Luận văn thạc sĩ địa kỹ thuật xây dựng nghiên cứu ứng dụng trụ đất xi măng để xử lý nền đất yếu dưới nền nhà máy nhiệt điện long phú 1 tỉnh sóc trăng

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu địa kỹ thuật xây dựng nghiên cứu ứng dụng trụ đất xi măng để xử lý nền đất yếu dưới nền nhà máy, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Võ Trọng Bửu
• Người hướng dẫn: PGS - TS. Võ Phán
• 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 Ứng Dụng Trụ Đất Xi Măng Xử Lý Nền Đất Yếu Tại Nhà Máy Nhiệt Điện Long Phú 1
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về phương pháp xử lý nền đất yếu bằng trụ đất xi măng

Phương pháp xử lý nền đất yếu bằng trụ đất xi măng đã được áp dụng rộng rãi trên thế giới, đặc biệt là ở Nhật Bản và Thụy Điển. Công nghệ này cho phép cải thiện tính chất cơ lý của nền đất yếu, giúp tăng cường khả năng chịu tải cho các công trình xây dựng. Trụ đất xi măng được tạo ra bằng cách trộn xi măng với đất nguyên trạng, tạo thành một hỗn hợp có cường độ cao hơn. Việc thi công trụ đất xi măng có thể thực hiện trong điều kiện ngập nước, điều này rất phù hợp với địa hình của tỉnh Sóc Trăng. Theo nghiên cứu, phương pháp này không chỉ hiệu quả về mặt kỹ thuật mà còn tiết kiệm chi phí. Đặc biệt, việc sử dụng trụ đất xi măng giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tiếng ồn trong quá trình thi công. Những ưu điểm này đã khiến phương pháp này trở thành lựa chọn hàng đầu cho các dự án xây dựng tại khu vực có nền đất yếu.

1.1 Giới thiệu trụ đất xi măng

Trụ đất xi măng (Deep soil mixing columns) là một công nghệ tiên tiến trong xử lý nền đất yếu. Phương pháp này được phát minh vào những năm 1950 và đã nhanh chóng phát triển tại nhiều quốc gia. Trụ đất xi măng được tạo ra bằng cách khoan sâu vào nền đất và trộn xi măng với đất nguyên trạng. Quá trình này không chỉ cải thiện cường độ của đất mà còn giúp tăng khả năng chịu tải cho các công trình. Việc thi công trụ đất xi măng có thể thực hiện trong nhiều điều kiện khác nhau, từ đất khô đến đất ngập nước, điều này làm cho nó trở thành một giải pháp linh hoạt cho các kỹ sư xây dựng. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng trụ đất xi măng có thể giảm thiểu rủi ro trong thi công và mang lại hiệu quả cao trong việc xử lý nền đất yếu.

1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ cọc xi măng đất

Cường độ của cọc xi măng đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm hàm lượng xi măng, thành phần khoáng của đất, và độ pH của đất. Nghiên cứu cho thấy rằng hàm lượng xi măng tối ưu có thể cải thiện đáng kể cường độ chịu nén của mẫu đất trộn. Các thí nghiệm trong phòng đã chỉ ra rằng tỷ lệ xi măng/đất là yếu tố quyết định đến hiệu quả của phương pháp này. Việc xác định tỷ lệ này cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo rằng cọc đạt được cường độ tối ưu. Ngoài ra, các yếu tố như độ ẩm và cấu trúc của đất cũng có thể ảnh hưởng đến hiệu quả của trụ đất xi măng trong việc xử lý nền đất yếu.

II. Cơ sở lý thuyết tính toán trụ đất xi măng

Cơ sở lý thuyết cho việc tính toán trụ đất xi măng bao gồm các phương pháp phân tích khác nhau nhằm đánh giá khả năng chịu tải và độ ổn định của cọc. Các phương pháp này bao gồm phương pháp tính toán theo quan điểm cọc làm việc như cọc, đánh giá ổn định theo trạng thái giới hạn, và mô phỏng bằng phần mềm Plaxis. Việc áp dụng các phương pháp này giúp các kỹ sư có thể dự đoán chính xác hơn về hành vi của trụ đất xi măng trong điều kiện địa chất cụ thể. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng phần mềm mô phỏng có thể cung cấp những thông tin quý giá về độ lún và khả năng chịu tải của nền đất. Điều này rất quan trọng trong việc thiết kế và thi công các công trình xây dựng, đặc biệt là trong khu vực có nền đất yếu như tỉnh Sóc Trăng.

