Luận văn thạc sĩ địa kỹ thuật xây dựng nghiên cứu giải pháp trụ đấtxi măng xử lý giảm lún nền đường dẫn vào cầu tuyến đường đê biển trong điều kiện đất yếu tỉnh kiên giang

Luận văn thạc sĩ địa kỹ thuật xây dựng nghiên cứu giải pháp trụ đất xi măng xử lý giảm lún nền đường dẫn vào cầu tuyến đường đê biển Kiên Giang.

• Tác giả: Nguyễn Văn Mót
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Ngọc Phúc
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng
• Đề tài: Nghiên cứu giải pháp trụ đất xi măng xử lý giảm lún nền đường dẫn vào cầu tuyến đường đê biển trong điều kiện đất yếu tỉnh Kiên Giang
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giải pháp trụ đất xi măng

Giải pháp trụ đất xi măng là phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cách trộn đất với xi măng để tăng cường độ chống cắt và giảm tính nén lún. Phương pháp này đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giới, đặc biệt tại Nhật Bản và các nước châu Âu. Tại Việt Nam, giải pháp trụ đất xi măng đang được nghiên cứu và áp dụng cho các công trình giao thông, đặc biệt là trong điều kiện đất yếu ven biển như tại tỉnh Kiên Giang.

1.1. Lịch sử phát triển

Phương pháp trụ đất xi măng bắt đầu được nghiên cứu từ những năm 1960 tại Thụy Điển và Nhật Bản. Tại Nhật Bản, phương pháp này được phát triển mạnh mẽ từ những năm 1970 với việc sử dụng vữa xi măng để trộn với đất, gọi là phương pháp trộn ướt. Hiện nay, Nhật Bản là quốc gia ứng dụng kỹ thuật xây dựng này nhiều nhất, với hàng triệu mét khối đất được gia cố hàng năm.

1.2. Nguyên tắc gia cố

Nguyên tắc của giải pháp trụ đất xi măng là tăng cường độ chống cắt và giảm tính nén lún của đất yếu bằng cách trộn đất với xi măng. Quá trình này tạo ra các phản ứng hóa học giúp gắn kết các hạt đất và lấp đầy các lỗ rỗng, từ đó cải thiện đáng kể tính chất cơ học của nền đất.

II. Giảm lún nền đường

Mục tiêu chính của giải pháp trụ đất xi măng là giảm lún nền đường, đặc biệt trong các công trình giao thông xây dựng trên nền đất yếu. Tại tỉnh Kiên Giang, nơi có địa chất phức tạp với lớp bùn dày, việc áp dụng giải pháp trụ đất xi măng đã giúp giảm đáng kể độ lún của nền đường dẫn vào cầu, đảm bảo an toàn và ổn định cho công trình.

2.1. Tính toán lý thuyết

Các tính toán lý thuyết về giảm lún nền đường dựa trên việc xác định tỷ lệ nước/xi măng và hàm lượng xi măng tối ưu. Kết quả thí nghiệm cho thấy, với tỷ lệ nước/xi măng là 0.7 và hàm lượng xi măng 240 kg/m³, cường độ nén đơn của trụ đất xi măng đạt 370.9 kN/m², đáp ứng yêu cầu về ổn định và biến dạng.

2.2. Ứng dụng thực tế

Tại Kiên Giang, giải pháp trụ đất xi măng đã được áp dụng cho đường dẫn cầu đê biển đoạn qua thành phố Rạch Giá. Kết quả thực tế cho thấy, độ lún của nền đường đã giảm đáng kể, đảm bảo an toàn và ổn định cho công trình trong quá trình khai thác.

III. Đường dẫn cầu đê biển Kiên Giang

Đường dẫn cầu đê biển Kiên Giang là một trong những công trình trọng điểm được xây dựng trên nền đất yếu ven biển. Việc áp dụng giải pháp trụ đất xi măng đã giúp xử lý hiệu quả vấn đề lún nền, đảm bảo an toàn và ổn định cho công trình. Đây là một ví dụ điển hình về ứng dụng kỹ thuật xây dựng hiện đại trong điều kiện địa chất phức tạp.

3.1. Điều kiện địa chất

Khu vực Kiên Giang có địa chất phức tạp với lớp bùn dày lên đến 9m. Điều này gây ra nhiều thách thức trong việc xây dựng công trình giao thông, đặc biệt là đường dẫn cầu đê biển. Việc áp dụng giải pháp trụ đất xi măng đã giúp xử lý hiệu quả vấn đề này.

