Nghiên cứu mô hình tính toán cọc đất xi măng xử lý nền đất yếu khu vực sóc trăng
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.94 MB, 90 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI
--------------
QUÁCH KIẾT MẬU
NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CỌC ĐẤT XI MĂNG
XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU KHU VỰC SÓC TRĂNG
Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng
Mã số
:
60-58-02-04
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. BÙI VĂN
TRƯỜNG
HÀ NỘI, 2017
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung của luận văn là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn
của PGS.TS. Bùi Văn Trường .
Tôi xin cam đoan nội dung của luận văn này không trùng lặp với bất cứ luận văn nào
đã từng được công bố.
Tác giả luận văn
Quách Kiết Mậu
3
i
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin cám ơn các thầy cô giảng dạy của bộ môn Địa kỹ thuật - Trường Đại học Thủy
Lợi Hà Nội.
Tôi xin chân thành cám ơn PGS.TS. Bùi Văn Trường là người đã tận tình giúp đỡ,
hướng dẫn và đưa ra nhiều ý kiến quý báo, cũng như tạo điều kiện thuận lợi cho tôi
trong quá trình thực hiện luận văn này.
Tôi xin cám ơn sự quan tâm góp ý của PGS.TS. Nguyễn Việt Hùng.
Sau cùng tôi cũng xin cám ơn sự ủng hộ, động viên tinh thần nhiệt tình của gia đình,
bạn bè, đồng nghiệp trong thời gian thực hiện luận văn.
4
i
MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH ẢNH...............................................................................................v
DANH MỤC BẢNG BIỂU.......................................................................................... vii
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN BẰNG CHẤT KẾT
DÍNH ...............................................................................................................................5
1.1. Tình hình nghiên cứu, ứng dụng xử lý nền đất yếu bằng chất kết dính ...................5
1.1.1. Gia cố nền đất yếu bằng trụ vật liệu rời ................................................................7
1.1.2. Gia cố nền đất yếu bằng vật liệu có chất kết dính ...............................................11
1.2. Giải pháp xử lý nền bằng phương pháp trộn vôi:...................................................11
1.3. Giải pháp xử lý nền bằng cọc đất xi măng .............................................................14
1.3.1. Khái quát chung...................................................................................................14
1.3.2. Một số ứng dụng và ưu điểm của cọc đất xi măng..............................................14
1.4. Kết luận chương 1 ..................................................................................................21
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CỌC ĐẤT XI MĂNG23
2.1. Khái quát chung về các mô hình tính toán cọc đất xi măng...................................23
2.2. Tính toán cọc ĐXM theo mô hình cọc cứng ..........................................................23
2.3. Tính toán cọc đất xi măng theo mô hình nền tương đương ..................................25
2.4. Tính toán cọc đất xi măng theo mô hình nền hỗn hợp ...........................................26
2.4.1. Cách tính toán của Viện kỹ thuật châu á A.I.T ...................................................26
2.4.2. Cách tính theo quy phạm Trung Quốc DBJ 08-40-94.........................................31
2.5. Phân tích các mô hình tính toán .............................................................................34
2.5.1. Phương pháp tính toán theo quan điểm cọc ĐXM làm việc như cọc cứng.........34
2.5.2. Phương pháp tính toán theo quan điểm coi trụ xi măng đất và đất nền làm việc
đồng thời (phương pháp nền tương đương)...................................................................34
2.5.3. Phương pháp tính toán theo quan điểm tính toán khả năng chịu tải tính toán như
cọc, còn biến dạng tính toán như nền ............................................................................35
2.6. Quy trình thiết kế cọc đất xi măng .........................................................................35
2.6.1. Kiểm tra theo vật liệu cọc....................................................................................37
2.6.2. Kiểm tra theo đất nền ..........................................................................................38
2.6.3. Kiểm tra sức chịu tải của nhóm cọc đơn .............................................................38
2.7. Kết luận chương 2 ..................................................................................................39
3
3
CHƯƠNG 3:NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CỌC ĐẤT XI
MĂNG XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU KHU VỰC SÓC TRĂNG.......................................40
3.1. Đặc điểm nền đất yếu khu vực Sóc Trăng .............................................................40
3.1.1. Đặc điểm cấu trúc nền đất yếu ............................................................................41
3.1.2. Tính chất cơ lý của đất nền .................................................................................41
3.2. Khảo sát các mô hình tính toán cọc ĐXM xử lý nền đất yếu ở Sóc Trăng............42
3.2.1. Khái quát chung về công trình và giải pháp xử lý nền đất yếu ...........................43
3.2.2. Khảo sát các mô hình tính toán cọc ĐXM bằng phương pháp giải tích .............44
3.2.3. Khảo sát các mô hình tính toán cọc ĐXM bằng phương pháp số.......................53
3.2.4. Khảo sát các thông số tính toán cọc ĐXM..........................................................63
3.3. Nghiên cứu thực nghiệm cọc ĐXM tại hiện trường ..............................................67
3.3.1. Thí nghiệm nén tĩnh cọc đơn...............................................................................67
3.3.2. Thí nghiệm nén tĩnh nền xử lý bằng cụm cọc ĐXM ở hiện trường....................72
3.4. Phân tích, đề xuất mô hình tính toán cọc ĐXM .....................................................74
3.5. Kết luận chương 3 ..................................................................................................76
KẾT LUẬT VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................77
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................80
4
4
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Kết quả bàn nén phẳng hiện trường: ...............................................................8
Hình 1.2. Cơ chế phá hoại trụ đơn vật liệu rời trong đất sét yếu đồng nhất ...................9
Hình 1.3. Phân tích nhóm trụ vật liệu rời (theo Barksdale và Bachus, 1983 ................10
Hình 1.4. Phương thức phá hoại của móng cọc vôi. .....................................................12
Hình 1.5. Tính toán lún khi chưa vượt độ bền rão của cọc vôi .....................................13
Hình 1.6. Các ứng dụng cơ bản của công nghệ trộn sâu ...............................................16
Hình 1.7. Sơ đồ thi công trộn khô .................................................................................17
Hình 1.8. Bố trí trụ trộn khô ..........................................................................................17
Hình 1.9. Bố trí trụ trùng nhau theo khối ......................................................................18
Hình 1.10. Sơ đồ thi công trộn ướt ................................................................................18
Hình 1.11. Bố trí trụ trộn ướt trên mặt đất ....................................................................19
Hình 1.12. Bố trí trụ trùng nhau theo công nghệ trộn ướt.............................................19
Hình 1.13. ổn định khối kiểu A .....................................................................................20
Hình 1.14. ổn định khối kiểu B .....................................................................................20
Hình1.15. Công nghệ Jet Grouting................................................................................21
Hình 2.1. Sơ đồ phá hoại của đất dính gia cố bằng cọc đất xi măng ...........................27
Hình 2.2. Quan hệ ứng suất- biến dạng vật liệu xi măng- đất.......................................28
Hình 2.3. Phá hoại khối và phá hoại cắt cục bộ ............................................................28
Hình 2.4. Sơ đồ tính toán biến dạng. .............................................................................30
Hình 2.5: Sơ đồ quy trình thiết kế cọc đất xi măng.......................................................36
Hình 3.1. Bản đồ hành chính tỉnh Sóc Trăng ................................................................40
Hình 3.2. Sơ đồ tính lún theo quan điểm cọc cứng .......................................................46
Hình 3.3. Sơ đồ tính lún theo quan điểm nền tương đương ..........................................49
Hình 3.4. Mô hình phần tử hữu hạn mô phỏng giải pháp xử lý nền bằng cọc ĐXM theo
quan điểm cọc cứng.......................................................................................................58
Hình 3.5. Mô hình phần tử hữu hạn mô phỏng giải pháp xử lý nền bằng cọc ĐXM theo
quan điểm nền tương đương..........................................................................................58
Hình 3.6. Chuyển vị lưới của nền công trình xử lý bằng cọc ĐXM theo quan điểm cọc
cứng ...............................................................................................................................59
5
5
Hình 3.7. Chuyển vị thẳng đứng của nền công trình xử lý bằng cọc ĐXM theo quan
điểm cọc cứng ...............................................................................................................60
Hình 3.8. Lún nền của nền công trình xử lý bằng cọc ĐXM theo quan điểm cọc cứng
.......................................................................................................................................60
Hình 3.9. Chuyển vị lưới của nền công trình xử lý bằng cọc ĐXM theo quan điểm nền
tương đương ..................................................................................................................61
Hình 3.10. Chuyển vị thẳng đứng của nền công trình xử lý bằng cọc ĐXM theo quan
điểm nền tương đương ..................................................................................................62
Hình 3.11. Lún nền của nền công trình xử lý bằng cọc ĐXM theo quan điểm nền
tương đương ..................................................................................................................62
Hình 3.12. Quan hệ giữa bán kính cọc và sức chịu tải của cọc.....................................64
Hình 3.13. Quan hệ giữa bán kính cọc và độ lún của nền gia cố. .................................64
Hình 3.14. Quan hệ giữa chiều dài cọc và sức chịu tải của cọc....................................65
Hình 3.15. Quan hệ giữa chiều dài cọc và độ lún của nền gia cố. ................................66
Hình 3.16. Quan hệ giữa chiều dài cọc và độ lún của nền gia cố. ................................67
Hình 3.17. Sơ đồ thí nghiệm nén tĩnh cọc ĐXM .........................................................68
Hình 3.18. Đồ thị quan hệ tải trọng- chuyển vị của cọc 1-B-4. ....................................71
Hình 3.19. Đồ thị quan hệ tải trọng- chuyển vị của cụm cọc........................................74
6
6
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Khả năng áp dụng biện pháp kỹ thuật cải tạo cho các loại đất khác nhau......6
Bảng 3.1. Tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý của đất yếu ở Sóc Trăng...................................42
Bảng 3.2. Bảng tổng hợp chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất. ...............................................43
Bảng 3.3. Bảng tổng tính lún theo mô hình cọc cứng ...................................................47
Bảng 3.4. Bảng tổng tính lún theo mô hình nền tương đương ......................................51
Bảng 3.5. Các thông số đất nền để xây dựng mô hình tính trong Plaxis.......................57
Bảng 3.5b. Bảng tổng hợp kết quả tính toán chuyển vị nền công trình xử lý bằng cọc
ĐXM bằng phần mềm Plaxis ........................................................................................63
Bảng 3.6. Tính toán sức chịu tải và biến dạng của cọc khi bán kính r của cọc thay đổi.
