CHƯƠNG TƯỜNG CHẮN BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 4.1 GIỚI THIỆU CHUNG Cọc trộn sâu phương pháp để gia cố đất yếu sử dụng xi măng, vôi, v.v… để làm chất đóng rắn, nhờ vào máy trộn sâu để trộn cưỡng đất yếu với chất đóng rắn dung dịch dạng bột, lợi dụng loạt phản ứng hóa học – vật lý xảy chất đóng rắn với đất làm cho đất mềm đóng rắn lại thành hình cọc có tính chỉnh thể, tính ổn định có cường độ định Sau đại chiến giới lần thứ 2, Mỹ nước nghiên cứu cọc xi măng trộn chỗ (MIP), đường kính cọc 0,3-0,4m, dài 10-12m Năm 1950 truyền vào Nhật Bản, năm 1974 trạm nghiên cứu kỹ thuật bến cảng Nhật Bản hợp tác nghiên cứu thành công phương pháp trộn xi măng để gia cố (CMC) Năm 1977 Trung Quốc bắt đầu thí nghiệm phòng nghiên cứu chế tạo may trục để trộn sâu Năm 1990 Nhật Bản đưa loại công nghệ thi công trộn sâu gọi phương pháp RR, thi công đầu trộn lên xuống phải lắc ngang quay tròn trộng ngược lên làm thành coc, lần làm cọc trộn thân cọc có đường kính 2m Khi dung phương pháp bơm ép vữa với áp lực cao (gọi Super jet) người Nhật tạo cọc có đường kính 8m Ở Việt Nam, đầu năm 80 dung kĩ thuật hãng LindenAlimak (Thụy Điển) làm cọc xi măng/vôi đất đường kính 40cm, sâu 10m cho công trình nhà 3-4 tầng; liên doanh với công ty Hercules ( Thụy Điển) làm loại cọc sâu đến 20m hệ thống tự động từ khâu khoan, phun xi măng trộn khu công nghiêp Trà Nóc ( Cần Thơ) với tổng chiều dài cọc gần 50.000m Năm 2006 sân bay Trà Nóc sử dụng đến gần triệu mét dài cọc (mỗi cọc dài 6-7m) xi măng đất để gia cố sân bay Năm 1999 có Hội nghị giới vấn đề (Dry Mix Methods for Deep Soil Stabilization) Rotterdam ( Hà Lan) năm 2005 có hội nghị quốc tế kĩ thuật trộn sâu (Deep Mixing) Stockholm (Thụy Điển) Phương pháp trộn sâu thích hợp với loại đất hình thành từ nguyên nhân khác đất sét dẻo bão hòa, bao gồm bùn nhão, bùn đất, đất sét đất sét bột v.v… Độ sâu gia cố từ mét 50–60 mét Ở Trung Quốc làm tới độ sâu 15–18m Nhìn chung nhận thấy gia cố loại đất yếu khoáng vật đất sét có chứa đá cao lanh, đá cao lanh nhiều nước đá măng tô v.v… hiệu tương đối cao Gia cố loại đất tính sét có chứa đá ilic, có chất chloride hàm lượng chất hữu cao, độ trung hòa ( độ pH) tương đối thấp hiệu Ở Thượng Hải, Trung Quốc, đào hố móng có độ sâu 5–7m, kết cấu tường chắn trước thường dùng cọc thép Vì cọc thép thi công đóng nhổ cọc gây tiếng ồn lớn, chấn động mạnh, xáo động đất nhiều, biến dạng lớn, tính chắn nước kém, công trình xây dựng xung quanh đường ống ngầm dễ bị lún chuyển vị đáng kể Tại công trình gang thép Bảo Sơn, Trung Quốc, năm 80 bắt đầu ứng dụng cọc trộn sâu thay cho cọc thép làm kết cấu chống giữ hố đào thu kết tốt Nhiều nơi Trung Quốc