Gia cố nền đất yếu bằng phương pháp cọc đất gia cố xi măng

Gia cố nền đất yếu bằng phương pháp cọc đất gia cố xi măng - phương pháp trộn ướt - Công nghệ Nhật Bản tại Khu vực đồng bằng sông Cửu Long

Trong nghững năm gần đây cùng với sự phát triển của kinh tế đất nước, nhu cầu xây dựng và xây dựng hệ thống đường giao thông tại khu vực đồng bằng sông Cửu Long nhằm phục vụ sự nghiệp phát triển kinh tế xã hôi, đảm bảo an ninh quốc phòng ngày càng cấp thiết. Một số dự án đã được triển khai xây dựng trên nền đất yếu tại các khu vực nói trên đã đạt được nhiều lợi ích cho công cuộc xây dựng và bảo vệ Tổ quốc. Tuy nhiên, việc xây dựng công trình trên nền đất yếu đã gặp không ít khó khăn trong công tác xử lý nền đất yếu. Trong khi đó một số biện pháp xử lý nền đất yếu truyền thống chưa mang lại hiệu quả như mong muốn.
Công ty thiết kế và tư vấn xây dựng công trình hàng không ADCC đã cùng với Công ty FUDO là một trong những công ty hàng đầu của Nhật Bản trong công tác xử lý nền đất yếu, đã hợp tác tiến hành công tác thi công thử nghiệm Gia cố nền đất yếu bằng phương pháp cọc đất gia cố xi măng - phương pháp trộn ướt - Công nghệ Nhật Bản tại Khu vực đồng bằng sông Cửu Long. Kết quả đạt được cho thấy phương pháp có tính khả thi cao, phù hợp với điều kiện nền đất yếu ở Việt Nam đặc biệt là Khu vực đồng bằng sông Cửu Long.

1. Cơ sở nguyên lý của phương pháp cọc đất gia cố xi măng - phương pháp trộn ướt:

1.1. Vật liệu sử dụng làm chất gia cố
Vật liệu sử dụng làm chất gia cố là xi măng Portland. Xi măng Portland được sản bằng cách cho thêm thạch cao vào clinker và nghiền nhỏ thành bột. Clinker có cấu tạo từ các thành phần: 3CaO. SiO2, 2CaO.SiO3, 3CaO.Al2O3 và 4CaO.Al2O3. Fe2O3. Trong quá trình trộn ướt, 3CaO. SiO2 phản ứng với nước và tạo nên sản phẩm thuỷ hoá: 2 (3CaO. SiO2) + 6H2O = 3CaO. 2SiO2 + 3H2O + Ca (OH)2 .
Sản phẩm thuỷ hoá của xi măng xảy ra nhanh và phần lớn cường độ của cột đạt được sau vài tuần. Hydrat Canxi được hình thành trong quá trình thuỷ hoá cũng có phản ứng vơí các hạt đất sét làm tăng thêm cường độ của đất nhưng phản ứng này xảy ra rất chậm và kéo dài trong vài năm. Quá trình trên được biểu diẽn bằng Hình 1.1 dưới đây:

2.2. Nguyên lý trộn ướt
- Lưỡi trộn là lưỡi trộn Nhật Bản, bản quyền có cấu tạo một hoặc hai trục với bốn lưỡi trộn và đặc biệt là có một lưỡi quay tự do có tác dụng trộn đều vữa xi măng với đất khi gặp lớp đất chảy.
- Quá trình phun vữa xi măng thường được thực hienẹ ngay sau khi đầu trục trộn xuyên xuống dưới đất 30cm.
- Tốc độ xuyên xuống và rút lên của trục trộn thông thường từ 0,3m đến 1.0m/phút, vòng quay của lưỡi trộn từ 20 đến 100vòng/phút và được tính theo công thức sau:
T= ∑M x {( Nd/Vd) + Nu/Vu)}, trong đó:
T: số vòng quaycủa lưỡi trộn (số lượng/m);
∑M: tổng số các lưỡi trội;
Nd: tốc độ vòng quay của lưỡi trộn khi xuyên xuống (vòng/phút);
Vd: tốc độ xuyên xuống của lưỡi trộn (m/phút).
Nu : tốc độ vòng quay của lưỡi trộn khi nút lên (vòng/phút);
Vu : tốc độ rút lên của lưỡi trộn (vòng/phút);

2. Cơ sở thi công thử nghiệm

2.1. Các chỉ tiêu cơ lý nền đất tại khu vực thi công thử nghiệm
Theo kết quả hố khoan địa chất tại khu vực thi công thử nghiệm, địa tầng khu vực theo thứ tự từ trên xuống dưới như sau:
Lớp 1: cát hạt mịn, màu xám vàng, xám xanh rời rạc đến chặt vừa, có bề dày trung bình 1,34 m (biến đổi từ 0,8m đến 1,94m).
Lớp 2: sét màu xám, xám vàng, xám ghi, lẫn ít hữu cơ, trạng thái dẻo mềm. Lớp này có bề dày trung bình 1,42m (biến đổi từ 1,0m đến 2,1m);
Lớp 3: bùn sét màu xám, xám xanh, xám ghi, lẫn mùn hữu cơ, trạng thái chảy. Lớp 3 có bề dày trung bình là 11,8m (biến đổi từ 10m đến 13,2m).
Chỉ tiêu cơ lý của các lớp này như sau:

Bảng 2.1. Các chỉ tiêu cơ lý của nền đất

Chỉ tiêu Ký hiệu Đơn vị Lớp 2 Lớp 3
Khối lượng riêng hạt g s g/cm3 2.71 2.65
Độ ẩm tự nhiên Wo % 38,7 72
Khối lượng thể tích tự nhiên gTN g/cm3 1,79 1,57
Giới hạn chảy Wch % 46,3 59,6
Giới hạn dẻo Wd % 28,4 38,6
Độ lỗ rỗng N % 52,5 65,6
Hệ số lỗ rỗng tự nhiên eo 1,104 1.904
Góc nội ma sát ф Độ 12o 31’ 6o17’
Hệ số nén lún a 1-2 cm2/KG 0,037 0,117
Hệ số cố kết x 10-4 C v(1-2) cm2/s 3,36 7,4
Ap lực tiền cố kết σc kG/cm2 0,98 0,73
Hàm lượng hữu cơ % 0,076 1,261
Mô dun tổng biến dạng Eo kG/cm2 97 21

Ở độ sâu từ 1,5m đến 2m có gặp lớp đất hữu cơ dày từ 0,2 m đến 0,4m trải đều trên diện rộng. Các phương pháp gia cố đất bình thường thường gặp khó khăn khi gặp lớp đất hữu cơ này. Sau đây là một số chỉ tiêu cơ lý của lớp đất hữu cơ này (bảng 2.2);

Bảng 2.2. Các chỉ tiêu cơ lý của lớp đất hữu cơ

Độ sâu/mầu sắc Hàm lượng nước (%) Hàm lượng hạt mịn (%) Giới hạn chảy (%) Giới hạn dẻo (%) Chỉ số dẻo Ip (%) PH* Hàm lượng hữu cơ(%)
-1,5m/Xám 69,5 98,2 103,6 38,4 65,2 4,3
4,2 9,9
13,3
-1,7m/Đen 76,3 97,6 93,7 37,0 56,7 4,8
4,8 16,6
17,3

2.2. Thiết kế hàm lượng xi măng và tỷ lệ nước xi măng
Chọn hai loại xi măng là xi măng Holcim PCB40 và xi măng Hà Tiên PCB30 là hai loại xi măng thông dụng tại đồng bằng sông Cửu Long để thi công thử nghiệm. Riêng đối với xi măng Holcim có thêm phụ gia là thạch cao để kiểm tra đối chứng khả năng xử lý lớp đất hữu cơ với các cột đất chỉ gia cố bằng xi măng. Đường kính thi công cọc, độ sâu xử lý, tỷ lệ nước - xi măng, hàm lượng xi măng, phụ gia thạch cao như bảng 2.3.