.......................................................................................................................................63
Bảng 3.7. Tính toán sức chịu tải và biến dạng của cọc khi chiều dài L của cọc thay đổi.
.......................................................................................................................................65
Bảng 3.8. Tính toán sức chịu tải và biến dạng của cọc khi mật độ cọc thay đổi. .........66
Bảng 3.9. Tải trọng thí nghiệm nén tĩnh 3 cọc đơn .......................................................68
Bảng 3.10. Thời gian theo dõi độ lún và ghi chép số liệu .............................................69
Bảng 3.11. Bảng tổng hợp kết quả tải trọng - độ lún cọc 1-B-4 ...................................70
Bảng 3.12. Bảng tổng hợp kết quả tải trọng - độ lún cọc 3-B-4 ...................................70
Bảng 3.13. Bảng tổng hợp kết quả tải trọng - độ lún cọc 1-C-4 ...................................71
Hình 3.18. Đồ thị quan hệ tải trọng- chuyển vị của cọc 1-B-4. ....................................71
Bảng 3.14. Sức chịu tải cho phép của 3 cọc ứng với độ lún 8mm. ...............................72
Bảng 3.15. Kết quả thí nghiệm nén tĩnh cụm 36 cọc ....................................................73
Bảng 3.16. Tổng hợp kết quả tính toán cọc ĐXM theo các mô hình với kết quả thí
nghiệm nén tĩnh tại hiện trường ....................................................................................75
7
MỞ ĐẦU
I. Tính cấp thiết của đề tài
Cùng với sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế, ngành xây dựng Việt Nam cũng
có sự chuyển mình mạnh mẽ, hàng loạt công trình cao tầng mọc lên ở các khu đô thị
lớn. Theo đó, các công nghệ xử lý nền móng bằng cọc ép, cọc nhồi, cọc cát đã được
khai thác và sử dụng triệt để. Tuy nhiên giá thành nguyên vật liệu ngày một tăng cao
đang là vấn đề nan giải gây thiệt hại đối với nhà thầu và chủ đầu tư.
Công nghệ cọc ép, cọc nhồi bê tông cốt thép, tuy có sức chịu tải lớn nhưng bên cạnh
đó cũng bộc lộ những nhược điểm như giá thành cao, thời gian thi công kéo dài, gây ô
nhiễm môi trường...
Chính vì thế mà một công nghệ mới đã được nghiên cứu và đang được áp dụng
rộng rãi ở nhiều nơi trên thế giới, đó chính là công nghệ cọc đất trộn xi măng (gọi
tắt là “cọc đất xi măng”, hay cũng có thể gọi là “trụ đất xi măng”). So với các công
nghệ móng cọc khác, công nghệ cọc đất xi măng tỏ ra có hiệu quả kinh tế. Đặc biệt nó
chính là một giải pháp hợp lý cho các công trình có tải trọng không lớn.
Tuy nhiên, hiện nay thực tế khi tính toán cọc đất xi măng (ĐXM) đang được thực
hiện theo các mô hình khác nhau, nhiều trường hợp còn chưa được phù hợp và
thiếu chính xác ảnh hưởng đến hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của công trình. Do vậy
nghiên cứu lựa chọn mô hình tính toán phù hợp với đặc điểm nền đất ở địa phương
là nhu cầu thiết yếu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
II. Mục đích của đề tài
Mục đích chính của đề tài là nghiên cứu đề xuất phương pháp, mô hình tính toán, thiết
kế cọc đất xi măng phù hợp với xây dựng công trình dân dụng trên nền đất yếu ở khu
vực Sóc Trăng.
