Các phương pháp tính toán cọc xi măng đất

ThS. Nguyễn Anh Tuấn  TS. Nguyễn Thành Đạt Trường Đại học Giao thông vận tải TP. Hồ Chí Minh KS. Hoàng Nam Hà Ban Quản lý các dự án Đường thủy - Bộ Giao thông vận tải Người phản biện: Viện sĩ ABU,PGS.TSKH.Trần Đức Chính .

Tóm tắt: Cọc xi măng đất (CXMĐ) là một trong những giải pháp xử lý nền đất yếu với khả năng ứng dụng tương đối rộng rãi, đặc biệt là trong điều kiện đất yếu quá dày, mực nước ngầm cao hoặc nền ngập nước và hiện trường thi công chật hẹp. Hiện nay, vấn đề tính sức chịu tải của nền đất gia cố bằng CXMĐ vẫn còn là vấn đề cần phải tiếp tục nghiên cứu phát triển. Bài báo tập trung tìm hiểu tổng quan về phương pháp CXMĐ và các phương pháp tính toán CXMĐ.

Từ khóa: Trộn khô, đất yếu, Jet-Grouting, cọc đất xi măng, tiêu chuẩn.

Abstract: Soil cement piles (DXM) is one of the solutions used to improve soft soil, can be widely applied, especially in conditions of too soft and thick ground, high water ground or flooded ground and narrow working site. Currently, the issue of bearing capacity of reinforced-by-cement-soil ground is still a problem that needs to study and develop continuously. The report focuses on finding out overview about the method of Soil-cement piles and calculation methods of Soil-cement piles.

Keywords: Dry Jet Mixing, soft soil, Jet-Grouting, soil cement mixing, standard.

 1. Đặt vấn đề

Hiện nay, cùng với sự phát triển kinh tế của đất nước, nhu cầu phát triển về cơ sở hạ tầng rất lớn và cấp thiết. Phần lớn các công trình được xây dựng trên nền đất tự nhiên. Tuy nhiên, loại nền này nhiều khi chưa đáp ứng được khả năng chịu tải của các công trình xây dựng bên trên, hay nói cách khác, khả năng chịu tải của nền kém hơn so với tải trọng dự kiến. Vì vậy, cần cải thiện tính chất của nền đất trong phạm vi ảnh hưởng để nền có thể đủ sức chịu tải trọng thiết kế. Hiện nay, có nhiều phương pháp để tăng cường tính chất của nền đất yếu, một trong những phương pháp đó là xử lý nền bằng CXMĐ. Do đó, việc tính toán CXMĐ cũng xuất hiện nhiều quan điểm và phương pháp khác nhau. Bài báo sẽ tìm hiểu về các phương pháp tính toán CXMĐ của Thụy Điển, Nhật Bản và Trung Quốc.

2. Nội dung

2.1. Tổng quan về phương pháp CXMĐ

CXMĐ là cọc hình trụ được tạo ra bằng phương pháp trộn sâu, là hỗn hợp giữa đất nguyên trạng nơi 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).

CXMĐ là một trong những giải pháp xử lý nền đất yếu. CXMĐ được áp dụng rộng rãi trong việc xử lý móng và nền đất yếu cho các công trình xây dựng giao thông, thủy lợi, sân bay, bến cảng… như: Làm tường hào chống thấm cho đê đập, sửa chữa thấm mang cống và đáy cống, gia cố đất xung quanh đường hầm, ổn định tường chắn, chống trượt đất cho mái dốc, gia cố nền đường, mố cầu dẫn..., cũng như ngăn ngừa hiện tượng hóa lỏng của đất và cải tạo các vùng đất nhiễm độc…

2.2. Các phương pháp tính toán CXMĐ

2.2.1. Theo quy trình Thụy Điển

* Khả năng chịu tải của cọc đơn

- Khả năng chịu tải theo vật liệu

+ Khả năng chịu cắt của vật liệu cọc

Khả năng chịu tải của cọc đơn theo vật liệu cọc được quyết định chủ yếu bởi khả năng chịu cắt theo vật liệu cọc dọc theo mặt trượt. Khả năng chịu cắt này phụ thuộc vào vị trí các cọc và dạng phá hoại.