3.2. Thi công và đánh giá

Quá trình thi công trụ đất xi măng tại Kiên Giang được thực hiện với đường kính trụ 0.8m, khoảng cách giữa các trụ 1.2m và chiều dài trụ 10m. Kết quả đánh giá cho thấy, công trình đáp ứng đầy đủ các yêu cầu về ổn định và biến dạng, đảm bảo an toàn trong quá trình khai thác.

IV. Kỹ thuật xây dựng và công trình giao thông

Kỹ thuật xây dựng hiện đại như giải pháp trụ đất xi măng đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các công trình giao thông, đặc biệt là trong điều kiện đất yếu. Phương pháp này không chỉ giúp giảm lún nền đường mà còn đảm bảo tính ổn định và an toàn cho công trình trong quá trình khai thác.

4.1. Công nghệ thi công

Công nghệ thi công trụ đất xi măng bao gồm các bước như khoan, trộn đất với xi măng và đóng trụ. Quá trình này đòi hỏi sự chính xác cao trong việc xác định tỷ lệ nước/xi măng và hàm lượng xi măng để đảm bảo hiệu quả gia cố.

4.2. Ứng dụng trong công trình giao thông

Giải pháp trụ đất xi măng đã được ứng dụng thành công trong nhiều công trình giao thông tại Việt Nam, đặc biệt là các công trình xây dựng trên nền đất yếu như đường dẫn cầu đê biển Kiên Giang. Phương pháp này giúp giảm chi phí và thời gian thi công, đồng thời đảm bảo chất lượng công trình.

V. Chống lún nền đất và xi măng cốt thép

Chống lún nền đất là một trong những mục tiêu chính của giải pháp trụ đất xi măng. Bằng cách sử dụng xi măng cốt thép, phương pháp này giúp tăng cường độ chống cắt và giảm tính nén lún của nền đất, đảm bảo ổn định cho công trình trong quá trình khai thác.

5.1. Cơ chế chống lún

Cơ chế chống lún nền đất của giải pháp trụ đất xi măng dựa trên việc tăng cường độ chống cắt và giảm tính nén lún của đất yếu. Quá trình này được thực hiện thông qua việc trộn đất với xi măng, tạo ra các phản ứng hóa học giúp gắn kết các hạt đất và lấp đầy các lỗ rỗng.

5.2. Ứng dụng xi măng cốt thép

Việc sử dụng xi măng cốt thép trong giải pháp trụ đất xi măng giúp tăng cường độ chịu lực của trụ, từ đó nâng cao hiệu quả chống lún nền đất. Phương pháp này đã được ứng dụng thành công trong nhiều công trình tại Kiên Giang, đặc biệt là các công trình xây dựng trên nền đất yếu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề nghiên cứu Cùng với sự phát triển mạng lưới hạ tầng giao thông và đặc điểm cấu tạo địa chất vùng Đồng Bằng sông Cửu Long, việc xây dựng công trình đắp trên nền đất yếu là vấn đề thường xuyên gặp phải. Thành phố Rạch Giá là đô thị thuộc địa bàn tỉnh Kiên Giang nằm trong vịnh Rạch Giá, một phần của Biển Tây thuộc Đồng bằng Sông Cửu Long là nơi đang phát triển nhiều dự án lấn biển, đặc biệt có tuyến đường đê biển được xây dựng nằm dọc theo bờ biển trong chương trình chống nước biển dâng do biến đổi khí hậu toàn cầu. Với địa hình có nhiều cửa sông thoát ra biển và có đặc điểm địa chất là nền đất yếu phân bố ngay trên lớp bề mặt có chiều dày dao động từ 6m đến 10 m, cần thiết phải xử lý nền đất yếu khi xây dựng tuyến đường đê biển. Việc xử lý nền đất yếu nhằm mục đích làm tăng độ ổn định, giảm độ lún nền đường; giảm độ lún lệch giữa nền đường và mố cầu; đảm bảo yêu cầu sử dụng bình thường trong quá trình khai thác.

Trong nhiều giải pháp xử lý nền đất yếu phổ biến như: trụ đất-xi măng; giếng cát hoặc bấc thấm kết hợp gia tải trước; bơm hút chân không. thì giải pháp xử lý nền đất yếu bằng trụ đất-xi măng đã được nghiên cứu ứng dụng nhiều do giải pháp xử lý nền này có thời gian thi công nhanh, mặt bằng thi công nhỏ, thiết bị thi công đơn giản, tiết kiệm vật liệu san lấp ngày càng khan hiếm ở địa phương. Do đó, việc nghiên cứu ứng dụng trụ đất-xi măng để xử lý nền đường dẫn vào cầu Km4+600 thuộc dự án tuyến đường đê biển đoạn qua thành phố Rạch Giá, tỉnh Kiên Giang là cần thiết và phù hợp với điều kiện thực tế. 2- Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu đánh giá hàm lượng xi măng và tỷ lệ nước hợp lý cho trụ đất-xi măng để xử lý giảm lún của nền đường.

