................79 4.3.1. Lựa chọn sơ bộ các thông số cọc đất xi măng. ....................................................79 4.3.2. Tính toán sức chịu tải của cọc đất xi măng và nền ..............................................79 4.3.3. Tính toán lún........................................................................................................81 4.4. Tính toán lựa chọn phương án thiết kế cọc đất xi măng tối ưu. ............................83 4.4.1. Gia cố nền bằng cọc đất xi măng đường kính 0,8m, chiều dài cọc 15,5m (Phương án 1) ................................................................................................................86 4.4.2. Gia cố nền bằng cọc đất xi măng đường kính 0,8m, chiều dài cọc 20m (Phương án 2) ...............................................................................................................................92 4.5. Tính toán giải tích tìm độ lún khi chưa xử lý nền ..................................................97 4.6. Tính toán đối chiếu bằng mô hình số .....................................................................98 4.6.1. Các đặc trưng vật liệu tính toán ...........................................................................98 4.6.2. Trường hợp khi chưa xử lý nền ...........................................................................99 4.6.3. Trường hợp xử lý nền bằng cọc đất xi măng.....................................................100 4.6.4. Trường hợp tính ổn định trong quá trình sử dụng .............................................101 4.7. So sánh phân tích kết quả theo tính toán giải tích và mô hình số ........................102 4.8. Phương án tổ chức thi công ..................................................................................102 4.8.1. Chuẩn bị mặt bằng thi công ...............................................................................102 4.8.2. Phương án tổ chức thi công cọc đất xi măng ....................................................103 4.8.3. Công tác đảm bảo chất lượng ............................................................................104 4.9. Kết luận chương 4 ................................................................................................104 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................106 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................108 v DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Sơ đồ phương pháp đệm cát ............................................................................. 6 Hình 1.2 Sơ đồ phương pháp cọc cát ............................................................................. 7 Hình 1.3 Sơ đồ cấu tạo giếng cát..................................................................................... 8 Hình 1.4 Bố trí giếng cát trên mặt bằng theo sơ đồ tam giác đều ................................... 8 Hình 1.5 Nền đường gia cố bằng cọcbê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật. .......... 11 Hình 1.6 Sơ đồ phương pháp gia tải trước kết bằng bấc thấm hút chân không ............ 12 Hình 1.7 Nền đất yếu bị trượt sâu ................................................................................. 16 Hình 1.8 Bố trí trụ trùng nhau theo khối ....................................................................... 20 Hình 1.9 Bố trí trụ trộn ướt trên mặt đất ....................................................................... 20 Hình 1.10 Bố trí trụ trộn khô ......................................................................................... 20 Hình 1.11 Công nghệ đơn pha (Công nghệ S) .............................................................. 