Bài giảng Các phương pháp cải tạo đất đá: Chương 2

ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN & MÔI TRƯỜNG Thành phố Hồ Chí Minh

CÁC PHƯƠNG PHÁP CẢI TẠO ĐẤT ĐÁ

MSHP: 190114134

ĐẶNG XUÂN TRƯỜNG Tiến sĩ, Kĩ sư Asean E: dxtruong@hcmunre.edu.vn W: www.dangxuantruong.edu.vn B: www.dxtruong.blogspot.com

C.2

CHƯƠNG 2

GIA CỐ ĐẤT NỀN YẾU PHƯƠNG PHÁP TRỤ ĐẤT XI MĂNG (The soil cement column method)

Bài giảng: Các phương pháp cải tạo đất đá 2

2.1 KHÁI NIỆM VỀ PHƯƠNG PHÁP TRỤ ĐẤT - XI MĂNG (1/8)

 Được phát triển từ các ứng dụng của trụ vôi đất từ những năm 1960 ở Thụy Điển và ở Liên Xô cũ. Nhật bản là nước phát triển phương pháp này đầu tiên trên thế giới.

 Để tạo trụ đất xi măng người ta dùng thiết bị khoan đĩa xoắn vào trong đất với độ sâu tương ứng với chiều dài của cột và xoay ngược chiều để rút lên.

 Vật liệu gia cố được bơm qua ống dẫn trong

cần khoan vào lòng đất.

Bài giảng: Các phương pháp cải tạo đất đá 3

2.1 KHÁI NIỆM VỀ PHƯƠNG PHÁP TRỤ ĐẤT - XI MĂNG (2/8)

 Tác dụng hóa lý giữa vật liệu gia cố và đất xảy ra, quá trình rắn chắc của đất phát triển theo thời gian và tạo thành các trụ có sức chịu tải xác định.

 Trụ đất xi măng có tiết diện tròn, đường kính

thường là 60cm, độ dài có thể đến 25m.

 Trụ đất xi măng thích hợp để gia cố nền đường, móng các bồn chứa, các công trình dân dụng có tải trọng không lớn, các nhà từ 3 – 5 tầng ở các vùng đất yếu.

Bài giảng: Các phương pháp cải tạo đất đá 4

2.1 KHÁI NIỆM VỀ PHƯƠNG PHÁP TRỤ ĐẤT - XI MĂNG (3/8)

Trụ đất xi măng là giải pháp xử lý đất yếu bằng cách sử dụng máy móc để trộn tại chỗ đất tự nhiên với xi măng (có thể kết hợp cả phụ gia) để tạo ra các trụ có đặc tính cơ học cải thiện so với đất tự nhiên, từ đó tính chất cơ học của toàn bộ nền đất được cải thiện giúp tăng độ ổn định và giảm độ lún cho nền đất.

Bài giảng: Các phương pháp cải tạo đất đá 5

2.1 KHÁI NIỆM VỀ PHƯƠNG PHÁP TRỤ ĐẤT - XI MĂNG (4/8)

1 Hình 2: Trụ đất xi măng có lõi thép Nguồn: Tenox Kyusiu – Japan.

2 Hình 1: Trụ đất xi măng thông thường Nguồn: Tenox Kyusiu – Japan.

Bài giảng: Các phương pháp cải tạo đất đá 6

2.1 KHÁI NIỆM VỀ PHƯƠNG PHÁP TRỤ ĐẤT - XI MĂNG (5/8)

 Khi thi công trụ đất xi măng thì về cơ bản người ta sử dụng những cần khoan được gắn vào các mô tơ công suất lớn và được treo trên trục dẫn của xe khoan.

 Trên thân của cần khoan có gắn các cánh trộn.

 Khi trục khoan quay thì các cánh trộn sẽ đánh tơi đất và nhào trộn đất với chất gia cố được phun ra từ các lỗ bố trí trên thân của cánh khoan.

Bài giảng: Các phương pháp cải tạo đất đá 7

2.1 KHÁI NIỆM VỀ PHƯƠNG PHÁP TRỤ ĐẤT - XI MĂNG (6/8)

1

2 Hình 1: Cần khoan Hình 2: Silo dung dịch xi măng Nguồn: Tenox Kyusiu – Japan

Fecon.

