Giải pháp xử lý đất yếu bằng đất trộn xi măng

Nội dung text: Giải pháp xử lý đất yếu bằng đất trộn xi măng

1. TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 11, SỐ 11 - 2008 GIẢI PHÁP XỬ LÝ ĐẤT YẾU BẰNG ĐẤT TRỘN XI MĂNG Đậu Văn Ngọ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHGQ-HCM (Bài nhận ngày 29 tháng 05 năm 2008, hồn chỉnh sửa chữa ngày 10 tháng 11 năm 2008) TĨM TẮT: Bài viết trình bày sơ lược về giải pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc xi măng đất, phương pháp tính tốn và thiết kế cấp phối đất trộn xi măng. Đồng thời bài báo cũng chỉ ra được mối quan hệ giữa cường độ chịu nén 28 ngày của mẫu được chế tạo trong phịng thí nghiệm và ngồi hiện trường đại lộ Ðơng Tây Thành phố Hồ Chí Minh. Từ khĩa: Đất yếu, đất trộn xi măng, trộn ướt dưới sâu, trộn khơ dưới sâ, cọc xi măng - đất 1. GIỚI THIỆU Một số cơng trình cầu đường trong quá trình khai thác đã và đang tồn tại hiện tượng khá phổ biến là lún lệch hai bên đầu cầu, hai bên cống hộp, Sự lún lệch này là trở ngại lớn trong lưu thơng, gây nên hiện tượng nảy, xốc đột ngột rất dễ xảy ra tai nạn. Mức độ nguy hiểm tùy thuộc vào độ lún lệch tại mỗi cơng trình. Đồng thời phát sinh hàng loạt các vấn đề khác như làm giảm năng lực khai thác của cơng trình do phải giảm tốc độ khi đi qua những vị trí lún lệch, làm tăng mức độ hao phí (xăng dầu, hao mịn máy mĩc, ) của các phương tiện giao thơng. Những biện pháp đối phĩ thơng thường để giảm thiểu sự lún lệch chỉ mang tính chất là một loại giải pháp tình thế (như bù lún bằng bê tơng nhựa), địi hỏi chi phí cao làm tăng tổng vốn đầu tư xây dựng và mất thời gian lâu dài. Mặt khác vấn đề mỹ quan của cơng trình cũng khơng thể nào đảm bảo yêu cầu. Trong xây dựng tầng hầm các cơng trình nhà cao tầng, nhất là các tầng hầm cĩ chiều sâu lớn việc chống ổn định thấm bằng các phương pháp cọc bares hoặc tường cừ lá sen thường khơng đạt hiệu quả, nhiều cơng trình dẫn đến sự cố do xĩi ngầm (điển hình như cơng trình tịa nhà cao tầng Pacific 45-47 Nguyễn Thị Minh Khai thành phố Hồ Chí Minh) và một số cơng trình khác. Để giải quyết những vấn đề trên, hiện nay trên thế giới và ở nước ta đã ứng dụng cơng nghệ đất trộn xi măng bằng phương pháp trộn sâu. Phương pháp này cĩ nhiều ưu điểm: - Phạm vi áp dụng rộng, thích hợp mọi loại đất từ bùn sét đến sỏi cuội. - Cĩ thể xử lý lớp đất yếu một cách cục bộ, khơng ảnh hưởng đến lớp đất tốt. - Thi cơng được trong nước. - Mặt bằng thi cơng nhỏ, ít chấn động, ít tiếng ồn, hạn chế tối đa ảnh hưởng đến các cơng trình lân cận. - Rất sạch sẽ và giảm thiểu vấn đề ơ nhiễm mơi trường. - Thiết bị nhỏ gọn, cĩ thể thi cơng trong khơng gian cĩ chiều cao hạn chế. - Và đặc biệt là thi cơng nhanh, thời gian đất đạt yâu cầu kỹ thuật xử lý ngắn, đẩy nhanh được tiến độ cải tạo đất nền. Hình 1. Phương pháp trộn ướt dưới sâu Trang 57