21 Hình 1.12 Công nghệ hai pha (Công nghệ D) ............................................................... 22 Hình 1.13 Công nghệ ba pha (Công nghệ T) ................................................................ 22 Hình 1.14 Cọc đất xi măng dùng trong dự án đường sân bay Cần Thơ........................ 24 Hình1.15 Cọc đất xi măng ứng dụng dưới bồn chứa xăng dầu Cần Thơ...................... 24 Hình 1.16 Cầu Chợ Kinh khi nghiệm thu hoàn thành ................................................... 26 Hình 2.1 Dây chuyền thi công cọc đất xi măng bằng công nghệ Jet grouting .............. 29 Hình 2.2 Sơ đồ tính tỉ số diện tích thay thế a s ............................................................... 34 Hình 2.3 Mô hình tính lún trường hợp A ...................................................................... 35 Hình 2.4 Mô hình tính lún trường hợp B ...................................................................... 36 Hình 2.5 Các phương pháp bố trí cọc đất xi măng nền đường dẫn ............................... 38 Hình 2.6 Sơ đồ xác định Lp, Ls .................................................................................... 39 Hình 2.7 Phương pháp tính toán ổn định mái dốc......................................................... 40 Hình 2.8 Mặt cắt dọc đường dẫn vào cầu được xử lý bằng cọc đất xi măng ................ 41 Hình 2.9 Xác định móng khối quy ước cho nền nhiều lớp ........................................... 42 Hình 2.10 Phân bố ứng suất dưới đáy móng ................................................................. 43 Hình 2.11 Bố trí thiết bị trong thi công Jet Grouting .................................................... 46 Hình 3.1 Máy nén đơn không hạn chế nở hông ............................................................ 56 vi Hình 3.2 Máy trộn mẫu đất xi măng..............................................................................56 Hình 3.3 Cân khối lượng đất cần trộn ...........................................................................57 Hình 3.4 Cân khối lượng xi măng cần trộn ...................................................................58 Hình 3.5 Cân xác định lượng nước theo tỷ lệ................................................................58 Hình 3.6 Cho xi măng vào máy trộn .............................................................................59 Hình 3.7 Chế tạo mẫu đất xi măng ................................................................................61 Hình 3.8 Mẫu xi măng đã được gia công ......................................................................61 Hình 3.9 Thí nghiệm nén đơn trục không nở hông mẫu đất xi măng ...........................62 Hình 3.10 Tiến hành nén các mẫu theo ngày tuổi .........................................................62 Hình 3.11 Biểu đồ Cường độ chịu nén trong trung bình các mẫu 7 ngày tuổi .............63 Hình 3.12 Biểu đồ Cường độ chịu nén trong trung bình các mẫu 14 ngày tuổi ...........65 Hình 3.13 Biểu đồ Cường độ chịu nén trong trung bình các mẫu 28 ngày tuổi ...........66 Hình 3.14 Biểu đồ quan hệ giữa Cường độ chịu nén và hàm lượng xi măng ...............67 Hình 4.1 Vị trí xây dựng cầu Chàng Ré ........................................................................70 Hình 4.2 Mặt cắt địa chất công trình cầu Chàng Ré......................................................71 Hình 4.3 Mặt cắt ngang tính toán ..................................................................................75 Hình 4.4 Mặt cắt dọc tính toán ......................................................................................75 Hình 4.5 Ứng suất gây lún tại độ sâu