Từ đó đánh giá sự phù hợp của giải pháp sử dụng trụ đất-xi măng trong xử lý nền đường dẫn vào cầu cũng như áp dụng tính toán bài toán thực tế trong điều kiện nền đất yếu trên địa bàn tỉnh Kiên Giang. 3- Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết dựa vào các tài liệu về phương pháp xử lý nền bằng trụ đất ximăng như: Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 9403:2012 Gia cố đất nền yếu–Phương pháp trụ đất-xi măng; Tiêu chuẩn TCCS 05:2010/VKHTLVN tiêu chuẩn cơ sở Hướng -2- dẫn sử dụng phương pháp Jet-grouting tạo trụ đất-ximăng để gia cố đất yếu, chống thấm nền và thân công trình đất; - Nghiên cứu các số liệu thí nghiệm trong phòng và hiện trường về đặc điểm cường độ, biến dạng trụ đất-ximăng; - Tính toán mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn theo các điều kiện thực tế đã triển khai áp dụng vào công trình để đánh giá độ lún cũng như sức chịu tải của nền đất. 4- Giới hạn phạm vi nghiên cứu - Phạm vi nghiên cứu chỉ giới hạn trong công trình Tuyến đê biển, đoạn qua thành phố Rạch Giá, tỉnh Kiên Giang (Vịnh Rạch Giá), phần công trình nằm bên ngoài phía biển. - Chỉ phân tích tính toán đối với một loại trụ đất-xi măng có cùng đường kính, chiều dài, lưới bố trí và với một hàm lượng xi măng trong xử lý nền đường theo hồ sơ thiết kế ban đầu đã được xác định trước.

- Chỉ nghiên cứu thiết kế trụ đất-ximăng đối với một loại xi măng Holcim PCB40. - Không xét ảnh hưởng hàm lượng muối (độ nhiễm mặn) đến cường độ trụ đất-xi măng. 5- Ý nghĩa thực tiễn của đề tài - Cung cấp thêm kho dữ liệu về thiết kế trụ đất-ximăng cho các công trình thuộc các dự án Lấn biển thành phố Rạch Giá và các công trình đê biển trên địa bàn tỉnh Kiên Giang để ứng dụng vào các giải pháp thiết kế nền, móng trong các công trình xây dựng, nhất là phần đường dẫn vào cầu được xây dựng trên nền đất yếu trên địa bàn tỉnh Kiên Giang. - Làm cơ sở để nghiên cứu phát triển trụ đất-xi măng ứng dụng vào các công trình cống ngăn mặn, kè chống sạt lở cho vùng ven biển trên địa bàn tỉnh Kiên Giang.

-3- CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GIA CỐ ĐẤT YẾU BẰNG TRỤ ĐẤT-XI MĂNG 1.1- GIỚI THIỆU CHUNG 1.1- Sơ lƣợc về lịch sử phát triển của trụ đất xi măng Phương pháp trụ đất-xi măng đã được dùng để cải tạo đất từ rất lâu. Mục đích của phương pháp này là cải thiện các đặc trưng của đất như tăng cường độ chống cắt, giảm tính nén lún bằng cách trộn đất nền với ximăng (vữa xi măng) để chúng tương tác với đất. Sự đổi mới tốt hơn nhờ trao đổi ion tại bề mặt các hạt sét, gắn kết các hạt đất và lấp các lỗ rỗng bởi các sản phẩm của phản ứng hóa học. Tại Châu Âu, công nghệ trụ đất-xi măng được nghiên cứu và ứng dụng bắt đầu ở Thụy Điển và Phần Lan bắt đầu từ năm 1967.

Từ những năm 1960, Thụy Điển và Nhật Bản đã bắt đầu nghiên cứu và phát triển kỹ thuật trộn sâu sử dụng vôi hạt làm chất gia cố. Thụy Điển sử dụng kỹ thuật trộn sâu chủ yếu trong cải tạo nền đất bùn, sét yếu cho các nền đường và nền đường sắt. Trong khi đó tại Nhật Bản sử dụng phù hợp cho cải tạo đất tại các dự án lớn ở cửa biển và cửa sông lớn. Đến giữa những năm 1970, trong nỗ lực nghiên cứu ứng dụng phương pháp trộn sâu, người Nhật đã giới thiệu áp dụng giải pháp phun xi măng vào đất ở dạng vữa.

