Ứng dụng trụ đất xi măng–vôi xử lý nền đất yếu khu vực Trà Nóc TP. Cần Thơ

khu vực Trà Nóc, Tp. Cần Thơ. Đồng thời tác giả ứng dụng những thông số sau khi thí nghiệm để tính toán xử lý nền nhà máy bằng phương pháp giải tích và mô phỏng bằng phần mềm Plaxis v8.5. Sau khi nghiên cứu tác giả đưa ra kiến nghị về mật độ cọc, đường kính cọc, chiều dài cọc đạt hiệu quả tối ưu trong điều kiện địa chất khu vực Trà Nóc, Tp. Cần Thơ. ABSTRACT The article presents the experiment research of soil samples mixing cement and lime, determins the optimal content and geologic deformation in Tra Noc area, Can Tho city. Moreover, author applies parameters after the experiment to calculate, process the factory ground base by the analytic method and simulate by Plaxis v8.5 software. After research, author gives the petitions about pile density, pile diameter, pile length to achieve the optimal efficacy in geologic conditions of Tra Noc area, Can Tho city. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, cùng với xu hướng công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước nên góp phần thúc đẩy ngành xây dựng cũng phát triển với tốc độ cao, các công trình có giá trị đầu tư lớn xuất hiện ngày càng nhiều như: nhà cao tầng khu công nghiệp, sân bay, bến cảng, đường cao tốc, cầu Cần Thơ,.... Tuy nhiên, Đồng bằng sông Cửu Long nói chung và Cần Thơ nói riêng với vị trí địa lý sông ngòi chằng chịt, đất nền chủ yếu do phù sa bồi lắng tạo thành, địa chất phức tạp, tầng đất yếu rất dày (có nơi dày hơn 40 m). Vì vậy để tăng sức chịu tải của nền đất, cải thiện một số tính chất cơ lý của nền đất yếu như: Giảm hệ số rỗng, giảm tính nén lún, tăng độ chặt, tăng trị số module biến dạng, tăng cường độ chống cắt của đất, giảm tính thấm của đất, đảm bảo ổn định cho khối đất đắp người ta sử dụng rất nhiều giải pháp: sử dụng trụ đóng, trụ ép, trụ khoan nhồi, trụ vật liệu rời, gia tải trước, phun xịt xi măng, bất thấm, bơm hút chân không, vải địa kỹ thuật, các phương pháp này thường có chi phí tương đối cao. Để khắc phục nhược điểm trên nhiều nước trên thế giới đã áp dụng phương pháp trộn đất với vôi, đất với xi măng, đất kết hợp với cả xi măng và vôi xử lý tại chỗ cho loại đất này. TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 435 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu tổng quan về sử dụng đất trộn xi măng – vôi để gia cố nền đất yếu trên thế giới và ở Việt Nam. Nghiên cứu các phương pháp thí nghiệm trong phòng để xác định các tính chất cơ lý của đất nền và đất gia cố. Nghiên cứu thực nghiệm: Chế bị mẫu thử và thử nghiệm tìm ra kết quả tối ưu theo hàm lượng xi măng – vôi theo thời gian. Phân tích và đánh giá kết quả thử nghiệm đồng thời ứng dụng kết quả vào tính toán ổn định của nền đất được gia cố. Loại xi măng được dùng trong thí nghiệm là xi măng Portland PC40. 3. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Tiến hành thí nghiệm nén 1 trục nở hông với hàm lượng xi măng – vôi so với đất tự nhiên và hàm lượng được trình bài trong bảng sau: Bảng 1. Kết quả thí nghiệm mẫu đất trộn xi măng và vôi độ tuổi 28 ngày Tổ hợp mẫu Hàm lượng xi măng - vôi Tuổi ngày Dung trọng Cường độ chịu nén Tổng hàm lượng xi măng - vôi TH %xm - % vôi g/cm3 Kpa % TH 4-8 4-8 28 1,57 570,86 12 TH 4-12 4-12 28 1,72 655,48 16 TH 4-14 4-14 28 1,69 678,46 18 TH 8-8 8-8 28 1,53 706,18 16 TH 10-8 10-8 28 1,59 770,47 18 TH 8-10 8-10 28 1,5 741,78 18 TH 8-12 8-12 28 1,65 776,79 20 TH 10-10 10-10 28 1,69 793,64 20 TH 12-8 12-8 28 1,68 799,67 20 TH 8-14 8-14 28 1,69 802,47 22 TH 10-12 10-12 28 1,69 815,39 22 TH 12-10 12-10 28 1,68 825,18 22 TH 14-8 14-8 28 1,67 831,26 22 TH 10-14 10-14 28 1,72 838,34 24 TH 12-12 12-12 28 1,69 852,26 24 TH 12-14 12-14 28 1,55 873,47 26 TH 14-14 14-14 28 1,65 902,41 28 TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 436 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM Hình 1. Quan hệ giữa cường độ nén đơn theo thời gian của đất trộn 8% vôi kết hợp xi măng Hình 2. Quan hệ giữa cường độ nén đơn theo thời gian của đất trộn 10% vôi kết hợp xi măng Hình 3. Quan hệ giữa cường độ nén đơn theo thời gian của đất trộn 12% vôi kết hợp xi măng Hình 4. Quan hệ giữa cường độ nén đơn theo thời gian của đất trộn 14% vôi kết hợp xi măng . Hình 5. Quan hệ giữa cường độ nén đơn qu (kPa) và biến dạng (%) tương ứng với các hàm lượng 8%, 10%, 12% xi măng, vôi TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 437 Khi trộn xi măng - vôi vào đất cường độ hỗn hợp tăng lên đáng kể so với đất tự nhiên. Cường độ hỗn hợp xi măng – vôi tăng theo thời gian bảo dưỡng mẫu, tăng nhanh ở thời điểm từ 7 ngày đến 28 ngày. Ở cùng độ tuổi thí nghiệm, các mẫu đất xi măng hoặc vôi đều có cường độ nén đơn tăng theo sự gia tăng của hàm lượng xi măng hoặc vôi. Đối với đất trộn xi măng – vôi hàm lượng xi măng vôi sẽ tăng cao khi đạt tới hàm lượng xi măng + vôi khoảng 18% và giảm dần trở về sau. Mức độ tăng nhanh của cường độ ở 28 ngày và tốc độ tăng sẽ giảm theo thời gian. Hàm lượng tối ưu và hiệu quả kinh tế của hỗn hợp đất xi măng – vôi khi xử lý đất yếu ở khu vực Trà Nóc, Tp. Cần Thơ là 10% xi măng + 8% vôi với cường độ chịu nén đơn 770,47 kPa ở 28 ngày (hàm lượng này đồng nghĩa với việc sử dụng 159 kg xi măng + 127 kg vôi cho 1 m3 đất). 4. ỨNG DỤNG TRỤ ĐẤT XI MĂNG ĐỂ XỬ LÝ NỀN NHÀ MÁY BỘT MÌ ĐẠI PHONG Lựa chọn hàm lượng 10% xi măng 8% vôi từ thí nghiệm để thiết kế tính toán. Bảng 2. Bảng tổng hợp chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất Chỉ tiêu cơ lý Ký hiệu Đơn vị Lớp 1a Lớp 1b Lớp 2a Độ ẩm tự nhiên W % 30,0 73,5 39,7 Giới hạn Atterberg Giới hạn chảy Wt % 35,0 52,5 36,0 Giới hạn dẻo Wp % 17,0 29,0 21,5 Chỉ số dẻo Ip % 18,0 23,5 14,5 Độ sệt IL 0,71 1,9 1,26 Hệ số rổng e - 0,846 1,972 1,085 Độ rổng n % 45,8 66,3 52,0 Dung trọng tự nhiên g/cm3 1,84 1,53 1,753 Dung trọng khô g/cm3 1,42 0,88 1,26 Tỷ trọng - 2,61 2,62 2,62 Mođun Eo kG/cm2 18,2 7,2 13,3 Lực dính Cu kG/cm2 0,148 0,07 0,122 Góc ma sát trong độ 7,27 3,05 6,16 Góc nghỉ khi khô độ - - - Góc nghỉ khi ướt độ - - - Độ bảo hòa G % 93 98 95,7 TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 438 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM Bảng 3. Bảng tổng hợp chỉ tiêu cơ lý của đất trộn 10% xi măng 8% vôi Stt Đặc trưng cơ học Giá trị 1 Cường độ nén đơn qu (kPa) 770,47 2 Biến dạng phá hoại ɛ ( %) 1,55 3 Mô đun đàn hồi E50 (kPa) 25645 4 Sức kháng cắt không thoát nước Cu (kPa) 385,69 5 Góc ma sát trong không thoát nước φu (độ) 52 6 Dung trọng γ (kN/m3) 1,58 