2. Science & Technology Development, Vol 11, No.11 - 2008 Hình 2. Phương pháp trộn khơ dưới sâu Phương pháp trộn dưới sâu là một kỹ thuật cải tạo đất để gia tăng cường độ, kiểm sốt biến dạng, và giảm thấm nhờ đất được trộn với xi măng và các vật liệu khác. Những vật liệu này cĩ liên quan đến chất kết dính và dưới dang lỏng hoặc khơ. Điều đĩ được thực hiện bằng các cọc đất-ximăng. Các cọc đất-ximăng được thực hiện bởi các mũi khoan; các mũi khoan được gắn với cần khoan. Các cần khoan được đưa vào trong đất, vữa hoặc xi măng khơ được bơm qua các lỗ ở mũi khoan và được phụt vào đất nhờ hệ thống áp lực lớn (cĩ khi tới hàng trăm atmơtfe). Nhĩm các mũi khoan và lưỡi trộn trên cần pha trộn đất với vữa/xi măng khơ giống hình thức máy trộn đất sét. Phương pháp này nhờ một loạt các phản ứng hĩa học – vật lý xảy ra giữa chất đĩng rắn với đất, làm cho đất sét yếu đĩng rắn lại thành một thể cọc cĩ tính chỉnh thể, tính ổn định và cĩ cường độ nhất định. Phương pháp mà bột xi măng khơ được sử dụng như là tác nhân chính làm ổn định được gọi là phương pháp trộn khơ dưới sâu; Cịn tác nhân làm ổn định là hình thức vữa được gọi là phương pháp trộn ướt dưới sâu. Đường kính cọc xi măng – đất thường từ 0.6 – 1.5m và cĩ thể đạt đến 40m chiều sâu. Các ứng dụng của đất trộn xi măng: - Cải tạo nền đất yếu dưới nền đường vào cầu: việc thi cơng cơng trình trên nền đất sét mềm hoặc hữu cơ cĩ những khĩ khăn và phức tạp rất lớn. Nhất là sự cố do biến dạng thẳng đứng và biến dạng ngang lớn. Bằng cách sử dụng cọc xi măng - đất thì các đặc trưng độ bền và biến dạng của đất cĩ thể được cải thiện một cách rất đáng kể và nhanh chĩng. - Làm chặt lại nền đất yếu phục vụ các cơng trình giao thơng, các bãi congtenner,các nên cơng trình thủy lợi - Gia cố mái taluys cơng trình: khi mái dốc cơng trình cĩ độ ổn định kém, đất chịu ứng suất cắt lớn, hệ số an tồn về phá hoại cĩ thể được cải thiện bằng cách gia cố các lớp đất cĩ sự chịu tải phù hợp thơng qua các cọc xi măng - đất. - Làm mĩng vững chắc cho cơng trình nhà cao tầng, cơng trình cơng nghiệp, làm tường chắn đất, làm bờ kè. - Gia cố thành hố đào, đặc biệt là nhưng hố đào sâu, yêu cầu chống thấm cao. Trang 58
3. TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 11, SỐ 11 - 2008 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN CỌC XI MĂNG - ĐẤT 2.1 Phương pháp tính tốn theo quan điểm cọc xi măng – đất làm việc như cọc [4] 2.1.1 Đánh giá ổn định cọc xi măng – đất theo trạng thái giới hạn 1 Để mĩng cọc đảm bảo an tồn cần thỏa mãn các điều kiện sau: Nội lực lớn nhất trong một cọc: Nmax < Qult/Fs Moment lớn nhất trong một cọc: Mmax < [M] của vật liệu làm cọc. Chuyển vị của khối mĩng: Δy < [Δy] Trong đĩ: Qult – Sức chịu tải giới hạn của cọc xi măng – đất. [M] – Moment giới hạn của cọc xi măng – đất. Fs – Hệ số an tồn. 2.1.2 Đánh giá ổn định cọc xi măng – đất theo trạng thái giới hạn 2 Tính tốn theo trạng thái giới hạn 