z..........................................................................76 Hình 4.6 Biểu đồ phân bố ứng suất ..............................................................................76 Hình 4.7 Phạm vi gia cố cọc và phạm vi nền không gia cố ..........................................88 Hình 4.8 Các thông số tính ứng suất đáy móng ............................................................90 Hình 4.9 Sơ đồ mô phỏng trong phần mềm Plaxis chưa xử lý......................................99 Hình 4.10 Lưới biến dạng của công trình khi chưa xử lý .............................................99 Hình 4.11 Chuyển vị đứng (lún) của công trình khi không xử lý nền ........................100 Hình 4.12 Sơ đồ mô phỏng trong phần mềm Plaxis công trình khi xử lý nền ............100 Hình 4.13 Lưới biến dạng của công trình ....................................................................101 Hình 4.14 Sơ đồ mô phỏng trong phần mềm Plaxis trong quá trình sử dụng .............101 vii DANH MỤC BIỂU BẢNG Bảng 3.1 Các chỉ tiêu cơ lý của đất làm thí nghiệm...................................................... 54 Bảng 3.2. Các chỉ tiêu cơ lý của xi măng ...................................................................... 55 Bảng 3.3 Các chỉ tiêu của nước theo TCVN 4506:2012 ............................................... 55 Bảng 3.4 Chế bị mẫu đất trộn xi măng theo hàm lượng ở tuổi 7; 14 và 28 ngày ......... 59 Bảng 3.5 Kết quả thí nghiệm mẫu đất trộn xi măng cường độ chịu nén 7 ngày ........... 63 Bảng 3.6 Kết quả thí nghiệm mẫu đất trộn xi măng cường độ chịu nén 14 ngày ......... 64 Bảng 3.7 Kết quả thí nghiệm mẫu đất trộn xi măng cường độ chịu nén 28 ngày ......... 65 Bảng 4.1 Chỉ tiêu cơ lý đặc trưng các lớp đất ............................................................... 72 Bảng 4.2 Phần độ lún cố kết cho phép còn lại ∆ S tại trục tim của nền đường sau khi hoàn thành công trình [14] ............................................................................................ 74 Bảng 4.3 Bảng tổng hợp các trường hợp tính toán ....................................................... 77 Bảng 4.4 Thống kê các số liệu tính toán ứng suất dưới mũi cọc L col = 15,5m ............ 91 Bảng 4.5 Thống kê các số liệu tính toán ứng suất dưới mũi cọc L col = 20m ............... 96 Bảng 4.6 Độ lún khi chưa xử lý nền.............................................................................. 98 Bảng 4.7 Bảng thống kê các đặc trưng vật liệu tính toán.............................................. 98 Bảng 4.8 Bảng tổng hợp kết quả theo giải tích và mô hình số.................................... 102 x DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT A soil (m2) : Diện tích vùng đất yếu cần được gia cố xung quanh cọc đất xi măng. A col (m2) : Diện tích của cọc đất xi măng. as (cm2) :Diện tích tương đối của cọc đất xi măng. B, L, H (m) : chiều rộng, chiều dài và chiều cao của nhóm cọc đất xi măng. C col (kN/m2) : Lực dính của cọc đất xi măng. C ci : chỉ số nén lún. C ri : chỉ số nén lún hồi phục ứng với quá trình dỡ tải. C soil (kN/m2): Lực dính của vùng đất yếu cần được gia cố xung quanh cọc đất xi măng. C tđ (kN/m2) : Lực dính tương đương của nền đất yếu được gia cố. cu (kN/m2) : lực dính của cọc xi măng – đất và đất nền khi đã gia cố C u.soil (kN/m2) : độ bền chống cắt không thoát nước. d(m) : đường kính cọc. E col (kN/m2) : Mô đun đàn hồi của cọc đất xi măng. E soil (kN/m2) : Mô đun đàn hồi của vùng đất yếu cần được gia cố xung quanh cọc đất xi măng. E tđ (kN/m2) : Mô đun đàn hồi tương đương của nền đất yếu được gia cố. E 50 (kN/m2) : Mô đun biến dạng. e oi : hệ số rỗng của lớp đất. Fs : Hệ số an toàn. f fs : hệ số riêng phần đối với trọng lượng đất fq : hệ số riêng phần đối với tải trọng ngoài H (m) : chiều cao nền đắp. hi (m) : bề dày lớp đất tính lún thứ i. xi : chiều dài cọc; L col (m) [M] (kNm) : Moment giới hạn của cọc đất xi măng. Q (kg) q (kN/m2) : ngoại tải tác dụng. Qp kN : khả năng chịu tải mỗi cột trong nhóm cọc Q ult (kN) : sức chịu tải giới hạn của cọc đất xi măng. R (m) : bán kính cung trượt tròn [S] (cm) : Độ lún giới hạn cho phép t (%) : tỉ lệ xi măng dự kiến. wi (kN) : trọng lượng của mảnh thứ i xi (m) : cánh tay đòn của mảnh thứ I so với tâm quay. ΣS i (cm) : độ lún tổng cộng của móng cọc φ col độ : Góc nội ma sát của cọc đất xi măng. φi (độ) : góc ma sát trong của lớp đất. φ soil (độ) : khối lượng đất ở trạng thái tự nhiên. : Góc nội ma sát của vùng đất yếu cần được gia cố xung quanh cọc đất xi măng. φ tđ (độ) : Góc nội ma sát tương đương của nền đất yếu được gia cố. σ’ vo (kN/m2) : ứng suất do trọng lượng bản thân. Δσ’ v (kN/m2) : gia tăng ứng suất thẳng đứng. σ’ p (kN/m2) : ứng suất tiền cố kết. γ (kN/m3) : dung trọng đất đắp. τe (kN/m2) : sức chống cắt của vật liệu đất đắp τ av (kN/m2) : sức chống cắt của vật liệu cọc. xii MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Biến dạng lún tại vị trí tiếp giáp giữa đường dẫn và mố cầu đắp trên nền đất yếu thường làm cho ô tô di chuyển không êm thuận, giảm vận tốc xe chạy và tăng chi phí duy tu bảo dưỡng công trình, đôi khi còn gây ra tai nạn giao thông đáng tiếc.v.v.. Đây là một trong các vấn đề lớn mà Bộ Giao thông Vận tải đặc biệt quan tâm, nhất là tại vùng đồng bằng sông Cửu Long và khu vực tỉnh Sóc Trăng có bề dày tầng đất yếu lớn và biến đổi phức tạp, cục bộ. Phần lớn các công trình cầu tại khu vực này đều gặp hiện tượng biến dạng lún vượt quá giới hạn cho phép tại vị trí tiếp giáp giữa đường và cầu. Do vậy việc nghiên cứu để tìm các giải pháp xử lý nền phù hợp tại đường dẫn vào các cầu trên địa bàn tỉnh Sóc Trăng có ý nghĩa quan trọng và cấp thiết. Tại địa bàn tỉnh Sóc Trăng, hiện tượng công trình bị lún sau khi đưa vào sử dụng đã được ghi nhận. Trong đa số các trường hợp là công trình cầu giao thông, độ lún dư vượt quá giới hạn cho phép trong phạm vi cục bộ giữa mố cầu và đường dẫn đã gây trở ngại cho người và phương tiện tham gia giao thông, làm tăng chi phí duy tu bảo dưỡng cũng như có thể gây sự cố công trình. Có nhiều biện pháp để gia cố nền đất yếu nhằm làm sự lún lệch giữa mố cầu và đường dẫn không vượt quá giới hạn cho như: phương pháp cọc đất xi măng, phương pháp thay thế lớp đất nền yếu bằng đệm cát, phương pháp xử lý nền đất yếu bằng phương pháp cọc cát, phương pháp xử lý nền đất yếu bằng phương pháp bấc thấm, phương pháp xử lý nền đất yếu bằng phương pháp gia tải trước, phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc bê tông cốt thép, cọc vật liệu rời... Việc lựa chọn được một giải pháp xử lý nền đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật và phù hợp với điều kiện đất yếu thực tế ở khu vực Đồng bằng sông Cửu Long nói chung và tỉnh Sóc Trăng là một yêu cầu cấp thiết. Với mục đích đó, tác giả lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu giải pháp cọc đất xi măng xử lý nền đường đầu cầu Chàng Ré, tỉnh Sóc Trăng” để nghiên cứu, làm sáng tỏ các vấn đề trên. 1 2. Mục đích của đề tài Nghiên cứu các sự cố thường gặp ở đường dẫn đầu cầu (nền đắp cao) khu vực tỉnh Sóc Trăng và đồng bằng sông Cửu Long. Tổng quan các giải pháp dùng cọc đất xi măng để xử lý lún lệch của nền đất yếu giữa đường dẫn vào cầu và mố cầu từ đó so sánh, lựa chọn giải pháp xử lý nền đường dẫn đầu cầu phù hợp nhất. Thí nghiệm nhằm xác định được hàm lượng xi măng cần thiết kết hợp với đất yếu đạt cường