Luận văn thạc sĩ địa kỹ thuật xây dựng nghiên cứu gia cố nền đất yếu dưới đường vào cầu khu vực cần thơ bằng phương pháp cọc đất trộn xi măng

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu gia cố nền đất yếu bằng cọc đất trộn xi măng tại khu vực Cần Thơ, nâng cao chất lượng công trình xây dựng.

• Tác giả: Phan Đức Toàn
• Người hướng dẫn: PGS.TS Châu Ngọc Ẩn
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP. HCM
• Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng
• Đề tài: Gia Cố Nền Đất Yếu Dưới Đường Vào Cầu Khu Vực Cần Thơ Bằng Cọc Đất Trộn Xi Măng
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: TP Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về đặc điểm địa chất khu vực ĐBSCL và các giải pháp xử lý gia cố nền đất yếu

Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) là khu vực có địa chất phức tạp với nhiều loại đất yếu. Gia cố nền đất yếu là một vấn đề quan trọng trong xây dựng công trình, đặc biệt là các công trình giao thông. Đất yếu ở khu vực này thường có sức chịu tải thấp và dễ bị biến dạng dưới tải trọng. Các giải pháp xử lý như cọc đất trộn xi măng đã được áp dụng để cải thiện tính chất cơ lý của đất. Việc nghiên cứu các đặc điểm địa chất và các phương pháp gia cố là cần thiết để đảm bảo tính ổn định cho các công trình. Theo nghiên cứu, các loại đất yếu chủ yếu bao gồm đất sét, cát và bùn, với các chỉ tiêu cơ lý đặc trưng như độ ẩm cao và lực dính thấp. Những đặc điểm này đòi hỏi các giải pháp gia cố hiệu quả nhằm nâng cao khả năng chịu tải của nền đất.

1.1. Đặc điểm và tính chất của đất yếu

Đất yếu ở ĐBSCL có nhiều đặc điểm riêng biệt. Đặc điểm chung của đất sét yếu là khả năng chịu tải thấp và biến dạng lớn. Đất sét mềm yếu thường có cấu trúc liên kết yếu, dẫn đến khả năng chịu tải rất nhỏ. Các loại đất này dễ bị ảnh hưởng bởi nước, gây ra hiện tượng co nở. Đặc biệt, đất sét yếu có tính chất lưu biến, tức là khả năng thay đổi độ bền khi có tải trọng tác dụng lâu dài. Điều này làm cho việc xây dựng trên nền đất yếu trở nên khó khăn và phức tạp. Các giải pháp gia cố như cọc đất trộn xi măng giúp cải thiện đáng kể tính chất cơ lý của đất, từ đó nâng cao khả năng chịu tải và ổn định cho công trình.

II. Nghiên cứu cấu tạo và phương pháp tính toán của giải pháp xử lý nền đắp cao vào cầu bằng hệ thống cọc đất trộn ximăng

Phương pháp gia cố nền đất yếu bằng cọc đất trộn ximăng là một trong những giải pháp hiệu quả nhất hiện nay. Cọc đất trộn ximăng không chỉ giúp cải thiện tính chất cơ lý của đất mà còn tăng cường khả năng chịu tải cho nền. Nghiên cứu cấu tạo của cọc đất trộn ximăng cho thấy rằng, việc lựa chọn tỉ lệ ximăng phù hợp là rất quan trọng để đạt được cường độ tối ưu. Các thí nghiệm trong phòng đã chỉ ra rằng, hàm lượng ximăng cao hơn sẽ dẫn đến cường độ chịu nén lớn hơn. Phương pháp tính toán cọc đất trộn ximăng cũng cần được thực hiện một cách chính xác để đảm bảo tính ổn định cho công trình. Việc áp dụng phần mềm mô phỏng như PLAXIS 2D giúp phân tích sự phân bố tải trọng và ứng suất trong nền đất, từ đó đưa ra các giải pháp thiết kế hợp lý.

2.1. Phương pháp thi công cọc đất trộn ximăng

Có nhiều phương pháp thi công cọc đất trộn ximăng, trong đó phương pháp trộn phun ướt và trộn phun khô là phổ biến nhất. Phương pháp trộn phun ướt cho phép trộn đều ximăng với đất, tạo ra hỗn hợp đồng nhất và có độ bền cao. Ngược lại, phương pháp trộn phun khô thường được sử dụng trong các điều kiện không thuận lợi. Việc lựa chọn phương pháp thi công phù hợp sẽ ảnh hưởng lớn đến chất lượng cọc đất trộn ximăng. Các nghiên cứu cho thấy rằng, việc kiểm soát độ ẩm và tỉ lệ ximăng trong quá trình thi công là rất quan trọng để đảm bảo cường độ và độ bền của cọc. Điều này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả gia cố mà còn giảm thiểu rủi ro trong quá trình thi công.

III. Ứng dụng tính toán cọc đất trộn ximăng gia cố nền đất yếu dưới đường vào cầu ở khu vực Cần Thơ

Việc ứng dụng tính toán cọc đất trộn ximăng trong gia cố nền đất yếu dưới đường vào cầu khu vực Cần Thơ đã cho thấy hiệu quả rõ rệt. Các số liệu địa kỹ thuật cho thấy rằng, nền đất yếu chưa được gia cố có nguy cơ lún lớn và không ổn định. Sau khi áp dụng giải pháp cọc đất trộn ximăng, khả năng chịu tải của nền đất đã được cải thiện đáng kể. Tính toán sức chịu tải của cọc và nền đất được thực hiện dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành. Kết quả tính toán cho thấy, cọc đất trộn ximăng có khả năng chịu tải lớn hơn nhiều so với nền đất nguyên trạng. Điều này chứng tỏ rằng, giải pháp gia cố này không chỉ hiệu quả về mặt kỹ thuật mà còn mang lại lợi ích kinh tế cho các dự án xây dựng.

3.1. Phân tích sự phân bố tải trọng

Phân tích sự phân bố tải trọng trong hệ nền cọc đất trộn ximăng là một bước quan trọng trong thiết kế. Sử dụng phần mềm PLAXIS 2D, các nhà kỹ thuật có thể mô phỏng và phân tích ứng suất trong nền đất. Kết quả cho thấy, tải trọng được phân bố đều hơn trên nền đất gia cố, giảm thiểu nguy cơ lún không đều. Điều này giúp tăng cường tính ổn định cho công trình và giảm thiểu rủi ro trong quá trình sử dụng. Việc phân tích này cũng giúp các kỹ sư đưa ra các giải pháp thiết kế tối ưu hơn, đảm bảo an toàn cho công trình trong suốt thời gian sử dụng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 --- TỔNG QUAN VỀ ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT KHU VỰC ĐBSCL & CÁC GIẢI PHÁP XỬ LÝ, GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU [A] TỔNG QUAN ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT KHU VỰC ĐBSCL 1. TỔNG QUÁT VỀ QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH ĐẤT YẾU Ở KHU VỰC ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG 1. Đất yếu nói chung: 1) Khái niệm về đất yếu: › Về định tính: Đất yếu là loại đất không có khả năng tiếp nhận tải trọng công trình nếu không có các biện pháp gia cố xử lý thích hợp. › Về định lượng: Đất có các đặc trưng vật lý : − Trọng lượng riêng tự nhiên γw ≤ 1,7 g/cm3 − Hệ số rỗng e ≥ 1,0 − Độ ẩm W ≥ 40% − Độ bảo hòa nước G (Sr) ≥ 0,8 Các đặc trưng cơ học: − Module biến dạng tổng quát Eo ≤ 5000 kN/cm2 − Góc ma sát trong ϕ ≤ 100 − Lực dính c ≤ 10 kN/cm2.

Ngoài ra có thể dựa vào cường độ nén đơn qu từ thí nghiệm nén đơn: − Đất rất yếu: qu ≤ 25 kN/cm2 − Đất yếu: qu ≤ 50 kN/cm2 2) Các dạng đất yếu đồng bằng sông Cửu Long: › Đất yếu có thể được phân làm ba nhóm chủ yếu như sau: - Các loại đất sét (á sét, sét) ở trạng thái mềm, bão hòa nước thuộc các giai đoạn đầu của quá trình hình thành đá sét. - Các loại cát hạt nhỏ, cát bụi ở trạng thái rời, bão hòa nước - Các loại đất bùn, than bùn và đất than bùn Các loại đất yếu trên rất đa dạng về thành phần khoáng vật, nhưng thường giống nhau về tính chất cơ lý và chất lượng xây dựng. › Đất yếu ĐBSCL có các chỉ tiêu sau : ™ Dung trọng tự nhiên : γw ≈ 14,5 ÷ 15,5 KN/m3 HVTH: Phan Đức Toàn – MSHV: 10090374 Trang 1 Luận văn cao học ™ Độ ẩm tự nhiên : w ≈ 65 ÷ 75 % ™ Hệ số rỗng : e ≈ 1,5 ÷ 2,0 ™ Lực dính tiêu chuẩn : c ≈ 5 ÷ 6 KN/m2 ™ Góc nội ma sát : ϕ ≈ 4 ÷ 50 ™ Module biến dạng: E0 ≈ 500 ÷ 600 KN/m2 ™ Hệ số thấm : k ≤ 10-7 ÷ 10-9 cm/s 1. Đặc điểm và tính chất của đất sét yếu: 1) Đặc điểm chung của đất sét yếu: - Đất yếu gây biến dạng rất lớn - Cấu trúc của các hạt đất có liên kết rất yếu nên khả năng chịu tải rất nhỏ; - Dễ xảy ra hiện tượng co nở khi có nước thấm đối với các loại sét có hàm lượng Montmorillonit lớn (ven biển, ven sông).

2) Đặc điểm của đất sét mềm yếu ven sông: Đất sét mềm yếu có tính chất chung của các loại đất đá thuộc loại sét vì nó là sản phẩm ở giai đoạn đầu của quá trình hình thành đất đá loại sét, nhưng nó cũng có các đặc điểm riêng biệt. a) Bản chất, thành phần và cấu trúc khoáng vật sét: Có hai phần - Hạt thô (hạt > 0,002mm) : là các hạt nhỏ như thạch anh, fenspat… là các khoáng chất có nguồn gốc đá. - Hạt mịn: gồm các hạt rất bé (2÷0,1µm) và keo (0,1÷0,001µm). Chúng là các alumino-silicat phức tạp chứa các ion Mg, Al, K, Ca, Na và Fe… được gọi là khoáng vật sét.

Các khoáng vật sét chia thành 3 loại chính: illite, kaolinite, montmorillonite. Các khoáng vật sét này là dấu hiệu các điều kiện môi trường mà nó thành tạo và làm cho đất sét có đặc tính riêng. b) Độ bền cấu trúc và lực dính kết cấu trúc: Nếu tải trọng ngoài tác dụng lên đất sét yếu nhỏ hơn trị số độ bền cấu trúc thì biến dạng của đất bé đến mức có thể bỏ qua, còn khi vượt quá độ bền cấu trúc thì đường cong liên hệ giữa hệ số rỗng và áp lực đất có độ dốc lớn. Độ bền cấu trúc của đất sét yếu: 0,2÷0,3kg/cm2.

Sức chống cắt của đất loại sét là lực dính kết, gồm hai loại: Lực dính kết nguyên sinh và lực dính kết củng cố. Maslov chia làm lực dính kết có nguồn gốc keo nước ∑w (dẻo mềm) và lực dính kết cấu trúc Cc : CW = ∑w + Cc. c) Tính nén chưa đến chặt: Thông thường nền đất sét yếu ở trạng thái nén chưa đến chặt hoặc được nén chặt bình thường. Tính nén chưa đến chặt của đất là sự không phù hợp giữa độ chặt thiên nhiên với áp lực thiên nhiên mà đất đang chịu tác dụng.

HVTH: Phan Đức Toàn – MSHV: 10090374 Trang 2 Luận văn cao học Nguyên nhân là do ảnh hưởng sự phát sinh lực dính của các mối liên kết cấu trúc kìm hãm sự nén chặt, cũng như do tác dụng của nước lỗ rỗng, điều kiện thoát nước lỗ rỗng và trị số, tốc độ, thời gian lực tác dụng. Áp lực cố kết trước σ p ’: các lớp đất yếu trên mặt thường là dạng cố kết trước nhẹ do ảnh hưởng của nhiệt độ, mực nước ngầm; các lớp đất sâu hơn 5m là dạng cố kết thường. d) Tính chất lưu biến: Đất sét yếu là một môi trường dẻo nhớt. Chúng có tính từ biến và có khả năng thay đổi độ bền khi cho tải trọng tác dụng lâu dài.

Khả năng này gọi là tính chất lưu biến, tức là tính chảy như chất nước. Hiện tượng từ biến trong đất sét yếu liên quan đến sự ép thoát nước bất động và biến dạng chậm của các màng nước liên kết khi nén chặt và sự thay đổi mật độ kết cấu của đất do kết quả chuyển dịch các hạt và các khối lên nhau. Ngoài sự từ biến, trong tính lưu biến của đất sét còn có biểu hiện giảm dần ứng suất trong đất khi biến dạng không đổi, đó là sự chùng ứng suất. Chu kỳ chùng ứng suất ở đất sét yếu thường rất ngắn.

3) Đặc điểm biến dạng của đất sét yếu: Tính chất biến dạng của đất sét yếu do bản chất mối liên kết giữa các hạt quyết định. Đất sét yếu có khả năng nén chặt và củng cố dưới tác dụng của ứng suất. Quá trình biến dạng ở đất sét yếu xảy ra trong thời gian dài với tốc độ bé do hệ số thấm bé. Biến dạng của đất sét yếu là do sự phá hoại các mối liên kết cấu trúc và biến dạng của các màng nước liên kết gây nên.

Quá trình biến dạng lún xảy ra khi các hạt đất được xếp chặt hơn do các hạt trượt cục bộ, sự chèn lấp của các hạt bé vào khoảng trống của các hạt lớn hơn, do sự giảm chiều dày màng keo nước hoặc màng nước liên kết vật lý bao quanh hạt đất và bên trong những khoáng chất riêng biệt. Quá trình biến dạng lún còn do thấm thoát nước lỗ rỗng, hiện tượng thấm do nén ép, tính từ biến của cốt đất làm biến hình mạng tinh thể hạt khoáng và còn do sự chảy nhớt chậm chạp của các lớp phân tử nước liên kết chắc, ảnh hưởng đến sự sắp xếp chặt lại của các hạt đất. KHÁI QUÁT VỀ ĐỊA CHẤT KHU VỰC ĐBSCL: Đồng Bằng Sông Cửu Long được tạo thành nhờ quá trình bồi tụ và lắng đọng trầm tích trong điều kiện biển nông, cùng với dòng chảy mang phù sa của các sông ra biển (sông Cửu Long, sông Vàm Cỏ, sông Sài Gòn). Địa hình có đặc điểm chung là bằng phẳng, cao độ 0,5÷1,5m, hơi nghiêng ra biển với độ dốc không đáng kể.

