Luận văn thạc sĩ kỹ thuật xây dựng nghiên cứu gia tăng sự ổn định của mái dốc trên nền cát pha sét bằng phương án cọc đất trộn xi măng

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu gia tăng ổn định mái dốc trên nền cát pha sét bằng phương pháp cọc đất trộn xi măng, ứng dụng hiệu quả trong xây dựng.

• Tác giả: Tiêu Viết Trình
• Người hướng dẫn: TS. Đỗ Thanh Hải
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình ngầm
• Đề tài: Nghiên cứu gia tăng sự ổn định của mái dốc trên nền cát pha sét bằng phương án cọc đất trộn xi măng
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• LỜI CAM ĐOAN
• PHẦN MỞ ĐẦU
• Tính cấp thiết của đề tài
• Mục tiêu nghiên cứu
• Phương pháp nghiên cứu
• Nội dung nghiên cứu
• Phương pháp thực hiện thí nghiệm
• Giới hạn của đề tài
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH MÁI DỐC BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT
• 1.1. Tổng quan về mái dốc và sự mất ổn định của mái dốc
• 1.2. Tổng quan về gia cố đất bằng xi măng
• 1.3. Tổng quan về sử dụng cọc để gia cố mái dốc
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐẤT TRỘN XI MĂNG VÀ ỔN ĐỊNH TRƯỢT MÁI DỐC
• 2.1. Nguyên lí đất trộn xi măng
• 2.2. Phân tích ổn định mái dốc theo mặt trượt cung tròn
• 2.2.1. Phương pháp Fellenius
• 2.2.2. Phương pháp Bishop
• 2.3. Khả năng chịu tải giới hạn của nhóm cột vật liệu rời
• 3. CHƯƠNG 3: THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ SỨC CHỐNG CẮT KHÔNG THOÁT NƯỚC CỦA HỖN HỢP ĐẤT TRỘN XI MĂNG
• 3.1. Mục đích thí nghiệm
• 3.2. Vật liệu thí nghiệm
• 3.2.1. Đất tự nhiên
• 3.2.2. Xi măng dùng trong thí nghiệm
• 3.2.3. Nước dùng trong thí nghiệm
• 3.3. Cấp phối thí nghiệm
• 3.3.1. Tỉ lệ Xi măng – Đất
• 3.3.2. Hàm lượng nước
• 3.4. Chế bị mẫu cắt trực tiếp trong phòng thí nghiệm
• 3.4.1. Số lượng mẫu thí nghiệm
• 3.4.2. Xác định hàm lượng hỗn hợp
• 3.5. Thí nghiệm cắt trực tiếp trong phòng thí nghiệm xác định cường độ sức chống cắt của hỗn hợp Đất-Xi măng
• 3.5.1. Tiến hành thí nghiệm cắt trực tiếp với mẫu đã chế bị
• 3.5.2. Kết quả thí nghiệm cắt trực tiếp
• 4. CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH MÁI DỐC THỰC TẾ BẰNG PHẦN MỀM GEOSLOPE
• 4.1. Giới thiệu về phần mềm tính toán GEOSLOPE 2012
• 4.2. Ứng dụng phần mềm tính toán ổn định mái dốc sử dụng phương án gia cố cọc xi măng – đất
• 4.2.1. Đặc điểm và tính chất của mái dốc tự nhiên
• 4.2.2. Thông số đưa vào mô hình
• 4.2.3. Kết quả tính toán
• 4.3. Sử dụng cọc đất xi măng để gia cố mái dốc
• 4.3.1. Các trường hợp bài toán
• 4.3.2. Thông số đưa vào mô hình
• 4.3.3. Khảo sát sự thay đổi hệ số ổn định mái dốc khi thay đổi hàm lượng xi măng
• 4.3.4. Khảo sát sự thay đổi hệ số ổn định mái dốc khi thay đổi khoảng cách cọc
• 4.3.5. Khảo sát sự thay đổi hệ số ổn định mái dốc khi thay đổi góc bố trí cọc
• 4.3.6. Tổng hợp hệ số ổn định của mái dốc khi thay đổi hàm lượng xi măng – khoảng cách cọc và góc bố trí cọc xi măng đất
• KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ
• PHỤ LỤC 1: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM CẮT TRỰC TIẾP
• PHỤ LỤC 2: KẾT QUẢ HỆ SỐ AN TOÀN MÁI DỐC GIA CỐ BẰNG CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH KHÁC NHAU TRONG PHẦN MỀM GEOSLOPE 2012
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Ổn định mái dốc và nền cát pha sét

Ổn định mái dốc là vấn đề quan trọng trong xây dựng, đặc biệt ở khu vực có địa hình đồi núi. Nền cát pha sét là loại đất phổ biến tại các tỉnh miền Đông Nam Bộ, có đặc tính dễ bị xói mòn và mất ổn định khi gặp mưa lớn. Nghiên cứu này tập trung vào việc tăng cường ổn định mái dốc trên nền cát pha sét bằng phương pháp cọc đất trộn xi măng. Phương pháp này giúp cải thiện độ bền của đất, ngăn chặn hiện tượng sạt lở, đặc biệt trong điều kiện thời tiết bất lợi.

1.1. Hiện tượng mất ổn định mái dốc

Mất ổn định mái dốc thường xảy ra do sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng và trọng lực. Các dạng phá hoại phổ biến bao gồm sụt lở, trượt tịnh tiến, và trượt xoay. Nền cát pha sét dễ bị ảnh hưởng bởi độ ẩm, dẫn đến giảm cường độ chống cắt và gây ra sạt lở. Nghiên cứu này nhằm tìm giải pháp hiệu quả để ngăn chặn các hiện tượng này.

1.2. Đặc tính của nền cát pha sét

Nền cát pha sét có độ bền thấp khi bão hòa nước, dễ bị xói mòn và mất ổn định. Việc sử dụng cọc đất trộn xi măng giúp cải thiện cường độ chống cắt của đất, tăng khả năng chịu tải và ổn định mái dốc. Nghiên cứu này tập trung vào việc xác định tỷ lệ xi măng tối ưu để gia cố nền đất.

II. Cọc đất trộn xi măng và kỹ thuật gia cố

Cọc đất trộn xi măng là phương pháp gia cố nền đất hiệu quả, được áp dụng rộng rãi trong xây dựng. Phương pháp này sử dụng hỗn hợp đất và xi măng để tạo thành cọc có độ bền cao, giúp ổn định mái dốc. Nghiên cứu này tập trung vào việc xác định cường độ chống cắt của hỗn hợp đất-xi măng với các tỷ lệ xi măng khác nhau (3%, 5%, 7%, 9%).

2.1. Nguyên lý của cọc đất trộn xi măng

Cọc đất trộn xi măng được tạo thành bằng cách trộn đất với xi măng theo tỷ lệ nhất định. Hỗn hợp này sau khi đóng rắn tạo thành cọc có độ bền cao, giúp tăng cường ổn định mái dốc. Nghiên cứu này sử dụng thí nghiệm cắt trực tiếp để xác định cường độ chống cắt của hỗn hợp đất-xi măng.

2.2. Kỹ thuật gia cố mái dốc

Phương pháp gia cố mái dốc bằng cọc đất trộn xi măng bao gồm việc thay đổi hàm lượng xi măng, khoảng cách bố trí cọc, và góc bố trí cọc. Nghiên cứu sử dụng phần mềm Geoslope để mô phỏng và đánh giá hiệu quả của các phương án gia cố khác nhau.

III. Phương pháp nghiên cứu và kết quả

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thí nghiệm cắt trực tiếp để xác định cường độ chống cắt của hỗn hợp đất-xi măng. Các mẫu thí nghiệm được chế tạo với tỷ lệ xi măng 3%, 5%, 7%, và 9%, và được bảo dưỡng trong 7 và 28 ngày. Kết quả cho thấy cường độ chống cắt của hỗn hợp đất-xi măng cao hơn đáng kể so với đất tự nhiên.

3.1. Thí nghiệm cắt trực tiếp

Thí nghiệm cắt trực tiếp được thực hiện để xác định cường độ chống cắt của hỗn hợp đất-xi măng. Kết quả cho thấy cường độ chống cắt tăng theo tỷ lệ xi măng và thời gian bảo dưỡng. Hỗn hợp với 9% xi măng sau 28 ngày bảo dưỡng đạt cường độ chống cắt cao nhất.

3.2. Mô phỏng bằng phần mềm Geoslope

Phần mềm Geoslope được sử dụng để mô phỏng và đánh giá hiệu quả của phương án gia cố mái dốc bằng cọc đất trộn xi măng. Kết quả cho thấy mái dốc ổn định (Fs > 1) khi sử dụng cọc với tỷ lệ xi măng 3% và khoảng cách bố trí 1m.

IV. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả của phương pháp gia cố mái dốc bằng cọc đất trộn xi măng trên nền cát pha sét. Phương pháp này giúp tăng cường ổn định mái dốc, ngăn chặn hiện tượng sạt lở. Kiến nghị áp dụng phương án gia cố với tỷ lệ xi măng 3% và khoảng cách bố trí cọc 1m để đạt hiệu quả tối ưu.

4.1. Giá trị thực tiễn của nghiên cứu

Nghiên cứu cung cấp giải pháp hiệu quả để gia cố mái dốc trên nền cát pha sét, đặc biệt trong điều kiện thời tiết bất lợi. Phương pháp cọc đất trộn xi măng có thể được áp dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng tại khu vực đồi núi.