2.1 Nguyên lý đất trộn xi măng

Nguyên lý của phương pháp đất trộn xi măng dựa trên việc kết hợp giữa đất và xi măng để tạo ra một hỗn hợp có cường độ cao hơn. Quá trình này diễn ra thông qua việc khoan sâu vào nền đất và trộn đều xi măng với đất nguyên trạng. Kết quả là tạo ra một trụ đất có khả năng chịu tải tốt hơn so với đất tự nhiên. Nghiên cứu cho thấy rằng việc điều chỉnh tỷ lệ xi măng/đất có thể ảnh hưởng lớn đến cường độ của hỗn hợp. Việc hiểu rõ nguyên lý này là rất quan trọng để tối ưu hóa thiết kế và thi công các công trình xây dựng trong khu vực có nền đất yếu.

2.2 Các phương pháp tính toán cọc xi măng đất

Có nhiều phương pháp tính toán khác nhau để đánh giá khả năng chịu tải của cọc xi măng đất. Các phương pháp này bao gồm phương pháp phân tích tĩnh, phương pháp mô phỏng số, và phương pháp thực nghiệm. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào điều kiện địa chất cụ thể và yêu cầu kỹ thuật của dự án. Nghiên cứu cho thấy rằng việc kết hợp nhiều phương pháp có thể mang lại kết quả chính xác hơn trong việc đánh giá khả năng chịu tải của trụ đất xi măng.

III. Ứng dụng trụ đất xi măng để xử lý nền bãi than xỉ Nhà máy nhiệt điện Long Phú 1

Dự án Nhà máy nhiệt điện Long Phú 1 là một trong những ứng dụng điển hình cho việc sử dụng trụ đất xi măng trong xử lý nền đất yếu. Khu vực này có nền đất yếu, do đó việc áp dụng phương pháp này là rất cần thiết để đảm bảo an toàn cho công trình. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng trụ đất xi măng không chỉ giúp cải thiện khả năng chịu tải của nền mà còn giảm thiểu độ lún của công trình. Các tính toán và mô phỏng đã được thực hiện để xác định tỷ lệ bố trí trụ và chiều dài trụ tối ưu. Kết quả cho thấy rằng việc tối ưu hóa các thông số này có thể mang lại hiệu quả cao trong việc xử lý nền đất yếu.

3.1 Tổng quan công trình

Nhà máy nhiệt điện Long Phú 1 được xây dựng tại tỉnh Sóc Trăng, nơi có địa chất phức tạp với nền đất yếu. Công trình này có quy mô lớn và yêu cầu cao về khả năng chịu tải. Việc áp dụng trụ đất xi măng trong xử lý nền là một giải pháp hợp lý để đảm bảo an toàn cho công trình. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng phương pháp này giúp cải thiện đáng kể tính ổn định của nền đất, từ đó giảm thiểu rủi ro cho công trình trong quá trình thi công và vận hành.

3.2 Tính toán xử lý nền bãi chứa than xỉ

Tính toán xử lý nền bãi chứa than xỉ của Nhà máy nhiệt điện Long Phú 1 được thực hiện bằng phương pháp giải tích và mô phỏng bằng phần mềm Plaxis. Các kết quả cho thấy rằng việc sử dụng trụ đất xi măng giúp cải thiện đáng kể khả năng chịu tải của nền đất. Nghiên cứu cũng đã chỉ ra rằng việc điều chỉnh chiều dài và mật độ của trụ đất có thể ảnh hưởng lớn đến độ lún của công trình. Những thông tin này rất quan trọng trong việc thiết kế và thi công các công trình xây dựng trong khu vực có nền đất yếu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG TRỤ ĐẤT XI MĂNG 1.1 Giới thiệu trụ đất xi măng Trụ đất xi măng (Deep soil mixing columns, soil mixing pile) là công nghệ xử lý nền đất yếu bằng phường pháp trộn sâu. Được phát minh đầu tiên ở Mỹ vào những năm 1954, nhưng chúng chỉ thực sự phát triển ở Nhật Bản và Thụy Điển, sau đó việc ứng dụng đã lan rộng ra các quốc gia khác ở châu Âu, châu Á; Trụ đất xi măng là hỗn hợp giữ đất nguyên trạng nơi cần 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).