Bài giảng: Các phương pháp cải tạo đất đá 8

2.1 KHÁI NIỆM VỀ PHƯƠNG PHÁP TRỤ ĐẤT - XI MĂNG (7/8)

1

2 Hình 1,2: Mũi khoan Nguồn: Tenox Kyusiu – Japan.

Bài giảng: Các phương pháp cải tạo đất đá 9

2.1 KHÁI NIỆM VỀ PHƯƠNG PHÁP TRỤ ĐẤT - XI MĂNG (8/8)

 Có hai công nghệ thi công là trộn khô và công

nghệ trộn ướt.

 Công nghệ trộn khô ra đời trước, sử dụng chất kết dính là xi măng bột, xi măng bột được đưa vào đất nền bằng khí nén.

 Công nghệ trộn ướt sử dụng chất kết dính là vữa xi măng. Xi măng được trộn với nước theo tỷ lệ định trước tạo thành vữa xi măng, sau đó vữa xi măng được đưa vào đất nền bằng máy bơm.

Bài giảng: Các phương pháp cải tạo đất đá 10

2.2. ƯU NHƯỢC ĐIỂM VÀ PHẠM VI ÁP DỤNG (1/3)

 Ưu điểm:

 Trụ đất xi măng thi công nhanh, ngoài ra nền đất yếu sau khi xử lý bằng trụ đất xi măng thường có độ lún còn lại nhỏ nên không tốn vật liệu đắp bù lún và không phải chờ nền đất cố kết, do đó tiến độ xây dựng được đẩy nhanh.

 Có thể xử lý cục bộ một lớp đất nào đó của địa tầng.  Có thể thi công trong điều kiện ngập nước.  Thi công với độ ồn và độ rung nhỏ nên có thể áp

dụng cả trong đô thị.

Bài giảng: Các phương pháp cải tạo đất đá 11

2.2. ƯU NHƯỢC ĐIỂM VÀ PHẠM VI ÁP DỤNG (2/3)

 Nhược điểm:

 Thiết bị thi công cồng kềnh, nặng nề đặc biệt là khi

cần thi công trụ có chiều dài lớn.

 Trụ dễ bị lỗi gây sự cố công trình.

 Phạm vi áp dụng:

 Xử lý được hầu hết các loại đất yếu, trừ đất có

hàm lượng hữu cơ cao.

Bài giảng: Các phương pháp cải tạo đất đá 12

2.2. ƯU NHƯỢC ĐIỂM VÀ PHẠM VI ÁP DỤNG (3/3)

Bài giảng: Các phương pháp cải tạo đất đá 13

2.3. TRÌNH TỰ THIẾT KẾ & THI CÔNG (1/1)

Khảo sát ĐCCT, thí nghiệm xác định hàm lượng ximăng

Thiết kế sơ bộ nền gia cố

Thi công trụ thử bằng thiết bị dự kiến sử dụng

Tiến hành các thí nghiệm kiểm tra

So sánh lại với các thí nghiệm trong phòng

Điều chỉnh thiết kế

Thi công đại trà

Bài giảng: Các phương pháp cải tạo đất đá 14

2.4. TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN TRỤ ĐẤT XI - MĂNG (1/13)

Bước 1. Tính chịu tải tới hạn của nền cọc ximăng – đất

Qgh,đ = (πdcHc + 2.25πdc

2)Cu

Trong đó: dc - Đường kính của trụ (m) Hc - Chiều dài trụ (m) Cu - Độ bền cắt không thoát nước trung bình của đất quanh trụ (kPa)

Cu

Bài giảng: Các phương pháp cải tạo đất đá 15

2.4. TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN TRỤ ĐẤT XI - MĂNG (2/13)

Bước 2. Tính sức chịu tải tới hạn theo vật liệu làm cọc

1. Sức chịu tải tới hạn theo điều kiện ngắn hạn

Qgh,nh= Ac(3.5Cc + 3σh)

σh = σv + 5Cu

Trong đó:

𝛔𝐯

Ac - tiết diện ngang của trụ (m2) Cc - sức chống cắt không thoát nước

của trụ (kG/cm2)

𝛔𝐡

σh - áp lực theo phương ngang (T/m2) σv - áp lực thẳng đứng (T/m2).

𝐂𝐮

Bài giảng: Các phương pháp cải tạo đất đá 16

2.4. TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN TRỤ ĐẤT XI - MĂNG (3/13)

Bước 2. Tính sức chịu tải tới hạn theo vật liệu làm cọc

2. Độ bền cực hạn lâu dài của trụ

Qgh,ld = (0.65 ÷ 0.85)Qgh,nh

Độ bền cực hạn lâu dài của trụ nhỏ hơn độ bền ngắn hạn do hiện tượng từ biến.