2, đảm bảo cho mĩng cọc khơng phát sinh biến dạng và lún quá lớn: ΣSi < [S] Trong đĩ: [S] – Độ lún giới hạn cho phép. ΣSi – Độ lún tổng cộng của mĩng cọc. Nĩi chung, trong thực tế quan điểm này cĩ nhiều hạn chế và cĩ nhiều điểm chưa rõ ràng. Chính vì những lý do đĩ nên ít được dùng trong tính tốn. 2.1.3 Phương pháp tính tốn theo quan điểm như nền tương đương [4] Nền cọc và đất dưới đáy mĩng được xem như nền đồng nhất với các số liệu cường độ ϕtđ, Ctđ, Etđ được nâng cao. Gọi as là tỉ lệ giữa diện tích cọc xi măng – đất thay thế trên diện tích đất nền. Ap AS as = ϕtđ = asϕcọc + (1-as)ϕnền Ctđ = asCcọc + (1-as)Cnền Etđ = asEcọc + (1-as)Enền Trong đĩ: ap – Diện tích đất nền thay thế bằng cọc xi măng - đất. as – Diện tích đất nền cần thay thế. Theo phương pháp tính tốn này, bài tốn gia cố đất cĩ 2 tiêu chuẩn cần kiểm tra: tiêu chuẩn về cường độ và tiêu chuẩn về biến dạng. 2.2 Phương pháp tính tốn theo quan điểm hỗn hợp của Viện Kỹ Thuật Châu Á 2.2.1 Khả năng chịu tải của cọc đơn Khả năng chịu tải giới hạn ngắn hạn của cọc đơn trong đất sét yếu được quyết định bởi sức kháng của đất sét yếu bao quanh (đất phá hoại) hay sức kháng cắt của vật liệu cọc (cọc phá hoại), theo tài liệu của D.T.Bergado [3]: 2 Qult.soil = (πdLcol + 2.25πd ) Cu.soil Trong đĩ: d: đường kính cọc. Lcol: chiều dài cọc. Trang 59
4. Science & Technology Development, Vol 11, No.11 - 2008 Cu.soil: độ bền cắt khơng thốt nước trung bình của đất sét bao quanh, được xác định bằng thí nghiệm ngồi trời như thí nghiệm cắt cánh hoặc thí nghiệm xuyên cơn. Khả năng chịu tải giới hạn ngắn ngày do cọc bị phá hoại ở độ sâu z, theo Bergado: Qult.col = Acol (3.5Cu.col + Kbσh) Trong đĩ: o Kb: hệ số áp lực bị động; Kb = 3 khi ϕult.col = 30 . 2.2.2 Khả năng chịu tải giới hạn của nhĩm cọc Khả năng chịu tải giới hạn của nhĩm cọc xi măng - đất được tính theo cơng thức: Qult.group = 2Cu.soil.H (B + L) + k.Cu.soil.B.L Trong đĩ: B, L, H – chiều rộng, chiều dài và chiều cao của nhĩm cọc xi măng – đất. k = 6: khi mĩng hình chữ nhật. k = 9: khi mĩng hình vuơng, trịn. Trong tính tốn thiết kế, kiến nghị hệ số an tồn là 2.50 (theo D.T.Bergado, [3]). Độ lún tổng cộng của gồm 2 thành phần là độ lún cục bộ của khối được gia cố (Δh1) và độ lún của đất khơng ổn định nằm dưới khối gia cố (Δh2). Cĩ 2 trường hợp xảy ra: Trường hợp A: tải trọng tác dụng tương đối nhỏ và cọc chưa bị rão. Trường hợp B: tải trọng tương đối cao và tải trọng dục trục tương ứng với giới hạn rão của cọc. ♦ Trường hợp A: Δ h = Δ h1 + Δ h2 Tải trọng đơn vị q h1 Δ ĐẤT SÉT YẾU cọc vôi/xi măng Ho h2 Δ 1 1 2 2 SÉT Hình 3. Mơ hình tính lún trường hợp A Độ lún cục bộ phần cọc vơi – xi măng Δh1 được xác định theo giả thiết độ tăng ứng suất q khơng đổi suốt chiều cao khối và tải trọng trong khối khơng giảm: Δh.q Δh = 1 ∑ aE + (1− a)E col soil Độ lún của lớp đất yếu bên dưới đáy khối gia cố được tính tốn theo phương pháp cộng lớp phân tố với cơng thức sau: (trường hợp tổng quát) n h ⎛ σ ' σ ' +Δσ ' ⎞ Δh = i ⎜C i .lg p + C i .lg vo v ⎟ 2 ∑1+ ei ⎜ r σ ' c σ ' ⎟ i=1 0 ⎝ vo p ⎠ Trang 60
5. TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 11, SỐ 11 - 2008 Trong đĩ: hi - bề dày lớp đất tính lún thứ i. eoi - hệ số rỗng của lớp đất I ở trạng thái tự nhiên ban đầu. Cri - chỉ số nén lún hồi phục ứng với quá trình dỡ tải. Ccr - chỉ số nén lún hay độ dốc của đoạn đường cong nén lún. σ’vo - ứng suất nén thẳng đứng do trọng lượng bản thân các lớp đất tự nhiên nằm trên lớp i. Δσ’v - gia tăng ứng suất thẳng đứng. σ’p - ứng suất tiền cố kết. Tỷ số giảm lún β là tỷ số giữa độ lún tổng cộng ở dưới đáy khối đã được gia cố với độ lún khi khơng cĩ cọc vơi – xi măng và được tính theo quan hệ sau: E β = soil aE + (1− a)E col soil ♦ Trường hợp B Trong trường hợp này, tải trọng tác dụng quá lớn nên tải trọng dọc trục tương ứng với giới hạn rão. Tải trọng tác dụng được chia ra làm 2 phần, phần q1 truyền cho cọc và q2 truyền cho đất xung quanh. Phần q1 được quyết định bởi tải trọng rão của cọc và tính theo biểu thức: [3] n.Acol .σ creep q1 = B.L Giá trị q1 cĩ thể được xác định gần đúng như sau: Acol .σ creep q1 = 2 c với c là khoảng cách cọc Độ lún cục bộ phần cọc tính theo biểu thức: Δh.q Δh = 1 1 ∑ a.M col Độ lún Δh2 dưới đáy khối gia cố được tính cho cả q1 và q2, với giả thiết tải trọng q1 truyền xuống dưới đáy khối gia cố, tải trọng q2 tác động lên mặt. Tải trọng truyền lên cọc q1 Tải trọng truyền cho đất q2 q2 = q - q1 ĐẤT SÉT Móng khối qui ước o YẾ U cọc vôi/xi măng H q1 H1 1 1 Tải trọng đáy móng qui ước 2 2 SÉT SÉT a) Tải trọng truyền cho cọc b) Tải trọng truyền cho đất Trang 61
6. Science & Technology Development, Vol 11, No.11 - 2008 Hình 4. Mơ hình tính lún cho trường hợp B 3. THIẾT KẾ CẤP PHỐI Việc thiết kế hỗn hợp xi măng đất yêu cầu phải cĩ được những thơng tin về tính chất của đất và các điều kiện khác của vùng đất dự án. Các yêu cầu kỹ thuật của cọc xi măng đất chi phối trong thiết kế cấp phối. Người kỹ sư thường chú ý đến các yêu cầu về cường độ, modul đàn hồi, khả năng thấm và các yêu cầu cần thiết để xác định được tính liên tục và đồng nhất trong suốt chiều sâu cọc. Việc thiết kế cấp phối thường được xác định bởi nhà thầu chuyên về kỹ thuật trộn sâu. Cấp phối cuối cùng được khẳng định tại đất hiện trường, loại thiết bị sử dụng, qui trình lắp đặt, yêu cầu chất lượng và tính kinh tế của dự án. 3.1 Cường độ thiết kế Cĩ nhiều yếu tố ảnh hưởng đến cường độ cuối cùng của xi măng đất ở ngồi thực tế, chẳng hạn như cơng nghệ thi cơng, mơi trường ninh kết, kích thước khối đất xử lý bị ảnh hưởng bởi nhiệt tỏa ra từ quá trình hydrat hĩa. Vì vậy, cùng với sự thay đổi các điều kiện trên mặt đất, một vấn đề cần chú ý là chất lượng của xi măng đất trên thực tế sẽ khác với chất lượng các mẫu chế tạo trong phịng với mơi