hay dùng kiểu tường chắn trọng lực Loại kết cấu chống giữ không thấm nước, đặt chống, tạo điều kiện cho hố móng đào thông thoáng , vật liệu sử dụng có xi măng, đạt hiệu kinh tế tương đối cao, sử dụng rộng rãi việc quây giữ hố sâu từ 5–7m Kinh nghiệm Việt Nam qua công trình khu công nghiệp Trà Nóc (Cần Thơ) chứng tỏ ưu việt phương pháp kinh tế, thi công nhanh, đất thải, lượng xi măng khống chế điều chỉnh xác, độ lún thứ cấp (nếu làm nền), không gây dao động đến công trình lân cận, thích hợp với đất có độ ẩm cao (>70%) Ngoài việc làm tường chắn trọng lực, cọc xi măng đất dùng làm màng chống thấm, gia cố đất mặt trước mặt sau loại tường chắn cọc để tăng sức chịu tải trọng ngang, ví dụ bố trí phía hố móng tăng áp lực bị động đất 4.2 NGUYÊN LÝ TƯƠNG TÁC XI MĂNG ĐẤT Phản ứng hóa học đất xi măng gồm trình thủy giải, thủy hóa cacbonic hóa tạo thành cácbonat canxi không tan nước trình bày hình 4.1 Từ nguyên lý xi măng gia cố đất thấy, tác dụng cắt gọt nhào trộn máy, thực tế tránh khỏi đất sót lại cục chưa bị đập vỡ, trộn vào với xi măng có tượng xi măng bao lấy cục đất, khe rỗng to cục đất lấp kín hạt xi măng Cho nên, đất xi măng sau gia cố hình thành tình bên cục đất lớn nhỏ khác xi măng mà xung quanh xi măng lại nhiều Chỉ có qua thời gian tương đối dài, hạt đất cục đất, tác dụng thẩm thấu chất thủy giải xi măng cải biến tính chất Thường dùng xi măng phổ thông mác 425 xi măng xỉ quặng lò cao Tỷ lệ N/X 0,4 – 0,5 , lượng xi măng trộn vào khoảng 7- 15 % trọng lượng đất gia cố từ 180 – 250 kg/ đất gia cố Cường độ nén không hạn chế nở hông Mpa, cường độ chịu kéo 0,3 , góc ma sát φ= = 0,15 – 0,25 , lực dính kết C = 0,2 – , mô đun biến dạng = 120 – 150 ,( mô đun biến dạng xi măng đất áp lực nén 50% áp lực phá hủy), hệ số thấm k = cm/s Các tính chất cọc xi măng đất chịu ảnh hưởng : - Lượng trộn xi măng - Ngày tuổi mẫu - Thành phần khoáng chất đất - Thành phần hữu đất - Thành phần chất phụ gia Chi tiết xem tài liệu [7] Cần phải tiến hành thí nghiệm trước chọn đặc trưng kỹ thuật cọc xi măng đất, từ có thành phần hỗn hợp tối ưu cho lớp đất nên cụ thể lượng xi măng cho vào đất 4.3 YÊU CẦU VỀ VẬT LIỆU THIẾT KẾ TƯỜNG 4.3.1 Giới thiệu chung Phần thảo luận đặc trưng xi măng đất yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng Điểm mấu chốt thiết kế thành phần vật liệu chất lượng phải thỏa mãn yêu cầu tối thiểu cường độ yêu cầu khác 4.