ĐẶT VẤN ĐỀ Cùng với sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế, ngành xây dựng Việt Nam cũng có sự phát triển mạnh mẽ, nhiều công trình cao tầng, khu công nghiệp mọc lên ở các khu đô thị lớn. Công nghệ xử lý nền móng bằng cọc nhồi, cọc ép, cọc cát thường được sử dụng để gia cố nền. Tuy nhiên, giá thành nguyên vật liệu ngày càng tăng gây khó khăn đối với chủ đầu tư và nhà thầu. Những năm đầu thế kỷ này, ở nước ta nói chung và các tỉnh thành phía nam nói riêng, biện pháp xử lý nền móng thường lựa chọn cọc khoan nhồi bê tông cốt thép, cọc ép với công trình tải trọng lớn.
Các loại cọc này có những khuyết điểm như giá thành cao, tiến độ thi công kéo dài, gây ô nhiễm môi trường… So với công nghệ móng cọc khác, công nghệ cọc xi măng đất tỏ ra khá hiệu quả về mặt kinh tế do tận dụng được nguồn nguyên liệu tại chỗ ngay dưới chân công trình. Công nghệ cọc xi măng đất cũng phù hợp với những khu vực có bề dày lớp đất yếu khá lớn, đặc biệt ở những khu vực Đồng bằng Nam bộ. Công nghệ đất trộn xi măng đã được nhiều công ty ở Việt Nam đưa vào khai thác, thiết kế và thi công có hiệu quả trong những năm gần đây. Tuy nhiên phạm vi áp dụng chủ yếu là xử lý nền móng cho các công trình giao thông, thủy lợi.
Việc nghiên cứu và áp dụng vào xử lý nền móng cho các công trình khu công nghiệp rất có tiềm năng. Vì vậy, luận văn này tập trung nghiên cứu “Nghiên cứu phương án xử lý nền nhà xưởng gia cố ở một số khu công nghiệp”. Công nghệ cọc xi măng đất với các ưu điểm về giá thành hợp lý hơn so với các công nghệ khác do không tốn nhiều nguyên liệu, tận dụng nguồn vật liệu tại chỗ, thiết bị thi công không quá phức tạp, thời gian thi công ngắn. Do đó cọc xi măng đất có thể là phương pháp đáng để xem xét đánh giá, nghiên cứu trong quá trình thiết kế và thi công.
MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Mục tiêu nghiên cứu là đưa ra giải pháp tính toán thiết kế về mặt lý thuyết của gia cố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất, trên cơ sở đó kiến nghị phạm vi áp dụng. Bên cạnh, nghiên cứu ứng xử cố kết của nền nhà xưởng được gia cố bằng cọc xi măng đất với các bài toán khác nhau bằng phương pháp phân tích và bằng phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm Plaxis 2D. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Luận văn nghiên cứu theo các phương pháp sau: - Về lý thuyết: Nghiên cứu các phương pháp tính toán độ lún nền đất yếu gia cố bằng cọc xi măng đất. - Mô phỏng: Phân tích ứng xử cố kết của nền đất yếu được gia cố bằng cọc xi măng đất bằng phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm Plaxis 2D.
GIỚI HẠN ĐỀ TÀI Đề tài nghiên cứu phương án gia cố nền nhà xưởng ở một số khu công nghiệp là An Hạ-Long An và Hiệp Phước-Nhà Bè. Tuy nhiên, quá trình thu thập số liệu gặp khó khăn nên chỉ thu thập được số liệu tại khu công nghiêp Hiệp Phước-Nhà Bè. Phương án gia cố nền bằng cọc xi măng đất là phương án được lựa chọn. Vị trí gia cố là khu công nghiệp Hiệp Phước-Nhà Bè, thành phố Hồ Chí Minh.
