CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC XIMĂNG ĐẤT 1.1 Giới thiệu cọc ximăng đất Là một công nghệ mới được thế giới biết đến và áp dụng từ những năm 1970 nhưng đạt được công nghệ hoàn chỉnh và phát triển mạnh mẽ phải tính từ những năm 1990 trở lại đây. Phương pháp cọc ximăng đất có thể được chia ra làm 2 loại : phương pháp trộn khô, phun khô và phương pháp trộn phun ướt - mà thực chất phương pháp này là phun vữa. Tại nhiều nước trên thế giới, việc sử dụng công nghệ cọc ximăng đất cho gia cố nền đất yếu trong các dự án đường bộ, đường sắt đã cho hiệu quả rất cao. Cọc ximăng đất ( hay còn gọi là cột ximăng đất, trụ ximăng đất ) -(Deep soil mixing columns, soil mixing pile) là công nghệ xử lý nền đất yếu bằng phương pháp trộn sâu.
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. Mũi khoan được khoan xuống làm tơi đất cho đến khi đạt độ sâu lớp đất cần gia cố thì quay ngược lại và dịch chuyển lên. Trong quá trình dịch chuyển lên, 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 dạng vữa ướt). Về vấn đề tên gọi là "cọc" , "cột" hay la "trụ" thì hiện nay có 2 trường phái: + Trường phái thứ 1 ở châu Á ( học viện kỹ thuật Châu Á A.vv ) thì gọi tên là "cọc" ximăng đất.
+ Trường phái thứ 2 gồm các nước Mỹ, Nhật, Châu Âu.vv thì gọi là "cột" ximăng- đất (các tài liệu dịch sang tiếng việt). + Riêng ở Việt Nam thì có người gọi là "cọc" ximăng đất, người thì gọi là "cột" ximăng đất. Có lẽ nên gọi là "cột" thì đúng hơn bởi vì thuật n gữ "cọc" chỉ dùng để chỉ những loại như cọc BTCT, cọc thép.vv có cường độ lớn hơ n rất nhiều so với "cột" ximăng đất. Tại Việt Nam, tiêu chuẩn thiết kế - thi công - nghiệm thu cọc xi măng đất là TCXDVN 385 : 2006 "Phương pháp gia cố nền đất yếu bằng trụ đ ất xi măng" do Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng - Bộ Xây dựng biên soạn, Vụ Khoa học Công nghệ Xây dựng đề nghị, Bộ Xây dựng ban hành theo Quyết định số 38/2006/QĐ - BXD ngày 27 tháng 12 năm 2006.
-5- Tiêu chuẩn của nước ngoài thì có Shanghai -Standard ground treatment code DBJ08-40-94. (Tuy nhiên trong các tài liệu tính toán này chỉ chủ yếu đề cập đến vấn đề lực thẳng đứng là chính mà chưa thấy đề cập đến vấn đề thiết kế khi công trình chịu tải trọng ngang.1 Cọc ximăng đất vừa thi công x ong 1.2 Các công nghệ thi công cọc ximăng đất Hiện nay ở Việt Nam phổ biến hai công nghệ thi công cọc xi măng đất là: Công nghệ trộn khô ( Dry Jet Mixing ) và công nghệ trộn ướt ( Wet Mixing hay còn gọi là Jet-grouting ) là công nghệ của Nhật Bản.3 Ứng dụng công nghệ cọc ximăng đất - Cải tạo nền đất yếu dưới nền đường vào cầu: việc thi công công trình trên nề n đất sét mềm hoặc hữu cơ có những khó khăn và phức tạp rất lớn. Nhất là sự cố do biến dạng thẳng đứng và biến dạng ngang lớn. - Làm chặt lại nền đất yếu phục vụ các công trình giao t hông, các bãi congtenner, các nền công trình thủy lợi… -6- - Gia cố mái taluys công trình: khi mái dốc công trình có độ ổn định kém, đất chịu ứng suất cắt lớn, hệ số an toàn về phá hoại có thể được cải thiện bằng cách gia cố các lớp đất có sự chịu tải phù hợp thông qua các cọc xi măng đất.
- Làm móng vững chắc cho công trình nhà cao tầng, công trình công nghiệp, làm tường chắn đất, làm bờ kè. - Gia cố thành hố đào, đặc biệt là nhưng hố đào sâu, yêu cầu chống thấm cao. Trên thế giới: Nước ứng dụng công nghệ xi măng đất nhiều nhất là Nhật Bản và các nước vùng Scandinaver. Theo thống kê của hiệp hội CDM (Nhật Bản), tính chung trong giai đoạn 80-96 có 2345 dự án.
Riêng từ 1977 đến 1993, lượng đất gia cố bằng xi măng ở Nhật vào k hoảng 23,6 triệu m 3 cho các dự án ngoài biển và trong đất liền, với khoảng 300 dự án. Hiện nay hàng năm thi công khoảng 2 triệu m 3. Tại Trung Quốc, công tác nghiên cứu bắt đầu từ năm 1970, tổng khối lượng xử lý bằng cọc xi măng đất ở Trung Quốc cho đến nay vào khoảng trên 1 triệu m 3. Tại Châu Âu, nghiên cứu và ứng dụng bắt đầu ở Thụy Điển và Phần Lan bắt đầu từ năm 1967.
Năm 1974, một đê đất thử nghiệm (6m cao , 8m dài) đã được xây dựng ở Phần Lan sử dụng cọc vôi đất, nhằm mục đích phân tích hiệu quả của hình dạng và chiều dài cọc về mặt khả năng chịu tải. Tại Việt Nam: Vào năm 2000, do yêu cầu của thực tế, phương pháp này được áp dụng trở lại trong lĩnh vực xăng dầu, khi công trình chấp nhận một giá trị độ lún cao hơn bình thường tuy nhiên có hiệu quả kinh t ế cao. Đơn vị đưa trở lại phương pháp này ban đầu là COFEC và nay là C&E Consultants. Trong thời gian này song song với việc áp dụng rất nhiều thí nghiệm hiện trường (quan trắc công trình) đã được thực hiên.