Trầm tích Đồng Bằng Sông Cửu Long thuộc HVTH: Phan Đức Toàn – MSHV: 10090374 Trang 3 Luận văn cao học loại trầm tích trẻ, trong đó trầm tích Holoxen bao phủ hầu như khắp bề mặt đồng bằng với chiều dày tầng đất sét yếu từ vài mét đến vài chục mét. Dựa theo chiều dày tầng đất sét yếu có thể chia Đồng Bằng Sông Cửu Long thành 3 khu vực: ™ Khu vực 1: Có lớp đất yếu dày từ 1÷30m, bao gồm các vùng đô thị Sài Gòn và các vùng ven đô, thượng nguồn các sông Vàm Cỏ Tây, Vàm Cỏ Đông, phía Tây Đồng Tháp Mười, quanh vùng Thất Sơn cho tới vùng ven Hà Tiên, Rạch Giá, biên vùng Đông Bắc đồng bằng từ Vũng Tàu đến Biên Hòa. ™ Khu vực 2: Có lớp đất yếu dày từ 5÷30m, phân bố kế cận khu vực 1 và chiếm đại bộ phận đồng bằng và trung tâm Đồng Tháp Mười. ™ Khu vực 3: Có lớp đất yếu dày từ 15÷30m chủ yếu thuộc lãnh thổ các tỉnh Cửu Long, Bến Tre, tới vùng duyên hải các tỉnh Minh Hải, Hậu Giang, Tiền Giang.

Về mặt địa chất thủy văn: Mực nước ngầm dưới đất trong trầm tích Holoxen rất nông (thường cách mặt đất từ 0,5÷2,0m) và có quan hệ với nước mặt. Vùng gần biển và trũng thường là nước lợ, chịu ảnh hưởng lớn của nước thủy triều. Nước trong trầm tích cổ là nước có áp, tương ứng với 3÷5 nhịp hạt thô có 3÷5 tầng chứa nước có áp. Do nước biển xâm thực từng thời kỳ tạo ra vùng nước lợ ở những khu vực trũng, hòa vào những phù du thực vật do phù sa của sông Cửu Long mang lại, trầm tích tại chỗ trong điều kiện khí hậu nóng ẩm bị phá hủy để hình thành FeS2 và do đất trên mặt không thoát nước được, không bị ôxyt sét hóa cho nên thường có độ pH từ 5÷7,5.

Khi nước biển rút đi, đất chứa các hữu cơ thực vật bị phơi ra, bị bốc hơi nên FeS2 bị ôxyt hóa tạo thành H2SO4. Axít này tác dụng rất mạnh với Aluminat có trong đất sét và giải phóng nhôm. Kết quả đất thường ngã sang màu vàng nâu chứa nhiều Sulfat sắt, Sulfat nhôm và bị chua, thường gọi là đất phèn có độ pH từ 1÷4. Về mặt địa chất công trình: Hiện nay hầu hết các công trình xây dựng ở đồng bằng sông Cửu Long đều thuộc loại vừa và nhỏ, do đó tải trọng của các công trình truyền xuống đất nền đều tựa trên tầng trầm tích trẻ Holoxen.

Theo các kết quả khảo sát địa chất cho thấy lớp trầm tích trẻ Holoxen chứa chủ yếu là các dạng đất yếu như: đất sét dẻo, đất sét dẻo chảy, đất bùn sét hữu cơ, đất bùn á sét, đất bùn á cát và đất than bùn. Do đó việc nghiên cứu sự phân bố và đặc tính của lớp đất yếu này là cơ sở khoa học để tìm ra những biện pháp xử lý gia cố nền hợp lý. Về cấu tạo và phân loại các lớp đất: a) Các lớp đất tiêu biểu ở đồng bằng sông Cửu Long: HVTH: Phan Đức Toàn – MSHV: 10090374 Trang 4 Luận văn cao học Theo kết quả thí nghiệm của GS.TSKH Nguyễn Văn Thơ, trong toàn vùng sông Cửu Long được phân chia thành 7 lớp đất trong đó có 3 lớp dạng đất bùn mềm yếu.