Kiến trúc xây dựng - Gia cố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất

ún, sập khi xây dựng trên nền đất yếu do không có những biện pháp xử lý hiệu quả, không đánh giá chính xác được các tính chất cơ lý của nền đất để làm cơ sở và đề ra các giải pháp xử lý nền móng phù hợp. Đây là một vấn đề hết sức khó khăn, đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa kiến thức khoa học và kinh nghiệm thực tế để giải quyết, giảm được tối đa các sự cố, hư hỏng của công trình khi xây dựng trên nền đất yếu. Một số đặc điểm của nền đất yếu Thuộc loại nền đất yếu thường là đất sét có lẫn nhiều hữu cơ; Sức chịu tải bé (0,5 – 1kg/cm2); Đất có tính nén lún lớn (a>0,1 cm2/kg); Hệ số rỗng e lớn (e > 1,0); Độ sệt lớn (B>1); Mô đun biến dạng bé (E<50kg/cm2); Khả năng chống cắt (C) bé, khả năng thấm nước bé; Hàm lượng nước trong đất cao, độ bão hòa nước G>0,8, dung trọng bé Các loại nền đất yếu chủ yếu và thường gặp - Đất sét mềm: Gồm các loại đất sét hoặc á sét tương đối chặt, ở trạng thái bão hòa nước, có cường độ thấp; - Đất bùn: Các loại đất tạo thành trong môi trường nước, thành phần hạt rất mịn, ở trạng thái luôn no nước, hệ số rỗng rất lớn, rất yếu về mặt chịu lực; - Đất than bùn: Là loại đất yếu có nguồn gốc hữu cơ, được hình thành do kết quả phân hủy các chất hữu cơ có ở các đầm lầy (hàm lượng hữu cơ từ 20 -80%); - Cát chảy: Gồm các loại cát mịn, kết cấu hạt rời rạc, có thể bị nén chặt hoặc pha loãng đáng kể. Loại đất này khi chịu tải trọng động thì chuyển sang trạng thái chảy gọi là cát chảy; - Đất bazan: là loại đất yếu có độ rỗng lớn, dung trọng khô bé, khả năng thấm nước cao, dễ bị lún sụt. THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 7 II. LỊCH SỬ RA ĐỜI PHƯƠNG PHÁP GIA CÔ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT Từ lâu ta đã biết nếu trộn đất sét với một lượng vôi , xi măng hoặc chất liên kết vô cơ tương tự thì sẽ được một vật liệu có tính chất cơ học cao hơn hẳn đất không gia cố . Kỹ thuật gia cố vôi đầu tiên được áp dụng và phát triển mạnh mẽ trong việc xây dựng các lớp móng đường . Gần đây người ta áp dụng kỹ thuật này để cải thiện tính chất cơ lý của đất sét yếu trên nền thiên nhiên . Trước đây người ta thường gia cố nền đất yếu bằng cọc vôi . Để thi công cọc vôi người ta đào hoặc khoan lỗ có đường kính 30–50 cm cách nhau từ 2-5m rồi cho vôi cục chưa tôi vào . Khi tác dụng với nước , vôi sống được tôi sẽ tăng thể tích lên 60-80% , do đó tác dụng nén chặt đất xung quanh . Đồng thời vôi còn tác dụng với đất xung quanh cọc làm tăng cường độ , hút nước rồi tỏa nhiệt , làm nước bốc hơi và làm giảm độ ẩm của đất yếu xung quanh cọc vôi . Tuy nhiên do độ thấm của đất nhỏ nên sự lan truyền của vôi trong khối đất bị hạn chế , nên việc cải thiện tính chất của đất yếu của cột vôi còn rất cục bộ . Để giải quyết vấn đề này , năm 1975 các kỹ sư Thụy Điển đã trộn trực tiếp vôi với đất sét mềm ngay trong vùng đất yếu , làm thành các cọc gia cố vôi . Kỹ thuật gia cố vôi của Thụy Điển là xây dựng ngay trong vùng đất yếu các cọc có đường kính 50 cm bằng một thiết bị trộn đặc biệt , kiểu khoan đĩa hoặc giống như một dụng cụ đánh trứng khổng lồ . Khoan được xoắn vào đất đến cao độ tương ứng với chiều dài cọc thiết kế và được rút lên khi xoay ngược chiều . Tốc độ quay và khả năng chuyển vật liệu được điều chỉnh phù hợp với bước của dụng cụ để tránh làm xáo động đất . Vôi sống sẽ được chuyển đồng thời bằng khí nén từ xi lô qua ông dẫn trong cần khoan vào đất . Tốc độ rút lên cố thể được điều chỉnh phù hợp với tính chất đất . Quá trình khuấy trộn đồng thời cũng làm chặt đất xung quanh cọc . Tác dụng lý hóa giữa vôi và đất xảy ra , quá trình rắn chắc của đất gia cố phát triển theo thời gian tạo thành cọc có sức chịu tải nhất định . Đây là tiền đề cho các công nghệ gia cố phát triển sau này như gia cố cọc xi măng đất , gia cố cọc cát hay kết hợp cọc vôi , cát , xi măng . III. GIẢI PHÁP GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT . Cọc đất–ximăng(Đ–XM) là một trong những giải pháp xử lý nền đất yếu với khả năng ứng dụng tương đối rộng rãi như: làm tường hào chống thấm cho đê đập, gia cố nền móng cho các công trình xây dựng, ổn định tường chắn, chống trượt mái dốc, gia cố đất yếu xung quanh đường hầm, gia cố nền đường, mố cầu dẫn...So với một số giải pháp xử THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 8 lý nền hiện có, công nghệ cọc Đ–XM có ưu điểm là khả năng xử lý sâu (đến 50m), thích hợp với các loại đất yếu (từ cát thô cho đến bùn yếu), thi công được cả trong điều kiện nền ngập sâu trong nước hoặc điều kiện hiện trường chật hẹp, trong nhiều trường hợp đã đưa lại hiệu quả kinh tế rõ rệt so với các giải pháp xử lý khác.  Ứng dụng của cọc đất – ximăng  - Làm giảm độ lún và tăng độ ổn định của nền đất đắp.  - Làm tăng độ ổn định của mái dốc, gia cố hố đào móng nông.  - Nền và móng cho công trình.  - Giảm áp lực đất chủ động, tăng áp lực đất bị động lên tường cừ ở hố đào sâu.  Các công trình thông dụng sử dụng công nghệ cột đất – ximăng:  - Công trình giao thông: nền đắp của đường bộ, đường sắt, đường dẫn đầu cầu, bến bãi đỗ xe, cảng container  - Móng bồn bể chứa. Nền móng nhà công nghiệp  - Các loại hố đào.  - Các vùng đất lấn biển, san lấp ven sông  Hiệu quả từ việc sử dụng công nghệ gia cố đất nền bằng cột đất – ximăng:  - Kinh tế, thời gian xử lý nhanh.  - Không gây ảnh hưởng tới các công trình lân cận. IV. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XIMĂNG - ĐẤT TRÊN THẾ GIỚI Tại Châu Âu, công nghệ cọc Đ-XM được nghiên cứu và ứng dụng bắt đầu ở Thụy Điển và Phần Lan bắt đầu từ năm 1967. Nước ứng dụng công nghệ Đ-XM nhiều nhất là Nhật Bản và các nước vùng Scandinaver. Theo thống kê của hiệp hội CDM (Nhật Bản), tính chung trong giai đoạn 1980-1996 có 2345 dự án, sử dụng 26 triệu m3 BTĐ. Riêng từ 1977 đến 1993, lượng đất gia cố bằng xi măng ở Nhật vào khoảng 23,6 triệu m3 cho các dự án ngoài biển và trong đất liền, với khoảng 300 dự án. Hiện nay hàng năm thi công khoảng 2 triệu m3. Tại Trung Quốc, công tác nghiên cứu bắt đầu từ năm 1970, tổng THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 9 khối lượng xử lý bằng cọc Đ-XM ở Trung Quốc cho đến nay vào khoảng trên 1 triệu m3. V. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XIMĂNG - ĐẤT Ở VIỆT NAM: Tại Việt nam, việc áp dụng thi công đại trà gia cố nền đất sử dụng công nghệ khô trộn sâu – thi công cọc Đ-XM bắt đầu được tiến hành từ những năm đầu thế kỷ 21. Năm 2001, tập đoàn Hercules của Thuỵ điển hợp tác với Công ty CP Phát triển kỹ thuật xây dựng( TDC) thuộc Tổng công ty xây dựng Hà nội đã thi công xử lý nền móng cho 08 bể chứa xăng dầu có đường kính 21m, cao 9m ( dung tích 3000m3 / bể) của công trình Tổng kho xăng dầu Cần thơ bằng cọc đất xi măng. Từ năm 2002 đến 2005 đã có một số dự án bắt đầu ứng dụng cọc Đ-XM vào xây dựng các công trình trên nền đất, như: Dự án cảng Ba Ngòi (Khánh Hòa) đã sử dụng 4000m cọc Đ-XM có đường kính 0,6m , gia cố nền móng cho nhà máy nước huyện Vụ Bản (Hà Nam), xử lý móng cho bồn chứa xăng dầu ở Đình Vũ (Hải Phòng), dự án thoát nước khu đô thị Đồ Sơn - Hải Phòng, dự án sân bay Cần Thơ, dự án cảng Bạc Liêu, các dự án trên đều sử dụng công nghệ trộn khô, độ sâu xử lý trong khoảng 20m. Năm 2004, Viện Khoa học Thủy lợi đã tiếp nhận chuyển giao công nghệ khoan phụt cao áp (Jet-grouting) từ Nhật Bản. Đề tài đã ứng dụng công nghệ và thiết bị này trong nghiên cứu sức chịu tải của cọc đơn và nhóm cọc, khả năng chịu lực ngang, ảnh hưởng của hàm lượng XM đến tính chất của cọc Đ-XM,... nhằm ứng dụng cọc Đ-XM vào xử lý đất yếu, chống thấm cho các công trình thuỷ lợi. Nhóm đề tài cũng đã sửa chữa chống thấm cho Cống Trại (Nghệ An), cống D10 (Hà Nam), Cống Rạch C (Long An)...Tại thành phố Đà Nẵng, cọc Đ- XM được ứng dụng ở Plazza Vĩnh Trung dưới 2 hình thức: Làm tường trong đất và làm cọc thay cọc nhồi. Tại Tp. Hồ Chí Minh, cọc Đ-XM được sử dụng trong dự án Đại lộ Đông Tây, building Saigon Times Square.. Hiện nay, các kỹ sư hãng Orbitec đang đề xuất sử dụng cọc Đ- XM để chống mất ổn định công trình hồ bán nguyệt – khu đô thị Phú Mỹ Hưng, dự án đường trục Bắc – Nam (giai đoạn 3) cũng kiến nghị chọn cọc Đ-XM xử lý đất yếu. VI. NGUYÊN TẮC GIA CỐ ĐẤT NỀN Cọc Đ-XM được gia cố là hỗn hợp giữa đất nguyên trạng nơi gia cố với hỗn hợp xi măng được phun xuống thông qua thiết bị khoan trộn. Cột gia cố tạo thành bởi hỗn hợp đất tại chỗ và chất kết dính, mà thông thường là vôi và ximăng. Mũi trộn được đưa xuống đất bằng cách khoan xoay, khi tới độ sâu thiết kế, mũi trộn đảo chiều ngược lại và đồng thời rút dần lên, trộn đất tại chỗ với chất gia cố. Trong suốt quá trình rút lên, hỗn hợp chất gia cố được phun vào bằng khí nén ở đầu mũi trộn, tới cao độ đầu cột thì dừng lại. THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 10 1. Quá trình nén chặt cơ học Gia cố nền bằng cọc xi măng đất là dùng thiết bị chuyên dụng đưa một lượng vật liệu vào nền đất dưới dạng cọc hỗn hợp cát - xi măng - vôi. Lượng vật liệu cát, xi măng và vôi này sẽ chiếm chỗ các lỗ hổng trong đất làm cho độ lỗ rỗng giảm đi, các hạt đất sắp xếp lại, kết quả là đất nền được nén chặt. Xét một khối đất có thể tích ban đầu Vo , thể tích hạt rắn Vho , thể tích lỗ rỗng ban đầu Vro, ta có: Vo = Vho + Vro (1) Sau khi gia cố, thể tích khối đất sẽ là V, thể tích hạt rắn là Vh, thể tích lỗ rỗng Vr: V = Vh + Vr (2) Như vậy, sự thay đổi thể tích khối đất là: ∆ V = Vo – V (3) = (Vho + Vro) - (Vh + Vr) Thể tích các hạt rắn được coi như không đổi trong quá trình gia cố, nghĩa là Vho = Vh , do đó: ∆ V = Vro - Vr ∆ V = ∆ Vr (4) Biểu thức (4) cho thấy: sự thay đổi thể tích khối đất khi gia cố chính là sự thay đổi thể tích lỗ rỗng trong khối đất. Như vậy, khi gia cố nền bằng cọc xi măng đất quá trình nén chặt đất sẽ xảy ra tức thời. Hiệu quả nén chặt phụ thuộc vào thể tích vật liệu được đưa vào nền, nghĩa là phụ thuộc vào số lượng, đường kính cũng như khoảng cách giữa các cọc, hình dạng bố trí cọc. Việc xác định đường kính cọc, khoảng cách giữa các cọc và sơ đồ bố trí cọc hoàn toàn có thể xác định như đối với cọc cát. Còn chiều sâu gia cố phụ thuộc vào chiều sâu vùng hoạt động nén ép dưới đáy móng công trình, nghĩa là, tại độ sâu mà ở đó thoả mãn một trong các điều kiện sau đây: - ứng suất nén ép (σ z ) nhỏ hơn hoặc bằng 0,1 ứng suất bản thân (σ bt) của đất. - ứng suất nén ép (σ z) nhỏ hơn hoặc bằng áp lực bắt đầu cố kết thấm của đất. - ứng suất nén ép σ z ≤ 20 – 30 kPa Việc kiểm tra đánh giá định lượng tác dụng nén chặt đất khi gia cố nền bằng cọc xi măng đất có thể thực hiện được bằng nhiều phương pháp như khoan lấy mẫu đất trong phạm vi giữa các cọc để xác định hệ số rỗng cũng như khối lượng thể tích của đất sau gia cố THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 11 hoặc dùng thí nghiệm xuyên tĩnh hay nén tĩnh nền. Các công việc này đơn giản, dễ tiến hành. 2. Quá trình cố kết thấm Ngoài tác dụng nén chặt đất, cọc xi măng đất còn có tác dụng làm tăng nhanh quá trình cố kết của đất nền. Do cọc xi măng đất được đưa vào nền dưới dạng khô nên hỗn hợp cát - xi măng - vôi sẽ hút nước trong đất nền để tạo ra vữa xi măng, sau đó biến thành đá xi măng. Quá trình tạo vữa xi măng làm tổn thất một lượng nước lớn chứa trong lỗ hổng của đất, nghĩa là làm tăng nhanh quá trình cố kết của nền đất. Quá trình này xảy ra ngay sau khi bắt đầu gia cố và kéo dài cho đến khi nền đất được gia cố xong, toàn bộ cọc xi măng đất trở thành một loại bê tông . Đây là quá trình biến đổi hoá lý phức tạp, chia làm hai thời kỳ: thời kỳ ninh kết và thời kỳ rắn chắc. Trong thời kỳ ninh kết, vữa xi măng mất dần tính dẻo và đặc dần lại nhưng chưa có cường độ. Trong thời kỳ rắn chắc, chủ yếu xảy ra quá trình thuỷ hoá các thành phần khoáng vật của clinke, gồm silicat tricalcit 3CaO.SiO2, silicat bicalcit 2CaO.SiO2, aluminat tricalcit 3CaO.Al2O3, fero-aluminat tetracalcit 4CaO.Al2O3Fe2O3: 3CaO.SiO2 + nH2O ⇒ Ca(OH)2 + 2CaO.SiO2(n-1)H2O. 2CaO.SiO2 + mH2O ⇒ 2CaO.SiO2mH2O. 3CaO.Al2O3 + 6H2O ⇒ 3CaO.Al2O3.6H2O. 4CaO.Al2O3Fe2O3 + nH2O ⇒ 3CaO.Al2O3.6H2O +CaO.Fe2O3.mH2O Các sả n phẩm chủ y ế u được hình thành sau quá trình thuỷ hoá là Ca(OH)2, 3CaO.Al2O3.6H2O, 2CaO.SiO2mH2O và CaO.Fe2O3.mH2O. Quá trình rắn chắc của xi măng có thể chia ra làm 3 giai đoạn :  Giai đoạn hoà tan: các chất Ca(OH)2, 3CaO.Al2O3.6H2O sinh ra sau quá trình thuỷ hoá hoà tan được trong nước sẽ ngay lập tức hoà tan tạo thành thể dịch bao quanh mặt hạt xi măng.  