Khoan xuống Đổi chiều quay Trụ đất xi măng Hoàn thiện móng đến độ sâu thiết mũi khoan, vừa đã được gia cố công trình kế lên vừa phun trộn xi măng-đất Hình 1.1 Thi công trụ đất xi măng -4- 1.2 Mô hình bố trí trụ đất xi măng [1] Tùy theo mục đích sử dụng một số mô hình thi công thể hiện trên các hình. Để giảm độ lún bố trí trụ đều theo lưới tam giác hoặc ô vuông. Để làm tường chắn thường tổ chức thành dãy.2 Thí dụ bố trí trụ trộn khô: a) Dải; b) Nhóm, c) Lưới tam giác, d) Lưới vuông Hình 1.3 Thí dụ bố trí trụ trùng nhau theo khối a b c d Hình 1.4 - Thí dụ bố trí trụ trộn ướt trên mặt đất: a) Kiểu tường, b) Kiểu khối, c) Kiểu diện, d) Kiểu kẻ ô -5- Hình 1.5 Thí dụ bố trí trụ trộn ướt trên biển:1 Kiểu khối , 2 Kiểu tường, 3 Kiểu kẻ ô, 4 Kiểu cột, 5 Cột tiếp xúc, 6 Tường tiếp xúc, 7 Kẻ ô tiếp xúc, 8 Khối tiếp xúc Hình 1.6 Thí dụ bố trí trụ trùng nhau trộn ướt, thứ tự thi công 1.3 Các công nghệ thi công trụ đất xi măng Hiện nay phổ biến hai công nghệ thi công trụ đất xi măng là: Công nghệ trộn khô (Dry Mixing) và Công nghệ trộn ướt (Wet Mixing). Công nghệ trộn khô (Dry Mixing): Công nghệ này sử dụng cần khoan có gắn các cánh cắt đất, chúng cắt đất sau đó trộn đất với vữa xi măng bơm theo trục khoan.

Công nghệ trộn ướt (hay còn gọi là Jet-grouting): Phương pháp này dựa vào nguyên lý cắt nham thạch bằng dòng nước áp lực. Khi thi công, trước hết dùng máy -6- khoan để đưa ống bơm có vòi phun bằng hợp kim vào tới độ sâu phải gia cố (nước + XM) với áp lực khoảng 20 MPa từ vòi bơm phun xả phá vỡ tầng đất. Với lực xung kích của dòng phun và lực li tâm, trọng lực. sẽ trộn lẫn dung dịch vữa, rồi sẽ được sắp xếp lại theo một tỉ lệ có qui luật giữa đất và vữa theo khối lượng hạt.

Sau khi vữa cứng lại sẽ thành trụ đất xi măng.7 Trộn khô Hình 1.4 Ứng dụng công nghệ trụ đất xi măng Gia cố nền đất yếu phục vụ cho các công trình giao thông, đường dẫn vào cầu, các bãi cong tenner, nhà kho; Chống thấm cho các công trình thủy lợi, ổn định mái taluy, ổn định kè chống sạt lỡ; Làm nền móng vững chắc cho các công trình nhà cao tầng, ổn định thành hố đào sâu; Ở Việt Nam, việc nghiên cứu gia cố đất trộn sâu được bắt đầu từ những năm đầu thập kỷ 80 tại viện Khoa học Công nghệ Xây dựng với thiết bị thi công của viện Địa kỹ thuật Thủy Điển SGI. Đến nay, các nghiên cứu về phương pháp trộn sâu đã tương đối hoàn chỉnh. TCVN 9403:2012 thay thế TCXDVN 385:2006 "Gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng" do Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng - Bộ Xây dựng biên soạn, Bộ Xây dựng đề nghị, Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng thẩm định, Bộ Khoa học và Công nghệ công bố. Tiêu chuẩn này quy định những yêu cầu kỹ thuật về khảo sát - thí nghiệm, thiết kế, thi công và nghiệm thu trụ đất -7- xi măng dùng để xử lý - gia cố nền đất yếu trong xây dựng nhà và công trình có tải trọng nhẹ, khối đắp, cũng như trong ổn định mái dốc.

Nhiều đề tài nghiên cứu đã bắt đầu được triển khai. Năm 2001, Công ty Hacules kết hợp với Công ty Phát triển Kỹ thuật Xây dựng thi công cột xi măng đất làm nền móng cho bể chứa xăng đầu tại khu công nghiệp Trà Nóc – Cần Thơ với khối lượng 50. Năm 2002, một số dự án bắt đầu ứng dụng trụ đất xi măng vào xây dựng các công trình trên nền đất yếu của Việt Nam. Cụ thể là Dự án cảng Ba Ngòi – Khánh Hòa đã sử dụng 4000 m trụ đất xi măng có đường kính D 60 thi công bằng công nghệ này.