III. Nội dung nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu của luận văn gồm ba chương:
1
1
Chương 1: Tổng quan về giải pháp xử lý nền bằng chất kết dính.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết mô hình tính toán.
Chương 3: Nghiên cứu lựa chọn mô hình tính toán cọc đất xi măng xứ lý nền đất yếu
khu vực Sóc Trăng.
Các kết quả nghiên cứu của luận văn có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo,
nghiên cứu và áp dụng cho chuyên ngành địa kỹ thuật, thi công và xây dựng công
trình, và nếu được hoàn thiện thêm, sẽ là cơ sở khoa học để kiến nghị sử dụng rộng rãi
phương pháp gia cố nền bằng cọc xi măng đất trong thực tiễn xây dựng các công trình
vừa và cao tầng ở Việt Nam.
IV. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
Luận văn sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:
Phương pháp lý thuyết để phân tích, tính toán lựa chọn mô hình tính toán cọc ĐXM;
Phương pháp thực nghiệm để nghiên cứu khả năng làm việc của cọc ĐXM tại hiện
trường;
Phương pháp mô hình số: Sử dụng phần mềm Plaxis, Geo Slope để mô phỏng cọc
ĐXM theo các mô hình tính toán khác nhau, từ đó so sánh lựa chọn mô hình tính toán
cọc ĐXM và so sánh với kết quả hiện trường.
V. Kết quả dự kiến đạt được
Hiểu được cơ sở lý thuyết, phương pháp tính toán cọc ĐXM theo các mô hình khác
nhau;
Làm rõ khả năng làm việc thực tế của cọc ĐXM trong điều kiện nền đất yếu ở khu vực
nghiên cứu qua kết quả thí nghiệm tại hiện trường;
Đề xuất lựa chọn mô hình tính toán cọc ĐXM phù hợp với đặc điểm nền đất yếu khu
vực Sóc Trăng;
Ứng dụng mô hình tính toán cọc ĐXM công trình thực tế.
2
2
Nội dung, bố cục của Luận văn
Nội dung, bố cục của luận văn dự kiến gồm các chương mục sau:
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
2. Mục đích nghiên cứu
3. Nội dung nghiên cứu
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
5. Phương pháp nghiên cứu
6. Kết quả đạt được
7. Cơ sở tài liệu luận văn
NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN GỒM 3 CHƯƠNG:
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN BẰNG CHẤT KẾT
DÍNH
1.1. Tình hình nghiên cứu, ứng dụng xử lý nền đất yếu bằng chất kết dính
1.2. Giải pháp xử lý nền bằng phương pháp trộn vôi
1.3. Giải pháp xử lý nền bằng cọc đất xi măng
1.4. Kết luận chương 1
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CỌC ĐẤT XI
MĂNG
2.1. Khái quát chung về các mô hình tính toán cọc đất xi măng
2.2. Tính toán cọc ĐXM theo mô hình cọc cứng
2.3. Tính toán cột xi măng đất theo mô hình nền tương đương
2.4. Tính toán cột xi măng đất theo mô hình nền hỗn hợp
3
3
2.5. Phân tích các mô hình tính toán
2.6. Kết luận chương 2
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CỌC ĐẤT
XI MĂNG XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU KHU VỰC SÓC TRĂNG
3.1. Đặc điểm nền đất yếu khu vực Sóc Trăng
3.2. Phân tích, lựa chọn mô hình tính toán
3.3. Kết luận chương 3
4
4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN BẰNG CHẤT
KẾT DÍNH
1.1. Tình hình nghiên cứu, ứng dụng xử lý nền đất yếu bằng chất kết
dính
Trên thế giới và ở Việt Nam hiện nay đã và đang áp dụng nhiều phương pháp cải tạo
đất khác nhau, qua thử nghiệm và ứng dụng thực tiễn cho thấy các phương pháp cải
tạo đã có tác dụng làm tăng độ bền của đất, giảm độ lún tổng cộng và độ lún lệch, rút
ngắn thời gian thi công, giảm chi phí xây dựng và các hiệu quả khác.
Nếu xét đến các yếu tố như: tầm quan trọng của công trình, tải trọng, tác dụng, điều
kiện thi công, thời gian xây dựng… thì việc lựa chọn giải pháp thích hợp cho từng
loại đất riêng biệt sẽ rất quan trọng và được hệ thống trong bảng 1.1.