4.2. Hướng phát triển trong tương lai

Cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa tỷ lệ xi măng và phương pháp bố trí cọc. Ngoài ra, cần mở rộng nghiên cứu cho các loại đất khác nhau để đa dạng hóa ứng dụng của phương pháp này.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Khu vực Đông Nam Bộ và Tây Nguyên có địa hình đồi dốc phức tạp, nơi tập trung nhiều khu dân cư và công trình giao thông trọng điểm. Vào mùa mưa, lượng mưa lớn kéo dài làm độ ẩm đất gia tăng nhanh chóng, đẩy độ bão hòa lên mức trên 80% và gây ra hiện tượng sạt lở mái dốc nghiêm trọng. Sự cố trượt lở không chỉ phá hủy cơ sở hạ tầng mà còn gây thiệt hại kinh tế hàng tỷ đồng mỗi năm. Đất cát pha sét tại sườn dốc tự nhiên khi ngậm nước sẽ suy giảm đột ngột cường độ kháng cắt do áp lực nước lỗ rỗng âm bị triệt tiêu, khiến hệ số an toàn ổn định sụt giảm xuống dưới mức nguy hiểm.

Luận văn tập trung nghiên cứu giải pháp gia cố ổn định mái dốc trên nền đất cát pha sét bằng phương án cọc đất trộn xi măng. Nghiên cứu thực hiện đánh giá sự phát triển cường độ kháng cắt của hỗn hợp đất trộn xi măng ở các tỷ lệ 3%, 5%, 7% và 9% tại mốc 7 ngày và 28 ngày bảo dưỡng. Trên cơ sở đó, đề tài ứng dụng phần mềm GeoStudio 2012 để mô phỏng mái dốc thực tế tại khu dân cư xã Hố Nai 3, huyện Trảng Bom, tỉnh Đồng Nai trong giai đoạn từ tháng 01/2016 đến tháng 06/2016.

Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện ở việc đưa ra giải pháp kỹ thuật tối ưu giúp nâng hệ số an toàn mái dốc từ trạng thái mất ổn định với hệ số an toàn chỉ đạt 0.50 lên mức ổn định bền vững từ 1.30 đến trên 1.50 ngay cả trong điều kiện đất bão hòa 80%. Kết quả này cung cấp cơ sở khoa học tin cậy cho công tác thiết kế gia cố bờ dốc công trình xây dựng và hạ tầng đô thị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết hóa bền đất bằng chất kết dính vô cơ, trọng tâm là phản ứng thủy hóa của xi măng Portland kết hợp phản ứng Puzzolanic. Khi tiếp xúc với nước trong đất cát pha sét, các khoáng chất chính như Tricalcium Silicate và Dicalcium Silicate nhanh chóng thủy hóa để tạo ra gel Hydrated Calcium Silicate và vôi tôi Hydrated Lime. Hợp chất gel này liên kết các hạt khoáng sét và cát lại với nhau, lấp đầy các lỗ rỗng vi mô và đóng rắn theo thời gian, hình thành bộ khung chịu lực có cường độ cao.

Phân tích ổn định mái dốc dựa trên lý thuyết cân bằng giới hạn phân thỏi dọc theo mặt trượt trụ tròn xoay. Hai mô hình giải tích nòng cốt được vận dụng là phương pháp Fellenius và phương pháp Bishop đơn giản hóa. Phương pháp Bishop đơn giản hóa tính toán hệ số an toàn thông qua việc cân bằng lực theo phương đứng và cân bằng mô men tổng thể của toàn bộ khối trượt, loại trừ giả thiết triệt tiêu lực tương tác giữa các thỏi đất của Fellenius, mang lại kết quả có độ tin cậy cao hơn từ 8% đến 10%.

Nghiên cứu cũng tích hợp lý thuyết sức chịu tải của nhóm cọc vật liệu rời và nguyên lý đồng nhất hóa vật liệu tương đương. Theo đó, hệ cọc đất trộn xi măng đường kính xác định phân bố cách đều được quy đổi thành lớp vật liệu hỗn hợp liên tục có lực dính và góc ma sát trong tương đương, phụ thuộc vào tỷ lệ diện tích thay thế của cọc trên mặt cắt ngang.

Các khái niệm then chốt bao gồm: độ bão hòa của đất, áp lực nước lỗ rỗng âm, lực dính hiệu quả, góc ma sát trong và hệ số an toàn ổn định mái dốc.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thí nghiệm được xây dựng từ mẫu đất cát pha sét nguyên trạng thu thập tại sườn dốc tự nhiên huyện Trảng Bom, tỉnh Đồng Nai. Chỉ tiêu cơ lý ban đầu của đất xác định tỷ trọng hạt đạt 2.60, dung trọng tự nhiên 18.11 kN/m3 và lực dính tự nhiên đạt 33.2 kPa theo phân loại TCVN 5747:1993. Chất liên kết sử dụng là xi măng Nghi Sơn có cường độ nén 28 ngày đạt 53.2 N/mm2 theo tiêu chuẩn TCVN 6016-95.

Quy trình chọn mẫu tuân thủ phương pháp lấy mẫu đại diện đồng nhất. Mẫu đất sau khi sấy khô được phối trộn với hàm lượng nước cố định 13.5% hỗn hợp và 4 tỷ lệ xi măng gồm 3%, 5%, 7%, 9% tính theo khối lượng đất khô. Tổng cộng 72 mẫu thí nghiệm hình trụ được chế bị bằng dao vòng chuyên dụng, bảo dưỡng phòng thí nghiệm ở độ ẩm tiêu chuẩn và chia đều cho hai mốc kiểm tra 7 ngày và 28 ngày. Cỡ mẫu này đảm bảo tính đại diện thống kê theo TCVN 9153-2012 với 3 mẫu lặp lại cho mỗi cấp áp lực nén thẳng đứng gồm 25 kPa, 50 kPa và 100 kPa.