Giai đoạn hoá keo: đến một giới hạn nào đó, lượng các chất Ca(OH)2 , 3CaO.Al2O3.6H2O không hoà tan được nữa sẽ tồn tại ở thể keo. Chất silicat bicalcit (2CaO.SiO2) vốn không hoà tan sẽ tách ra ở dạng phân tán nhỏ trong dung dịch, tạo thành keo phân tán. Lượng keo này ngày càng sinh ra nhiều, làm cho các hạt keo phân tán tương đối nhỏ tụ lại thành THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 12 những hạt keo lớn hơn ở dạng sệt khiến cho xi măng mất dần tính dẻo và ninh kết lại dần dần nhưng chưa hình thành cường độ.  Giai đoạn kết tinh: các chất Ca(OH)2 , 3CaO.Al2O3.6H2O từ thể ngưng keo chuyển sang dạng kết tinh, các tinh thể nhỏ đan chéo nhau làm cho xi măng bắt đầu có cường độ, chất 2CaO.SiO2mH2O tồn tại ở thể keo rất lâu, sau đó có một phần chuyển thành tinh thể. Do lượng nước ngày càng mất đi, keo dần dần bị khô, kết chặt lại và trở nên rắn chắc. Các giai đoạn hoà tan, hoá keo và kết tinh không xảy ra độc lập, mà xảy ra đồng thời với nhau, xen kẽ nhau. Ngoài ra, vôi trong hỗn hợp tạo cọc có tác dụng như chất gắn kết giống như xi măng, đồng thời có khả năng hấp thụ nước lớn và toả nhiệt làm tăng sức kháng cắt của cọc và tăng nhanh quá trình cố kết của đất nền. Quá trình thuỷ hoá vôi kèm theo sự toả nhiệt được biểu diễn bằng phản ứng sau : CaO + H2O ⇒ Ca(OH)2 + 15,5 kcalo Cường độ củ a hỗn hợp tăng lên mộ t phần do phản ứng silicat, mộ t phần do phản ứng carbonat, lượng CaCO3 còn dư trong vôi sẽ trở thành những mầm kết tinh, bao quanh bởi các hạt keo và tinh thể, chúng phát triển và tăng dần cường độ. Mặt khác, nếu tỷ lệ phối trộn giữa xi măng, cát và vôi cũng như thành phần hạt của cát hợp lý thì cọc xi măng đất sau khi đông cứng vẫn có thể cho nước thoát qua và làm việc tương tự như một giếng thu nước thẳng đứng, giống như cọc cát. Dưới tác dụng của tải trọng ngoài, cùng với thời gian, ứng suất hữu hiệu tăng lên, ứng suất trung tính giảm đi, nước trong lỗ rỗng của đất sẽ thấm theo phương ngang vào cọc rồi sau đó thoát ra ngoài dọc theo chiều dài cọc. Bài toán cố kết thấm của nền đất khi gia cố bằng cọc xi măng đất cũng giống như bài toán cố kết thấm của nền khi dùng cọc cát và đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu. Năm 1935, L.Rendulic đã đưa ra phương trình vi phân cố kết đối xứng để xác định trị số áp lực nước lỗ rỗng trong nền và năm 1942, N.Carrillo đã phân bài toán cố kết thấm 3 chiều thành tổng hợ p củ a bài toán cố kế t thấm theo chiều thẳng đứng và theo hướng xuyên tâm. K.Terzaghi đã dùng phương pháp giải tích để giải bài toán cố kết thấm theo chiều thẳng đứng, còn R.E.Glover, R.A.Barron đã giải bài toán cố kết thấm theo hướng xuyên tâm. Năm 1948, R.A.Barron đã đưa ra lời giải toàn diện đầu tiên cho bài toán cố kết của trụ đất có chứa một cọc cát (cát - xi măng - vôi) ở giữa. Khi trong nền có các cọc xi măng đất, chiều dài đường thấm theo phương ngang sẽ nhỏ hơn nhiều lần chiều dài đường thấm theo phương đứng, do đó có thể coi vai trò thoát THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 13 nước theo phương ngang của cọc xi măng đất là chủ yếu. Tuy vậy, trong tính toán quá trình cố kết của nền đất gia cố vẫn thường xác định độ cố kết toàn phần (kết quả tổng hợp của quá trình thoát nước theo phương ngang và theo phương đứng) bằng định đề Carrillo: P = 1 - (1 - Ph)(1 - Pv) trong đó :  P : độ cố kết toàn phần của đất  Ph : độ cố kết trung bình của đất theo phương ngang  Pv : độ cố kết trung bình của đất theo phương đứng Hệ số thấm của cọc xi măng đất ảnh hưởng nhiều đến quá trình cố kết của nền đất. Theo nhiều nghiên cứu, khi hệ số thấm ngang của nền đất kh < 1.10-7 cm/s hoặc hệ số cố kết theo phương ngang Ch < 1.10-4 m2/ng.đ thì tác dụng cố kết của nền đất sẽ bị hạn chế. Để đảm bảo cọc xi măng đất làm việc tốt trong quá trình cố kết thì hệ số thấm của vật liệu cọc cần lấy > 2÷ 3 m/ng.đ. Muốn vậy, cần chế tạo mẫu chế bị với các tỷ lệ xi măng, cát và vôi khác nhau và tiến hành thí nghiệm mẫu xác định hệ số thấm. Để đánh giá định lượng quá trình cố kết của nền đất khi gia cố bằng cọc xi măng đất có thể đặt các thiết bị đo áp lực nước lỗ rỗng tại các thời điểm trước, sau khi gia cố và trong thời gian sử dụng công trình. 3. Quá trình gia tăng cường độ của cọc gia cố và sức kháng cắt của đất nền Khi gia cố nền đất yếu bằng cọc cát, sức kháng cắt của cọc cát dưới tác dụng của tải trọng ngoài xác định theo định luật Coulomb τ = σ tgϕ , với ϕ là góc ma sát trong của cát. Khi trộn thêm xi măng và vôi vào cát, do hình thành liên kết xi măng - vôi trong cọc nên khả năng chịu lực nén và lực cắt của cọc gia cố tăng lên đáng kể. Lúc đó, sức kháng cắt của cọc xi măng đất xác định theo biểu thức τ = σ tgϕ + Cxm , với Cxm là lực dính được tạo nên bởi liên kết xi măng - vôi. Giá trị Cxm có thể xác định được nhờ thí nghiệm cắt các mẫu chế bị ở trong phòng. Như vậy, khác với cọc cát, cọc xi măng đất có độ bền lớn nhờ lực dính trong hỗn hợp tạo cọc tăng lên. Độ bền của cọc xi măng đất phụ thuộc vào lực dính trong liên kết xi măng - vôi, nghĩa là phụ thuộc vào hàm lượng xi măng và vôi trong hỗn hợp tạo cọc. Mặt khác, khi trộn xi măng, vôi vào trong cát và đưa vật liệu vào nền đất, ở mặt tiếp xúc giữa cọc và đất nền sẽ xảy ra quá trình trao đổi ion và phản ứng puzolan. Các ion calci THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 14 hoá trị 2 thay thế các ion natri và hydro hoá trị 1 ở trong lớp điện kép bao quanh mỗi hạt khoáng vật sét. Vì cần ít hơn calci hoá trị 2 để trung hoà lưới điện âm trên mặt của mỗi khoáng vật sét nên giảm được kích thước của lớp điện kép và do đó làm tăng lực hút của các hạt sét, dẫn đến lực dính của đất tăng lên. Hơn nữa, silic và nhôm trong khoáng vật sét sẽ phản ứng với silicat calci và hydrat nhôm calci trong phản ứng puzolan, tạo ra các hợp chất có độ bền cao và rất bền trong môi trường nước. Những quá trình này làm tăng lực ma sát và lực dính của đất xung quanh cọc gia cố, dẫn đến làm gia tăng cường độ của đất nền. Cần phải nhấn mạnh rằng, tất cả các quá trình nén chặt cơ học, quá trình cố kết, quá trình gia tăng cường độ của cọc và đất nền khi gia cố bằng cọc xi măng đất đều có liên hệ hữu cơ với nhau. Các quá trình này không độc lập với nhau mà diễn ra đồng thời với nhau, là động lực thúc đẩy phát triển của nhau. THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 15 PHẦN 2 THI CÔNG CỌC XI MĂNG ĐẤT THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 16 I. GIỚI THIỆU 4. Lịch sử phát triển Hình 01 Sơ đồ phân loại chung các thiết bị trộn sâu Công nghệ gia cố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất bắt đầu được nghiên cứu và ứng dụng vào những năm 60 của thế kỷ XX tại Thụy Điển và Nhật Bản. Kỹ thuật phun khô dùng vôi bột chưa tôi được dùng ở Nhật Bản từ nững năm 70. Khoảng thời gian đó trụ đất vôi cũng dùng ở Thụy Điển. Trộn ướt vữa xi măng cũng được Nhật Bản áp dụng trong những năm 70. Phương pháp trôn khô và trộn ướt được phổ biến và ứng dụng rộng THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 17 rãi ở Nhật Bản và Châu Âu từ thập niên 80 để gia cố nền đất yếu, gia cố mái dốc, bờ kè, giải quyết vấn đề ô nhiễm của các bãi chôn lấp chất thải. Gần đây, công nghệ trộn tổ hợp được phát triển kết hợp với phun tia, máy trộn bề mặt. Sơ đồ phân loại thiết bị được tóm tắt trong hình xx. 5. Nguyên lý gia cố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất Hình 02. Minh họa phương pháp gia cố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất Gia cố nền đất bằng cọc xi măng đất là sử dụng thiết bị chuyên dụng đưa chất kết dính (là xi măng hoặc hỗn hợp xi măng và các loại vật liệu khác như cát, nước, vôi,) vào nền đất làm tăng các tính chất cơ lý nền đất. Từ đó giúp đất nền giảm thể tích lỗ rỗng, tăng cường độ và sức khác, đẩy nhanh quá trình cố kết thấm. 6. Tác dụng cải thiện tính chất cơ lý của cọc xi măng đất a) Làm tăng cường độ và sức kháng Thứ nhất, Cường độ của nền đất được gia cố bằng cọc xi măng đất được cải thiện nhờ góc ma sát trong, lực dính và trọng lượng thể tích của đất được tăng lên.  Theo mục 3.37 TCVN 45-78, cường độ chịu tải của đất nền được xác định theo công thức mm12 R Ab  Bh ''  Dc   h0  ktc Trong đó: THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 18  A,B,D là các hệ số phụ thuộc vào góc ma sát trong  của đất nền.  c là lực dính của lớp đất dưới đáy móng.   ,  ' lần lượt là trọng lượng thể tích trung bình của các lớp đất trên và dưới đáy móng.  bh, 0 là bề rộng đáy móng và độ sâu chôn móng.  m12 m,, k tc là các hệ số xét đến điều kiện làm việc. Ta có thể thấy, cường độ chịu tải của đất nền phụ thuộc nhiều vào lực dính c, góc ma sát trong và các trọng lượng thể tích , .  Lượng vật liệu được đưa vào đất nền sẽ chiếm chỗ của các lỗ rỗng trong đất, từ đó các hạt đất được sắp xếp lại kết quả là độ rỗng của đất giảm đi và nền đất được nén chặt lại. Vì vậy trọng lượng riêng tự nhiên của đất nền được tăng thêm.  Khi được phun vào đất, quá trình ninh kết và rắn chắc của xi măng xảy ra bằng phản ứng hóa học tạo thành nhiều sản phẩm như Ca(OH)2, 3CaO.Al2O3.6H2O, 2CaO.SiO2.mH2O và CaO.Fe2O3.mH2O. Trong đó Ca(OH)2 và 3CaO.Al2O3.6H2O có tính dính và dẻo. Do đó, chúng góp phần làm tăng lực dính của đất nền.  Khi xi măng trong đất rắn chắc, góc ma sát trong của nền đất cũng được cải thiện thêm. Thứ hai, nền đất trước khi được gia cố có sức kháng cắt .tgc . Khi được gia cố bằng cọc xi măng đất sức kháng cắt của đất nền cũng được cải thiện nhờ hai yếu tố. Một là, sức kháng cắt được bổ sung thành phần lực dính cxm được tạo nên bởi liên kết của xi măng với các hạt trong đất. Hai là, góc ma sát trong được tăng lên theo tỉ lệ xi măng được thêm vào nền đất.  .'tgcc  xm b) Đẩy nhanh quá trình cố kết thấm Sau khi được phun vào đất, xảy ra các chuỗi phản ứng hóa học phức tạp được phân chia làm hai thờ ký: ninh kết và rắn chắc. THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 19  Trong thời kỳ ninh kết vữa xi măng mất dần tính dẻo và đặc dần lại nhưng chưa có cường độ.  Trong thời kỳ rắn chắc, chủ yếu xảy ra quá trình thuỷ hoá các thành phần khoáng vật của clinke bao gồm các phản ứng. 3CaO.SiO2 + nH2O  Ca(OH)2 + 2CaO.SiO2(n-1)H2O 2CaO.SiO2 + mH2O  2CaO.SiO2.mH2O 3CaO.Al2O3 + 6H2O  3CaO.Al2O3.6H2O 4CaO.Al2O3Fe2O3+nH2O 3CaO.Al2O3.6H2O+CaO.Fe2O3.mH2O CaO + H2O  Ca(OH)2 + 15,5 kcalo Các phản ứng hóa học này sử dụng nước làm chất tham gia và tỏa ra một lượng nhiệt lớn làm thất thoát một lượng lớn nước lỗ rỗng trong đất. Do đó cọc xi măng đất còn giúp đẩy nhanh quá trình cố kết của đất nền. c) Tăng module biến dạng của đất nền Sau khi xi măng rắn chắc và hình thành cường độ, cường độ chịu nén cũng như cắt của nền đất được cải thiện. Vì vậy module biến dạng của đất nền được tăng lên. 7. Ứng dụng của cọc xi măng đất Hình 03. Ứng dụng của cọc xi măng đất THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 20 Từ khi ra đời, cọc xi măng đất đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều công trình với mục đích tạm thời lẫn vĩnh cửu. Hình 04. Công trình đường Lương Định Của sử dụng cọc xi măng đất D800 gia cố nền đất yếu và giảm độ lún. THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 21 Hình 05.. Công trình Saigon Pearl (quận Bình Thạnh, TP