Những thí nghiệm mang tính nghiên cứu này được C &E thực hiện và quy mô của nó không thua kém các đồng nghiệp khác. Từ năm 2002 đã có một số dự án bắt đầu ứng dụng cọc xi măng đất vào xây dựng các công trình trên nền đất, cụ thể như: Dự án cảng Ba Ngòi (Khánh Hòa) đã sử dụng 4000 m cọc xi măng đất có đườ ng kính 0.6 m thi công bằng trộn khô, xử lý nền cho bồn chứa xăng dầu đường kính 21 m, cao 9 m ở Cần Thơ. Năm 2004 cọc xi măng đất được sử dụng để 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 ), các dự án trên đều sử dụng công nghệ trộn khô, độ sâu xử lý trong khoảng 20 m. Tháng 5 năm 2004, các nhà thầu Nhật Bản đã sử dụng Jet -grouting để sửa chữa khuyết tật cho các cọc nhồi của cầu Thanh Tr ì (Hà -7- Nội).
Năm 2005, một số dự án cũng đã áp dụng cọc xi măng đất như: dự án thoát nước khu đô thị Đồ Sơn - Hải Phòng, dự án sân bay Cần Thơ… 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 ximăng đến tính chất của xi măng đất,. nhằm ứng dụng cọc xi măng đất vào xử lý đất yếu, chống thấm cho các công trình thuỷ lợi. Tại thành phố Đà Nẵng, Nha Trang và nhất là thành phố Hồ Chí Minh cọc xi măng đất được ứng dụng dưới 2 hình thức: l àm tường trong đất và làm cọc thay cọc nhồi.
Hồ Chí Minh, cọc xi măng đất được sử dụng trong dự án Đại lộ Đông Tây, một số building như Saigon Times Square…Hiện nay, các kỹ sư Orbitec đang đề xuất sử dụng cọc xi măng đất 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 xi măng đất xử lý đất yếu, tại Quảng Ninh, công trình nhà máy nhiệt điện Quảng Ninh đã áp dụng công nghệ phun ướt, địa chất công trình phức tạp gặp đá mồ côi ở tầng địa chất cách cao độ mặt đất 11 – 12 m, đất đồi cứng khó khoan tiến độ công trình đòi hỏi gấp, l úc cao điểm lên đến 6 máy khoan .1 Số liệu về một số công trình sử dụng cọc xi măng đất STT Tên công trình Đường kính Tổng mét dài Công nghệ cọc (m) đã thi công trộn 1 Đường vào sân đỗ cảng 0.6 32000 Trộn ướt hàng không Cần Thơ 2 Nhà máy điện Nhơn Trạch I 0.6 15000 Trộn khô Đồng Nai 3 Đường nối cầu Thủ Thiêm 0.6 100000 Trộn khô với đại lộ Đông Tây 4 Hầm chui đường sắt vành đai đường Láng Hòa Lạc 0.6 150000 Trộn khô Km 7+358 5 Đường sân bay Cần Thơ 0.6 300000 Trộn ướt -8- Hình 1.2 Sử dụng cọc xi măng đất ứng dụng trong gia cố nền đất yếu Hình 1.3 Cấu tạo điển hình công trình nền đường gia cố bằng cọc ximăng đất -9- Hình 1.4 Khoan cọc xi măng đất gia cố nền đất yếu tại sân bay Cần Thơ 1.4 Các yếu tố của đất ảnh hưởng đến cường độ cọc ximăng đất 1.1 Hàm lượng hữu cơ Hàm lượng hữu cơ càng cao làm ngăn cản quá trình hydrat hóa của xi măng, làm giảm cường độ chịu nén. Lượng sét mịn càng cao làm tăng lượng xi măng cần dùng.2 Thành phần khoáng Trong trường hợp đất có hoạt tính pozzolan cao thì đặc trưng cường độ của đất trộn xi măng phụ thuộc chủ yếu vào sự ứng xử về cường độ của những hạt xi măng đông cứng. Trong trường hợp đất có hoạt tính pozzolan kém thì đặc trưng cường đ ộ của đất trộn xi măng phụ thuộc chủ yếu vào sự ứng xử về cường độ của những hạt đất đông cứng (Saitoh, 1985) cho nên nếu điều kiện cải tạo đất nền như nhau thì loại đất có hoạt tính pozzolan cao hơn cho cường độ lớn hơn. Hilt và Davidson (1960) quan sát thấy rằng các loại đất sét monmorilonit và kaolinit là những hoạt chất pozzolan có hiệu quả so với các loại đất sét chứa khoáng illite, chlorite hoặc vermiculite.
Wissa và những người khác (1965) cũng giải thích rằng số lượng xi măng thứ cấp sinh ra trong phản ứng pozzolan giữa hạt sét và vôi tôi phụ thuộc vào số lượng và thành phần khoáng của sét cũng như silica và alumina có trong đất.3 Độ pH của đất Những phản ứng pozzolan lâu dài sẽ thuận lợi khi độ pH lớn vì phản ứng sẽ được thúc đẩy nhanh nhờ độ hòa tan của silicate và aluminate trong hạt sét gia tăng.4 Tỷ lệ ximăng/đất Việc lựa chọn tỷ lệ xi măng với đất ảnh hưởng rất lớn đến tính chất của hỗn hợp vật liệu xi măng đất và giá thành công trình. Cường độ kháng nén (q u) là một chỉ tiêu để tính toán sức chịu tải của cọc.
