Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng xi măng đến sức chịu tải của cọc xi măng - Đất tại công trình đại lộ đông – tây, thành phố Hồ Chí Minh

TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 18-02/2016 37 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG XI MĂNG ĐẾN SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC XI MĂNG - ĐẤT TẠI CÔNG TRÌNH ĐẠI LỘ ĐÔNG – TÂY, THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH STUDY ON THE AFFECTION OF CEMENT CONTENT TO THE LOAD CAPACITY OF DEEP SOIL MIXED COLUMN IN EAST – WEST HIGHWAY, HO CHI MINH CITY TS. Nguyễn Thành Đạt, ThS. Đỗ Thanh Tùng Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng Tóm tắt: Bài viết trình bày về công nghệ cọc xi măng - đất (DSMC – Deep Soil Mixed Column) và sự ảnh hưởng của hàm lượng xi măng đến sức chịu tải của cọc xi măng - đất đối với nền đất thuộc công trình Đại lộ Đông – Tây, Thành phố Hồ Chí Minh. Quá trình nghiên cứu được thực hiện dựa trên việc thi công thử các cọc xi măng - đất tại khu vực dự án, khoan lấy mẫu và tiến hành thí nghiệm nén một trục nở hông nhằm xác định hàm lượng xi măng hợp lý cho nền đất yếu cần xử lý, đồng thời đánh giá mức độ ảnh hưởng của hàm lượng xi măng đến cường độ cọc. Từ khóa: DSMC, cột xi măng – đất, sức chịu tải, hàm lượng xi măng Abstract: This paper presents a case study on Deep Soil Mixed Column Technology (DSMC) and the affection of cement content to the load capacity of deep soil mixed column in East – West Highway, HCM City. The study base on these scientific activities: build trial DSMCs, sample by core drilling and experiment with unconfined compression test to define the rational cement content and estimate the affection of cement content to the load capacity of DSMC. Key words: DSMC, Deep Soil Mixed Column, load capacity, cement content. 1. Giới thiệu Trong công tác xử lý nền đất yếu hiện nay tại Việt Nam, công nghệ cọc xi măng – đất đang ngày càng được sử dụng rộng rãi bởi các ưu điểm nổi bật của nó. Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của cọc, trong đó hàm lượng xi măng sử dụng đóng vai trò quan trọng cần được nghiên cứu kỹ lưỡng. Vì vậy, bài báo ra đời nhằm đóng góp một phần làm sáng tỏ vấn đề nêu trên dựa theo các nghiên cứu, thí nghiệm đã thực hiện với nền đất yếu tại công trình Đại lộ Đông – Tây khu vực Quận 2, Thành phố Hồ Chí Minh. 2. Công nghệ cọc ximăng - đất: [1] Cọc ximăng - đất (DSMC) là cọc được làm từ đất tại chỗ, gia cố với một hàm lượng ximăng và phụ gia nhất định tùy thuộc vào loại và các tính chất cơ - lý - hoá của đất nền ở nơi khu vực đặt công trình. Mục đích chính của công nghệ này là nhằm tăng cường độ của đất nền, giảm tính thấm, tính lún và tăng sức bền dựa trên các phản ứng cơ - lý - hoá của ba thành phần chính là đất tại chỗ, ximăng và phụ gia. Đường kính cọc DSMC thường là 0,6 – 1,5m và có thể đạt đến chiều sâu 40m. DSMC được nghiên cứu cũng như ứng dụng rộng rãi vào năm 1976 và cho đến nay. Phần lớn vấn đề nghiên cứu được xuất phát từ Nhật Bản. Có hai công nghệ chế tạo DSMC hiện nay: - Trộn khô: là một quá trình cắt đất và trộn với một hàm lượng ximăng khô bằng thiết bị lưỡi dao quay, có thể thêm hoặc không thêm phụ gia. Thường dùng cho điều kiện địa chất mềm, thích hợp cho các nước ở vùng Scandinavian. - Trộn ướt: là cắt đất và trộn với một hàm lượng hỗn hợp ximăng bằng lưỡi dao quay. Hỗn hợp có thể thêm hoặc không thêm phụ gia được bơm bằng áp lực nước. Thích hợp cho điều kiện địa chất tại Việt Nam. Trình tự thi công: - Chuẩn bị mặt bằng thi công - Khoan xoay và xối nước qua cần khoan và mũi khoan. 