Vị trí cọc được phân làm 3 nhóm. Nhóm thứ nhất nằm trong vùng chủ động, nhóm thứ hai nằm trong vùng cắt và nhóm thứ 3 nằm trong vùng bị động. Mặt trượt được lý tưởng hóa bởi ba mặt phá hoại (AB, BC, CD) như Hình 2.1:

Hình 2.1: Các mặt trượt giả định

 

Dạng phá hoại của cọc phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Độ bền chống cắt của cọc, độ bền chống cắt của đất không gia cố xung quanh cọc, chiều cao nền đường, chiều sâu, hướng cung trượt, đường kính cọc, chiều dài cọc và khoảng cách giữa các cọc. Các dạng phá hoại của cọc (theo Kievelo, 1998) bao gồm:

- Dạng a, b: Độ bền cắt và độ bền nén của cọc bị vượt qua.

- Dạng c, d, e: Khả năng kháng uốn của cọc bị vượt qua.

- Dạng f, g, h: Khả năng chịu lực ngang của đất không gia cố xung quanh bị vượt qua.

Hình 2.2: Các dạng phá hoại có thể của cọc đất xi măng

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C_u - Độ bền cắt không thoát nước trung bình của đất sét bao quanh, được xác định bằng thí nghiệm hiện trường.

* Khả năng chịu tải giới hạn của nhóm cọc đất trộn xi măng

Trong trường hợp đầu, sức chống cắt dọc theo mặt phá hoại cắt qua toàn bộ khối sẽ quyết định khả năng chịu tải và khả năng chịu tải giới hạn của nhóm cọc đất xi măng được tính theo:

Q = 2.C_usoil.H [B + L] + (6÷9).C_usoil.B. L                   (13)

Trong đó:

B, L, H - Chiều rộng, chiều dài và chiều cao của nhóm cọc đất xi măng.

Hệ số 6 dùng cho móng chữ nhật khi chiều dài lớn hơn chiều rộng nhiều. Còn hệ số 9 dùng cho móng vuông.

Hình 2.3: Phá hoại khối

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Trong đó:

R_u - Sức chịu tải cực hạn của cọc đất xi măng;

R_pu - Sức chịu tải mũi cực hạn của cọc đất xi măng;

τ_di - Ma sát thành cực hạn;

h_i - Chiều dày phân tố;

L - Chu vi cọc gia cố.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2.3. Theo quy trình Trung Quốc DBJ 08-40-94

* Khả năng chịu tải cho phép của cọc đất xi măng

Khả năng chịu tải cho phép của cọc đất xi măng được xác định theo thí nghiệm. Tuy nhiên, có thể ước tính theo công thức sau và lấy trị số nhỏ hơn:

 

                      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Kết luận

Với những ưu điểm riêng trong xử lý nền đất yếu, công nghệ CXMĐ được dùng rộng rãi để gia cố sâu đất nền, khống chế độ lún dư khi đưa vào sử dụng. Việc tính toán thiết kế nền đất gia cố bằng phương pháp CXMĐ dựa trên nhiều quan điểm và giả thiết khác nhau. Tuy nhiên, căn cứ vào điều kiện cụ thể của nền đất yếu, địa hình, điều kiện địa chất, phương pháp thi công, điều kiện làm việc của cọc đất xi măng và kinh nghiệm mà lựa chọn phương pháp tính toán phù hợp nhất.

Bên cạnh đó, lý thuyết tính toán cọc đất xi măng còn khá nhiều hạn chế, các thông số độ bền của cọc khi đưa vào tính toán cần phải được thí nghiệm với từng loại đất và công trình cụ thể.

Đồng thời, khi tính toán ổn định, biến dạng công trình sử dụng CXMĐ cần xét đến ổn định cục bộ của các cọc. Tuy nhiên, cơ chế phá hoại của CXMĐ rất phức tạp nên sử dụng mô hình thực nghiệm để kiểm chứng.

Tài liệu tham khảo

[1]. DBJO8-40-94 (2005), Shanghai Standard ground treatment code, China.

[2]. Guideline for Design Quality Control of Soil Improvement for Buildings Deep and Shallow Cement Mixing Methods, Japan.

[3]. Nguyễn Bách Tùng, Phạm Ngọc Hùng, Nozu Mitsuo (2006), Gia cố nền đất yếu bằng phương pháp cọc đất gia cố xi măng, Tạp chí Cầu đường.

[4]. TCXDVN 385: 2006 (2006), Phương pháp gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng, Bộ Xây dựng.

[5]. Trần Xuân Lợi (2011), Nghiên cứu tính hiệu quả của cọc đất trộn xi măng trong việc gia cố bờ kè sông cảng Hiệp Phước, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh.