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