HCM) sử dụng cọc xi măng đất làm tường chắn đât, thi công 3 lớp hàng cọc, D1000, L=12m. Hình 06. Công trình bờ kè ở Quận 7 - TP HCM, dự án xây dựng hồ xử lý nước thải kênh Nhiêu Lộc. II. THI CÔNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 1. Phân loại phương pháp thi công a) Phân loại Dựa theo trạng thái xi măng được trộn vào đất, cọc xi măng đất được phân thành hai loại: cọc xi măng đất thi công theo phương pháp trộn khô và cọc xi măng đất thi công theo phương pháp trộn ướt. b) Tiêu chí lựa chọn phương pháp thi công cọc Để xác định loại cọc xi măng đất phù hợp với địa chất của công trình, TCVN 9403 – 2012 phụ lục A, mục A.3.1 khuyến nghị: Phương pháp trộn khô, không khí dùng để dẫn xi măng vào đất (độ ẩm của đất cần phải không nhỏ hơn 20%). Trong phương pháp trôn ướt, vữa xi măng là chất kết dính, Trộn khô chủ yếu dùng cải thiện tính chất của đất dính, trong khi phun ướt thường trong đất rời. Trong một ít trường hợp như ngăn ngừa hiện tượng hóa lỏng, trộn khô dùng cho đất rời xốp. c) Một số cách bố trí cọc xi măng đất Tùy theo loại cọc và vị trí công trình, cọc xi măng đất có nhiều cách bố trí. THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 22 Hình 07. Bố trị trụ trộn khô Hình 08. Bố trí trụ trộn ướt trên cạn THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 23 Hình 09. Bố trí trụ trộn ướt trên biển 2. Qui trình thi công cọc xi măng đất Thi công cọc xi măng đất được phân thành 3 giai đoạn: chuẩn bị, thi công cọc và hoàn thiện. Chuẩn bị Thi công cọc Hoàn thiện a) Giai đoạn chuẩn bị Chuẩn bị các tài liệu cần thiết: bản vẽ thiết kế thi công (chiều sâu cọc, hàm lượng xi măng, nước,), sơ đồ khoan, hồ sơ khảo sát địa chất, nhật ký khoan để ghi lại các thông số thi công. Bảng 01 Nhân công: một đội khoan gồm có các thành phần sau: STT Vị trí Số lượng Nhiệm vụ 0 Giám sát 1 Giám sát 1 Kỹ sư hiện trường 1 Điều hành thi công 2 Kỹ sư trắc đạt 1 Định vị lỗ khoan 3 Công nhân lái máy khoan 1 Lái máy khoan Lắp đặt, di chuyển thiết bị. 4 Công nhân 2-3 Bổ sung xi măng, nước. Dọn dẹp vệ sinh. Bảng 02. Thiết bị thi công cọc xi măng đất theo phương pháp trộn khô STT Tên thiết bị Số lượng 1 Máy khoan 1 cái 2 Gàu khoan (loại trộn khô) 1 cái 3 Máy nén khí 1 cái 4 Máy sấy 1 cái 5 Bồn chứa khí 1 cái 6 Silo chứa xi măng 1 cái 7 Leng, xẻng, búa, vòi nước - THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 24 8 Máy toàn đạc, mia quang học 1 bộ 9 Máy ghi lưu lượng xi măng 1 cái 10 Hệ thống cung cấp điện 1 cái Bảng 03. Thiết bị thi công cọc xi măng đất theo phương pháp trộn ướt STT Tên thiết bị Số lượng 1 Máy khoan 1 cái 2 Gàu khoan (loại trộn ướt) 1 cái 3 Máy trộn vữa 1 cái 4 Silo chứa nước 1 cái 5 Silo chứa phụ gia (nếu có sử dụng phụ gia) 1 cái 6 Silo chứa xi măng 1 cái 7 Silo chứa vữa 1 cái 8 Leng, xẻng, búa, vòi xịt nước - - 9 Máy toàn đạc, mia quang học 1 bộ 10 Máy ghi lưu lượng vữa 1 cái 11 Hệ thống cung cấp điện 1 cái Xe khoan DHJ-30 Xe khoan M40B Đường kính khoan 400-1000 mm Đường kính khoan 400-1000 mm Chiều dài khoan 12m Chiều dài khoan 14m THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 25 Xe khoan M50B Xe khoan FL-100 Đường kính khoan 400-1000 mm Đường kính khoan 400-1000 mm Chiều dài khoan 18m Chiều dài khoan 18m Hình 10. Các loại xe khoan Tiến hành dọn dẹp mặt bằng để bố trí vị trí kho bãi, silo, nguồn cấp điện nước, bãi chứa chất thải, che chắn công trường, có biện pháp điều hành giao thông nếu công trường trên đường đang lưu thông... Sau đó tiến hành lắp đặt và kiểm tra trang thiết bị trước khi thi công. Hinh 11. Silo chứa xi măng và bồn tự Hinh 12. Thiết bị bơm và trộn vữa trộn THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 26 1. Cánh động 2. Cánh tĩnh 4. Lưỡi khoan 3. Lỗ phun vữa xi măng Hình 13. Đầu khoan máy khoan thi công pheo phương pháp trộn ướt b) Giai đoạn thi công chính Trong quá trình thi công cọc, cần phải kiểm soát các trị số sau:  Tốc độ khoan xuống và rút lên.  Tốc độ quay của của đầu khoan.  Áp lực khí nữa (vữa khô).  Tốc độ và lưu lượng phun vữa (vữa ướt).  Lượng vật liệu sử dụng. Các trị số trên được các thiết bị, máy thi công đo đạt, lưu trữ và xuất bản. Kỹ sư hiện trường có nhiệm vụ theo dõi và kiểm soát các thông số trên theo đúng như yêu cầu kỹ thuật và ghi chép lại trong nhật ký thi công. Hình 14. Thiết bị điện toán, ghi chép tốc độ khoan xuống và lên  Thi công theo phương pháp trộn khô THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 27 Quy trình thi công gồm các bước sau:  Định vị tim cọc.  Xuyên đầu trộn đến độ sâu thiết kế, đồng thời phá tơi đất.  Rút đầu trộn lên, đồng thời phun xi măng vào đất.  Đầu trộn trộn đều xi măng và đất trong hành trình rút lên.  Kết thúc thi công khi đầu trộn rút lên đến cao trình thiết kế Hình 15. Sơ đồ thi công theo phương pháp trộn khô Thi công theo phương pháp trộn khô có 2 dạng công nghệ: công nghệ Bắc Âu và công nghệ Nhật Bảng có các đặc tính và so sánh giữa 2 dạng cộng nghệ được trình bày trong các bảng sau: Bảng 04. Đặc tính kỹ thuật công nghệ trộn khô của Bắc Âu và Nhật Bản Đặc tính Công nghệ Bắc Âu Công nghệ Nhật Bản Vận tốc xuyên xuống (m/min) 2,0 – 6,0 1,0 – 2,0 Vận tốc rút lên (m/min) 1,5 – 6,0 0,7 – 0,9 Tốc độ quay của cánh trộn (r/min) 100 – 200 24 -64 Số lượng vòng quay cánh (r/min) 150-500 ≥ 274 Khối lượng xi măng phun (kg/m3) 100-250 100-300 Tốc độ xuyên/rút (mm/r) 10-30 10-35 Pha phun xi măng Khi rút lên Xuyên xuống/ rút lên Bảng 05. So sánh công nghệ trộn khô Bắc Âu và Nhật Bản Thiết bị Chi tiết Bắc Âu Nhật Bản THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 28 Số lượng trục trộn 1 1-2 Đường kính 0,4 – 1,0 (m) 0,8 – 1,3 (m) Chiều sâu tối đa 25 (m) 33 (m) Đầu trộn Đáy trục và/hoặc trên Vị trí lỗ phun Đáy trục trộn cánh cắt (một hoặc nhiều lỗ) Áp lực phun 400 – 800 (kPa) ≤ 300 (kPa) Truyền liệu Công suất 50 – 300 (kg/min) 50 – 200 (kg/min)  Thi công theo phương pháp trộn ướt Khối lượng vữa thay đổi được theo chiều