Bài giảng: Các phương pháp cải tạo đất đá 17

2.4. TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN TRỤ ĐẤT XI - MĂNG (4/13)

Bước 3. Ứng suất trong trụ

𝐏𝐭𝐜

𝛔𝐜 =

𝐐𝐜 𝐀𝐜

𝐚 + (𝟏 − 𝐚)

𝐏𝐭𝐜

𝐌đ 𝐌𝐜

Trong đó: Ptc – tải trọng phân bố tác dụng lên trụ đất – xi măng (kG/cm2) Mđ – mô đun nén của đất nền xung quanh trụ (kN/m2) Mc – mô đun nén của trụ (kN/m2)

Bài giảng: Các phương pháp cải tạo đất đá 18

2.4. TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN TRỤ ĐẤT XI - MĂNG (5/13)

Bước 4. Xác định độ lún

∆h1 là độ lún của khối đất được gia cố

∆h2 là độ lún của nền đất dưới trụ

Bài giảng: Các phương pháp cải tạo đất đá 19

2.4. TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN TRỤ ĐẤT XI - MĂNG (6/13)

Bước 4. Xác định độ lún

Bài giảng: Các phương pháp cải tạo đất đá 20

2.4. TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN TRỤ ĐẤT XI - MĂNG (7/13)

Bước 4. Xác định độ lún

1. Khi tải trọng tác dụng chưa vượt qua giới hạn từ biến

Bài giảng: Các phương pháp cải tạo đất đá 21

2.4. TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN TRỤ ĐẤT XI - MĂNG (8/13)

Bước 4. Xác định độ lún

∆ℎ2 = 𝑠𝑖 =

𝜎𝑔𝑙 ℎ𝑖

𝛽𝑖 𝐸𝑖

Trong đó:

Si – độ lún lớp phân tố thứ i σgl – ứng suất gây lún trong lớp phân tố thứ i hi – chiều dày lớp đất phân tố thứ i E – mô đun biến dạng của đất nền ß – hệ số xét đến nở hông của đất

Bài giảng: Các phương pháp cải tạo đất đá 22

2.4. TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN TRỤ ĐẤT XI - MĂNG (9/13)

Bước 4. Xác định độ lún

2. Tải trọng tác động lớn và ứng suất trong trụ tương ứng với

giới hạn từ biến

𝑞1 =

𝑁𝑄𝑡ℎ,𝑙𝑑 𝐵𝐿

𝑝𝑡𝑐 = 𝑞1 + 𝑞2

𝑞2 = 𝑝𝑡𝑐 − 𝑞1

Lúc đó: q1 dùng để tính lún cho Δh2, q2 dùng để tính lún cho Δh1

Bài giảng: Các phương pháp cải tạo đất đá 23

2.4. TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN TRỤ ĐẤT XI - MĂNG (10/13)

Bài giảng: Các phương pháp cải tạo đất đá 24

2.4. TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN TRỤ ĐẤT XI - MĂNG (11/13)

Bước 5. Tính toán độ cố kết

 Độ cố kết được tính theo Barron (1948)

Trong đó:

Cvh – Hệ số cố kết của đất được gia

cố bằng trụ đất ximăng (cm2/năm)

t – Thời gian cố kết (năm) R – Bán kính ảnh hưởng (m) + lưới ô vuông: R = 0.56d + lưới tam giác đều: R= 0.53d d –Khoảng cách các tim trụ (m)

Bài giảng: Các phương pháp cải tạo đất đá 25

2.4. TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN TRỤ ĐẤT XI - MĂNG (12/13)

Bước 5. Tính toán độ cố kết

𝟐

𝐅 𝐧 =

𝐥𝐧 𝐧 − 𝟎. 𝟕𝟓 +

𝐧𝟐 𝐧𝟐 − 𝟏

𝟏 𝐧𝟐 𝟏 −

𝟏 𝟒𝐧𝟐 +

𝐧𝟐 − 𝟏 𝐧𝟐

𝟏 𝐫𝟐

𝐇𝐜 𝟐

𝐤đ 𝐤𝐜

Trong đó:

)

r – Bán kính trụ (m). 𝑘đ theo Bengt.B.Brom 𝑘𝑐 1 tốt nhất từ ( 1000

1 500

𝑛 =

𝑅 𝑟

Bài giảng: Các phương pháp cải tạo đất đá 26

2.4. TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN TRỤ ĐẤT XI - MĂNG (13/13)

Bước 6. Tính toán độ lún lệch

 Độ lún lệch được tính theo Brom Bromem (1979) như sau:

𝜏𝑡𝑏 =

0,8. 𝑝𝑡𝑐 2(𝐵 + 1)𝐻𝑐

𝛼 =

𝜏𝑡𝑏 𝐺đ

𝐺đ =

𝑀đ 2(1 + 𝜇đ)

Trong đó:

𝛼 − góc lệch giữa 2 dãy trụ 𝜏𝑡𝑏 − ứng suất cắt trung bình (Pa) 𝜇đ − hệ số Poisson. 𝐺đ − mô đun cắt trượt của đất (Pa)

Bài giảng: Các phương pháp cải tạo đất đá 27

2.5. THI CÔNG TRỤ ĐẤT XI - MĂNG (1/15)

1. Tiêu chuẩn áp dụng

TCVN 9403:2012 – Gia cố đất nền yếu – Phương pháp Trụ đất xi măng

2. Vật liệu thi công

 Xi măng: có thể sử dụng các loại xi măng thương mại trên thị trường, nên sử dụng các loại xi măng chuyên dụng cho xử lý đất và xi măng bền sulfat khi thi công tại vùng có nước mặn.

 Nước: có thể sử dụng nước sinh hoạt thông thường.

Bài giảng: Các phương pháp cải tạo đất đá 28

2.5. THI CÔNG TRỤ ĐẤT XI - MĂNG (2/15)

1. Quy trình thi công

Bài giảng: Các phương pháp cải tạo đất đá 29

2.5. THI CÔNG TRỤ ĐẤT XI - MĂNG (3/15)

1. Quá trình tạo trụ đất xi măng

Bài giảng: Các phương pháp cải tạo đất đá 30

2.5. THI CÔNG TRỤ ĐẤT XI - MĂNG (4/15)

1. Dải 3. Lưới tam giác

2. Nhóm 4. Lưới vuông

Bố trí trụ trùng nhau theo khối

1. Kiểu tường 3. Kiểu khối

2. Kiểu ô vuông 4. Kiểu diện

Bài giảng: Các phương pháp cải tạo đất đá 31

2.5. THI CÔNG TRỤ ĐẤT XI - MĂNG (5/15)

2. Biện pháp thi công

Trước khi thi công trộn sâu, cần làm sáng tỏ các vấn đề sau:  Mục tiêu và phạm vi của công tác trộn sâu;  Mô tả đất nền theo tiêu chuẩn khảo sát;  Hình dáng của trụ;  Phương pháp trộn sâu;  Thiết bị trộn: hình dáng/ kích thước/cấu trúc của cần xoay, vị trí lỗ xuất xi măng, hình dáng và chiều dài của đầu trộn;

Bài giảng: Các phương pháp cải tạo đất đá 32

2.5. THI CÔNG TRỤ ĐẤT XI - MĂNG (6/15)

2. Biện pháp thi công

 Hành trình làm việc (khoan xuống và rút lên, trộn

và trình tự thi công);

 Các thông số: chủng loại và thành phần xi măng, hàm lượng xi măng, tỷ lệ nước/xi măng, phụ gia.;

 Phòng ngừa lún và đẩy trồi;  Tổ chức hiện trường;  Máy móc và thiết bị;  Quản lý đất thải;

Bài giảng: Các phương pháp cải tạo đất đá 33

2.5. THI CÔNG TRỤ ĐẤT XI - MĂNG (7/15)

2. Biện pháp thi công

 Quy trình quản lý chất lượng;  Quy trình xử lý khi có sự cố dừng thi công;  Khả năng sửa đổi các thông số trộn trong khi thi

công;

 Các phương pháp thí nghiệm kiểm chứng;  Hồ sơ thi công (nhật ký, bản vẽ, biểu ghi chép);  Đánh giá nguy cơ tác động đến môi trường và an

toàn.

Bài giảng: Các phương pháp cải tạo đất đá 34

2.5. THI CÔNG TRỤ ĐẤT XI - MĂNG (8/15)

3. Chuẩn bị hiện trường

 Việc chuẩn bị mặt bằng thi công theo quy định trong thiết kế và yêu cầu môi trường, gồm lối vào cho máy móc thiết bị, san lấp, thu dọn mặt bằng, tạo lớp chịu lực cho thiết bị, tiếp nhận, kiểm tra và lưu giữ vật liệu;

 Tất cả vật liệu nhập vào công trường phải có chứng chỉ xuất xưởng và kết quả kiểm định theo đặc tính kỹ thuật đã được quy định trong thiết kế;

 Kho chứa xi măng được bảo đảm chống ẩm, tránh tác

động bất lợi trong sử dụng.