Các phương pháp gia cố nền đất yếu có thể được tổng hợp lại theo các nhóm như sau
tùy thuộc vào chỉ tiêu phân nhóm:
* Theo đặc điểm của quá trình tương tác giữa đất yếu và tác nhân gia cố, có thể phân
biệt các nhóm gia cố sau:
- Phương pháp gia cố bằng tác nhân cơ học: trong hệ phương pháp này quá trình gia
cường chủ yếu là quá trình cơ học. Đó là các phương pháp trụ cát, giếng cát, phương
pháp trụ vật liệu rời, phương pháp đầm nén chặt…
- Phương pháp gia cố bằng tác nhân hóa học: trong hệ phương pháp này các quá trình
hóa học mang lại hiệu quả chủ yếu. Đó là phương pháp silicat hóa, phương pháp gia cố
đất bằng vôi, xi măng, nhựa bitum…
- Phương pháp gia cố bằng tác nhân hóa lý: trong hệ phương pháp này, các quá trình
hóa lý mang lại hiệu quả chủ yếu, đó là phương pháp thẩm thấu, điện thẩm thấu, điện
silicat…
- Ngoài ra còn có các phương pháp gia cố bằng các tác nhân nhiệt, điện…
5
5
Bảng 1.1. Khả năng áp dụng biện pháp kỹ thuật cải tạo cho các loại đất khác nhau
Đ
ất
hĐ
ất
Đ
ất
Đ
ất
Đ
ất
Đ
ất
Đ
ất
H Đ T
Cơ C ỗ ầ h
ch
ố n m o
Phụ Tư
T
L Lâu
th ơ
h
â dài
Tươ X Dung
ng
i trọng
T tác
cao do
(K
r hô
(Thay
ạ ng
đổi
* Theo vật liệu để gia cố, có thể phân biệt:
- Phương pháp gia cố bằng các vật liệu vô cơ: vôi, xi măng, tro xỉ…
- Phương pháp gia cố bằng các vật liệu hữu cơ: bi tum, nhựa đường..
- Phương pháp gia cố bằng vật liệu Polime: vật liệu carbamid, lignhin..
*Theo mục đích gia cố:
- Phương pháp gia cố làm tăng độ bền: đệm cát, trụ vật liệu rời…
- Phương pháp gia cố làm giảm tính biến dạng: Trụ xi măng đất, gia tải trước…
- Phương pháp gia cố làm tăng nhanh quá trình cố kết: các phương pháp sử dụng vật
thoát nước thẳng đứng.
* Theo phạm vi gia cố có thể phân biệt:
- Phương pháp gia cố nông: phạm vi gia cố chỉ ở bề mặt như cấp phối thích hợp, đệm
cát.
- Phương pháp gia cố sâu: trụ vật liệu rời, trụ vôi, trụ xi măng đất…
6
6
Dựa trên phân loại này, người ta đưa ra các giải pháp kỹ thuật cụ thể phụ thuộc vào
mục đích sử dụng và tính hiệu quả kinh tế. Sau đây luận văn sẽ giới thiệu tổng quan
một số giải pháp gia cường nền đất yếu.
1.1.1. Gia cố nền đất yếu bằng trụ vật liệu rời
* Khái niệm chung:
Trụ vật liệu rời cấu tạo bằng cát hay đá (cuội sỏi) được đưa vào lớp đất yếu bằng
phương pháp thay thế hoặc không thay thế.
Gia cố nền đất yếu bằng trụ vật liệu rời là một phương pháp gia cố sâu, trong đó với
công nghệ thích hợp tạo dựng trong nền đất yếu cần gia cố một trụ có kích thước xác
định (đường kính, độ sâu) bằng vật liệu rời (cát, sỏi, đá dăm hoặc hỗn hợp của chúng).
Các trụ vật liệu rời này được bố trí dưới móng với hình dạng, số lượng và khoảng cách
phù hợp với yêu cầu kỹ thuật của công trình xây dựng. Trụ vật liệu rời thông dụng
nhất là trụ sử dụng vật liệu nhồi là đá dăm hay cát thô đầm chặt.
Đất được cải tạo bằng trụ vật liệu rời gọi là đất hỗn hợp. Khi chất tải, trụ bị biến dạng
phình lấn vào các tầng đất và phân bố lại ứng suất ở các mặt cắt bên trên của đất hơn là
truyền ứng suất xuống các lớp đất dưới sâu. Điều đó làm cho đất chịu được ứng suất.
Kết quả là cường độ và khả năng chịu lực của đất hỗn hợp có thể tăng lên và tính nén
lún giảm. Ngoài ra nó còn giảm được ứng suất tập trung sinh ra trên các trụ vật liệu
rời. Thành phần của trụ là vật liệu rời có tính thấm cao, nên trụ còn làm tăng nhanh độ
lún cố kết, giảm trị số độ lún của công trình sau xây dựng.