sâu. Khi chế tạo trụ trong đất dùng khong guồng xoắn liên tục có cánh trộn cắt. Hình dạng khác nhau, có đủ công suất để phá kết cấu đất và trộn đều vữa. Cường độ và tính thấm phụ thuộc vào thành phần và đặc tính của đất (hàm lượng hạt mịn, hàm lượng hữu cơ, loại sét, thành phần hạt), khối lượng và chửng loại vữa và quy trình trộn. Hình 16. Quy trình thi công cọc xi mặng đất theo công nghệ trộn ướt Có thể ngưng trộn khi vữa chưa bắt đầu đông cứng, khởi động lại tại độ sâu ít nhất 0,5m trong đất đã xử lý. Bơm để chuyển vữa đến lỗ phun cần phải có đủ công suất (tốc độ truyền và áp lực) để truyền lượng vữa thiết kế an toàn. THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 29 Bảng 06. Đặc tính kỹ thuật công nghệ trộn ướt của Bắc Âu và Nhật Bản Công nghệ Nhật Đặc tính Công nghệ Châu Âu Bản (trên cạn) Vận tốc xuyên xuống (m/min) 0,5 – 1,5 1,0 Vận tốc rút lên (m/min) 0,3 -0,5 0,7 -1,0 Tốc độ quay của cánh trộn (r/min) 25-50 20-40 Số lượng vòng quay cánh (r/min) Chủ yếu là guồng xoắn 350 Khối lượng vữa phun (kg/m3) 80-450 70-300 Pha phun xi măng Pha xuống/pha lên Pha xuống/pha lên Bảng 07. So sánh công nghệ trộn ướt trên cạn của châu Âu và Nhật Bản Thiết bị Chi tiết Châu Âu Nhật Bản Số lượng trục trộn 1-3 1-4 Đường kính (m) 0,4-0,9 1,0-1,3 Đầu trộn Chiều sâu tối đa (m) 25 48 Vị trí lỗ phun Cần khoan Cần và cánh Áp lực phun (kPa) 500-1000 300-600 Công suất (m3/min) 0,08-0,25 0,25-1,00 Trạm trộn vữa Sức chứa (m3) 3,0-6,0 3 Bồn chứa vữa Thể tích (Tấn) - 30 c) Giai đoạn hoàn thiện Tiến hành lấy mẫu để phục vụ công tác kiểm định chất lượng thi công cọc theo quy định (xem mục III. KIỂM ĐỊNH CỌC XI MĂNG ĐẤT của phần này). Thực hiện công tác dọn dẹp vệ sinh phần phôi vữa rơi vãi ở hố khoan, chuyển máy sang vị trị cọc mới hoặc di chuyển ra khỏi công trường và trả lại mặt bằng cho giai đoạn tiếp theo của công trình khi hoàn thành tất cả các cọc xi măng đất. 3. So sánh hai hình thức thi công cọc xi măng đất Phương pháp trộn khô Phương pháp trộn ướt (khí nén + xi măng) (máy bơm + vữa xi măng) Địa chất THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 30 - Yêu cầu nền đất phải có độ ẩm đồng - Chỉ cần có nền đất, không cần điều kiện đều > 20% (có những tầng đất độ ẩm rất < về độ ẩm (vì trong vữa đã có định lượng thấp < 20% hoặc bão hòa nước). nước). Yêu cầu về thiết bị - Thiết bị đơn giản, không quản lý chặt - Thiết bị đồng bộ chuyên dùng, lượng tỷ lệ N/C. Ngoài ra ximăng có hàm lượng thất thoát ximăng < 5%, không chảy ra thất thoát > 10% bay ra khỏi nền đất nên ngoài nền đất vì hệ thống trộn ướt tự cọc không đồng đều, gây ô nhiễm nặng động, cân đo được thể hiện nghiêm túc > môi trường. Khí nén thổi luồn trong nền bằng số liệu, thi công được khi trời mưa. đất dẫn ximăng đi đến đâu không biết, và Hình dạng cọc tròn đều, không bị đứt hay bị xì ngược ra ngoài dọc theo cần đoạn hay phình trướng. khoan. - Lưỡi khoan đơn giản chỉ có hai cánh - Lưỡi khoan 6 tầng gồm 12 cánh. 12 tính cơ học, (vừa cắt vừa trộn) số lượng cánh này đều tổng hợp có công dụng cắt cánh quá ít nhưng muốn trộn cho đều đất và trộn, giữ cho lõi đất không bị xoay nhiều lúc phải khoan lên xuống nhiều lần. > để có thể xé tơi và nén đất + ximăng Ngoài ra, việc trộn dọc để tạo liên kết ngược xuống tạo độ chặt cho nền đất giữa các tầng đất khác nhau cũng khó cứng đều hơn so với nền đất nguyên thủy. hoàn thiện (bị phân tầng) công năng kém. Cơ chế phun vữa - Dùng khí nén để hổn hợp với xi măng - Định lượng nước và xi măng hổn hợp thổi vào lỗ khoan, rất khó quản lý và điều với nhau bằng việc cài đặt hệ thống cân chỉnh hàm lượng K/X, gặp thời tiết xấu, điện tử, lưu lượng hổn hợp (vữa) được không khí ẩm thì không sử dụng được, bơm đi bằng bơm áp lực cao, điều tiết ống cần khoan rất dễ bị nghẹt vì không bơm bằng máy biến tầng theo định lượng < khí + xi măng có độ ẩm cao, thường thiết kế và có thể điều chỉnh định lượng xuyên phải xúc rửa, gặp tầng đất mềm thì tức thời. Đặc biệt lượng vữa bơm đi rất vữa đi đâu không biết, thậm chí xì lên mặt ổn định. đất. Nói tóm lại, gần như hổn hợp A/X không bao giờ chính xác. Phục vụ công tác giám sát, kiểm định - Thông tin về số liệu thi công cọc không - Thiết bị đồng bộ nên đo được khi vận tự động, không đồng đều thậm chí phải hành: < có người liên tực điều khiển lượng khí + Lượng xi măng sử dụng cho từng mét nén + xi măng. cọc. THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 31 - Đối với những nền đất có nhiều lớp hữu + Lượng xi măng sử dụng cho từng cơ hoặc là đa hữu cơ thì công nghệ này có cọc, tổng lượng xi măng hằng ngày. hiệu quả rất kém, thường không đạt chất + Chiều sâu (độ dài cọc). lượng. + Vận tốc khoan xuống rút lên. + Áp lực khoan. + Hàm lượng nước xi măng khi trộn. Và tất cả thể hiện trên phiếu in của từng cọc để lưu trữ. Tính cơ động và đa dụng của thiết bị khoan - Thiết bị khoan đơn giản, di chuyển rất - Xe khoan tự hành liên tục di chuyển chậm bằng phương pháp sử dụng “04 con theo đồ hình để thi công, công suất rất đội” để di chuyển từng khoảng cách (tịnh nhanh. tiến). - Dùng xe khoan 02 cần với khoảng cách < - Thiết bị khoan 01 cần không nên sử điều chỉnh theo thiết kế để thi công cho dụng cho việc thi công tường vây, bờ kè cọc tường vây, bờ kè thì các cọc chồng mí vì khoảng chồng mí giữa cọc và cọc liên kết với nhau rất đều và cấu kết rất tốt. không chính xác. III. KIỂM ĐỊNH CHẤT LƯỢNG CỌC XI MĂNG ĐẤT Cọc xi măng đất sau khi thi công phải được tiến hành lấy mẫu và thí nghiệm để đánh giá chất lượng cọc. Phương pháp thí nghiệm phải phù hợp với mục đích ứng dụng. Nếu để giảm độ lún module biến dạng là yếu tố cần quan tâm chính, cồn ổn định và chống trượt thì thông số cường độ lại là chủ yếu. Để ngăn ngừa vùng ô nhiễm hay chống thấm thì hệ số thấm xét đến đầu tiên (phụ lục B, TCVN 9403-2012). 