độ và sức chống cắt tốt nhất, từ đó ứng dụng cho việc xử lý, gia tăng ổn định cho nền đất yếu của công trình cụ thể, tính toán, thiết kế chi tiết giải pháp xử lý nền bằng cọc đất – xi măng cho đường dẫn đầu cầu. Từ các thông số độ dài, đường kính, khoảng cách cọc xi măng tác giả ước lượng độ lún của đường dẫn vào cầu gia cố bằng cọc xi măng từ đó so sánh với độ lún của mố cầu. Ứng dụng tính toán, mô phỏng bằng phần mềm Plaxis có sử dụng phương pháp gia cố nền đường dẫn đoạn sát mố cầu bằng cọc xi măng cho công trình cụ thể. 3. Đối tượng nghiên cứu, nội dung nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu để áp dụng cho luận văn là xử lý nền đường đầu cầu Chàng Ré, tỉnh Sóc Trăng bằng giải pháp cọc đất xi măng theo công nghệ Jet Grouting. Nội dung nghiên cứu thực hiện thí nghiệm xác định cường độ chịu nén đơn của đất gia cố bằng xi măng, làm cơ sở tính toán lựa chọn phương án thiết kế cọc đất xi măng tối ưu từ đó rút ra được những vấn đề cần chú ý trong quá trình nghiên cứu đánh giá được ưu, nhược điểm từ đó chọn ra giải pháp nhằm áp dụng vào việc gia cố nền có hiệu quả kinh tế và kỹ thuật cao nhất, vận dụng phối hợp các phương án gia cố nền đất yếu bằng phương pháp cọc đất xi măng bằng phương pháp trộn ướt đang được sử dụng phổ biến tại các công trình thực tế theo tiêu chí thiết kế đã xây dựng, từ đó phân tích đề xuất ra giải pháp thiết kế mới, có thể sử dụng để tính toán các giải pháp thiết kế gia cố nền đất yếu các công trình trên địa bàn tỉnh Sóc Trăng.. 2 4. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích những yếu tố ảnh hưởng đến độ lún lệch của nền đường dẫn đã được gia cố bằng cọc đất xi măng đó đưa ra được các lựa chọn thích hợp để thiết kế và ước lượng độ lún của nền đường dẫn. Nghiên cứu thực nghiệm: Gia công đúc mẫu thử và thử nghiệm tìm ra kết quả tối ưu hàm lượng đất – xi măng theo độ ẩm và thời gian. Phân tích và đánh giá kết quả thử nghiệm đồng thời ứng dụng kết quả vào tính toán sức chịu tải của cọc đất xi măng và độ lún nền đường dẫn thực tế ở địa phương. Nghiên cứu mô phỏng: Ứng dụng phần mềm Plaxis để mô phỏng tính toán công trình cụ thể. 5. Kết quả đạt được Cơ sở lý thuyết và thực nghiệm lựa chọn giải pháp xử lý nền phù hợp nhất cho đường dẫn đầu cầu trên địa bàn tỉnh Sóc Trăng và các tỉnh lân cận; Giải pháp xử lý nền chi tiết cho đường dẫn đầu cầu Chàng Ré (thiết kế, thi công, nghiệm thu...) Công nghệ cọc đất xi măng được ứng dụng trong việc gia cố nền đường dẫn đã giải quyết vấn đề chống lún cục bộ, lún không đều cho nền đường dẫn. Nghiên cứu này sử dụng như một tài liệu tham khảo hữu ích cho kỹ sư thiết kế và Chủ đầu tư trong việc tính toán lựa chọn phương án xử lý nền đất yếu tại khu vực tỉnh Sóc Trăng, với công nghệ thi công đơn giản, nguồn vật liệu có sẵn sẽ đem lại lợi ích về kinh tế, sự thuận tiện và tính hiệu quả cao. 6. Sự hạn chế của đề tài - Trong phạm vi đề tài chỉ nghiên cứu đến trường hợp tải trọng tĩnh, chưa nghiên cứu đến trường hợp tải trọng động như động đất, công tác thí nghiệm trộn đất - xi măng chỉ giới hạn ở độ ẩm nhất định. - Do không gian và thời gian và kiến thức cũng như kinh nghiệm của bản thân còn hạn chế nên đề tài còn nhiều điểm chưa phù hợp với thực tiễn áp dụng. 