Một số kết quả thí nghiệm về sức chịu tải của cọc xi măng - đất thi công bằng khoan phụt cao áp

Mét sè kÕt qu¶ thÝ nghiÖm vÒ søc chÞu t¶i cña cäc xi<br /> m¨ng - ®Êt thi c«ng b»ng khoan phôt cao ¸p<br /> Nguyễn Quốc Dũng*, Nguyễn Quốc Huy*,<br /> Vũ bá Thao*<br /> * Viện KHTL. 171 Tây Sơn - Đống Đa - Hà Nội<br /> Tel/Fax: 8537083/5632827<br /> <br /> The results of testing bearing capacity and other parameters of soil-cement columns<br /> was created by jet-grouting method<br /> Abstract: While searching for technological solution to repair downgrading hydraulic structures, the<br /> researcher team of the Vietnam Institute for Water Resources have found jet-grouting method, one the most<br /> advance ground improvement techniques. The first application of jet-grouting method in Vietnam was<br /> executed by the Hoa Lac high tech Centre of the Vietnam Institute for Water Resources in June 2004. With<br /> the successful applications in some projects in Vietnam, the method proved to be highly effective in such<br /> type of projects, where both of ground bearing capacity and permeability are to be addressed. It also<br /> suggests a much wider range of applications, particularly in improvement of foundation for building, roads,<br /> bridges, harbors and tunnels, structures and so on.<br /> This paper will introduce the results of testing bearing capacity and other parameters of soil-cement columns<br /> and comparing these results with other.<br /> 1. Giới thiệu công nghệ sửa chữa, gia cố nền cho công trình sẵn có.<br /> - Có thể xử lý cục bộ một tầng đất hoặc lớp<br /> Khoan phụt cao áp (KPCA) là một phương xen kẹp yếu nằm ở sâu.<br /> pháp xử lý nền tiên tiến được sử dụng rộng rãi - Có thể thi công dưới mực nước ngầm.<br /> trên thế giới. Được phát minh năm 1970 ở Nhật - ứng dụng được với mọi loại đất.<br /> Bản, công nghệ này đã chứng tỏ được tính ứng Các ứng dụng chính của KPCA gồm có:<br /> dụng cao trong rất nhiều công trình ở các nước - Làm móng công trình mới.<br /> phát triển như Nhật Bản, Anh, Mỹ, v.v... - Gia cường móng sẵn có.<br /> KPCA thực chất là một phương pháp tạo cọc - Tạo tường chắn, tường chống thấm.<br /> xi măng đất kiểu trộn ướt, để so sánh với các - Gia cố mái dốc.<br /> phương pháp tạo cọc xi măng - đất hoặc xi măng - Tạo vỏ cho đường hầm.<br /> - vôi - đất, kiểu trộn khô đã được nghiên cứu và Tài liệu khoa học về công nghệ này ở trong<br /> sử dụng ở nước ta trong mấy năm gần đây. nước hiện nay có rất ít. Trong cuốn "Sổ tay xử lý<br /> KPCA có nguồn gốc từ việc sử dụng tia nước sự cố công trình xây dựng" (Tập 1) của tác giả<br /> cao áp để xẻ các vỉa than. Về sau, nó được đưa Trung Quốc Vương Hách, phương pháp này<br /> vào lĩnh vực xây dựng để xử lý nền đất yếu. được gọi là phương pháp phun xoay bơm vữa.<br /> Thiết bị dùng trong công nghệ này gồm một máy Cuốn sách này cung cấp một số liệu thực tế rất<br /> khoan và một máy bơm cao áp. Hai thiết bị này bổ ích, có thể dùng để so sánh, đối chiếu. Ngoài<br /> kết hợp lại để đưa một tia vữa có áp lực lớn vào ra, cuốn "Hư hỏng, sửa chữa, gia cường nền<br /> lòng đất để đánh nhuyễn và trộn đều hỗn hợp móng" của Lê Văn Kiểm cũng có đề cập đến<br /> vữa này với đất. Quy trình thi công gồm có các phương pháp này để gia cường nền. Tuy nhiên<br /> bước dưới đây (Hình 1): cả hai tài liệu nói trên cũng chỉ dừng ở mức giới<br /> 1. Từ mặt đất tự nhiên, khoan xuống đến cao thiệu sơ lược với số liệu được lấy từ các công<br /> trình đáy của lớp cần xử lý. trình được thi công ở nước ngoài.<br /> 2. Phụt vữa theo phương ngang với áp suất Việc đưa thiết bị và chuyển giao công nghệ<br /> cao (200-400 atm). vào nước ta chỉ mới được Trung tâm Công nghệ<br /> 3. Trong quá trình phụt vữa, cần khoan vữa cao thuộc Viện Khoa học Thủy lợi thực hiện vào<br /> xoay vừa rút lên dần, tạo ra cột vữa hình trụ. tháng 4 năm 2004, sau đó được đưa vào sử<br /> 4. Tiến hành cho đến cao trình đỉnh của lớp dụng trong công tác xử lý chống thấm nền và<br /> cần xử lý. mang cống dưới đê cho một số công trình ở<br /> Nghệ An và Hà Nam được ghi nhận là rất thành<br /> công.<br /> Tuy nhiên, ứng dụng gia cố, nâng cao sức<br /> chịu tải của nền và làm móng cho công trình đến<br /> nay vẫn chưa được phát huy. Để tìm hiểu khả<br /> năng ứng dụng này, một số thí nghiệm đã được<br /> Trung tâm thực hiện tại Trạm nghiên cứu tài<br /> nguyên đất - nước ven biển Đồ Sơn, Hải Phòng.<br /> Hình 1: Các bước thi công KPCA Bài báo này sẽ trình bày các kết quả chủ yếu thu<br /> được qua các thí nghiệm về sức chịu tải của cọc<br /> Các ưu điểm chính của KPCA gồm có: xi măng - đất.<br /> - Thiết bị thi công gọn nhẹ, có thể triển khai 2. Kết quả thí nghiệm<br /> được trên địa bàn chật hẹp, có chiều cao hạn 2.1. Thí nghiệm nén tĩnh hiện trường<br /> chế. Bãi thử cọc xi măng - đất nằm trong khuôn<br /> - Đường kính khoan nhỏ (40-90mm) nhưng viên của Trạm nghiên cứu tài nguyên đất - nước<br /> vẫn có thể tạo ra được cọc xi măng đất đường ven biển Đồ Sơn, Hải Phòng. Các cọc xi măng -<br /> kính lớn (600-1000mm) ngầm trong lòng đất. đất được thi công bằng phương pháp KPCA có<br /> Đây là một ưu thế có thể khai thác trong công tác đường kính 600mm, chiều dài cọc 8m.<br /> Thí nghiệm nén tĩnh hiện trường được tiến<br /> hành tại 05 điểm nhằm xác định sức mang tải<br /> của cọc và nhóm cọc trên cơ sở tiêu chuẩn<br /> TCXD 190: 1996 (móng cọc tiết diện nhỏ). Công<br /> tác thí nghiệm được thực hiện vào đầu tháng 10<br /> năm 2004.<br /> Để thí nghiệm sức chịu tải của nền phức hợp,<br /> tức là sự làm việc đồng thời của cọc và nền, ba<br /> cọc xi măng - đất bố trí trên ba đỉnh của một tam<br /> giác đều, khoảng cách từ tâm đến tâm cọc là<br /> 1,5m. Trên cùng đổ một tấm bê tông cốt thép dày<br /> 40cm, mặt dưới của tấm bê tông tiếp xúc đồng<br /> thời với ba đầu cọc và diện tích nền giữa các<br /> cọc. Vị trí các cọc được thể hiện trên hình 2. Hình 4: Bố trí kích nén ngang<br /> <br /> Các cọc thí nghiệm có chiều dài xác định<br /> trước 8,0m nằm từ độ sâu -1m đến -9m chỉ phục<br /> vụ công tác thí nghiệm xác định khả năng gia cố<br /> nền trong khu vực đất yếu. Theo kết quả khoan<br /> khảo sát địa chất công trình, phía dưới lớp đất<br /> lấp (lớp 1) dày khoảng 2,2m là lớp sét pha xen<br /> kẹp cát pha màu xám đen lẫn vỏ sò, hữu cơ<br /> trạng thái chảy (lớp 2) dày khoảng 8,0m, đây là<br /> lớp đất rất yếu và độ lún lớn. Sét màu xám tro<br /> Hình 2: Sơ đồ bố trí cọc thí nghiệm trạng thái dẻo mềm (lớp 3) nằm ở dưới.