Bảng 2.3

Số TT Đường kính cột đất (mm) Độ sâu xử lý (m) Tỷ lệ nước xi măng (%) Hàm lượng xi măng Ngày thực hiện Ghi chú
1 800 6,30 100 120kg/m3 21/02/2006 HOLCIM
2 800 6,30 150 120kg/m3 22/02/2006 HOLCIM+ Thạchcao
3 800 6,30 100 120kg/m3 21/02/2006 Hà Tiên
4 800 6,30 100 150kg/m3 21/02/2006 HOLCIM
5 800 6,30 150 150kg/m3 22/02/2006 HOLCIM+ Thạchcao
6 800 6,30 100 150kg/m3 21/02/2006 Hà Tiên
7 800 6,30 100 200kg/m3 21/02/2006 HOLCIM
8 800 6,30 150 200kg/m3 22/02/2006 HOLCIM+ Thạchcao
9 800 6,30 100 200kg/m3 21/02/2006 Hà Tiên
10 800 6,30 100 240kg/m3 21/02/2006 HOLCIM
11 800 6,30 150 240kg/m3 22/02/2006 HOLCIM+ Thạchcao
12 800 6,30 100 240kg/m3 21/02/2006 Hà Tiên

2.3. Lựa chọn máy thi công thử nghiệm

3.Thí nghiệm và kết quả thí nghiệm

Cột đất sau khi thi công xong được khoan lấy mẫu bằng ống lấy mẫu của Nhật Bản và tiến hành ép nén xác định cường độ nén nở hông ở độ tuổi 28 ngày. Công tác lấy mẫu cứ mỗi cọc lấy hai mẫu phía trên U-1, U-2 và hai mẫu phía dưới L-1, L-2. Thí nghiệm được tiến hành bởi Phòng thí nghiệm trọng điểm đường bộ 3 – Thành phố Hồ Chí Minh theo tiêu chuẩn JIS A1216: 1998 của Nhật Bản. Kết quả thí nghiệm như sau:

* Một số mẫu khoan lấy không thành công nên không có kết quả thí nghiệm

Cọc số Lực nén lớn nhất (KPa)
Mẫu phía trên Mẫu phía dưới
U-1 U-2 L-1 L-2
1 469,125 384,817 585,868 632,255
2 559,437 490,723 1006,775 946,686
3 419,937 555,221 967,820 681,533
4 336,468 364626 1194,312 1218,832
5 555,549 - 384,694 -
6 372,586 599,315 580,004 801,251
7 1322,923 1530,000 456,474 561,337
8 595,210 640,322 1492,092 1583,241
9 584,112 640322 1545,082 1502,766
10 509,384 617,203 - -
11 919,791 878,563 - -
681,645(U-3) 912,204(U-4) - -

4. Kết luận

Gia cố nền đất yếu bằng phương pháp cọc đất gia cố nền đất yếu bằng phương pháp cọc đất gia cố xi măng - phương pháp trộn ướt - Công nghệ Nhật Bản có hàng loạt ưu điểm sau:
- Thời gian thi công xử lý vữa xi măng được kiểm soát bằng các thiết bị tự động đienẹ từ nên sản phẩm cọc đất gia cố xi măng có chất lượng rấ tốt và đạt được độ đồng đều rất cao. Tỷ số hàm lượng xi măng thực tế tại hiện trường trên trong phòng thí nghiệm là thấp.
- Vật liệu thi công là xi măng trộn với đất ngay tại hiện trường nên không gây nên chất thải rất thích hợp với khu vực đồng bằng sông Cửu Long đang khan híếm vật liệu gia cố đất yếu. Mặt khác công nghệ này cũng không tạo bụi xi măng, tiếng ồn, chấn động rung trong quá trình thi công nên bảo đảm hoàn toàn về mặt môi trường. Đây là một lợi thế lớn của phương pháp trộn ướt khi gthi công tại khu vực đông dân có mật độ nhà cửa cao.
- Giá thành: hợp lý và có thể hạ trdên cơ sở giảm hàm lượng xi măng và sử dụng xi măng địa phương giá rẻ.

TS. Nguyễn Bách Tùng, Th.S. Phạm Ngọc Hùng và TS. Nozu Mitsuo
(Nguồn tin: T/C Cầu Đường, số 9/2006)