1. Xác định số lượng mẫu thí nghiệm THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 32 Hình 17. Lấy mẫu thí nghiệm Hình 18. Mẫu thí nghiệm cọc xi măng đất lấy từ hiện trường Tùy theo số lượng cọc và loại thí nghiệm, số lượng mẫu tối thiểu được lấy từ hiện trường được quy định theo bảng xx. THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 33 Bảng 08. Khối lượng mẫu thí nghiệm tối thiểu dự kiến 2. Kiểm định chất lượng cọc a) Thiết bị trộn mẫu b) Thiết bị nén mẫu c) Bộ TBTN kháng cắt Hình 19. Các thiết bị thí nghiệm Tiến hành thực hiện thí nghiệm trên các mẫu được lấy từ hiện trường để đánh giá chất lượng cọc so với thiết kế. Cọc đạt yêu cầu về chất lượng khi tất cả các đại lượng đều thõa yêu cầu từ thiết kế. Phương pháp thí nghiệm được trình bài trong phụ lục C và phụ lục D của TCVN 9403:2012. Bảng 09. Chức năng của các loại thí nghiệm Địa điểm Tên thí nghiệm Đại lượng xác định được Trong phòng thí Nén tĩnh (một trục) Module đàn hồi Ecol nghiệm Nén tĩnh (ba trục) Module nén Mcol Tại hiện trường Nén ngang trong trụ Cường độ kháng cắt. THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 34 Hệ số nén Nén tĩnh trụ đơn Sức chịu tải theo TCVN 9393:2012 Bàn nén hiện trường Sức chịu tải cực hạn theo TCVN 9354:2012 Xuyên cánh Xác định độ đồng nhất của trụ Chất tải Quan trắc độ lún THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 35 PHẦN 3 ỨNG DỤNG CỌC XI MĂNG ĐẤT ĐỂ XÂY DỰNG KÈ CHỐNG SÓI LỞ TẠI KHU ĐÔ THỊ MỚI AN PHÚ THỊNH TP. QUY NHƠN, BÌNH ĐỊNH THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 36 I. VỊ TRÍ ĐỊA LÝ VÀ SỐ LIỆU ĐỊA CHẤT 1. Vị trí địa lý Khu đô thị mới An Phú Thịnh (KĐT APT) nằm ở phía Bắc thành phố Quy Nhơn trên trục đường Quy Nhơn - Nhơn Hội được xây dựng mới trên khu đất trước đây là vùng đầm lầy, hồ tôm, ruộng muối nơi cửa sông Hà Thanh đổ vào đầm Thị Nại. Quy mô xây dựng 153,63 ha bao gồm 4 đảo B1, B2, B3A, B3B bao quanh các nhánh sông Hà Thanh tạo thành một vùng đảo - bán đảo ven đầm Thị Nại tạo nên một không gian sống hiện đại nhưng hòa hợp với cảnh quan thiên nhiên. Tổng mức đầu tư dự án trên 2.450 tỷ đồng, xây dựng từ năm 2010 – 2018, cụ thể: giai đoạn I (2010 – 2013) thực hiện công tác chuẩn bị đầu tư, khởi công và xây dựng đảo B3; giai đoạn II (2012 – 2016) đầu tư đảo B1 và một phần đảo B2; giai đoạn III (2015 – 2018) đầu tư đảo B2, xây dựng cầu kết nối và hoàn chỉnh khu đô thị. Tuy nhiên do nằm ở cửa sông nên vấn đề chỉnh trị dòng chảy đảm bảo khả năng tiêu thoát lũ của sông, chống xói lở bờ sông và tạo mỹ quan dọc các nhánh sông là hết sức quan trọng và mang tính quyết định đến thành công của dự án. Theo quy hoạch, toàn bộ khu dự án bao quanh 2,6 km các nhánh sông Hà Thanh với tổng chiều dài bờ sông cần gia cố là 5,85 km do Công ty Cổ phần Đầu tư và Xây dựng Nền móng Phú Sỹ thiết kế và tổ chức thi công. Hình 20. Vị trí khu đô thị và quy hoạch các đảo của khu đô thị 2. Địa hình, địa chất khu vực a) Địa hình Khu vực dự án hiện trạng là vùng đất ngập nước với các ao tôm, ruộng muối, rừng ngập mặn có cao trình thấp hơn mực nước biển và một vài hộ dân sinh sống dọc theo tuyến đường Quy Nhơn - Nhơn Hội. Theo thiết kế toàn bộ mặt bằng sẽ được cải tạo lại, nắn chỉnh các nhánh sông và đắp đất cát tôn cao tạo mặt bằng xây dựng công trình. THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 37 b) Điều kiện địa chất Kết quả khảo sát cho thấy vùng dự án nằm trên khu vực đầm lầy cửa sông hình thành do quá trình bồi lắng trầm tích sông - biển hỗn hợp, địa chất nền rất yếu cần phải có giải pháp xử lý nền móng và chống lún cho công trình xây dựng. Từ trên xuống địa chất nền gồm các lớp sau: Bảng 10. Các chỉ tiêu cơ lý của đất nền khu đô thị Chỉ tiêu Trạng Lực dính Góc nội Chỉ Sức E0 Kết luận cơ lý thái C ma sát số chịu tải R0  SPT N30 (kg/cm2) (độ) (kg/cm2) (kg/cm2) Đất yếu, sức chịu tải Lớp 1 Á cát 0,164 24027’ 3 2 100 trung bình, độ lún (0;-2) lớn Lớp 2 Đất có sức chịu tải Cát thô - 32044’ 6 3 180 (-2;-5) trung bình Đất yếu, sức chịu tải Lớp 3 Á cát 0,153 24058’ 3 1.8 170 trung bình, độ lún (-5;-7) lớn Đất rất yếu, không Lớp 4 Bùn sét 0,217 8034’ 1 < 0,25 18 có khả năng chịu tải, độ lún lớn c) Điều kiện thủy văn Vùng dự án nằm ở hạ lưu cửa sông Hà Thanh và ven đầm Thị Nại nên chịu ảnh hưởng của chế độ dòng chảy sông Hà Thanh và sự dao động của thủy triều.  Sông Hà Thanh là một trong bốn con sông lớn nhất tỉnh Bình Định, tuy nhiên do sông ngắn, dốc nên hầu như quanh năm không có dòng chảy cơ bản, chỉ vào mùa mưa là có dòng chảy lũ với cường suất lớn tập trung trong thời gian ngắn.  Chế độ thủy triều: Chủ yếu là nhật triều không đều. Hàng tháng có 15 - 20 ngày có chếbđộ nhật triều, vào các kỳ nước kém còn có thêm một con THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 38 nước nhỏ hàng ngày. Thời gian triều dâng thường lâu hơn triều rút. Biên độ triều khoảng (1,5 m - 2,0 m) trong thời kỳ nước cường, khoảng 0,5 m trong kỳ nước kém, giữa kỳ nước cường và nước kém biên độ chênh lệch nhau không đáng kể. II. QUI TRÌNH THI CÔNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 1. Mặt bằng thi công Kết cấu kè ngoài: Tường chắn đất dạng thẳng đứng, phía trên có hành lang đi bộ rộng 3,4 m bằng BTCT M250. Tường chắn giáp đất bằng 2 hàng cọc xi măng đất bố trí kiểu ghép chồng so le 1/3 (1,5 hàng) sâu 7 m, đáy cọc cos -6.50 m, đỉnh cọc cos +0.50 m, trên đầu cọc thiết kế tường chắn BTCT M250 đến cao trình: +2.00 m. Phía ngoài cọc vữa được bọc một lớp bê tông M200 dày 10cm để chống xói. Hàng cọc ngoài có tác dụng đỡ hành lang đi bộ bằng cọc ống BTCT dự ứng lực đường kính 300mm, khoảng cách nhịp 4m / cọc, mỗi cọc dài 8 m đóng đến cao trình -6.30 m (mũi cọc nằm trong địa chất lớp 4). Kết cấu kè trong: Kè mái nghiêng bằng ô bê tông lục giác trồng cỏ trong khung BTCT mỗi nhịp dài 10 m, hệ số mái m = 1,5. MẶT CẮT NGANG ĐẠI DIỆN MẶT BẰNG BỐ TRÍ CỌC VỮA MẶT BẰNG THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 39 Hình 21. Mặt cắt đại diện tuyến kè 2. Máy móc, thiết bị thi công Hình 22. Sơ đồ hệ thống Jet Grounting a) Phần di động Các thiết bị chính của phần di động là giàn khoan phụt, hệ thống thanh cần, đầu khoan phụt, vòi phụt, mũi khoan, ống dẫn vữa. Giàn khoan phụt Jet Grounting được sử dụng là loại máy SI-30S do hãng YBM chế tạo Kích thước: 2.3 m (dài) x 1.6 m (rộng) x 2.4 m (cao), trọng lượng 2200 kg. THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 40 Hình 23. Giàn khoan phụt Jet Grounting  Hệ thống thanh cần được lắp ghép từ nhiều đoạn, dài 1.95 m hoặc 1.5 m. Đường kính ngoài một đoạn cần là 72 mm, đường kính ống trong 16 mm. Đoạn cần nối với nhau và với đầu khoan phụt, khớp xoay bằng mối nối ren xoắn.  