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ xi măng đất Bảng 4.1: Các hệ số ảnh hưởng (Terashi, 1997) I Đặc tính đối tượng ổn định Dạng ổn định Chất lượng Nước trộn phụ gia II Đặc điểm đất (đặc biệt đất sét) Đặc trưng hóa lý tự nhiên đất Thành phần hữu Độ pH nước lỗ rỗng Độ ẩm III Điều kiện trộn Lượng trộn Thời gian trộn/ trộn lại Số lượng đối tượng ổn định IV Điều kiện đóng rắn Nhiệt độ Thời gian đóng rắn Độ ẩm Điều kiện môi trường ẩm/khô Nhóm II IV bao gồm yếu tố khó thay đổi, nhóm I III thay đổi yếu tố ảnh hưởng tương đối dễ dàng 4.3.3 Lựa chọn đặc trưng vật liệu Đặc trưng vật liệu thường lựa chọn tùy theo yêu cầu thiết kế thi công dự án Thông thường cường độ chịu nén tối thiểu 700 kPa, hệ số thấm từ 10-5 đến 10-6 cm/s (Taki Yang, 1991) 4.3.3.1 Cường độ (xem phần 4.2) 4.3.3.2 Mô đun đàn hồi Mô đun đàn hồi tham số phức tạp yêu cầu xác định cách xác nêu Mô đun đàn hồi phụ thuộc vào mức ứng suất, mức biến dạng, tốc độ gia tải yếu tố khác Miền giá trị mô đun đàn hồi đất từ đến 1000 MPa Khi thêm xi măng, mô đun đàn hồi hỗn hợp tăng lên Giá trị tăng lên chưa nghiên cứu nhiều Một số biểu thức tính toán sau đề xuất: Briaud cộng (2000): Es / g ( kPa ) = 12900 ( f e′ ( kPa ) ) 0.41 (4.1) Trong fe′ cường độ chịu nén O’Rourke cộng (1997): Es / g = 100qu (4.2) Trong f e′ cường độ chịu nén 4.4 THIẾT KẾ TÍNH TOÁN TƯỜNG CHẮN BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 4.4.1 Nguyên tắc chọn hình thức tường chắn Như nói, cọc xi măng đất tạo thành từ loại vật liệu giòn có độ cứng định, cường độ chịu kéo nhỏ nhiều so với chịu nén công trình, phải triệt để lợi dụng ưu cường độ chịu nén cao, tránh khuyết điểm cường độ chịu kéo thấp “ Đập trọng lực” kiểu kết cấu tường chắn lợi dụng trọng lượng thân kết cấu chịu nén, không chịu kéo Khi xác định phương án kết cấu chắn đất phải tuân theo nguyên tắc sau đây: 1) Kỹ thuật tiên tiến; 2) Có thể thi công được; 3) An toàn tin cậy; 4) Kinh tế hợp lý; Khi thiết kế kết cấu tường chắn phải xem xét tổng hợp yếu tố sâu đây: 1) Kích thước hìn học hố đào, hình dạng, độ sâu phải đào; 2) Điều kiện địa chất cống trinh, địa chất thủy văn, phân bố tính chất lý lớp đất, tình hình nước ngầm 3) Tải trọng tác động lên kết cấu chông giữ độ lớn tải trọng 4) Tình hình xung quanh hố móng công trình xây dựng, đường sá giao thông, hệ thống ống ngầm … Kết cấu chắn giữ cọc cọc trộn chồng tiếp với Hình thức bố trí mặt có dạng tường , hình 4.2 Nếu tường chắn có dạng tường mà không đủ rộng tăng thêm bền rộng để thành kết cấu chắn giữ có dạng ô cách, tức bề rộng kết cấu chẵn giữ không cần trộn gia cố toàn bộ, khoảng cách định lại gia cố thành tường dọc đứng song song, theo tường dọc song song làm thêm sườn gia cố, sườn nối tượng dọc lại với Hình 4.3 mặt bố trí kiểu tường ô cách Kết cấu tường chắn đất theo kiểu thường thi công máy trộn hai đầu, đầu trộn cọc có đường kính 700mm, khoảng hai cọc trộn 500mm, khoảng chồng tiếp cọc 200mm Nhật Bản có giới