Bài giảng: Các phương pháp cải tạo đất đá 35

2.5. THI CÔNG TRỤ ĐẤT XI - MĂNG (9/15)

4. Thi công thử tại hiện trường

 Trong trường hợp chưa có kinh nghiệm so sánh, cần thực hiện thi công thử tại hiện trường đại diện nhằm xác nhận các yêu cầu thiết kế và tạo lập các trị số kiểm soát tới hạn cho thiết bị, vật liệu, quy trình kỹ thuật cùng chủng loại khi thi công đại trà.

Bài giảng: Các phương pháp cải tạo đất đá 36

2.5. THI CÔNG TRỤ ĐẤT XI - MĂNG (10/15)

4. Thi công thử tại hiện trường

 Các trị số kiểm soát thi công gồm:

 Tốc độ khoan xuống và rút lên;

 Tốc độ quay của đầu khoan;

 Áp lực khí nén (trộn khô);

 Tốc độ phun vữa(trộn ướt);

 Lượng vật liệu sử dụng.

Bài giảng: Các phương pháp cải tạo đất đá 37

2.5. THI CÔNG TRỤ ĐẤT XI - MĂNG (11/15)

5. Tổ chức thi công

 Trước khi thi công vị trí của trụ trên mặt bằng phải

được định vị;

 Các sai số của trụ theo quy định trong thiết kế.

 Hành trình gồm xuyên xuống, đầu trộn đuợc đưa trộn và phá xuống chiều sâu thiết kế, đất bị kết cấu, và rút lên, phun chất kết dính, kết thúc trộn và rời khỏi vị trí.

Bài giảng: Các phương pháp cải tạo đất đá 38

2.5. THI CÔNG TRỤ ĐẤT XI - MĂNG (12/15)

 Trong trộn ướt, hành trình lại được sử dụng để tái phân bố vữa đến tỷ lệ quy định, trong lúc chờ đầu trộn vẫn được quay đều. Hành trình lại có thể phun thêm hoặc không phun vữa.

 Tốc độ quay của đầu trộn và tốc độ xuyên xuống, rút lên của cần trộn được hiệu chỉnh để tạo ra đất xử lý tương đối đồng nhất.

 Khi trộn khô, áp suất khí nén nên giữ thấp nhất có thể trong lúc trộn nhằm tránh dồn đọng khí (air entraiment) và chuyển dịch đất. Khối lượng xi măng dọc thân trụ và áp suất khí được ghi chép trong lúc thi công.

Bài giảng: Các phương pháp cải tạo đất đá 39

2.5. THI CÔNG TRỤ ĐẤT XI - MĂNG (13/15)

6. Thí nghiệm

 Theo quy định trong thiết kế cần kiểm chứng đặc trưng cường độ, biến dạng, độ đồng nhất của trụ, và tính thấm của trụ khi cần thiết;

 Quy mô và phương pháp tiến hành thí nghiệm được quy định trước khi thi công cho từng trường hợp cụ thể (cách thức áp dụng và các thí nghiệm đặc trưng);

Bài giảng: Các phương pháp cải tạo đất đá 40

2.5. THI CÔNG TRỤ ĐẤT XI - MĂNG (14/15)

6. Thí nghiệm

 Thí nghiệm kiểm tra chất lượng được phân bố đều thi công. theo thời gian thi công và thiết bị Số lượng kiểm tra phải đủ để xác lập trị số trung bình đáng tin cậy các tính chất của trụ trong mỗi tầng đất đại diện theo chiều dài trụ, phụ thuộc vào quy mô xử lý và mục đích dùng trụ;

 Trụ dùng làm tường chắn phải thí nghiệm kiểm tra

độ giao thoa và độ đồng nhất.

Bài giảng: Các phương pháp cải tạo đất đá 41

2.5. THI CÔNG TRỤ ĐẤT XI - MĂNG (15/15)

7. An toàn lao động

 Tất cả các loại máy móc, thiết bị vận hành phải tuân theo quy trình thao tác và quy tuyệt đối trình an toàn, đặc biệt là quy trình an toàn cho máy trộn và máy bơm;

 Lắp dựng hệ thống biển báo khu vưc nguy hiểm, khu vực trụ vừa mới thi công, cấm di chuyển qua các khu vực này.

 Khi gặp sự cố, Nhà thầu phải có phương án xử lý

được thiết kế chấp thuận.

Bài giảng: Các phương pháp cải tạo đất đá 42