Kết quả bàn nén phẳng hiện trường giữa đất gia cố trụ vật liệu rời và đất chưa gia cố
xem Hình 1.1.
7
7
Hình 1.1. Kết quả bàn nén phẳng hiện trường:
1- đất chưa gia cố; 2- đất đã gia cố
* Công nghệ thi công trụ vật liệu rời
Nhiều phương pháp khác nhau để tạo trụ vật liệu rời đã được sử dụng trên thế giới, tùy
thuộc vào khả năng ứng dụng thực tế của chúng và khả năng có được các thiết bị thi
công ở từng địa phương. Một số phương pháp thi công trụ vật liệu rời:
- Phương pháp nén chặt bằng rung động;
- Phương pháp thay thế bằng rung động;
- Phương pháp rung động kết hợp;
- Phương pháp khoan tạo lỗ.
* Cơ chế phá hoại
Trong thực tế trụ vật liệu rời được xây dựng xuyên qua toàn bộ lớp đất yếu nằm trên
tầng rắn chắc (trụ chống). Cũng có thể làm những trụ mà mũi trụ chỉ trong phạm vi lớp
đất yếu (trụ treo). Dưới tác dụng của tải trọng, các trụ vật liệu rời có thể bị phá hoại
riêng từng trụ hay cả nhóm. Cơ chế phá hoại đối với một trụ đơn được minh họa trên
Hình 1.2.
Có các loại phá hoại sau: a) phình ra bên; b) cắt qua trụ; c) trượt trụ.
8
8
Hình 1.2. Cơ chế phá hoại trụ đơn vật liệu rời trong đất sét yếu đồng nhất
(theo Barksdale và Bachus, 1983)
* Khả năng chịu tải giới hạn của trụ đơn riêng biệt vật liệu rời
Đối với trụ đơn riêng biệt vật liệu rời, cơ chế phá hoại phình ra bên là dễ xảy ra nhất.
Cơ chế này có thể xảy ra đối với loại trụ mà trụ còn ở trong lớp đất sét yếu hoặc đã tựa
vào lớp đất sét cứng chắc.ứng suất không nở hông giữ trụ thường được xác định dựa
vào sức kháng bị động giới hạn mà đất xung quanh trụ có thể phát huy khi trụ phình ra
phía ngoài. Hầu hết các phương pháp dự tính khả năng chịu tải giới hạn của trụ đơn
được phát triển dựa vào mô hình phá hoại đã nêu ở trên.
* Khả năng chịu tải giới hạn của nhóm trụ vật liêu rời
Phương pháp chung dự tính khả năng chịu tải giới hạn của nhóm trụ vật liệu rời đều
cho rằng góc ma sát trong của đất dính xung quanh trụ và lực dính trong trụ vật liệu rời
là không đáng kể. Hơn nữa cường độ của trụ vật liệu rời và của đất dính đều được phát
huy đầy đủ. Nhóm trụ cũng xem như được chất tải bởi móng cứng.
Khả năng chịu tải giới hạn theo Barksdale và Bachus (1983) được xác định bằng bề
mặt phá hoại gần đúng từ hai đoạn thẳng như trên Hình 1.3.
9
9
Hình 1.3. Phân tích nhóm trụ vật liệu rời (theo Barksdale và Bachus, 1983
* Độ lún tổng hợp
Hầu hết các phương pháp dự đoán độ lún của đất hỗn hợp đều cho rằng vùng đất chất
tải là vô cùng rộng và được gia cố bằng các trụ vật liệu rời có đường kính và khoảng
cách không đổi. Với điều kiện chất tải và kích thước hình học như vậy việc lý tưởng
hóa một đơn nguyên là cần thiết. Mô hình của một đơn nguyên được chất tải bởi tấm
phẳng cứng tương tự như thí nghiệm cố kết thấm một chiều. Vì vậy đơn nguyên được
giới hạn bởi một tường cứng không có ma sát và ứng suất thẳng đứng tại mọi vị trí
nằm ngang đều giống nhau.
Tỉ lệ giảm độ lún còn được biểu thị như là hàm của tỉ diện tích thay thế as , góc ma sát
trong của vật liệu rời s , hệ số tập trung ứng suất…
* Phạm vi áp dụng
Nên sử dụng khi nền đất yếu có bề dày hạn chế nhỏ hơn độ sâu vùng hoạt động của tải
trọng công trình và dưới nó là lớp đất tốt;
10
10
Có thể sử dụng khi chiều dày đất yếu lớn song cần thi công trụ hoàn chỉnh và có các
giải pháp phụ thêm đi kèm như gia tải trước, các giải pháp kết cấu;
Không nên sử dụng khi đất quá yếu với sức kháng cắt không thoát nước nhỏ hơn 10
kPa và có bề dày lớn.