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN BẰNG CỌC ĐẤT XI MĂNG 1.1. Tổng quan về hiện tượng lún đường dẫn vào cầu Nền đắp công trình là loại hình ta thường gặp trong các công trình xây dựng, trong công tác xây dựng công trình tại khu vực tỉnh Sóc Trăng, số lượng công trình xây dựng trên nền đất yếu đã gia tăng nhanh chóng, do địa hình địa mạo trong khu vực khá phức tạp, các tầng địa chất các lớp đất yếu nằm xem kẽ nhau, bên cạnh đó những thiết sót của công tác khảo sát, thiết kế hoặc thi công dẫn đến một số đường dẫn vào cầu bị lún trong suốt quá trình thi công, bảo hành và sau khi hoàn thành đưa vào sử dụng, hiện tượng lún đường dẫn vào cầu xảy ra hầu như trên toàn quốc, gây khó khăn nguy hiểm cho phương tiện tham gia lưu thông, công tác duy tu bảo dưỡng, khắc phục rất khó khăn và tốn kém do nền đất lún, bị biến dạng không kiểm soát được, đôi khi các sự cố lún này dẫn đến các hậu quả chưa thể lường trước được. 1.2. Đánh giá nguyên nhân hiện tượng lún đường dẫn vào cầu Do địa hình chung trong đồng bằng sông Cửu Long nói chung và tỉnh Sóc Trăng nói riêng, với hệ thống sông ngòi chằng chịt, được sự quan tâm của Đảng và Nhà nước, các chương trình xóa cầu khỉ, đường ô tô đến trung tâm xã đã được khởi động, rất nhiều cây cầu đã được đầu tư xây dựng góp phần phát triển kinh tế trong khu vực, nâng cao dân trí, lưu thông trao đổi hoàng hóa và từng bước hoàn thiện mạng lưới giao thông trong khu vực. Với tầng địa chất phức tạp, phần nhiều các đường dẫn vào cầu đều xây dựng trên nền đất yếu, theo thống kê năm 2008 của Sở Giao thông Vận tải tỉnh Sóc Trăng có tổng số 43 cây cầu trên địa bàn tỉnh bị lún đường vào cầu phần tiếp giáp với mố cầu, trong đó các cầu phải bù lún hàng năm như cầu Mỹ Thanh 2 nằm trên tuyến Quốc lộ nam Sông Hậu, cầu Tân Thạnh, cầu Đại Ngãi, cầu Rạch Mọp, cầu Khánh Hưng, cầu Kinh Xáng hàng năm phải bù lún từ 4 - 7cm, riêng cầu Kinh Xáng hiện tượng lún xảy ra hàng năm, có năm phải thực hiện bù lún đến 02 lần. Hiện tượng lún đường dẫn vào cầu có thể do các nguyên nhân chủ yếu sau: 4 - Do công tác khảo sát địa chất công trình chưa chính xác so với thực tế. - Do nhà thầu tư vấn chưa tính toán đúng về độ lún. - Do nhà thầu thi công. 1.3. Một số phương pháp xử lý nền đất yếu. Xử lý nền đất yếu mục đích làm tăng sức chịu tải của nền đất, cải thiện một số tính chất cơ lý của nền đất yếu như: Giảm hệ số rỗng, giảm tính nén lún, tăng độ chặt, tăng trị số modun biến dạng, tăng cường độ chống cắt của đất. Việc xử lý nền đất yếu còn làm giảm tính thấm của đất, đảm bảo ổn định cho khối đất đắp, Các biện pháp xử lý nền thông thường được áp dụng [1]. - Các biện pháp cơ học: Bao gồm các phương pháp làm chặt bằng đầm, đầm chấn động, phương pháp làm chặt bằng giếng cát, các loại cọc (cọc cát, cọc đất, cọc vôi…), phương pháp thay đất, phương pháp nén trước, phương pháp vải địa kỹ thuật, phương pháp đệm cát… - Các biện pháp vật lý: Gồm các phương pháp hạ mực nước ngầm, phương pháp dùng giếng cát, phương pháp bấc thấm, điện thấm… - Các biện pháp hóa học: Gồm các phương pháp keo kết đất bằng xi măng, vữa xi măng, phương pháp Silicat hóa, phương pháp điện hóa… Sau đây là một số phương pháp xử lý nền đất yếu để tăng cường tính ổn định, cường độ chịu lực cho nền đường dẫn vào cầu. 1.3.1. Phương pháp thay thế lớp đất nền yếu bằng đệm cát Phương pháp thay thế lớp đất yếu bằng đệm cát sử dụng hiệu quả cho lớp đất mặt có chiều dày <3m ở trạng thái bão hòa nước (các loại đất trong phương pháp này như sét nhão, sét pha nhão, cát pha, bùn, than bùn). Việc thay thế toàn bộ hoặc một phần đất yếu bằng vật liệu có cường độ cao hơn và ít biến dạng hơn sẽ khắc phục được toàn bộ hoặc một phần các vấn đề về lún và ổn định. 5 Hình 1.1 Sơ đồ phương pháp đệm cát Việc thay thế lớp đất yếu bằng tầng đệm cát có những tác dụng chủ yếu sau: - Sau khi thực hiện lớp đệm cát thay thế lớp đất yếu nằm trực tiếp dưới đáy móng, đệm cát đóng vai trò như một lớp chịu tải, tiếp thu tải trọng công trình và truyền tải trọng đó các lớp đất yếu bên dưới. - Giảm được độ lún và chênh lệch lún không đồng đều của công trình vì có sự phân bổ lại ứng suất do tải trọng ngoài gây ra trong nền đất dưới tầng đệm cát. - Làm tăng nhanh quá trình cố kết của đất nền, vì lớp cát đệm có hệ số thấm lớn, đồng thời giảm được chiều sâu chôn móng nên giảm được khối lượng vật liệu làm móng và Giảm được áp lực công trình truyền xuống đến trị số mà nền đất yếu có thể tiếp nhận được. - Làm tăng khả năng ổn định của công trình, kể cả khi có tải trọng ngang tác dụng, vì cát được nén chặt làm tăng lực ma sát và sức chống trượt, tăng nhanh quá trình cố kết của đất nền, do vậy làm tăng nhanh khả năng chịu tải của nền và tăng nhanh thời gian ổn định về lún cho công trình. Về mặt thi công đơn giản, không đòi hỏi thiết bị phức tạp nên được sử dụng tương đối rộng rãi, phạm vi áp dụng tốt nhất khi lớp đất yếu có chiều dày bé hơn 3m. Không nên sử dụng phương pháp này khi nền đất có mực nước ngầm cao và nước có áp vì sẽ tốn kém về việc hạ mực nước ngầm và đệm cát sẽ kém ổn định. 6 1.3.2. Phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc cát Phương pháp xử lý nền bằng cọc cát là phương pháp nén chặt đất bằng cọc cát, sử dụng hiệu quả khi xây dựng công trình có tải trọng lớn trên nền đất yếu có chiều dày lớn hơn 2m, cọc cát làm nhiệm vụ tiếp nhận và truyền tải trọng xuống đất nền, mạng lưới cọc cát làm nhiệm vụ gia cố nền đất yếu nên còn gọi là nền cọc cát. Hình 1.2 Sơ đồ phương pháp cọc cát Việc sử dụng cọc cát để gia cố nền có những ưu điểm nổi bật sau: Khi dùng cọc cát trị số mô đun biến dạng ở trong cọc cát cũng như ở vùng đất được nén chặt xung quan sẽ giống nhau ở mọi điểm, quá trình cố kết của nền đất diễn biến nhanh hơn nhiều so với nền đất thiên nhiên hoặc nền đất dùng cọc cứng khác, phần lớn độ lún của nền đất có cọc cát thường kết thúc trong quá trình thi công, do đó tạo điều kiện cho công trình mau chóng đạt đến giới hạn ổn định; cọc cát làm nhiệm vụ như giếng cát, giúp nước lỗ rỗng thoát ra nhanh, làm tăng nhanh quá trình cố kết và độ lún ổn định diễn ra nhanh hơn; nền đất được ép chặt do ống thép tạo lỗ, sau đó lèn chặt đất vào lỗ làm cho đất được nén chặt thêm, nước trong đất bị ép thoát vào cọc cát, do vậy làm tăng khả năng chịu lực cho nền đất sau khi xử lý; cọc cát thi công đơn giản, vật liệu rẻ tiền (cát) nên giá thành rẻ hơn so với dùng các loại vật liệu khác. 1.3.3. Phương pháp xử lý nền đất yếu bằng giếng cát Các loại đất yếu như bùn, than bùn và các loại đất dính ở trạng thái bão hòa nước có biến dạng lớn kéo dài theo thời gian và sức chịu tải thấp thường gặp ở vùng đồng bằng Việt Nam. Việc xây dựng các công trình có kích thước lớn như nền đường, đường sân bay, bản đáy các công trình thủy lợi, móng dưới hệ thống các silo,v.v..chịu tải trọng 7 lớn thay đổi theo thời gian trên các loại đất này là đối tượng nghiên cứu của nhiều người thiết kế. Hình 1.3 Sơ đồ cấu tạo giếng cát Hình 1.4 Bố trí giếng cát trên mặt bằng theo sơ đồ tam giác đều Trong những trường hợp này, đòi hỏi phải rút ngắn giai đoạn lún để sau khi hoàn thành xong việc xây dựng và đưa công trình vào sử dụng thì độ lún gây ra tiếp đó sẽ không vượt quá giới hạn cho phép trong quy phạm thiết kế.  Ưu điểm: Là một trong những phương pháp xử lý tương đối có hiệu quả với những loại đất yếu như bùn, than bùn và các loại đất dính ở trạng thái bão hòa nước có biến dạng lớn kéo dài theo thời gian và sức chịu tải thấp. Với những loại đất này, giếng cát đáp ứng được yêu cầu rút ngắn thời gian lún. Giếng cát là một trong những phương pháp tốt nhất, rẻ tiến nhất, đáp ứng được các yêu cầu trên, giếng cát có hai tác dụng chính. - Tăng nhanh tốc độ cố kết của nền, do đó làm cho công trình xây ở trên chóng đạt đến giới hạn ổn định về lún, đồng thời làm cho đất nền có khả năng biến dạng đồng đều. 8