Giàn máy thực hiện được công tác khoan xoay. Mũi khoan bố trí phía dưới đầu phụt, có đường kính ngoài nhỏ hơn chuỗi cần nên kích thước lỗ khoan sẽ không lớn hơn chuỗi cần (72 mm).  Vòi phụt có thể tháo lắp dễ dàng trên đầu khoan phụt để vệ sinh, thay thế. Đầu khoan phụt có thể bố trí hai vòi đối xứng nhau. Đường kính lỗ phụt 1.7 mm.  Ống dẫn vữa có đường kính ngoài 30.5 mm, đường kính trong 13.4 mm, chịu được áp lực 38 Mpa. b) Phần cố định Thiết bị chính của phần cố định là trạm trộn vữa xi măng và bơm áp lực cao.  Bộ phận trộn vữa gồm ba thùng khuấy, kích thước  1.5 m x H 1.1 m, dung tích 1800 lít. Hai thùng luân phiên trộn nước với xi măng để có thể liên tục cung cấp vữa cho thùng còn lại. Thùng thứ ba bố trí thấp hơn, nhận vữa từ hai thùng trộn và cung cấp trực tiếp cho máy bơm. Vữa được lượt bỏ các hạt vật liệu lớn bằng rây khi từ thùng trộn vào thùng chứa. THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 41  Máy bơm thuộc loại piston có ba xy lanh, loại thường được dùng trong công nghệ Jet Grouting do áp lực bơm lớn, lưu lượng ổn định. Máy có thể đạt áp suất tối đa 30 MPa, trọng lượng 580 kg, sử dụng động cơ điện nguồn ba pha 380 V truyền động qua dây cua roa. Hình 24. Máy trộn vữa và máy bơm trong thi công cọc xi măng đất 3. Nhân công  Trộn vữa: 3 người  Vận hành máy phát điện: 1 người  Vận hành máy bơm: 1 người  Vận hành giàn khoan: 3 người  Giám sát thi công: 1 người  Tổng đội thi công: 9 người 4. Trình tự thi công cọc xi măng đất Theo công nghệ trộn ướt có thể thi công theo 6 bước sau:  Bước 1: Định vị máy khoan vào đúng vị trí khoan cọc bằng máy toàn đạc điện tử. THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 42 Hình 25. Định vị máy khoan vào đúng vị trí khoan cọc Trộn dung dịch vữa với tỉ lệ xi măng/nước theo yêu cầu của thiết kế. Nếu ở những nơi có độ ẩm cao thì giảm tỉ lệ nước và ngược lại. Hình 25. Tia vữa phun tạo cọc xi măng đất Bước 2: Bắt đầu khoan vào đất, quá trình mũi khoan sẽ đi xuống đến độ sâu theo thiết kế. THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 43  Bước 3: Bắt đầu bơm vữa theo quy định và trộn đều trong khi mũi khoan đang đi xuống, tốc độ mũi khoan đi xuống : 0,5m÷0,7m/phút tùy thuộc vào thiết kế.  Bước 4: Tiếp tục hành trình khoan đi xuống, bơm vữa và trộn đều, đảm bảo lưu lượng vữa theo đúng thiết kế.  Bước 5: Khi đến độ sâu mũi cọc, dừng khoan và dừng bơm vữa và tiền hành quay mũi ngược lại và rút cần khoan lên, quá trình rút lên kết hợp trộn đều 1 lần và nén chặt vữa trong lòng cọc, nhờ cấu tạo mũi khoan. Tốc độ rút cần khoan lên trung bình: 0,8m÷1,2m/phút.  Bước 6: Sau khi mũi khoan được rút lên khỏi miệng hố khoan, 01 cây cọc vữa được hoàn thành. Thực hiện công tác dọn dẹp phần phôi vữa rơi vãi ở hố khoan, chuyển máy sang vị trị cọc mới. III. KIỂM TRA, ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 1. Máy móc, thiết bị  Đầu cọc được đào lộ bằng máy đào gầu nghịch kết hợp xẻng tay.  Thiết bị khoan là máy XY-100 của Trung Quốc  Máy nén mẫu 2. Qui trình kiểm tra Công tác kiểm tra sản phẩm tiến hành sau khi thi công xong ba, bốn ngày, cường độ vật liệu còn chưa cao, để việc khoan lấy mẫu thuận lợi. Đầu tiên, tiến hành đo đạc đầu cọc theo trình tự sau:  Đào bằng máy đến gần cao độ đầu cọc;  Vét đất quanh đầu cọc bằng thủ công;  Đo đạc bằng thước . Kích thước cọc ở độ sâu lớn được kiểm tra bằng phương pháp khoan lấy mẫu. Công tác khoan thực hiện theo tiêu chuẩn 22 TCN 259-2000. Sử dụng phương pháp khoan xoay lấy mẫu. Trình tự khoan:  Vận chuyển, tập kết thiết bị khoan;  Định vị lỗ khoan, lắp đặt ống vách. Thực hiện sau khi đào lộ đầu cọc; THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 44  Làm nền khoan và lắp ráp thiết bị khoan, chạy thử máy; - Tiến hành khoan, chiều dài mỗi hiệp khoan 1 m, mỗi cọc khoan từ 3 – 4 lỗ khoan tùy theo kích thước; - Thu thập mẫu, chuyển giao đến phòng thí nghiệm Kết thúc lỗ khoan, lấp lỗ khoan, thu dọn hoặc chuyển sang lỗ khoan mới. a. Đào bằng máy đào b. Vét đất xung quanh cọc Hình 26. Trình tự đào lộ đầu cọc Hình 27. Kiểm tra đường kính cọc bằng thước THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 45 a. Máy khoan XY-100 b. Khoan lấy mẫu c. Bọc mẫu d. Chuyển mẫu về phòng thí nghiệm Hình 28. Công tác khoan lấy mẫu a. Gia công lõi khoan b. Bảo dưỡng mẫu Hình 29. Công tác bảo dưỡng mẫu THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 46 Hình 30. Nén mẫu 3. Đánh giá kết quả kiểm tra Sau khi tiến hành nén nở hông tự do (UCS) ta có thể đánh giá được cường độ, độ cứng của lõi khoan và các thành phần ảnh hưởng đến cường độ của cọc:  Cường độ qu của soilcrete tăng theo thời gian;  Cường độ qu của soilcrete từ đất sét và sét lẫn bụi vẫn tăng đáng kể sau 28 ngày; THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 47  Cùng loại vữa, hàm lượng xi măng, điều kiện trộn, điều kiện bảo dưỡng, và thời gian bảo dưỡng, cường độ của mẫu trộn từ cát cao hơn đáng kể so với những mẫu trộn từ sét lẫn bụi, sét;  Hàm lượng hữu cơ 7% – 8.2% có thể hạn chế quá trình thủy hóa của xi măng;  Soilcrete được tạo ra từ hệ thống Jet Grouitng phun đơn lắp ghép trong đất cát có thể có cường độ hơn 4 MPa và đường kính cọc từ 0.8 – 1.3 m;  Việc giảm vận tốc nâng/hạ cần có thể tăng đáng kể kích thước cọc đất – xi măng; THI CÔNG ĐƯỜNG SẮT GVHD. TS NGUYỄN KHÁNH LÂN