Phương pháp cắt trực tiếp không thoát nước trên máy cắt J0080 được lựa chọn nhờ khả năng xác định trực tiếp các thông số chống cắt nhanh chóng và chuẩn xác. Dữ liệu thực nghiệm sau đó được đưa vào mô-đun SLOPE/W thuộc bộ phần mềm GeoStudio 2012. Việc lựa chọn phần mềm này xuất phát từ khả năng mô phỏng mặt trượt cung tròn tự động, kiểm soát đa dạng điều kiện bão hòa nước và xử lý chính xác bài toán ổn định 2D kết hợp cọc gia cường trong thời gian thực hiện nghiên cứu 6 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thí nghiệm cắt trực tiếp 72 mẫu đã chỉ ra sự gia tăng đột phá về sức chống cắt của hỗn hợp đất cát pha sét sau khi gia cố xi măng so với nền đất tự nhiên. Lực dính của hỗn hợp ở tuổi 28 ngày đạt từ 289.4 kPa ở hàm lượng 3% xi măng lên tới 512.4 kPa ở hàm lượng 9% xi măng, tăng gấp 8.7 đến 15.4 lần so với lực dính ban đầu của đất tự nhiên là 33.2 kPa.

Góc ma sát trong của đất gia cố phát triển mạnh mẽ, đạt giá trị từ 62.15 độ đến 73.72 độ sau 28 ngày bảo dưỡng. Mặc dù tăng vượt bậc so với nền tự nhiên, mức độ dao động góc ma sát giữa các tỷ lệ xi măng 3% và 9% chỉ chênh lệch khoảng 18%, cho thấy hàm lượng xi măng ảnh hưởng chủ yếu đến lực dính hơn là góc ma sát trong.

Thời gian bảo dưỡng đóng vai trò then chốt trong quá trình hình thành cường độ. So với mốc 7 ngày, lực dính ở mốc 28 ngày của mẫu trộn 3% xi măng tăng 64.81%, trong khi mẫu 9% xi măng tăng 50.20%. Tốc độ gia tăng lực dính có xu hướng chậm lại ở các hàm lượng xi măng cao do phản ứng thủy hóa ban đầu diễn ra nhanh.

Mô phỏng ổn định trên phần mềm chuyên dụng chứng minh độ ẩm đất tác động trực tiếp đến sự suy giảm hệ số an toàn. Khi độ bão hòa tăng từ 50% lên 80%, hệ số an toàn của mái dốc tự nhiên giảm hơn một nửa, từ 1.82 xuống còn 0.50, đẩy khối đất vào trạng thái trượt lở sâu hoàn toàn.

Thảo luận kết quả

Sự gia tăng vượt bậc của chỉ tiêu lực dính bắt nguồn từ mạng lưới tinh thể Silicate ngậm nước phát triển mạnh trong các khe rỗng, liên kết chặt chẽ các hạt cát và hạt sét. Khi hàm lượng xi măng đạt 9%, mật độ gel liên kết dày đặc giúp khối đất chống lại ứng suất cắt hiệu quả dưới các cấp tải trọng từ 25 kPa đến 100 kPa. Kết quả này tương đồng với các nghiên cứu gia cố đất dính tại khu vực Đông Nam Á, khẳng định tính hiệu quả của xi măng Nghi Sơn trên nền đất cát pha sét miền Đông Nam Bộ.

Toàn bộ dữ liệu thực nghiệm và mô phỏng được biểu diễn trực quan thông qua hệ thống biểu đồ phân tích. Quan hệ giữa lực dính và hàm lượng xi măng được thể hiện qua biểu đồ cột so sánh hai mốc 7 ngày và 28 ngày, phản ánh rõ mức tăng trưởng phần trăm vượt trội ở cấp phối 3% và 5%. Biểu đồ đường trong phân tích GeoStudio 2012 minh họa tương quan giữa hệ số an toàn với góc nghiêng cọc từ 45 độ, 60 độ đến 75 độ và khoảng cách cọc từ 1.0m đến 3.0m.

Phân tích số cho thấy phương án bố trí cọc đường kính 800mm nghiêng 75 độ so với phương ngang mang lại hiệu quả cản trượt cao nhất, nâng hệ số an toàn mái dốc từ 0.50 lên trên 1.45 ở điều kiện bão hòa 80%. Việc cọc đặt xiên 75 độ giúp vuông góc hơn với cung trượt tròn nguy hiểm nhất, tối ưu hóa khả năng huy động sức kháng cắt của cọc so với bố trí thẳng đứng thông thường.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, phê duyệt áp dụng hai phương án cấp phối và khoảng cách cọc tối ưu trong thiết kế kỹ thuật: Các đơn vị tư vấn thiết kế địa kỹ thuật nên lựa chọn phương án cọc đường kính 800mm bố trí nghiêng 75 độ với hàm lượng 3% xi măng ở khoảng cách cọc 1.0m, hoặc hàm lượng 9% xi măng ở khoảng cách cọc 1.5m. Giải pháp này đảm bảo hệ số an toàn luôn duy trì trên 1.35 trong thời gian thi công dự kiến 45 ngày.

Thứ hai, chuẩn hóa quy trình thi công cọc xiên góc 75 độ tại hiện trường: Nhà thầu thi công nền móng cần hiệu chỉnh hệ thống giàn khoan dẫn hướng chuyên dụng nhằm duy trì độ nghiêng ổn định 75 độ so với phương ngang, giúp gia tăng hiệu quả cản trượt thêm 15% đến 18% so với cọc thẳng đứng, hoàn thành hiệu chỉnh trong vòng 15 ngày trước khi khoan đại trà.

Thứ ba, kiểm soát nghiêm ngặt tỷ lệ nước và thời gian bảo dưỡng: Ban quản lý dự án cùng đội ngũ tư vấn giám sát phải kiểm tra độ ẩm hỗn hợp đạt chuẩn 13.5% và thực hiện nén mẫu kiểm tra ở mốc 7 ngày đạt tối thiểu 60% cường độ quy định trước khi cho phép thi công các hạng mục tiếp theo, áp dụng liên tục trong suốt tiến độ dự án 6 tháng.

Thứ tư, thiết lập trạm quan trắc áp lực nước lỗ rỗng và độ bão hòa tự động: Chính quyền địa phương và các chủ đầu tư hạ tầng tại huyện Trảng Bom cần lắp đặt hệ thống cảm biến quan trắc độ ẩm đất thời gian thực với chu kỳ ghi nhận dữ liệu 24/7, phát tín hiệu cảnh báo sớm khi độ bão hòa vượt ngưỡng 70% nhằm chủ động phòng chống rủi ro sạt lở.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Kỹ sư thiết kế địa kỹ thuật và công trình ngầm có thể khai thác trực tiếp bảng thông số lực dính từ 289.4 kPa đến 512.4 kPa và góc ma sát trên 62 độ cùng quy trình quy đổi lớp vật liệu tương đương trong GeoStudio 2012 để lập hồ sơ thiết kế xử lý mái dốc cho các dự án hạ tầng miền Đông Nam Bộ.

Nhà thầu thi công nền móng và xử lý đất yếu ứng dụng định mức tỷ lệ trộn xi măng từ 3% đến 9%, độ ẩm chuẩn 13.5% và công nghệ cọc đường kính 800mm nghiêng 75 độ nhằm tối ưu hóa chi phí máy móc, tiết kiệm khoảng 15% kinh phí vật liệu và rút ngắn 20% thời gian thi công.

Cán bộ quản lý quy hoạch xây dựng và phát triển đô thị tại các địa phương có địa hình đồi dốc như Đồng Nai và Tây Nguyên sử dụng các phân tích độ bão hòa từ 50% đến 80% để xây dựng quy chuẩn an toàn sạt lở, đánh giá rủi ro cho các khu dân cư ven sườn dốc trong mùa mưa lũ.

Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình ngầm có thể sử dụng trọn vẹn 72 bộ số liệu thí nghiệm cắt trực tiếp và mô hình phân tích cân bằng giới hạn làm tài liệu tham khảo giảng dạy, mở rộng đề tài trên các loại đất tàn tích khác.

Câu hỏi thường gặp

Cọc đất trộn xi măng cải thiện cường độ kháng cắt của đất cát pha sét theo cơ chế nào? Phản ứng thủy hóa giữa xi măng Nghi Sơn và nước tạo ra các khoáng kết dính Silicate ngậm nước lấp kín lỗ rỗng giữa các hạt khoáng. Qua 28 ngày, lực dính của hỗn hợp tăng từ 33.2 kPa lên mức 289.4 kPa đến 512.4 kPa, giúp tăng sức kháng cắt tổng thể từ 8 đến 15 lần so với nền tự nhiên.

Vì sao độ ẩm tăng cao lại khiến mái dốc cát pha sét trượt lở nhanh chóng? Khi mưa lớn làm độ bão hòa tăng từ 50% lên 80%, áp lực nước lỗ rỗng âm giữ liên kết giữa các hạt đất bị triệt tiêu hoàn toàn. Kết quả tính toán bằng phương pháp Bishop cho thấy hệ số an toàn sụt giảm nghiêm trọng từ 1.82 xuống còn 0.50, dẫn đến hiện tượng trượt xoay lăng trụ tròn.

Tại sao nên bố trí cọc đất trộn xi măng nghiêng góc 75 độ thay vì cọc thẳng đứng? Góc nghiêng 75 độ so với phương ngang giúp thân cọc cắt qua mặt trượt tròn tiềm năng ở phương vị chịu lực tối ưu nhất. Sự sắp xếp này giúp gia tăng mô men kháng trượt thêm 12% đến 18% so với phương án cọc thẳng đứng hoặc góc nghiêng 45 độ.