thiệu loại đầu trộn Căn vào yêu cầu sử dụng đặc tính chịu lực, hình thức mặt cắt kết cấu tường chắn cọc trộn hình 4.4 4.4.2 Các dạng phá hỏng tường chắn xi măng đất - Mất ổn định xói ngầm từ đáy hố đào - Mất ổn định đẩy - Trượt tổng thể - Mất ổn định giảm sức chịu tải - Mất ổn định đất - Mất ổn định khả chịu lực hệ chống đỡ không đảm bảo Hình 4.5: Mất ổn định xói ngầm Hình 4.6: Mất ổn định đẩy Hình 4.6: Mất ổn định giảm sức chịu tải Hình 4.7: Mất ổn định tổng thể Hình 4.8: Mất ổn định đất Hình 4.9: Mất ổn định khả chịu lực hệ chống đỡ không đảm bảo 10 4.5 THI CÔNG TƯỜNG CHẮN XI MĂNG ĐẤT 4.5.1 Giới thiệu chung Công nghệ thi công tỷ lệ nước-xi măng tỷ lệ đất-xi măng phụ thuộc phần lớn vào nhà thầu thi công Chất lượng tường phụ thuộc vảo tổng hợp yếu tố địa chất, thiết bị, thiết kế tỷ lệ trộn, trình khoan trộn quản lý chất lượng Kinh nghiệm chuyên nghiệp nhà thầu đóng vai trò lớn chất lượng tường Quá trình thi công chia làm hai loại sau: sản xuất chất trộn trình trộn Sản xuất chất trộn bao gômg trình định lượng, trộn, khuấy thiết bị trộn Qua trình thứ vận hành thiết bị bao gồm tốc độ phun, lượng trộn thực máy khoan Hình 4.10: Sơ đồ trình thi công 4.5.2 Máy thi công Thiết bị thi công tường xi măng đất bao gồm phần chính: máy khoan hệ thống trộn xi măng Máy khoan bao gồm hộp số đa trục, động điện, hộp nối, cần khoan mũi khoan 11 Hình 4.11: Cấu tạo máy khoan nhiều trục Hình 4.12: M220 DMM 12 Hệ thống trộn sử dụng để sản xuất hỗn hợp trộn, tự động tính toán lượng nước, xi măng chất phụ gia khác Lượng trộn thiết kế thay đổi dễ dàng nhờ thiết bị trung tâm điều khiển Hình 4.13: Hệ thống trộn hỗn hợp xi măng 4.5.3 Quá trình thi công Trình tự khoan tường xi măng đất hình vẽ 4.13 Quá trình thi công chia làm bước sau: - Định vị giá cọc bảo đảm độ thẳng đứng, sai số vị trí cm sai số độ thẳng đứng 1% - Khoan - Chuẩn bị vữa xi măng - Nâng cần khoan vữa - Trộn lại bơm vữa lại Trong trình thi công tốc độ nâng lên không 0,5m/phút 13 Hình 4.13: Trình tự thi công (Yang Takeshima, 1994) 14 ... ( kPa ) ) 0 .41 (4. 1) Trong fe′ cường độ chịu nén O’Rourke cộng (1997): Es / g = 100qu (4. 2) Trong f e′ cường độ chịu nén 4. 4 THIẾT KẾ TÍNH TOÁN TƯỜNG CHẮN BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 4. 4.1 Nguyên tắc... không đảm bảo Hình 4. 5: Mất ổn định xói ngầm Hình 4. 6: Mất ổn định đẩy Hình 4. 6: Mất ổn định giảm sức chịu tải Hình 4. 7: Mất ổn định tổng thể Hình 4. 8: Mất ổn định đất Hình 4. 9: Mất ổn định khả... Căn vào yêu cầu sử dụng đặc tính chịu lực, hình thức mặt cắt kết cấu tường chắn cọc trộn hình 4. 4 4. 4.2 Các dạng phá hỏng tường chắn xi măng đất - Mất ổn định xói ngầm từ đáy hố đào - Mất ổn định