Cách sử dụng vữa xi măng để phun vào trộn với đất được gọi là phương pháp trộn ướt (Wet Method). Phương pháp này được áp dụng ở Nhật Bản với khối lượng rất lớn các dự án cải tạo đất sét yếu cho nền đường, sân bay, cảng biển. Hiện nay, nước ứng dụng công nghệ trụ đất-xi măng nhiều nhất là Nhật Bản. Theo thống kê của hiệp hội đất trộn xi măng (Nhật Bản), tính chung trong giai đoạn 1980-1996 sử dụng 26 triệu m3.

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, cửa biển và của sông lớn với khoảng 300 dự án. Hiện nay hàng năm thi công khoảng 2 triệu m3. Tại Việt Nam, việc áp dụng thi công đại trà gia cố nền đất sử dụng công nghệ khô trộn sâu thi công trụ đất-xi măng bắt đầu được tiến hành từ những năm 80 thế kỷ trước. Năm 2001, tập đoàn Hercules của Thụy 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 trụ đất xi măng.

Từ năm 2002 đến 2005 đã có một số dự án -4- bắt đầu ứng dụng trụ đất-xi măng vào xây dựng các công trình trên nền đất, như: Dự án cảng Ba Ngòi (Khánh Hòa) đã sử dụng 4000m trụ đất-xi măng 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 trụ đơn và nhóm trụ, khả năng chịu lực ngang, ảnh hưởng của hàm lượng xi măng đến tính chất của trụ đất-xi măng,. nhằm ứng dụng trụ Đất-xi măng 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, trụ Đất-xi măng được ứng dụng ở Plazza Vĩnh Trung dưới 2 hình thức: Làm tường trong đất và làm trụ thay trụ nhồi. Hồ Chí Minh, trụ đất-xi măng đã được sử dụng trong dự án Đại lộ Đông Tây, Building Saigon Times Square và được ứng dụng rộng rãi để chống mất ổn định nền móng, tường, kè nhiều công trình trên địa bàn Thành phố Hồ Chí Minh.2- Nguyên tắc gia cố đất nền bằng trụ đất-ximăng Vấn đề tên gọi là “Trụ”, “Cột” hay là “Trụ” thì hiện nay có hai trường phái. Theo trường phái thứ nhất ở Châu Á (học viện kỹ thuật châu Á A.T) thì tên gọi là “trụ” xi măng-đất. Theo trường phái thứ hai gồm các nước Mỹ, Nhật, Châu Âu… thì gọi là “Trụ” đất-xi măng.

Trụ đất-xi măng 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 phun. Cột gia cố tạo thành bởi hỗn hợp đất tại chỗ và chất kết dính (thông thường là vôi và xi măng). 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. Trong quá trình dịch chuyển lên, hỗn hợp chất gia cố (xi măng) được phun vào nền đất bằng áp lực khí nén (đối với hỗn hợp khô) hoặc bằng bơm vữa (đối với hỗn hợp ướt) ở đầu mũi trộn, tới cao độ đầu cột thì dừng lại.1 Công nghệ thi công trụ đất- xi măng Việc hình thành cường độ xảy ra thông qua quá trình ninh kết của hỗn hợp đất-xi măng.

Khi ximăng được trộn với đất, xi măng phản ứng với nước tạo ra Canxi hyđrôxit Ca(OH)2 từ đó kết hợp với đất nền tạo ra keo ninh kết CSH, đây là quá trình Hydrat hoá. Phản ứng này diễn ra nhanh và mạnh toả ra một nhiệt lượng lớn và giảm bớt lượng nước có trong đất gia cố. Hợp chất Hydrat này tạo ra một hỗn hợp liên kết các thành phần hạt trong đất gia cố hình thành lên khoáng chất nền bền vững, cứng. Xi măng + H2O → Keo CSH + Ca(OH)2.3- Công nghệ thi công Hiện nay phổ biến hai công nghệ thi công trụ đất-xi măng là: Công nghệ trộn khô (Dry Jet Mixing) và Công nghệ trộn ướt (Wet Mixing hay còn gọi là Jet-grouting).

Trong phương pháp trộn khô, không khí dùng để dẫn xi măng bột vào đất (độ ẩm của đất cần phải không nhỏ hơn 20%). Trong phương pháp trộn ướt, vữa xi măng là chất kết dính.