Số liệu thu thập được sử dụng để phân tích ứng xử cố kết của nền đất yếu gia cố cọc xi măng đất tại khu công nghiệp Hiệp Phước-Nhà Bè. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ CẤU TRÚC LUẬN VĂN Nội dung của luận văn gồm 3 chương: Chương 1: Tổng quan về cọc xi măng đất. Chương 2: Cơ sở lý thuyết phân tích ứng xử cố kết của nền đất yếu gia cố bằng cọc xi măng đất. 3 Chương 3: Tính toán độ lún nền đất yếu được xử lý bằng cọc xi măng đất tại khu công nghiệp Hiệp Phước – Nhà Bè theo phương pháp phân tích và phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm Plaxis 2D.
4 TỔNG QUAN VỀ CỌC XI MĂNG ĐẤT 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, các phương pháp gia cố nền đất yếu đã rất phát triển. Một số phương pháp được sử dụng phổ biến nhất là: Vải địa kỹ thuật, lưới địa kỹ thuật, đất trộn vôi, giếng cát, bấc thấm kết hợp gia tải trước hoặc bơm hút chân không, cọc xi măng đất. Hỗn hợp đất trộn xi măng mà phổ biến là trộn sâu, là toàn bộ kỹ thuật xử lý đất bằng cách trộn đất hiện có với chất kết dính là xi măng, để tạo ra các hạt tổng hợp có đặc tính cứng hơn so với đất ban đầu.
Phương pháp đất trộn xi măng này bắt đầu ở Nhật Bản khoảng năm thập kỷ trước. Kể từ đó, phương pháp này được sử dụng rộng rãi và cho đến bây giờ nó đã rất phát triển, đặc biệt là ở các nước Scandinavi và Hoa Kì. SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỌC XI MĂNG ĐẤT Cọc xi măng đất xuất phát tại Thụy Điển và Nhật Bản từ những năm 60. Trộn khô dùng xi măng bột được dùng ở Nhật Bản từ những năm 70.
Trong khoảng thời gian đó, cọc đất xi măng cũng ra đời ở Thụy Điển. Trộn ướt dùng vữa xi măng cũng được Nhật Bản áp dụng trong những năm 70. Phương pháp dần được phổ biến ra thế giới, gần đây hỗn hợp xi măng, vôi với thạch cao, tro bay, xỉ cũng được giới thiệu. Thiết bị trộn xi măng đất cũng ngày càng được cải tiến.
KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI Đất trộn xi măng là sản phẩm được tạo ra từ đất và xi măng khô hoặc vữa xi măng (xi măng và nước), có thể thêm hoặc không thêm phụ gia. Cọc xi măng đất được tạo ra tại hiện trường bởi thiết bị khoan. Đối với công nghệ sử dụng cánh trộn, 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 kèm theo xi măng được phun vào đất (bằng áp lực khí nén với hỗn hợp khô hoặc bằng bơm vữa đối với hỗn hợp dạng vữa ướt). 5 Đất trộn xi măng được phân loại dựa vào phương pháp tạo ra chúng.
Dựa vào độ sâu xử lý nền, đất trộn xi măng có phương pháp trộn nông và trộn sâu mà hầu hết là ứng dụng trộn sâu. Dựa vào cánh trộn, đất trộn xi măng được thi công bằng cánh trộn kim loại với nhiều hình dạng cánh trộn và hình dạng sản phẩm thiết kế (như CDM, SWING, v.) và bằng tia vữa cao áp (Jet grouting). Dựa vào cách phun chất kết dính, đất trộn xi măng có phương pháp trộn khô (cánh trộn thể hiện ở Hình 1.1) sử dụng xi măng bột và trộn ướt (cánh trộn thể hiện Hình 1.2) sử dụng vữa xi măng. Phương pháp khô phù hợp cho nhiều loại đất mềm có độ ẩm cao, vì vậy phù hợp cho việc trộn với chất kết dính khô.
Mặt khác, phương pháp ướt thì phù hợp cho nhiều loại đất sét mềm, bụi, cát hạt mịn có độ ẩm thấp và trong địa tầng gồm nhiều lớp đất mềm cứng hoặc chặt xen kẽ nhau (Larsson 2005). Cọc xi măng đất thi công theo phương pháp cánh trộn kim loại trộn ướt được thực hiện theo năm bước (Hình 1.3) theo Jie Han 2015. Đầu tiên, mũi khoan định vị đúng vị trí thiết kết. Bước hai, trục quay quay cánh trộn ấn vào trong nền cho tới độ sâu thiết kế.