<br /> Một số chỉ tiêu chủ yếu của đất nền được tóm<br /> tắt trong bảng sau:<br /> Các cọc thí nghiệm có một số đặc điểm được<br /> trình bày ở bảng sau:<br /> Các cọc được thí nghiệm đến phá hoại. Biểu<br /> đồ quan hệ tải trọng và độ lún tiêu biểu như ở<br /> hình 5, hình 6 và hình 7.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3: Bố trí kích nén nền phức hợp<br /> <br /> <br /> Bảng 1: Chỉ tiêu cơ lý của đất nền<br /> Lớp đất<br /> Chỉ tiêu 1 2 3<br /> (Đất lấp) (Sét pha-chảy) (Sét xám - dẻo mềm)<br /> - Độ sâu đáy lớp (m): 2,0-2,4 10,0 - 10,2 14-15<br /> - Bề dày lớp (m): 2,0-2,4 7,6 - 8,0 4-5<br /> - Khối lượng thể tích ướt ( (kN/m3) - 1,82 1,86<br /> - Độ ẩm (%) - 32,23 48,12<br /> - Hệ số rỗng (e) - 0,953 1,150<br /> - Độ sệt Is - 1,26 0,54<br /> - Lực dính C (102.kPa) - 0,07 0,17<br /> - Góc ma sát trong ( (độ) - 6o14' 10o0,8'<br /> - Hệ số nén lún (a) (102 kPa)-1 - 0,125 0,048<br /> - Sức chịu tải quy ước (Ro*) (102.kPa) - 0,534 1,052<br /> Bảng 2: Thông số cọc thí nghiệm<br /> Nền phức hợp Cọc nén dọc trục Cọc nén ngang<br /> Thông số (03 cọc hình<br /> D1 D2 N1 N2<br /> tam giác)<br /> Tiết diện cọc 60cm 60cm 60cm 60cm 60cm<br /> Ngày thi công 01-02/9/2004 2/9/2004 2/9/2004 4/9/2004 4/9/2004<br /> Ngày thí nghiệm 4/10/2004 6/10/2004 6/10/2004 8/10/2004 8/10/2004<br /> Cốt đầu cọc -1,2m -1,25m -1,25m -1,3m -1,4m<br /> Chiều dài cọc 8,0m 8,0m 8,0m 8,0m 8,5m<br /> Tải trọng thiết kế 450kN 120kN 120kN 35 kN 35kN<br /> Tải trọng thí nghiệm Nén phá hoại<br /> <br /> <br /> <br /> T¶i träng (tÊn) T¶i träng (tÊn)<br /> <br /> 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 1 2 3 4 5 6<br /> 0 0<br /> <br /> 10<br /> <br /> 20 10<br /> §é lón (mm)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 30<br /> §é lón (mm)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 40<br /> 20<br /> 50<br /> <br /> 60<br /> 30<br /> 70<br /> <br /> 80<br /> 40<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 5. Biểu đồ quan hệ tải trọng- lún: Hình 7. Biểu đồ quan hệ tải trọng-<br /> Nền phức hợp chuyển vị ngang: Cọc đơn N1<br /> <br /> <br /> T¶i träng (tÊn)<br /> Dựa vào các biểu đồ quan hệ tải trọng - lún<br /> 0<br /> 0 5 10 15 20 25 30 của cọc thí nghiệm cho phép rút ra một số nhận<br /> 10<br /> xét về sức chịu tải của cọc như sau:<br /> 20<br /> + Sức chịu tải tính toán của cọc thí nghiệm<br /> §é lón (mm)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 30<br /> được tính theo công thức sau:<br /> 40<br /> Ptt = Pgh/F<br /> 50<br /> trong đó: + Pgh là tải trọng giới hạn của cọc<br /> 60<br /> lấy tương ứng với tải trọng thí nghiệm khi cọc bị<br /> phá hoại.<br /> + Ptt là sức chịu tải tính toán của cọc đơn<br /> Hình 6. Biểu đồ quan hệ tải trọng- lún: hoặc nhóm cọc.