1.1.2. Gia cố nền đất yếu bằng vật liệu có chất kết dính
Vật liệu có chất kết dính ở đây thường dùng là vôi, xi măng hoặc thạch cao. Gia cố
nền đất yếu bằng trụ đất- vôi hoặc xi măng là một phương pháp gia cố sâu, trong đó
một trụ được thi công tại chỗ từ hỗn hợp đất trộn lẫn vôi hoặc xi măng bằng công nghệ
thích hợp.
* Giải pháp kỹ thuật
Sử dụng máy khoan và các thiết bị chuyên dụng (cần khoan, mũ khoan…) khoan vào
đất với đường kính và chiều sâu lỗ khoan theo thiết kế. Đất trong quá trình khoan
không được lấy lên khỏi lỗ khoan mà bị phá vỡ kết cấu, được các cánh mũi khoan
nghiền tơi, trộn đều với chất kết dính.
* Công nghệ thi công
Hiện nay trên thế giới có hai công nghệ được áp dụng phổ biến là công nghệ của Châu
Âu và công nghệ của Nhật Bản.
Ở Việt Nam phổ biến hai phương pháp trộn của Nhật Bản là phương pháp trộn phun
khô (Dry Jet Mixing Method - DJM) và phun vữa (Wet Jet mixing method – WJM).
1.2. Giải pháp xử lý nền bằng phương pháp trộn
vôi:
+ Khả năng chịu tải giới hạn của trụ vôi đơn (Nghiên cứu cho đất sét yếu ở Băng Cốc
– Thái Lan).
Khả năng chịu tải giới hạn của trụ vôi đơn được quyết định bởi sức kháng cắt của đất
sét yếu bao quanh (đất phá hoại) hay sức kháng cắt của vật liệu trụ (trụ phá hoại). Loại
phá hoại đầu phụ thuộc cả vào sức cản do ma sát mặt ngoài trụ và sức chịu ở chân trụ.
Còn loại sau phụ thuộc vào sức kháng cắt của vật liệu trụ.
+ Khả năng chịu tải giới hạn của nhóm trụ vôi.
Khả năng chịu tải giới hạn của nhóm trụ vôi phụ thuộc vào độ bền cắt của đất chưa xử
lý giữa các trụ và độ bền cắt của vật liệu làm trụ. Sự phá hoại quyết định khả năng chịu
tải của khối với các trụ vôi hay khả năng chịu tải của khối ở rìa công trình khi các trụ
vôi đặt xa nhau.
Khả năng chịu tải giới hạn, có xét đến phá hoại cục bộ ở rìa khối trụ vôi, phụ thuộc vào
độ bền cắt trung bình của đất, dọc theo bề mặt phá hoại gần tròn như trong Hình 1.4.
Hình 1.4. Phương thức phá hoại của móng cọc vôi.
* Độ lún tổng cộng.
Độ lún tổng cộng của một công trình đặt trên nền gia cố cọc vôi được tính như miêu tả
trong Hình 1.5.
Độ lún tổng cộng lớn nhất lấy bằng tổng độ lún cục bộ của khối được gia cố h1 và độ
lún cục bộ của đất không ổn định nằm ở dưới khối h2 .
Hình 1.5. Tính toán lún khi chưa vượt độ bền rão của cọc vôi
Độ lún tổng cộng: h h1 h2
- Phương pháp trộn xi măng:
Nguyên lý trộn xi măng: Xi măng sau khi trộn với đất sẽ xảy ra một loạt các phản ứng
hóa học gây đông cứng, đóng rắn các khối đất được trộn, các phản ứng hóa học chủ
yếu là:
+ Phản ứng thủy hóa của xi măng: Xi măng+ nước= Hydroxyd ngân mước.
+ Tác dụng của các hạt đất sét với các chất thủy hóa của xi măng: Tạo thành các chất
hóa của xi măng, tự đóng rắn kết khung xương đá xi măng.
+ Tác dụng Cacbonat hóa: Hydroxid calxi + không khí= Cacbonat canxi (kết tủa rắn).
* Nhận xét:
Khả năng chịu tải giới hạn của trụ đơn hay nhóm trụ vôi đều phụ thuộc vào độ bền cắt
của đất xung quanh trụ và của vật liệu trụ, điều này chứng tỏ trong tính toán trụ vôi tác
giả đã quan niệm nền gia cố trụ vôi là nền tương đương trong đó trụ và đất xung quanh
làm việc đồng thời.