38 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 18, Feb 2016 - Cần phải dùng loại cần khoan chuyên dụng. Sau khi đưa mũi khoan đến độ sâu thiết kế, quá trình phụt vữa bắt đầu. Vữa được phụt qua vòi phun với áp suất và vận tốc cao, phá vỡ kết cấu của đất tạo thành cấu trúc ximăng đất vững chắc hơn. Trong quá trình phụt vữa, cần khoan vừa xoay vừa rút lên, tạo thành cột tròn xi măng – đất. 3. Đặc điểm công trình nghiên cứu Công trình được lựa chọn cho công tác nghiên cứu là công trình Đại lộ Đông – Tây (Nay là Đại lộ Mai Chí Thọ - Võ Văn Kiệt, Thành phố Hồ Chí Minh) với các địa điểm cụ thể như bảng 1. Tại các địa điểm nghiên cứu, một số lượng cọc xi măng – đất sẽ được thi công thử nghiệm với các hàm lượng xi măng khác nhau là: 140kg/m3, 150 kg/m3, 180 kg/m3, 200 kg/m3. [5] Bảng 1. Bảng thống kê vị trí và số lượng cọc xi măng - đất thử nghiệm. [5] STT Vị trí Số lượng cọc thử 1 Cầu Kênh 1 18 2 Cầu Kênh 1A 16 3 Cầu Cá Trê Nhỏ 16 4 Cầu Cá Trê Lớn 16 Khu vực địa chất trên tuyến Đại Lộ Đông - Tây đa phần bao gồm các lớp địa chất như sau: [4] - Lớp 1: Lớp đất san lấp bề dày từ 1,2m đến 2,0m. - Lớp 2: Lớp bùn hữu cơ rất yếu có bề dày từ 15m đến 20m. - Lớp 3: Lớp bùn hữu cơ yếu có bề dày từ 5 đến 10m. - Lớp 4: Cát sét nhão màu xám đen có bề dày từ 3 đến 5m. - Lớp 5: Lớp đất từ cứng đến nửa cứng. Cọc xi măng đất được sử dụng để gia cố nền đất nên chỉ thi công cọc đến hết độ sâu lớp đất yếu (khoảng 30m), đường kính cọc D = 600mm. Hình 1. Hình ảnh cọc xi - măng đất thử nghiệm. Mục đích của việc thi công cọc thử nhằm xác định hàm lượng xi măng phù hợp để thi công đại trà và qua đó cũng xác định chất lượng của việc thi công cọc xi măng đất (DSMC). 4. Phương pháp thí nghiệm: Tại mỗi vị trí cọc thử, lấy mẫu để thí nghiệm nén 1 trục nở hông (sau 28 ngày). Quy trình thí nghiệm được thực hiện như sau: [5] - Mẫu được lấy bằng ống thành mỏng, đường kính xấp xỉ 150mm (hình 2). Hình 2. Hình ảnh ống lất mẫu hiện trường. - Mẫu được lấy từ mỗi cọc 2m. Mỗi cọc khoan 1 lỗ lấy mẫu. - Khoảng cách tâm mẫu đến tâm cọc là 150 mm(=D/4: D=600mm) như hình 3. 0.30m0.30m 0.60m 0.15m Hình 3. Vị trí khoan lấy mẫu trên cọc thử. - Mẫu được gọt cho nhẵn và thẳng đứng. Hình 4. Hình ảnh mẫu thí nghiệm. - Các kích thước mẫu được đo và ghi lại. - Các mẫu được thí nghiệm nén trên máy nén UCT (Unconfined Compression Test). - Kiểm tra, ghi lại số liệu thí nghiệm. Hình 5. Hình ảnh thí nghiệm UCT. TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 18-02/2016 39 5. Kết quả thí nghiệm: [5] 5.1. Kết quả thí nghiệm tại vị trí Cầu Kênh 1: Kết quả thí nghiệm được thể hiện qua đồ thị hình 6 và hình 7. Hình 6. Cường độ cọc DSMC (qu28) tại vị trí cầu Kênh 1. Hình 7. Quan hệ giữa hàm lượng xi măng với cường độ cọc DSMC tại Cầu Kênh 1. 5.2. Kết quả thí nghiệm tại vị trí Cầu Kênh 1A: Kết quả thí nghiệm được thể hiện qua đồ thị hình 8 và hình 9. Hình 8. Cường độ cọc DSMC (qu28) tại vị trí cầu Kênh 1A. Hình 9. Quan hệ giữa hàm lượng ximăng với cường độ cọc DSMC tại Cầu Kênh 1A. 5.3. Kết quả thí nghiệm tại vị trí Cầu Cá Trê Nhỏ: Kết quả thí nghiệm được thể hiện qua đồ thị Hình 10 và Hình 11. Hình 10. Cường độ cọc DSMC (qu28) tại vị trí cầu Cá Trê Nhỏ. Hình 11. Quan hệ giữa hàm lượng xi măng với cường độ DSMC tại Cầu Cá Trê Nhỏ. 5.4. Kết quả thí nghiệm tại vị trí Cầu Cá Trê Lớn: Kết quả thí nghiệm được thể hiện qua đồ thị hình 12 và hình 13. Hình 12. Cường độ cọc DSMC (qu28) tại vị trí cầu Cá Trê Lớn. Hình 13. Quan hệ giữa hàm lượng xi măng với cường độ DSMC tại Cầu Cá Trê Lớn. 5.5. Nhận xét kết quả thí nghiệm: Dựa trên kết quả thí nghiệm nén 1 trục nở hông như trên, tác giả đưa ra đồ thị tổng hợp quan hệ giữa hàm lượng xi măng và cường độ chịu tải của DSMC như hình 14. 