trường hồn tồn khống chế được. Từ rất nhiều thí nghiệm ở của tác giả cho thấy rằng, cường độ của xi măng đất ngồi thực tế chỉ bằng khoảng 1/2 cho đến 1/3 cường độ mẫu trong phịng như trên hình 5. Những sai khác như vậy cĩ thể là do ảnh hưởng bởi sự phân tán của mẫu được lấy từ nhiều dự án đã làm ở Việt Nam. Rõ ràng là cường độ thiết kế thực tế phải dựa trên những kinh nghiệm xét đến ảnh hưởng của loại đất vùng dự án, loại chất kết dính, các thử nghiệm trước khi thi cơng, mức độ giám sát và bảo đảm chất lượng. 10.00 9.00 8.00 7.00 6.00 5.00 y = 0.5x + 3.49 R2 = 0.49 nghiệm (MPa) nghiệm 4.00 3.00 2.00 Cường độ chịu nén trong phòng thí 1.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 Cường độ chịu nén ngoài hiện trường (MPa) Hình 5. Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén trong phịng thí nghiệm và ngồi hiện trường 3.2 Thiết kế hỗn hợp xi măng đất Đầu tiên đất được lấy ở những độ sâu khác nhau mang về phịng thí nghiệm, với mục đích gia cố là tăng cường độ thì thiết kế cấp phối với các hàm lượng xi măng khác nhau và xác định cường độ xi măng đất ở tuổi 7 ngày, 28 ngày. Nhằm phối hợp ảnh hưởng của hiện trường, tùy thuộc vào qui mơ và mức độ quan trọng của dự án, các thí nghiệm hiện trường trước khi khởi Trang 62
7. TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 11, SỐ 11 - 2008 cơng thường tiến hành chọn ít nhất là 2 vị trí trên cơng trình. Với dự án nhỏ thì cĩ thể sử dụng các tài liệu đã cĩ để thiết kế. Tỷ lệ cuối cùng của hỗn hợp xi măng đất được thiết kế dựa trên yêu cầu về cường độ (trên nguyên tắc bảo đảm cường độ nằm trong phạm vi cho phép), các kết quả thí nghiệm trong phịng và hiện trường, ảnh hưởng của mơi trường và thiết bị thi cơng. Theo kinh nghiệm, hàm lượng xi măng trong khoảng 50 ~ 300 kg/m3 đất. Theo thống kê hàm lượng xi măng thay đổi theo từng loại đất. 9.0 8.0 7.0 6.0 (MPa) 5.0 4.0 3.0 Cường độ nén chịu 28 ngày 2.0 130 140 150 160 170 180 190 200 Tỷ lệ xi măng (kg/m3) Hiện trường Phòng thí nghiệm Hình 6. Mối quan hệ giữa hàm lượng xi măng với cường độ chịu nén 28 ngày tại đại lộ Ðơng Tây Tp. HCM. 4. NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN Trong những năm gần đây cơng nghệ cải tạo đất nền bằng cọc xi-măng đất đã được ứng dụng khá nhiều ở nước ta. Như đại lộ Đơng Tây Thành phố Hồ Chí Minh, dự án cải tạo mơi trường thành phố Hồ Chí Minh, tầng hầm cơng trình cao tầng Tamsquaer Đồng Khởi Tp Hồ Chí minh nhà máy điện Ơ mơn Cần Thơ và một số cơng trình cảng ở Bà Rịa –Vũng Tàu, v.v. Nhưng các nhà thầu phần lớn là của Nhật, Trung Quốc, Đài loan. Vì chúng ta chưa cĩ kinh nghiệm, các qui trình về thiết kế thi cơng của nước ta cũng đang ở giai đoạn soạn thảo sơ lược, chưa cụ thể và đầy đủ. Vì vậy bài viết này hy vọng giới thiệu cho người đọc tiếp cận với cơng nghệ cải tạo nền đất-ximăng rất nhanh chĩng và đạt hiệu quả cao. Tuy rằng cơng nghệ này mới ở giai đoạn bước đầu sử dụng tại một số cơng trình ở nước ta. Sau đây là một số nhận xét và kiến nghị của tác giả: * Trong hai phương pháp trộn khơ và trộn ướt; phương pháp trộn ướt cĩ nhược điểm là thiết bị đắt tiền hơn nhưng khi áp dụng vào thực tiễn thì đạt hiệu quả cao hơn nhiều so với phương pháp trộn khơ. * Qua các phương pháp tính tốn vừa trình bày trên, tác giả nhận thấy rằng quan điểm xem trụ đất-xi măng làm việc như trụ cĩ nhiều hạn chế. Theo quan điểm này thì địi hỏi trụ đất –xi măng phải cĩ độ cứng tương đối lớn và các mũi trụ phải đưa vào tầng đất chịu tải. Khi đĩ tải trọng truyền vào mĩng chủ yếu truyền vào trụ đất-xi măng. Trong trường hợp trụ đất xi- măng khơng đưa được vào tầng đất chịu lực thì dùng phương pháp tính như đối với trụ ma sát; Chính vì vậy mà quan điểm này cĩ nhiều hạn chế khi đưa vào tính tốn cho địa tầng đất yếu ở khu vực thành phố Hồ Chí Minh. Quan điểm xem cọc đất-xi măng và đất là mơ hình nền tương đương cũng cĩ nhiều hạn chế. Vì theo quan điểm này xem nền trụ và đất dưới đáy mĩng là nền đồng nhất trường hợp này cĩ thể được áp dụng khi mật độ cọc xi măng thiết kế khá dày. Trang 63
8. Science & Technology Development, Vol 11, No.11 - 2008 Phương pháp tính tốn theo quan điểm hỗn hợp của viện kỹ thuật châu Á (AIT) cĩ nhiều ưu điểm hơn và phù hợp với thực tế hơn. * Tỷ lệ xi măng cĩ ảnh hưởng tuyến tính đến cường độ chịu nén nở hơng của xi măng-đất. Điều này cho thấy rằng chúng ta cĩ dễ dàng dự đốn được lượng xi măng cần dùng trong sản phẩm xi măng đất ngồi thực tế. * Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén trong phịng thí nghiệm-hiện trường cĩ thể biểu thị dưới dạng hàm quan hệ như sau: qptn = (3-5)qhtr. Tỷ lệ này biến đổi phụ thuộc vào loại đất và mơi trường sử dụng. SOFT GROUND TREATING METHODS BY USING SOIL – CEMENT COLUMN Đau Van Ngo University of Technology, VNU-HCM ABSTRACT: This paper gives an overview of soft ground treating methods which are used soil-cement columns, calculated methods and geomaterial designs. It also shows the relationship between Laboratory and in-situ compressive strength at 28-day age of Sai Gon East West high way project. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Lê Quý An, Nguyễn Cơng Mẫn, Nguyễn Văn Quỳ, Cơ học đất, Nhà xuất bản Giáo dục, năm (1995). [2]. Châu Ngọc Ẩn, Cơ học đất, Nhà xuất bản Đại học Quốc Gia Tp.HCM, năm (2004). [3]. Bergado D.T, Chai J.C, Alfaro M.C, Những biện pháp kỹ thuật mới cải tạo đất yếu trong xây dựng. Nhà xuất bản Giáo dục, năm (1996). [4]. Nguyễn Quốc Dũng, Phùng Vĩnh An, Nguyễn Quốc Huy, Cơng nghệ khoan phụt cao áp trong xử lý nền đất yếu, Nhà xuất bản Nơng nghiệp, năm (2005). [5]. Trung Tâm Nghiên Cứu Cơng Nghệ và Thiết Bị Cơng Nghiệp trường Đại học Bách Khoa-Đại học Quốc Gia Tp.Hồ Chí Minh - Kết quả thí nghiệm cấp phối cọc đất- xi măng đại lộ Đơng Tây Tp. Hồ Chí Minh. Trang 64