<br /> Cọc đơn D1 + F là hệ số an toàn, với cọc thí nghiệm nén<br /> tĩnh lấy F = 2,0.<br /> Việc xác định sức chịu tải cho cọc xi măng -<br /> đất chưa có tiêu chuẩn hay quy phạm, tuỳ thuộc<br /> mục đích sử dụng, độ lún cho phép của công<br /> trình cần gia cố để có thể chọn độ lún cho phù<br /> hợp. Theo nội dung thí nghiệm phục vụ gia cố tải thực tế của các cọc thí nghiệm được trình bày<br /> nền đất dưới đê, nền đường có thể khuyến nghị ở bảng 3:<br /> lấy độ lún bằng 10% đường kính cọc. Sức chịu<br /> <br /> Bảng 3: Sức chịu tải thực tế của cọc thí nghiệm<br /> <br /> Nền phức hợp (03 Cọc nén dọc trục Cọc nén ngang<br /> Số hiệu cọc<br /> cọc hình tam giác) D1 D2 N1 N2<br /> Sức chịu tải Pgh (tấn) 8,5 T 24 T 22 T 5T 5,2 T<br /> Sức mang tải tính toán 42,5 T 12 T 11 T 2,5 T 2,6 T<br /> Ptt (tấn)<br /> <br /> 2.2. Thí nghiệm trong phòng Kết quả thí nghiệm trên tập hợp mẫu ở các<br /> Các mẫu thí nghiệm được lấy bằng khoan thời điểm 21, 28, 56 ngày. Kết quả thí nghiệm<br /> lấy lõi (11, 13, 15) từ các cọc xi măng - đất được trình bày trong bảng 4.<br /> được thi công trước đấy 7 ngày, đường kính<br /> 150mm. Các mẫu khoan được bảo dưỡng<br /> trong điều kiện bình thường. Việc khoan lấy lõi<br /> ở ngày tuổi sớm và đặc tính dễ gẫy, vỡ của vật<br /> liệu thân cọc nên gây nhiều khó khăn để có thể<br /> lấy được các mẫu với đúch kính thước tiêu<br /> chuẩn.<br /> Các mẫu hiện trường thường không đồng<br /> nhất trong bản thân một cây cọc. Vật liệu thân<br /> cọc có tỉ lệ hữu cơ, lẫn các trầm tích ven biển<br /> như vỏ sò, ốc rất cao và thấy rõ tính phân tầng<br /> dọc theo chiều dài cọc.<br /> Cường độ mẫu ở thời điển 14 ngày rất yếu,<br /> do tốc độ phát triển cường độ của vật liệu xi<br /> măng - đất, nên các thí nghiệm được tiến hành<br /> ở 21, 28 và 56 ngày tuổi.<br /> Các mẫu đúc (D1, D2, D3) được chế bị từ<br /> đất lấy ở hiện trường trộn với xi măng. Đất<br /> nguyên dạng là đất sét pha có lẫn vỏ sò được<br /> lấy từ độ sâu 1,5m, hệ số rỗng e = 0,953; độ<br /> ẩm 32,23%; Khối lượng thể tích tự nhiên ( =<br /> 1,82 (10 kN/m3) hệ số nén lún a1-2 = 0,125<br /> (102 kPa)-1. Đất sau khi phơi khô, giã và qua<br /> sàng 2mm, trộn đều với chất gia cố và nước.<br /> Chất gia cố dùng xi măng hàm lượng 100, 200,<br /> 300 kg/m3. Các mẫu đúc đường kính 150mm,<br /> cao 300mm được bảo dưỡng trong điều kiện<br /> bình thường trong thời gian 21, 28, 56 ngày.<br />  Bảng 4: Quan hệ giữa cường độ nén<br /> và thời gian<br /> <br /> Hàm lượng BiÓu 4: BiÓu ®å Ph¸t triÓn cêng ®é theo thêi gian<br /> TT Cọc Rn 21 Rn 28 Rn 56<br /> Xm (Kg/m3)<br /> 18<br /> 1 11 100 1,64 3,75 4,45 16<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> cêng ®é nÐn Rn (daN/cm2)<br /> 2 13 200 2,35 3,87 4,76 14 MÉu<br /> 12 11<br /> 3 15 300 7,50 13,50 17,59 10<br /> MÉu<br /> 13<br /> 4 D1 100 5,08 6,02 6,77 8 MÉu<br /> 15<br /> 6<br /> MÉu<br /> 5 D2 200 13,84 15,56 16,39 4 D1<br /> <br /> 6 D3 300 14,69 17,51 19,30 2<br /> <br /> 0<br /> 0 7 14 21 28 35 42 49 56 63<br /> <br /> thêi gian (ngµy)<br /> <br /> <br /> <br /> Hình 8: Biểu đồ phát