Phương án thiết kế cọc nào đạt hiệu quả kinh tế và kỹ thuật tốt nhất cho công trình? Nghiên cứu kiến nghị hai phương án cân bằng: cọc đường kính 800mm góc 75 độ với 3% xi măng khoảng cách 1.0m, hoặc 9% xi măng khoảng cách 1.5m. Cả hai giải pháp đều giữ hệ số an toàn trên 1.30 khi đất bão hòa 80%, vừa an toàn kỹ thuật vừa tiết kiệm vật liệu.

Phần mềm GeoStudio 2012 mô phỏng hệ thống cọc gia cố trên mặt cắt 2D như thế nào? Mô-đun SLOPE/W sử dụng phương pháp Bishop đơn giản hóa để quét mặt trượt tròn nguy hiểm nhất. Hệ cọc đường kính 800mm được quy đổi tương đương thành một lớp vật liệu liên tục có lực dính và góc ma sát tổng hợp dựa trên tỷ lệ diện tích cọc và khoảng cách bố trí.

Kết luận

• Xác lập hệ thông số sức chống cắt chuẩn xác cho đất cát pha sét gia cố xi măng với lực dính đạt 289.4 đến 512.4 kPa và góc ma sát trong đạt 62.15 đến 73.72 độ qua 72 mẫu thí nghiệm thực tế.
• Chứng minh định lượng sự suy giảm hệ số an toàn mái dốc từ 1.82 xuống 0.50 khi độ bão hòa đất tăng lên 80% dưới tác động của lượng mưa lớn tại khu vực Trảng Bom, Đồng Nai.
• Làm rõ quy luật phát triển cường độ theo thời gian với lực dính ở mốc 28 ngày tăng từ 50.20% đến 64.81% so với mốc 7 ngày, trong đó tỷ lệ phối trộn 3% xi măng đạt tốc độ tăng trưởng cao nhất.
• Đề xuất giải pháp cọc đất trộn xi măng đường kính 800mm nghiêng 75 độ với hàm lượng 3% cự ly 1.0m hoặc 9% cự ly 1.5m giúp khôi phục hệ số an toàn mái dốc lên trên 1.35.
• Hoàn thiện tài liệu chỉ dẫn kỹ thuật trong 3 tháng tới và triển khai lắp đặt hệ thống quan trắc độ ẩm thực địa trong vòng 12 tháng tiếp theo để theo dõi độ ổn định dài hạn.

Các đơn vị tư vấn thiết kế và chủ đầu tư hạ tầng hãy chủ động ứng dụng công nghệ cọc đất trộn xi măng nghiêng 75 độ để gia cố bền vững các sườn dốc nguy cơ cao ngay trước mùa mưa bão.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH MÁI DỐC BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 1.1 Tổng quan về mái dốc và sự mất ổn định của mái dốc Mái dốc của khối đất đá có thể được hình thành do tác nhân tự nhiên hay nhân tạo. Tất cả các mái dốc đều có xu hướng giảm độ dốc đến một dạng ổn định hơn, cuối cùng chuyển sang nằm ngang và trong bối cảnh này, mất ổn định được quan niệm là khi có xu hướng di chuyển và phá hoại. Các lực gây mất ổn định liên quan chủ yếu với trọng lực và thấm trong khi sức chống phá hoại cơ bản là do hình dạng mái dốc kết hợp với bản thân độ bền kháng cắt của đất và đá tạo nên, do đó khi tính toán ổn định của mái dốc cần phải xét đến đầy đủ các nội lực và ngoại lực[1]. 1:Các loại mái dốc tự nhiên và nhân tạo Sự di chuyển của khối đất đá có thể xảy ra do phá hoại cắt dọc theo một mặt ở bên trong khối hay do ứng suất hiệu quả giữa các hạt giảm tạo nên sự hóa hỏng một phần hay toàn bộ.

Người ta đã quan sát được nhiều dạng di chuyển ( phá hoại) khác nhau, có 3 dạng di chuyển thường xảy ra nhiều hơn [1]: a) Sụt lở: đất đá di chuyển rời xa khỏi chỗ bị gián đoạn: các thớ nứt, khe nứt, -4- mặt phẳng phân lớp dốc, mặt đứt gãy, … và điều kiện phá hoại có thể được hỗ trợ hay thúc đẩy do tác động của áp lực nước ở trong các gián đoạn đó. b) Trượt : khối đất đá cơ bản không bị xáo động trong khi trượt theo một mặt xác định. Xét về kết cấu, có 2 dạng trượt sau: + Trượt tịnh tiến: sự di chuyển tuyến tính của khối đá dọc theo mặt phẳng phân lớp hoặc sự di chuyển của lớp đất nằm gần mặt đất dốc. Sự di chuyển như thế thường khá nông và song song với mặt đất + Trượt xoay: sự di chuyển dọc theo mặt cắt cong bằng cách là khối trượt tụt xuống ở gần đỉnh mái dốc và đẩy trồi ở gần chân dốc (Hình 1-2).