Năm 2004, trụ đất xi măng được sử dụng để gia cố nền móng cho nhà máy nước huyện Vụ Bản – Hà Nam. Xử lý nền 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 nhỏ hơn 20 m. Các nghiên cứu về khả năng chống thấm cho công trình Thủy lợi được bắt đầu vào năm 2004 trong khuôn khổ Đề tài cấp nhà nước về cống dưới đê thuộc hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình.

Mục tiêu là xử lý chống thấm cho các cống dưới đê. Công trình xử lý chống thấm đầu tiên là cống D 10 – Hà Nam, sau đó lần lượt là cống Trại – Nghệ An. Trong năm 2005, lần đầu tiên Viện đã kết hợp với LICOGI 13 sử dụng cả công nghệ trộn kiểu tia (Jet – Grouting) với chất kết dính dạng vữa kết hợp với công nghệ trộn kiểu cơ khí (Mechanic) với chất kết dính dạng bột để thi công chống thấm cho 1 đoạn đê quai của thủy điện Sơn La. Từ đó đến nay, nhiều ứng dụng về chống thấm cho các công trình Thủy lợi đã được thực hiện như công trình cống sông Cui – Long An, công trình đập Đá Bạc – Hà Tĩnh, công trình đập Khuôn Cát – Lạng Sơn, đập Nà Zanh – Cao Bằng, đập Hao Hao – Thanh Hóa….

Năm 2008, nhận thấy tiềm năng ứng dụng và yêu cầu bức bách trong sản xuất. Bộ Nông Nghiệp & PTNT đã cho triển khai đề tài “Nghiên cứu ứng dụng giải pháp xử lý nền móng công trình Thủy lợi trên đất yếu đồng bằng sông Cửu Long bằng cột xi măng đất khoan trộn sâu”. Mục tiêu của đề tài là ứng dụng giải pháp xử lý nền đất yếu bằng công nghệ trộn sâu, có giá thành hợp lý, công trình thử nghiệm là -8- cần chứng minh được là giảm ít nhất 30% giá thành so với các loại công nghệ xử lý nền hiện nay, giảm được thời gian thi công 50%.9 Các ứng dụng của trộn sâu ( Terashi, 1997)[1]: 1 Đường bộ, 2 ổn định/lún, 3 Mố cầu, 4 Thành hố đào, 5 Giảm ảnh hưởng từ các công trình lân cận, 6 Chống nâng đáy hố đào, 7 Chống chuyển dịch ngang của móng cọc, 8 Đê biển, 9 Ngăn nước 1.5 Các yếu tố của đất ảnh hưởng đến cường độ trụ đất xi măng 1.1 Hàm lượng hữu cơ Hàm lượng hữu cơ trong đất cao làm ngăn cản quá trình hydrat hóa của xi măng, giảm cường độ chịu nén. Lượng sét mịn trong đất tỉ lệ thuận với hàm lượng xi măng cần sử dụng.2 Thành phần khoáng Trong điều kiện đất nền như nhau thì loại đất nào có hoạt tính pozzolan cao hơn thì cho cường độ lớn hơn.

Hilt và Davidson (1960) cho 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 -9- 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 Tỉ lệ xi măng/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 (qu) là một chỉ tiêu để tính toán sức chịu tải của cọc, theo [2] Thí nghiệm trong phòng với các tỷ lệ trộn xi măng với đất dính khác nhau cho kết quả như bảng sau: Bảng 1.1 Kết quả thí nghiệm trong phòng xác định cường độ kháng nén của hỗn hợp vật liệu xi măng đất theo [2] 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 qu28 ngày (kG/cm2) Cường độ kháng nén 90 ngày, 8,13 8,35 12,33 21,01 23,65 qu90 ngày (kG/cm2) Cường độ của xi măng-đất tăng lên theo tỉ số tăng lượng xi măng trộn vào (bảng 1.2) 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%.10 Quan hệ giữa tỷ lệ xi măng với đất và cường độ của xi măng-đất -10- Tỷ lệ xi măng với đất (as) 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.

Để giảm bớt số mẫu và thời gian thí nghiệm chúng tôi giới thiệu một số kinh nghiệm để độc giả tham khảo. 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 [3], 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.