7 Mô đun biến dạng ( kN/m2) 153.872 4.1 . Tính toán xử lý nền nhà máy bột mì bằng trụ đất xi măng – vôi theo phương pháp giải tích Tính toán theo phương pháp nền tương đương. Bố trí trụ đất xi măng – vôi theo sơ đồ ô vuông với khoản cách các cọc 1 mét, 1,5 mét, 1,8 mét chọn sơ bộ đường kính cọc 0,6 m, chiều dài cọc 10 m nằm trong lớp đất yếu thứ 2. Bảng 4. Bảng tính sức chịu tải theo khoảng cách cọc Các chỉ tiêu S = 1 m S = 1,5 m S = 1,8 m a = 0,28 a = 0,13 a = 0,09 Dung trọng tự nhiên . (1 )td c soila aγ γ γ= + − (kN/m2) 17,67 18,06 18,16 Góc ma sát trong ,,, )1(. soilctd aa ϕϕϕ −+= (Độ ) 16,75 9,41 7,45 Lực dính , , ,. (1 )td c soilc a c a c= + − (kN/m2) 108,07 50,23 34,81 Mô đun biến dạng nsoilctd EaEaE )1(. −+= ( kN/m2 ) 44013 21126 15022 Hệ số tra bảng γN 3,14 1,10 0,77 Nc 12,16 7,67 7,33 Nq 4,66 2,34 1,96 Sức chịu tải của nền uP (kN/m2) 2375 752 514 Ptt (kN/m2) 100 100 100 Kết luận Đạt Đạt Đạt Ptt = 100 kN/m2 là tải trọng truyền xuống nền bao gồm tải chứa hàng. Bảng 5. Kết quả tính toán ổn định tck mm 21 γtđ γ* ctđ Df φtđ A B D kN/m2 kN/m2 kN/m2 m Độ 1 18,16 18 34,81 1 7,45 0,129 1,506 3,869 * 21 2 . ( . . . . ) 243.78 / soil tc Itđ f tđ tc m mR A b B D D c kN m k γ γ= + + = Ptt ≤ Rtc, Thỏa điều kiện ổn định TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 439 Tính toán độ lún của nền sau khi gia cố: Độ lún trong khối gia cố được tính toán theo biểu thức: 1 * * (1 )*col soil h qh a E a E ∆∆ = + − ∑ Trong đó: - H = 10 m - q = 100 kN/m2 - Ecol= 153.872 kN/m2 - Esoil= 1.330 kN/m2 Bảng 6. Tính lún trong khối gia cố theo khoản cách cọc Thông số tính toán S = 1 m S = 1,5 m S = 1,8 m Đơn Vị a = 0,28 a = 0,13 a = 0,09 Mô đun biến dạng Ecol 153.872 153.872 153.872 kN/m2 Mô đun biến dạng Esoil 1.330 1.330 1.330 kN/m2 H 10 10 10 m q 100 100 100 kN/m2 1 * * (1 )*col soil h qh a E a E ∆∆ = + − ∑ 0,022 0,047 0,06 m Độ lún của đất nền tự nhiên dưới mũi trụ đất gia cố - Với đất thông thường: ivzσ ≥ i pzσ 2 1 0 [ lg ] 1 i in ii z vz ci i i vz hh C e σ σ σ = +∆ = + ∑ TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 440 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM Bảng 7. Tính lún của đất nền tự nhiên dưới mũi trụ đất gia cố Lớp phân tố γ (kN/m3) hi(m) z(m) e0 Cc Cs σz (kN/m2) σ'v (kN/m2) σc (kN/m2) Sc (mm) 1 15,3 2 2,00 1,972 0,154 0,0154 81,262 100 50 0,003 2 15,3 2 4,00 1,972 0,154 0,0154 80,606 110,6 50 0,0027 3 15,3 2 6,00 1,972 0,154 0,0154 79,868 121,2 50 0,0025 4 15,3 2 8,00 1,972 0,154 0,0154 76,834 131,8 50 0,0023 5 15,3 2 10,00 1,972 0,154 0,0154 73,554 142,4 50 0,0021 6 17,5 2 12,00 1,972 0,154 0,0154 70,520 157,46 50 0,0018 7 17,5 2 14,00 1,972 0,154 0,0154 66,338 172,52 50 0,0016 8 17,5 2 16,00 1,972 0,154 0,0154 62,074 187,58 50 0,0014 9 17,5 2 18,00 1,972 0,154 0,0154 57,892 202,64 50 0,0012 10 17,5 2 20,00 1,972 0,154 0,0154 53,956 217,7 50 0,0011 11 17,5 2 22,00 1,972 0,154 0,0154 50,020 232,76 50 0,0010 0,0197 Tổng độ lún cho phạm vi nền được xử lý và phần nền không xử lý. Với khoảng cách cọc s=1 m độ lún tổng S=S1+S2=0,022+0,0197=0,0417 m <[ ]S =8 cm (thỏa mãn) Với khoảng cách cọc s=1,5 m độ lún tổng S=S1+S2=0,047+0,0197=0,0667 m<[ ]S =8 cm (thỏa) Với khoảng cách cọc s=1,8 m độ lún tổng S=S1+S2=0,06+0,0197=0,0797 m<[ ]S =8 cm (thỏa) 4.2. Tính toán xử lý nền nhà máy bột mì Đại Phong bằng trụ đất trộn xi măng – vôi phương pháp mô phỏng bằng phần mềm Plaxis E50 của trụ đất xi măng – vôi được lấy theo biểu đồ quan hệ giữa áp lực nén và chuyển vị ở 28 ngày tuổi với hàm lượng 10% xi măng 8% vôi. TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 441 Bảng 8. Các thông số đầu vào của chương trình Thông số Lớp 1a Lớp 1b Lớp 2a Trụ đất vôi xi măng Đơn vị Mô tả Sét xám đen ở trạng thái dẻo mềm Bùn sét xám nâu, trạng thái chảy Sét pha xám nâu, trạng thái chảy Mô hình vật liệu Hardenning soil model Hardenning soil model Hardenning soil model Mohr Coulomb Loại ứng xử Undrained Undrained Undrained Non-porous h 2,5 10,3 16,8 10 m γunsat 18,4 15,3 17,5 16,9 kN/m3 γsat 18,4 15,3 17,5 kN/m3 kx 1.00E-04 1.00E-04 1.00E-04 m/day ky 1.00E-04 1.00E-05 1.00E-05 m/day E50ref 1820 720 1330 51266 kN/m2 Eoed ref 1820 720 1330 kN/m2 Eur ref 5460 2160 3990 kN/m2 ν 0,3 0,3 0,3 0,35 c 10 20 20 384,68 kN/m2 ϕ 17 26 26 40 Độ Mô hình tính toán Plaxis 2D với D=0,6 m, L=10 m, s=1,5 m: Kết quả lún bằng phương pháp mô phỏng nhỏ hơn so với phương pháp giải tích 1,07 lần (Sgt=0,0667 m) Hình 6:.Độ lún tổng TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 442 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 . Kết luận Từ thông số đất nền khu vực Trà Nóc, Tp. Cần Thơ và kết quả thí nghiệm ứng với các hàm lượng xi măng – vôi ta chọn tỷ lệ xi măng – vôi là 10-8 (10% xi măng – 8% vôi) là hợp lý và hiệu quả về kinh tế. Khi tính toán xử lý nền những công trình ở khu vực khu công nghiệp Trà Nóc với chiều dày đất yếu từ 10 đến 20 m với tải trọng không quá 100 kN/m2 nên sử dụng trụ đất xi măng – vôi với đường kính 0,6 m, khoảng cách trụ 1,5 m, chiều dài cọc 10 m đảm bảo sự ổn định lâu dài cho công trình mang lại hiệu quả kinh tế cao. Khi mô phỏng bằng phần mêm Plaxis 2D độ lún của nền nhỏ hơn 1,07 lần so với phương pháp giải tích. 5.2 . Kiến nghị Kiến nghị sử dụng hàm lượng đất trộn xi măng – vôi là 10% xi măng – 8% vôi cho xử lý nền đất yếu ở khu vực Trà Nóc, Tp. Cần Thơ. Nên áp dụng trụ đất xi măng – vôi vào xử lý nền, nhà dân dụng, nhà xưởng, nhà kho Kiến nghị nên thực hiện đo quan trắc lún để đối chiếu kết quả tính toán nhằm hiệu chỉnh số liệu thiết kế cho hợp lý để có thông số đầu vào đáng tin cậy hơn. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Jesse Jacobson, Factors Affecting Strength Gain in Lime-Cement Columns and Development of a Laboratory Testing Procedure, Master of ScienceIn Civil Engineering 2002. 2. Kivelo, M. (1997). “Undrained shear strength of lime/cement columns.” Proceedings, 14th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, pp.1173-1180. 3. Võ Phán, Công trình trên đất yếu. 4. Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TCXDVN 385:2006 “Phương pháp gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng”, 2006. 5. Châu Ngọc Ẩn, Cơ học đất, Nhà xuất bản Đại học quốc gia Tp HCM. 6. Bengt B. Broms: Design of lime, lime/cement and cement columns, Proc. of the International Conf. on dry mix methods for deep soil stabilization, Stockholm, Sweden, Oct. 1999. 7. Swedish Geotechnical Society: Lime and Lime Cement Columns, SGF Report 4:95E. Người phản biện: GS. TSKH. Nguyễn Văn Thơ