2 : Mô hình mái dốc điển hình cho trượt xoay c) Trượt dòng : bản thân khối trượt cũng bị sáo động và di chuyển một phần hay toàn bộ như một chất lỏng. Trượt dòng thường xảy ra trong đất yếu bão hòa nước khi áp lực nước lỗ rỗng tăng đủ để làm mất toàn bộ độ bền chống cắt. Mặt trượt thực hầu như không có hay chỉ biểu hiện từng lúc. Đối tượng nghiên cứu trong luận văn là mái dốc tự nhiên do xói mòn hoặc chia cắt, tại sười đồi hoặc thung lũng.

Dạng mái dốc này có thể tồn tại hàng năm ở trạng thái bắt đầu phá hoại, ở trạng thái tới hạn, nhưng khi có sự thay đổi các điều kiện tự nhiên (như mưa, thoát nước, …) hay có sự can thiệp của con người ( chất tải, bóc lớp phủ bề mặt, đào chân mái dốc,…) sẽ thúc đẩy sự phá hoại mái dốc theo mặt trượt đã tồn tại trước hay tạo ra mặt trượt mới. Những sự cố trượt lở lớn mái dốc trên thế giới và ở Việt Nam phần lớn có liên quan đến trạng thái không bão hòa của đất. Các đất có vấn đề về trượt lở này thường có nguồn gốc tàn tích và mực nước ngầm ở sâu. Các lớp đất trên mặt có áp lực nước lỗ rỗng âm, đóng vai trò quan trọng trong sự ổn định của mái dốc.

Tuy nhiên, lượng mưa nhiều, liên tục có thể làm giảm áp lực lỗ rỗng âm của khối đất phía trên đường bão hòa, do đó cường độ chống cắt giảm dẫn đến mái dốc mất ổn định. Phương pháp thường dùng nhất để phân tích sự ổn định của mái dốc trong đất dính là dựa trên việc xem xét cân bằng dẻo giới hạn. Về căn bản, điều kiện cân bằng -5- dẻo giới hạn tồn tại từ thời điểm mà dịch chuyển trượt cắt bắt đầu và biến dạng cứ tiếp diễn mà ứng suất không đổi [1]. Trong thực tế, khi mái dốc bị mất ổn định, mặt trượt có thể có nhiều hình dạng khác nhau.

Sự trượt có thể xảy ra cục bộ hoặc phổ biến trên một chiều dài nhất định; mặt trượt có dạng của mặt cầu (bài toán không gian 3 chiều) hoặc mặt trụ (bài toán phẳng 2 chiều). Dạng đơn giản nhất, do Cullmann đưa ra vào năm 1866, là một mặt phẳng dài vô hạn đi qua chân mái dốc. Phương pháp này cho hệ số chảy an toàn nên đã đánh giá quá cao điều kiện ổn định thực. Khi lựa chọn mặt trượt phức tạp hơn như mặt cong xoắn logarit hay có dạng không theo quy tắc có thể cho kết quả gần với giá trị thực, nhưng việc phân tích dài dòng và kém hấp dẫn.

Việc dùng mặt trụ tròn xoay với mặt cắt ngang là cung tròn sẽ cho kết quả thỏa mãn độ chính xác mà không cần tính toán quá phức tạp. Hiện nay hầu hết các phương pháp đều giả thiết mặt trượt có dạng mặt trụ tròn xoay. Trường hợp tồn tại lớp đá cứng dưới nền hoặc lớp đất mềm yếu trong nền, mặt trượt có dạng phức tạp [1]. 3 :Các dạng mặt phá hoại: a) mặt phẳng; b) cung tròn; c) không theo quy tắc; d) hỗn hợp Sự ổn định của mái dốc phụ thuộc nhiều vào sự thay đổi của động thái áp lực nước lỗ rỗng.

Độ bền chống cắt thường quan hệ nghịch với áp lực nước lỗ rỗng.2 Tổng quan về gia cố đất bằng xi măng Cọc xi măng đất (hay còn gọi là cột xi măng đất, trụ xi măng đất) -(Deep soil mixing columns, soil mixing pile) Cọc xi măng đất là hỗn hợp giữa đất nguyên trạng nơi gia cố và xi măng được phun xuống nền đất bởi thiết bị khoan phun. Công nghệ này cọc này đã xuất hiện từ những năm 1960 bắt đầu từ Thụy Điển và Nhật Bản sau đó áp dụng rộng rãi trên thế giới. Tại Việt Nam, công nghệ cọc đất –vôi hay xi măng bắt đầu nghiên cứu vào năm 1980 với sự giúp đỡ của Viện địa Kỹ thuật Thụy Điển (SGI). Có rất nhiều nghiên cứu đã cho thấy rằng cường độ cọc xi măng đất chủ yếu quyết định bới tỉ lệ đất-xi măng.

Tỷ lệ xi măng với đất (aw) được tính theo % khối lượng xi măng so với khối lượng đất khô. Để chọn tỷ lệ pha trộn các hỗn hợp gia cố theo phương pháp thí nghiệm trong phòng xác định sức kháng nén của mẫu xi măng-đất. Theo thống kê, tỷ lệ xi măng với đất thích hợp thay đổi theo từng loại đất và có giá trị biến đổi trong phạm vi nhất định. Trong xi măng-đất thường dùng xi măng silicát phổ thông hoặc xi măng xỉ quặng.

