Tài liệu Nghiên cứu giải pháp gia cố nền cho các công trình dân dụng khu vực thành phố sóc trăng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI _____________________ LÂM TRẦN DIỆU NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP GIA CỐ NỀN CHO CÁC CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG KHU VỰC THÀNH PHỐ SÓC TRĂNG Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng. Mã số: 60 - 58 - 02 - 04 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. HOÀNG VIỆT HÙNG HÀ NỘI, 2017 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận văn Lâm Trần Diệu i LỜI CẢM ƠN Tác giả xin trân trọng cám ơn các thầy, cô và các đồng nghiệp tại phòng Đào tạo Đại học và Sau đại học đóng góp ý kiến cho việc soạn thảo tài liệu Hướng dẫn trình bày Luận văn thạc sĩ này. ii MỤC LỤC MỤC LỤC HÌNH VẼ ......................................................................................................v DANH MỤC BẢNG .................................................................................................... vii MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU VÀ CÁC GIẢI PHÁP XỬ LÝ .................4 1.1. Khái niệm về đất yếu ................................................................................................4 1.1.1.Đặc điểm của đất yếu .............................................................................................5 1.1.2. Phân biệt đất yếu .................................................................................................10 1.2. Một số giải pháp xử lý nền đất yếu ........................................................................10 1.2.1. Giải pháp cải tạo sự phân bố ứng suất của nền ...................................................11 1.2.2. Giải pháp làm tăng độ chặt của nền.....................................................................13 1.2.3. Giải pháp xử lý nền bằng hoá lý ..........................................................................17 1.3. Kết luận Chương 1..................................................................................................19 CHƯƠNG 2:CƠ SỞ LÝ THUYẾT MỘT SỐ GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN ...................20 2.1. Giới thiệu về cọc đất – xi măng, một số ứng dụng của cọc đất- xi măng ..............20 2.1.1. Giới thiệu về cọc đất – xi măng ...........................................................................20 2.1.2. Một số ứng dụng của cọc đất- xi măng ...............................................................20 2.1.3. Ưu, nhược điểm của cọc đất – xi măng ...............................................................25 2.1.4. Nguyên lý của giải pháp xử lý nền bằng cọc đất – xi măng ................................26 2.2. Giới thiệu về Cọc BTCT tiết diện nhỏ, một số ứng dụng của Cọc BTCT tiết diện nhỏ .................................................................................................................................53 2.2.1. Giới thiệu về Cọc BTCT tiết diện nhỏ [7] ...........................................................53 2.2.2. Một số ứng dụng của Cọc BTCT tiết diện nhỏ [7] ..............................................53 2.2.3. Ưu, nhược điểm của Cọc BTCT tiết diện nhỏ .....................................................54 2.2.4. Nguyên lý của giải pháp xử lý nền bằng Cọc BTCT tiết diện nhỏ .....................54 2.3. Kết luận Chương 2..................................................................................................62 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GIA CỐ NỀN BẰNG CỌC ĐẤT-XI MĂNG CHO NỀN CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG TẠI SÓC TRĂNG ..........63 3.1. Giới thiệu chung về khu vực thành phố Sóc Trăng. ...............................................63 3.1.1. Giới thiệu chung ..................................................................................................63 3.1.2. Phân vùng địa chất công trình khu vực thành phố Sóc Trăng .............................64 iii 3.1.3. Xây dựng địa tầng tiêu biểu cho các phân vùng địa chất công trình thành phố Sóc Trăng. ..................................................................................................................... 