Sau đó hỗn hợp xi măng sẽ được phun vào nền đất thông qua trục và cánh trộn. Một vài trường hợp hỗn hợp xi măng có thể được phun vào nền lúc xuyên vào. Điều này phụ thuộc vào điều kiện đất nền. Bước tiếp theo là rút trục trộn lên, khi đó vẫn tiếp tục phun và xoay cho đến khi lên mặt đất hoặc độ sâu thiết kế.
Cuối cùng, phản ứng xảy ra giữa đất và chất kết dính làm tăng cường độ của đất nền.1 Cánh trộn khô (Larsson 2005).2 Cánh trộn ướt trong DMM (Larsson 2005) Hình 1.3 Quá trình thi công cọc xi măng đất bằng cánh trộn ướt (Jie Han 2015) 1. ỨNG DỤNG CỌC XI MĂNG ĐẤT TRONG GIA CỐ NỀN Công nghệ đất trộn xi măng đã làm thay đổi các đặc tính của đất tại chỗ được gia cố, tạo ra sản phẩm dạng cột, tảng hoặc khối (Hình 1. Thông qua việc thiết kế các đặc tính kỹ thuật và mô hình xử lý, đất trộn xi măng được ứng dụng trong các lĩnh vực xây dựng kỹ thuật dân dụng và khắc phục môi trường.4 Mô hình bố trí cọc xi măng đất: a) Lưới ô vuông, b) tam giác, c) Tường cọc tiếp xúc, d) Tường cọc chồng nhau, e) Tường cọc tiếp xúc song song, f) Lưới tường cọc tiếp xúc, g) Nhiều tường cọc chồng giao nhau, h) Nhiều ô phần tử cọc tiếp xúc nhau, i) Cọc chồng dạng tròn, j) Lưới tường cọc chồng, k) Nhóm cọc chồng, l) Nhóm cọc chồng tiếp xúc, m) Dạng khối (Topolnicki 2004) Phương pháp đất trộn xi măng được ứng dụng để tăng cường độ, kiểm soát biến dạng, giảm độ thấm của đất rời (Porbaha et al. Công nghệ đất trộn đã được sử dụng để tăng khả năng chịu tải, giảm độ lún, gia cường cho tường chắn (Hình 1.6), ngăn chặn phá hoại trượt, bảo vệ kết cấu xung quanh khi thi công hố đào, tạo rào chắn ngăn chặn dòng thấm, ngăn ngừa biến dạng cắt (giảm thiểu hóa lỏng), tăng khả năng thi công đường hầm trong đất yếu, tăng khả năng thi công đường hầm trong đất yếu, cản trở rung động, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, v.5 Cọc xi măng đất được ứng dụng giảm lún và tăng khả năng chịu tải của bể chứa ở Texas (Hayward Baker 2019) Hình 1.6 Ứng dụng cọc xi măng đất để làm tường chống xói gần biển cho nhà ở Florida (Hayward Baker 2019) 9 1.
CÁC THÔNG SỐ CỦA CỌC XI MĂNG ĐẤT DÙNG TRONG THIẾT KẾ NỀN 1. Cường độ nén nở hông tự do qu Đường cong ứng suất-biến dạng của xi măng đất trong thí nghiệm nén nở hông tự do (Hình 1.7) cho thấy cường độ tăng đến giá trị cường độ nén cực đại qu sau đó mẫu xi măng đất bị phá hoại. Do đó, mẫu xi măng đất được xem như mẫu bê tông khi nén gây ra phá hoại dòn.7 Đường cong ứng suất – biến dạng mẫu đất xi măng (Kitazume & Terashi 2013) Cường độ qu mẫu xi măng đất tại hiện trường thường bằng 0.25 lần cường độ qu trong phòng thí nghiệm. Thí nghiệm tại hiện trường cho thấy cường độ mẫu xi măng đất vẫn tăng trong thời gian 6 tháng sau gia cố.
Cường độ nén qu của xi măng đất theo các loại đất thể hiện trong Bảng 1.