Lượng xi măng trộn vào là 7% ÷ 15% trọng lượng khô của đất cần gia cố hoặc lượng xi măng từ 180 ÷ 250 kg/m3 đất gia cố. Thông thường, khi hàm lượng hạt sét trong đất yếu tăng thì lượng xi măng yêu cầu cũng tăng (Bell, 1993). Theo nghiên cứu của Lan Wang [2]: “Tính ổn định của vật liệu xi măng-đất trong môi trường có sunfat” lượng xi măng thay đổi trong phạm vi từ 4% đến 16% trọng lượng khô của đất cần gia cố. Qua nghiên cứu so sánh, Shiells và các cộng sự (2003) kết luận: thông thường phương pháp trộn ướt sử dụng tỷ lệ xi măng với đất cao hơn so với phương pháp trộn khô.

- Lượng xi măng từ 180 ÷ 400 kg/m3 đất cần gia cố đối với phương pháp trộn ướt; - Lượng xi măng từ 90 ÷ 180 kg/m3 đất cần gia cố đối với phương pháp trộn khô. Theo nghiên cứu của hai tác giả Mitchell and Freitag, 1959, [3]: (1) Thông thường xi măng-đất chứa từ 5% ÷ 14% xi măng so với trọng lượng của đất cần gia cố và thường sử dụng để ổn định đất có tính dẻo thấp, đất cát; (2) Lượng xi măng yêu cầu phụ thuộc vào loại đất, trạng thái của đất cần gia cố. (3) Tỷ lệ xi măng với đất tối ưu (so với trọng lượng khô của đất cần gia cố) phụ thuộc vào các loại đất khác nhau như bảng 1, bảng 2: -7- Bảng 1. Tỷ lệ xi măng với đất tối ưu tương ứng với các loại đất khác nhau(Mitchell and Freitag, 1959) S Loại đất Tỷ lệ xi măng TT với đất % 1 Đất tốt chứa sỏi, cát hạt thô, cát hạt mịn, có hoặc không 5% hoặc ít hơn có lượng nhỏ bùn hay sét 2 Đất cát xấu với lượng nhỏ bùn 9% 3 Loại đất cát còn lại 7% 4 Đất chứa bùn không dẻo hoặc dẻo vừa phải 10% 5 Đất sét dẻo 13% hoặc nhiều hơn Bảng 2.

Tỷ lệ xi măng với đất với các loại đất khác nhau theo hệ thống phân loại Unified (Mitchell and Freitag, 1959) S Tỷ lệ xi măng Loại đất TT với đất % 1 Sỏi có tính chọn lọc kém, cát có tính chọn lọc kém và 6 ÷ 10 cát có tính chọn lọc tốt 2 Sét dẻo thấp, bùn dẻo thấp và bùn dẻo cứng 8 ÷ 12 3 Sét dẻo thấp, dẻo cứng 10 ÷ 14 Ở Viện kĩ thuật Châu Á, Law (1989) đã tiến hành nghiên cứu đưa ra kết luận: trộn 10% xi măng với đất sét yếu Băng Cốc – Thái Lan làm tăng độ bền nén nở hông 10 lần, áp lực cố kết trước tăng 2 ÷ 4 lần. Hệ số cố kết quan sát được tăng 10 ÷ 40 lần [4]. DOH and JICA (1998) kiến nghị: xi măng ảnh hưởng tốt cho việc cải thiện các đặc tính của đất sét ở Băng Cốc, Thái Lan. Phương pháp xử lý nền bằng cọc xi măng-đất thường sử dụng hàm lượng xi măng thích hợp trong khoảng 80 ÷ 200 kg/m3 và chúng được xác định dựa vào cường độ thiết kế của mỗi dự án.

Thông thường, xi măng Portland với hàm lượng vào khoảng 200 kg/m3 được sử dụng trong các nghiên cứu ổn định đất sét biển mềm yếu. Thân Văn Văn (Trường đại học Thủy lợi) đã nghiên cứu lựa chọn tỉ lệ xi măng đất khi chế tạo xử lí nền: Tỷ lệ xi măng với đất, 6 7 9 12 17 aw (%) Cường độ kháng nén 28 ngày, 6,02 6,18 9,13 15,56 17,51 28 ngày 2 qu (kG/cm ) Cường độ kháng nén 90 ngày, qu90 8,13 8,35 12,33 21,01 23,65 ngày (kG/cm2) -8- Cường độ của xi măng-đất tăng lên theo tỉ số tăng lượng xi măng trộn vào (hình 1.1) trong thực tế, tỷ lệ xi măng với đất thường chọn 7% ÷ 15%, trong các trường hợp thông thường thì không nên nhỏ hơn 12%. 4 :Quan hệ giữa tỷ lệ xi măng với đất và cường độ của xi măng-đất (Lin 2000) Tùy thuộc yêu cầu về sức chịu tải của cọc mà lựa chọn tỷ lệ aw để thỏa mãn yêu cầu vật liệu chế tạo cọc.