40 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 18, Feb 2016 Hình 14. Quan hệ giữa hàm lượng xi măng với cường độ cọc DSMC. Nhìn chung đối với địa chất khu vực Đại lộ Đông - Tây, điển hình là tại vị trí Cầu Kênh 1, 1A, Cầu Cá Trê Nhỏ, Cầu Cá Trê Lớn, khi sử dụng cọc DSMC gia cố nền đất yếu thì cường độ cọc DSMC qu dao động từ 400-850 kN/m2 với hàm lượng xi măng từ 140 kg/m3 – 200 kg/m3. Theo lý thuyết, trong cùng một lớp đất khi tăng hàm lượng xi măng thì cường độ qu tăng theo. Hầu hết trong những trường hợp này khi tăng hàm lượng xi măng từ 140 kg/m3 đến 180kg/m3 thì cường độ tăng tuyến tính nhưng khi hàm lượng xi măng tăng lên đến 200kg/m3 thì cường độ tăng chậm lại và độ tăng có khuynh hướng giảm, điều này chứng tỏ hàm lượng xi măng hợp lý nhất ở khu vực địa chất này nên chọn là 180 kg/m3. 6. Kết luận và kiến nghị: Qua kết quả nghiên cứu, nhận thấy rằng: - Khi hàm lượng xi măng trong mỗi m3 đất nền tăng thì sức chịu tải của cọc DSMC cũng có xu hướng tăng. Tuy nhiên, với một khoảng hàm lượng xi măng hợp lý, sức chịu tải cọc sẽ tăng nhanh theo chiều hướng tuyến tính (khoảng 140-180 kg/m3 đối với công trình nghiên cứu tại Đại lộ Đông – Tây). Nếu sử dụng lượng xi măng vượt quá khoảng hàm lượng này thì sức chịu tải cọc vẫn tăng nhưng chậm dần và sẽ không đạt yêu cầu về mặt kinh tế. Vì thế việc xác định hàm lượng xi măng hợp lý cho công tác xử lý nền bằng DSMC là cần thiết. Nó đảm bảo cho cọc xi măng – đất đạt được yêu cầu về cường độ, đồng thời giảm đi chi phí đầu tư. - Ứng với mỗi khu vực địa chất khác nhau sẽ có một mức hàm lượng xi măng sử dụng là khác nhau. Vì vậy, kiến nghị nên thực hiện công tác thí nghiệm cho từng trường hợp. Tuy nhiên, khi không có điều kiện thí nghiệm thì có thể tham khảo các tài liệu của các công trình tương tự. Ví dụ, có thể áp dụng kết quả nghiên cứu này cho các công trình xử lý nền bằng DSMC tại khu vực lân cận Đại lộ Đông – Tây. - Cường độ nén một trục nở hông của các mẫu thí nghiệm với đường kính nhỏ theo ghi nhận sẽ kém hơn các mẫu nén có đường kính lớn hơn. Vì vậy, tác giả kiến nghị nên kết hợp thêm thí nghiệm xuyên côn động DCPT (Dynamic Cone Penetration Test) tại hiện trường để tăng thêm sự đa dạng trong phép so sánh nhằm tối ưu hoá lựa chọn hàm lượng xi măng  Tài liệu tham khảo: [1]. Nguyễn Viết Trung, Vũ Minh Tuấn (2010), “Cọc đất xi măng – Phương pháp gia cố nền đất yếu”, NXB Xây dựng. [2]. Đậu Văn Ngọ (2009), “Các nhân tố ảnh hưởng đến cường độ cọc xi măng đất”, Science & Technology Development, Vol 12, No. 05-2009. [3]. Bộ Xây Dựng (2006), “TCXDVN 385-2006: Phương pháp gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng”. [4]. Trung tâm nghiên cứu công nghệ & thiết bị công nghệ, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh (2009), “Báo cáo khảo sát địa chất cho công trình đường mới Thủ Thiêm”. [5]. Obayashi Corporation (2009), “Report of Test Result of Trial DSMC”. Ngày nhận bài: 01/02/2016 Ngày chấp nhận đăng: 15/02/2016 Phản biện: TS. Trần Thiện Lưu