76 3.2. Giới thiệu về giải pháp gia cố nền đang áp dụng trong khu vực thành phố Sóc Trăng. ............................................................................................................................ 79 3.3. Tính toán xử lý nền bằng cọc đất - xi măng theo điều kiện đất nền của thành phố Sóc Trăng. ..................................................................................................................... 82 3.4. Phân tích, so sánh với các giải pháp xử lý nền khác .............................................. 88 3.5. Phân tích biện pháp thi công .................................................................................. 89 3.5.1. Các yêu cầu chung: ............................................................................................. 91 3.5.2. Công bố phương pháp: ........................................................................................ 91 3.5.3. Các công việc chuẩn bị........................................................................................ 92 3.5.4. Công tác khoan .................................................................................................... 92 3.5.5. Công tác phụt vữa................................................................................................ 93 3.5.6. Dòng trào ngược .................................................................................................. 93 3.6. Kết luận Chương 3 ................................................................................................. 94 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 95 1. Những kết quả đạt được của luận văn ....................................................................... 95 2. Kiến nghị ................................................................................................................... 95 3. Hướng nghiên cứu tiếp theo ...................................................................................... 96 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 97 iv MỤC LỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Kiểm tra cung trượt khi đắp phản áp .............................................................13 Hình 1.2 Sơ đồ cấu tạo giếng cát ...................................................................................15 Hình 1.3. Bố trí giếng cát trên mặt bằng .......................................................................16 Hình 2.1. Gia cố cọc xi măng đất tại sân bay Cần Thơ .................................................24 Hình 2.2. Gia cố cọc xi măng đất móng bồn dầu tại Cần Thơ .....................................24 Hình 2.3. Gia cố cọc xi măng đất tại Cảng dầu khí Vũng Tàu......................................24 Hình 2.4. Cống D10 tại Hà Nam -2005 .........................................................................24 Hình 2.5. Cống Trại - Nghệ An -2005...........................................................................24 Hình 2.6. Các ứng dụng cơ bản của công nghệ trộn sâu ...............................................27 Hình 2.7. Sơ đồ thi công trộn khô .................................................................................27 Hình 2.8. Bố trí trụ trộn khô ..........................................................................................28 Hình 2.9. Bố trí trụ trùng nhau theo khối ......................................................................28 Hình 2.10. Bố trí trụ trộn ướt trên mặt đất ....................................................................28 Hình 2.11. Bố trí trụ trùng nhau theo công nghệ trộn ướt .............................................29 và thứ tự thi công ...........................................................................................................29 Hình 2.12. Sơ đồ thi công trộn ướt ................................................................................29 Hình 2.13. Ổn định khối kiểu A ....................................................................................30 Hình 2.14. Ổn định khối kiểu B ....................................................................................30 Hình 2.15. Công nghệ Jet Grouting ...............................................................................31 Hình 2.16. Sơ đồ phá hoại của đất dính gia cố bằng cọc xi măng đất .........................39 Hình 2.17. Quan hệ ứng suất- biến dạng vật liệu xi măng- đất .....................................40 Hình 2.18. Phá hoại khối và phá hoại cắt cục bộ ..........................................................40 Hình 2.19. Sơ đồ tính toán biến dạng. ...........................................................................42 Hình 2.20. Cơ chế phân bố ứng suất trong nền gia cố bằng CXMĐ.............................46 Hình 2.21.Mô hình vòm dạng rãnh của Terzaghi..........................................................49 Hình 2.22. Mô hình vòm dạng bán cầu Hewlett và Randolph (1988) ..........................50 Hình 2.23.Mô hình vòm dạng bán cầu trong nền đắp (Low 1994) ...............................51 Hình 3.1.Bản đồ khu vực thành phố Sóc Trăng ............................................................63 Hình 3.2. Điều kiện biên bài toán móng khi chưa có giải pháp gia cố .........................84 v Hình 3.3. Lưới chuyển vị và các đường đẳng chuyển vị trong nền, chuyển vị lớn nhất của nền khi chưa gia cố là 21 cm. ................................................................................. 84 Hình 3.4. Điều kiện biên trường hợp gia cố nền với chiều dài cọc đất-xi măng 4,5 m. Cọc có đường kính d=0,6. ............................................................................................. 85 Hình 3.5. Kết quả tính chuyển vị khi gia cố nền với cọc đất-xi măng có chiều dài cọc l=4,5 m........................................................................................................................... 85 Hình 3.6. Lưới chuyển vị và đường đẳng chuyển vị đứng khi gia cố cọc l=4,5 m ...... 86 Hình 3.7. Điều kiện biên trường hợp gia cố nền với chiều dài cọc đất-xi măng 6,5 m. Cọc có đường kính d=0,6. ............................................................................................. 86 Hình 3.8. Kết quả tính chuyển vị khi gia cố nền với cọc đất-xi măng có chiều dài cọcl=6,5 m. .................................................................................................................... 87 Hình 3.9. Điều kiện biên trường hợp gia cố nền với chiều dài cọc đất-xi măng 8,0 m. Cọc có đường kính d=0,6. ............................................................................................. 87 Hình 3.10. Kết quả tính trường hợp gia cố nền với chiều dài cọc đất-xi măng 8,0 m. Cọc có đường kính d=0,6. ............................................................................................. 88 vi DANH MỤC BẢNG Bảng 1. 1.Phân loại đất theo thành phần hạt (theo tiêu chuẩn 14 TCN 123) ................10 Bảng 2. 1. Xác định hệ số k tc .........................................................................................59 Bảng 2. 2. Hệ số uốn dọc ϕ ..........................................................................................60 Bảng 2. 3. Hệ số ϕ theo Jacobson.................................................................................61 Bảng 3.1: Kết quả thí nghiệm nén tĩnh một số công trình trên địa bàn TP Sóc Trăng .80 Bảng 3.2. Các nội dung công việc cần thực hiện khi thiết kế thi công và thi công Jet Grouting. ........................................................................................................................90 vii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT a s : Tỷ lệ diện tích. Ap : Diện tích tiết diện của cọc xi măng đất As : Diện tích đất nền cần gia cố. c: Lực dính giữa cọc và đất nền. c usoil : Độ bền cắt không thoát nước trung bình. C tđ : Lực dính tương đương. d: Đường kính cọc eoi : Hệ số rỗng của lớp đất thứ i ở trạng thái tự nhiên ban đầu. E soil , E col : Mô đun biến dạng của nền đất và cọc xi măng đất. E tđ : Mô đun biến dạng của nền tương đương. Fs : hệ số an toàn. h: Chiều dày tầng đất yếu. ∆y : Chuyển vị của khối móng. [ ∆y ] : Chuyển vị cho phép của khối móng. L: Chiều dài cọc. M max : Moment lớn nhất trong 1 cọc.  M gh  : Moment giới hạn của vật liệu làm cọc. N max : Nội lực lớn nhất trong 1 cọc. Nγ , N q , N c : Thông số sức chịu tải phụ thuộc vào góc ma sát trong của đất nền (tương đương). P: Tải trọng phá hoại. P cp : Là sức chịu tải cho phép của cọc đơn. Pgh : Sức chịu tải giới hạn của khối đất nền tương đương. P max : Sức chịu tải của nền tương đương. q: Tải trọng công trình truyền lên khối gia cố. q p : Sức chịu tải của đất dưới mũi cọc. Q a : Sức chịu tải theo đất nền. viii Q s : Sức chịu tải ma sát của thành cọc. Q p : Khả năng chịu tải cho phép của mỗi cọc. Q gh,dat : Sức chịu tải giới hạn của cọc đất xi măng Q gh,coc : Khả năng chịu tải giới hạn ngắn ngày. Q gh,nhom : Khả năng chịu tải giới hạn của nhóm. R c : Cường độ chịu tải của cọc theo vật liệu. R tc : Sức chịu tải của nền đất. R n : Cường độ chịu tải của toàn khối móng gia cố. S gh : độ lún giới hạn cho phép. ∑S i : độ lún tổng cộng của móng cọc. S utđ : Sức kháng cắt không thoát nước của nền tương đương. ϕtc : Góc nội ma sát tiêu chuẩn. ϕ : Góc ma sát trong giữa cọc và đất nền. γ : Trọng lượng riêng trung bình của đất nằm trên đáy móng. l i : Chiều dài cọc trong lớp đất thứ i. γ i : Trọng lượng riêng của lớp đất thứ i. τ c : Cường độ kháng cắt của cọc. ix MỞ ĐẦU I. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, tình hình hoạt động xây dựng trên địa bàn đồng bằng sông Cửu Long nói chung trên địa bàn thành phố Sóc Trăng nói riêng vấn đề xử lý gia cố nền cho công dân dụng chưa được quan tâm nghiên cứu sâu, chưa nghiên cứu đưa ra các giải pháp xử lý để lựa chọn một cách tối ưu nhất, phần lớn các công trình dân dựng trên địa bàn thành phố, phần lớn các công trình thường sử dụng giải pháp đóng cọc tràm để gia cố nền hoặc sử dụng móng cọc bê tông đổ tại chổ, cọc bê tông dự ứng lực. Giải pháp đóng cọc tràm việc xác định chiều dài cọc tràm, số lượng cọc/1m2 chủ yếu dựa trên kinh nghiệm thực tế và kết quả kiểm tra nén tỉnh hiện trường, mặc khác giải pháp xử lý nền bằng đóng cọc tràm chủ yếu áp dụng cho công trình có tải trọng nhỏ. Giải pháp xử lý nền bằng móng cọc bê tông đổ tại chổ, cọc bê tông dự ứng lực đảm bảo tải trọng các công trình dân dụng trong thành phố Sóc Trăng, tuy nhiên thi công ép cọc trong trung tâm thành phố là hết sức khó khăn và nếu sử dụng cọc bê tông cốt thép thì chiều dài cọc phải lớn để xuyên qua lớp đất nền yếu, cắm được xuống lớp đất tốt hơn.. Vì vậy việc nghiên cứu giải pháp gia cố nền bằng cọc đất-xi măng, ứng dụng các công trình dân dụng trong thành phố Sóc Trăng để giải quyết vấn đề trên là việc làm hết sức cần thiết, có ý nghĩa kinh tế - xã hội. II. Mục đích của đề tài: Mục đích của đề tài: Phân tích cơ sở khoa học để xử lý nền cho các công trình dân dụng trong phạm vi thành phố Sóc Trăng. Mục tiêu cụ thể là ứng dụng giải pháp xử lý nền bằng cọc đất xi măng cho công trình xây dựng dân dụng trên địa bàn thành phố Sóc Trăng. Phân tích các giải pháp xử lý nền đất yếu, phân tích giải pháp xử lý nền bằng cọc đất – xi măng, nghiên cứu điều kiện nền đất nguyên trạng ở khu vực thành phố từ đó ứng dụng giải pháp xử lý nền bằng cọc đất – xi măng vào các công trình dân dụng trong thành phố Sóc Trăng . 1 III. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu - Cách tiếp cận: Tiếp cận từ lý thuyết để phân tích tính toán so sánh các giải pháp xử lý nền Tiếp cận từ thực tế hiện trạng xây dựng trong khu vực để đề xuất phương án thay thế - Phương pháp nghiên cứu: + Nghiên cứu lý thuyết: nghiên cứu về các giải pháp xử lý nền đất yếu, nghiên cứu mô hình tính toán cọc đất – xi măng, nghiên cứu điều kiện đất nền nguyên trạng khu vực thành phố Sóc Trăng. + Nghiên cứu mô hình toán: Xây dựng mô hình toán với điều kiện đất nền khu vực nghiên cứu, tính toán thử dần với giải pháp đề xuất, kết luận về các thông số. IV. Nội dung nghiên cứu -Nghiên cứu tổng quan về đất yếu và các giải pháp xử lý nền (giải pháp xử lý nền là một trong các giải pháp khi xây dựng công trình trên nền đất yếu) - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết một số giải pháp xử lý nền điển hình, có khả năng áp dụng thích hợp trong điều kiện đất nền khu vực Sóc Trăng. - Nghiên cứu ứng dụng công nghệ sử lý nền bằng cọc đất xi măng cho các công trình xây dựng dân dụng trên địa bàn thành phố Sóc Trăng V. Kết quả đạt được của luận văn Luận văn đã tổng hợp các kiến thức về đất yếu và nền đất yếu, tổng hợp được các biện pháp xử lý nền, điều kiện áp dụng của biện pháp, hiệu quả và tính toán ứng dụng của giải pháp. Các số liệu tổng hợp này, giúp học viên dễ dàng so sánh, đối chứng và phân tích lựa chọn phương án xử lý nền sao cho hiệu quả, tối ưu nhất. Các tính toán thiết kế, thi công và công nghệ cọc đất-xi măng tổng hợp ở chương 2 của luận văn là phần cơ sở lý thuyết để áp dụng công nghệ. Cọc đất-xi măng có cơ sở lý thuyết khá rõ ràng, các nghiên cứu thực nghiệm cũng cho kết quả tin cậy, khẳng định 2 giải pháp cọc đất xi măng là giải pháp có cơ sở khoa học và thực tiễn. Phân tính toán ứng dụng đã phân tích thử dần bài toán gia cố nền bằng cọc đất-xi măng với các chiều dài cọc cho bài toán đất nền yếu khu vực thành phố Sóc Trăng. Luận văn chọn được chiều dài cọc gia cố đảm nền không lún vượt quá mức cho phép. Với nhà dân dụng có 4 tầng đến 5 tầng, gia cố cọc đất- xi măng có chiều dài 8,0 m, đường kính cọc từ 0,6-0,8 m. Hàm lượng xi măng 250 kg/m3 hoặc 300 kg/m3 là đạt yêu cầu. Các nghiên cứu về gia cố cọc đất-xi măngcho thấy hiệu quả của biện pháp này so với các giải pháp truyền thống khác. Vậy có thể kết luận cọc đất- xi măng cũng khá phù hợp để gia cố nền công trình xây dựng dân dụng trong địa bàn thành phố Sóc Trăng. VI. Cấu trúc luận văn Phần mở đầu Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU VÀ CÁC GIẢI PHÁP XỬ LÝ Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MỘT SỐ GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN Chương 3: PHÂN TÍCH ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GIA CỐ NỀN BẰNG CỌC ĐẤT-XI MĂNG CHO NỀN CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG TẠI SÓC TRĂNG Kết luận và kết nghị 3 CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU VÀ CÁC GIẢI PHÁP XỬ LÝ 1.1. Khái niệm về đất yếu Đất yếu là những loại đất sét mềm bão hòa nước, các loại cát hạt nhỏ, mịn, than bùn. Những loại đất này có khả năng chịu lực yếu, có hệ số rỗng e > 1, và luôn luôn bão hòa nước. Một quan niệm khác cho rằng, đất yếu được hiểu là các loại đất ở trạng thái tự nhiên, độ ẩm của đất cao hơn hoặc gần bằng giới hạn chảy, đất yếu có hệ số rỗng lớn (đất sét: e ≥ 1,5; đất á sét e ≥ 1), lực dính C theo thí nghiệm cắt nhanh không thoát nước nhỏ hơn 0,15 daN/cm2 (tương đương kG/cm2), góc nội ma sát φ< 10o hoặc lực dính từ kết quả cắt cánh hiện trường Cu < 0,35 daN/cm2. Đất yếu có thể được phân loại theo trạng thái tự nhiên dựa vào độ sệt B: B= W − Wd Wch − Wd (1.1) Trong đó: W, W d, Wch - độ ẩm ở trạng thái tự nhiên, giới hạn dẻo và giới hạn chảy (nhão) của đất. Nếu B > 1, đất ở trạng thái chảy; Nếu 0,75 < B ≤ 1, đất ở trạng thái dẻo chảy. Theo quan điểm xây dựng của một số nước, đất yếu được xác định theo tiêu chuẩn về sức kháng cắt không thoát nước s u và hệ số xuyên tiêu chuẩn N như sau: - Đất rất yếu (trạng thái chảy): S u (kPa) ≤ 12,5 và N 30 ≤ 2 - Đất yếu (trạng thái dẻo chảy): S u (kPa) ≤ 25 và N 30 ≤ 4 Nền đất yếu là các lớp đất nền có khả năng chịu lực kém, nằm ngay dưới đáy móng công trình và chịu tác động của công trình truyền xuống.Khi xây dựng công trình thường gặp các loại đấtnền yếu, tùy thuộc vào tính chất lớp đất yếu, đặc điểm cấu tạo của công trình mà người ta lựa chọn phương pháp xử lý nềnphù hợp để tăng sức chịu tải của đất nền, giảm độ lún, đảm bảo điều kiện khai thác bình thường cho công trình. 4 Nếu sức chịu tải của đất nền không đáp ứng được tải trọng thiết kế của công trình, không đủ độ bền và biến dạng nhiều, do vậy không thể làm nền thiên niên cho công trình xây dựng thì gọi là nền đất yếu. Trong thực tế xây dựng có rất nhiều công trình bị lún, sập hư hỏng công trình khi xây dựng trên nền đất yếu do không có những biện pháp xử lý nền phù hợp, không đánh giá chính xác được các tính chất cơ lý của nền đất. Do vậy việc đánh giá chính xác chặt chẽ các tính chất cơ lý của nền đất yếu (chủ yếu bằng các thí nghiệm trong phòng và hiện trường) để làm cơ sở đề và đề ra các giải pháp xử lý nền móng phù hợp là vấn đề hết sức khó khăn, nó đòi hỏi sự phối hợp hết sức chặt chẽ giữa kiến thức khoa học và kinh nghiệm thực tế để giải quyết giảm được tốiđa các sự cố, hư hỏng công trình khi xây dựng trên nền đất yếu. 1.1.1.Đặc điểm của đất yếu Trong thực tế xây dựng, chúng thường gặp những loại đất yếu sau: đất sét yếu, đất cát yếu, bùn, than bùn vàđất than bùn. 1.1.1.1. Đất sét yếu [1] Đất sét yếu có những đặc điểm riêng biệt, nhưng cũng có nhiều tính chất chung như các đất đá khác thuộc loại sét. a. Hạt sét và các khoáng vật sét: Trong đất sét gồm có 2 thành phần. - Phần phân tán thô có kích thước >0,002. Chủ yếu có các khoáng chất nguồn gốc lục địa như thạch anh, fenspat... - Phần phân tán mịn gồm những hạt có kích thước rất bé (2-0,1µm) và keo (0,1 0,001µm). Những khoáng chất này quyết định tính chất cơ lý của đất sét. Có nhiều khoáng chất sét nhưng thường gặp nhất là3nhóm điển hình: kaolimit, ilit và mômtmôrilôit. + KaolimitAl (Si 4 O 10 )(OH) 8 được tạo thành do phong hóa đá phun trào, đá biến chất và đá trầm tích trong điều kiện môi trường axit (pH = 5 – 6). Đặc điểm của mạng tinh thể Kaolimit là tương đối bền, ổn định và ít có khả năng di động. 5 + Mômtmôrilôit m[Mg 3 (Si 4 O 10 )(OH)] x p [(Al,Fe) 2 (Si 4 O 10 )(OH) 2 ] nH 2 O phổ biến nhất là loại chứa ôxit nhôm. Khoáng chất nhóm mômtmôrilôit được tạo thành hầu như trong điều kiện ngoại sinh chủ yếu là trong quá trình phong hóa các đá phun trào kiềm trong điều kiện môi trường kiềm (pH = 7 – 8,5). Mômtmôrilôit có mạng tinh thể kém bền vững và dễ xảy ra hiện tượng trương nở dưới đáy móng khi có mặt loại sét này. + Ilit K - Xem thêm -