Hai phương pháp gia cố nền bằng trụ vật liệu rời và trụ vôi vì chúng có nhiều nét
tương đồng với cọc đất xi măng . Chúng sẽ làm cơ sở để so sánh và áp dụng trong việc
nghiên cứu cơ chế làm việc và phá hoại của cọc đất xi măng.
Còn phần phương pháp trộn xi măng, sử dụng vật liệu xi măng là làm chất đóng rắn
nhờ vào các khoan xoắn và thiết bị bơm vào trong đất để trộn đất yếu với chất đóng
rắn, nhờ chuỗi phản ứng hóa học –vật lý xảy ra giữa chất đóng rắn với đất, làm cho đất
mềm đóng rắn lại thành một thể trụ, hiện tượng này làm đất xung quanh trụ tăng độ
bền hơn.
1.3. Giải pháp xử lý nền bằng cọc đất xi
măng
1.3.1. Khái quát chung
Cọc đất xi măng (tên tiếng Anh là Deep Soil Mixing hay DSM) được nghiên cứu ở
Nhật bởi giáo sư Tenox Kyushu của Đại Học Tokyo vào khoảng những năm 1960.
Loại cọc này sử dụng cốt liệu chính là đất tại chỗ, gia cố với một hàm lượng xi măng
và chất phụ gia nhất định tùy thuộc vào loại và các tính chất cơ - lý – hoá của đất nền.
Nó sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao khi địa chất là đất cát. Cọc đất xi măng thường
được thi công bằng công nghệ trộn sâu hay gọi tắt là DMM (Deep Mixing Method).
Cọc xi măng - đất có thể làm móng sâu, thay thế cọc nhồi (trong một số điều kiện áp
dụng nhất định); làm tường trong đất (khi xây dựng tầng hầm nhà cao tầng), gia cố
nền. Thông thường loại cọc này không có cốt thép, song trong một số trường hợp cần
thiết, cốt thép cứng cũng có thể được ấn vào cọc vữa khi vừa thi công cọc xong.
Sử dụng xi măng trộn cưỡng chế với đất nền nhờ các phản ứng hoá học – vật lý xảy ra
làm cho nền đóng rắn thành một thể cọc đất xi măng có độ ổn định cao trở thành
tường chắn có dạng bản liên kết khối.
Khi độ sâu hố móng từ 3-6m mà ứng dụng phương pháp cọc đất xi măng làm kết cấu
chống giữ sẽ thu được kết quả tốt.
1.3.2. Một số ứng dụng và ưu điểm của cọc đất xi măng
Một số ứng dụng và ưu điểm của cọc đất xi măng:
- Tăng khả năng chống trượt của mái dốc;
- Tăng cường sức chịu tải của nền đất;
- Giảm ảnh hưởng chấn động đến công trình lân cận;
- Tránh hiện tượng biến loãng của đất rời;
- Cô lập phần đất bị ô nhiễm;
- Ổn định thành hố đào;
- Giảm độ lún công trình;
- Ngăn được nước thấm vào hố đào;
- Dùng kiểu tường trọng lực nên không phải đặt thanh chống, tạo điều kiện thi công hố
móng rất thông thoáng. Cọc trộn xi măng đất thường có cường độ chịu kéo nhỏ hơn
nhiều so với cường độ chịu nén vì vậy cần triệt để sử dụng kiểu kết cấu tường chắn lợi
dụng trọng lượng bản thân;
- Thi công đơn giản, nhanh chóng;
- Sử dụng vật liệu có sẵn nên có, cốt liệu chính là đất tại chỗ (cát) nên giá thành rất
thấp, hiệu quả kinh tế cao;
- Thiết bị thi công không quá đắt (giá một thiết bị thi công cọc khoảng 3,5 tỉ VNĐ
chưa kể trạm trộn & thiết bị bơm vữa xi măng);
- Quá trình khoan có thể kiểm tra được địa chất khoan nhờ thiết bị tự động đo & ghi
mômen xoắn ở đầu cần khoan);
- Khâu thi công được tự động hóa gần như hoàn toàn, sau khi định vị, máy khoan sẽ
tiến hành khoan một cách tự động, hàm lượng vữa xi măng sẽ được tự động điều chỉnh
cho phù hợp với tình hình địa chất tùy thuộc mômen xoắn đo được ở đầu cần khoan);
- Chất lượng thi công không phụ thuộc nhiều vào yếu tố con người (vì đã được tự động
hóa);
- Công trường thi công không gây ô nhiễm, mất vệ sinh như khi thi công cọc nhồi, rất
phù hợp cho việc xây dựng móng nhà cao tầng trong đô thị.