triển cường độ<br /> theo thời gian<br /> <br /> Đối với bê tông mẫu 28 ngày cường độ coi như lớn nhất, nhưng đối với xi măng - đất do thành phần<br /> xi măng và đất trong quá trình đông cứng sẽ hình thành nhiều phản ứng hóa học nên cường độ phát<br /> triển chậm theo thời gian. Điển hình như mẫu 15 và mẫu D3, đây là 2 mẫu có hàm lượng xi măng<br /> cao 300 Kg/m3. Giữa mẫu KPCA thực tế và mẫu hiện trường có sự chênh lệch cường độ nên khá lớn,<br /> nhưng độ chênh lệch càng ngày càng giảm. So sánh số liệu thí nghiệm của mẫu 15 và D3 ở 21 và 56<br /> ngày, cho sự chênh cường độ nén từ 78% xuống 10%. Nguyên nhân có thể do điều kiện tạo mẫu trong<br /> phòng và hiện trường khác nhau, có sự chênh lệch về mức độ đồng đều khi trộn xi măng vào đất và<br /> điều kiện bảo dưỡng: thời gian thi công khác nhau; áp lực phun và năng lượng đầm khi tạo mẫu khác<br /> nhau.<br /> 3. Một số nhận xét và kết luận<br /> Theo Vương Hách (t.225), tải trọng tới hạn thẳng đứng của cọc đơn đối với phương pháp ống đơn<br /> (đơn pha) là 500 - 600 kN, tải trọng tới hạn ngang của cọc đơn là 30-40 kN. Đây là số liệu có thể sử<br /> dụng được cho thiết kế nếu không có điều kiện thí nghiệm hiện trường.<br /> Tuy nhiên, như đã trình bày ở trên, KPCA sử dụng cốt liệu sẵn có trong đất để tạo thành vật liệu xi<br /> măng - đất có cường độ cao hơn đất tự nhiên. Như vậy, cường độ của vật liệu mới tạo ra phụ thuộc rất<br /> nhiều vào các đặc tính địa kỹ thuật của đất nền tự nhiên, như thành phần hạt, độ rỗng, v.v. Đồng thời,<br /> hàm lượng xi măng sử dụng trong một đơn vị thể tích cọc cũng là một yếu tố quyết định cường độ cọc.<br /> Ngoài ra, đặc điểm địa kỹ thuật vốn có của đất nền cũng có ảnh hưởng quan trọng đến tương tác cọc -<br /> đất nền và sự làm việc của cọc. Do tác giả Vương Hác đã không cung cấp các số liệu nói trên, việc so<br /> sánh có thể bất cập. Tuy vậy, ta có thể nhận xét rằng các giá trị thí nghiệm thấp hơn các giá trị của<br /> Vương Hách không nhiều (10-25%).<br /> Các số liệu do Lên Văn Kiểm (t. 77-78) cung cấp lại cao hơn rất nhiều: 200 kG/cm2 đối với nền<br /> cuội sỏi, 150 kG/cm2 đối với đất cát và 80 kG/cm2 đối với đất bùn, sét. Do tài liệu chỉ giới thiệu sơ<br /> lược nên các yếu tố địa kỹ thuật của đất nền, công nghệ thi công, hàm lượng vữa, tiêu chuẩn thí<br /> nghiệm, v.v. đều không rõ. Vì vậy, rất khó có thể so sánh trực tiếp với các kết quả được thực hiện ở<br /> Đồ Sơn.<br /> Bất kỳ một công nghệ mới cũng đòi hỏi rất nhiều đầu tư thời gian và vật chất để hoàn thiện, kiểm<br /> chứng và tiến tới phổ biến rộng rãi. Thí nghiệm tại Đồ Sơn được thực hiện trong một thời gian rất ngắn và<br /> với kinh phí hạn hẹp, do đó chắc chắn có nhiều thiếu sót. Đây chỉ có thể là một trong rất nhiều thí nghiệm<br /> cần được tiếp tục thực hiện với quy mô lớn hơn và chuyên sâu hơn. Vì vậy, cần phải tạo điều kiện cho<br /> các đề tài nghiên cứu với đầu tư đúng mức về công nghệ này nhằm hoàn chỉnh phương pháp tính toán,<br /> quy trình thi công và kiểm tra, kiểm soát chất lượng cũng như các tiêu chuẩn liên quan, trong đó gồm cả<br />