Ảnh hưởng của tính chất đất yếu đến chất lượng cọc xi măng đất

03/07/2016 03:45

Cọc xi măng đất (CXMĐ) được sử dụng nhiều trong gia cố nền đất yếu.

TS. Nguyễn Viết Thanh

KS. Lê Minh Long

Trường Đại học Giao thông vận tải 

Người phản biện:

TS. Trần Việt Hùng

TS. Nguyễn Thành Trung

TÓM TẮT: Cọc xi măng đất (CXMĐ) được sử dụng nhiều trong gia cố nền đất yếu. Chất lượng CXMĐ ngoài phụ thuộc vào mức độ kiểm soát trong quá trình thiết kế, thi công còn phụ thuộc vào các đặc trưng cơ lý của đất yếu. Bài báo trên cơ sở số liệu thí nghiệm khoan lõi CXMĐ đã tiến hành phân tích ảnh hưởng của chất lượng CXMĐ đến loại đất yếu, ảnh hưởng của 5 tính chất cơ lý của đất yếu bao gồm g, j, C, W, Ip đến chất lượng CXMĐ và xây dựng các đường hồi quy thể hiện quan hệ giữa các chỉ tiêu cơ lý đặc trưng cơ bản của đất yếu và cường độ của CXMĐ gồm cường độ nén nở hông và mô-đun biến dạng.

TỪ KHÓA: Cọc xi măng đất, cường độ kháng nén nở hông qu, mô-đun biến dạng đàn hồi E50, tính chất cơ lý của đất yếu.

Abstract: Soil cement column is used widely in soft soil reinforcement. Quality of soil cement column depends not only on the degree of control in the design process, construction but also the physical and mechanical characteristics of soft soil. Article that based on the basis of experimental data analyzed the effect of the quality of soil cement column to soft soil type, the effect of 5 physical properties of soil including g, j, C, W, Ip to quality of soil cement column and building regression lines shows the relationship between the physical and mechanical characteristics of soft soil and intensity of soil cement column include unconfined compressive strength and elastic deformation modulus.

Keywords: Soil cement column, unconfined compressive strength qu, elastic deformation modulus E50, the physical properties of the soil.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Công nghệ cọc đất xi măng đã được áp dụng rộng rãi ở nước ta, các nghiên cứu về tính toán thiết kế và công nghệ thi công đã được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước nghiên cứu.

Kitazume và cộng sự (2012) đã có những nghiên cứu sâu ảnh hưởng của yếu tố liên quan đến cường độ CXMĐ như: Cơ chế gia cố, các đặc trưng và điều kiện đất, điều kiện xáo trộn và điều kiện bảo dưỡng [1].

Cục Thiết kế Đường bộ Liên bang Mỹ (2013) đã đưa ra cơ sở khoa học thiết kế, thi công, các phương pháp thí nghiệm, kiểm tra chất lượng CXMĐ trong công bố FHWA-HRT-13-046 [2].

Ở Việt Nam, phương pháp gia cố nền bằng trụ đất gia cố xi măng đã được đưa vào Tiêu chuẩn TCVN9403:2012, Gia cố nền đất yếu - Phương pháp trụ đất xi măng [3]. Ngoài ra, một số nghiên cứu đơn lẻ đã được công bố. Trung và Tuấn (2014) trên cơ sở tổng kết các giải pháp gia cố nền đất yếu đã đưa ra quy trình thiết kế, thi công và nghiệm thu CXMĐ. Bên cạnh đó, các tác giả cũng đã giới thiệu các công trình ứng dụng CXMĐ ở Việt Nam [4]. Huỳnh (2014) đã đưa ra những tồn tại khi xác định cường độ giới hạn của nền đất gia cố bằng trụ đất xi măng, từ đó nghiên cứu xây dựng mô hình bài toán xác định sức chịu tải của nền đất gia cố bằng trụ đất xi măng [5]. 

Có thể thấy hầu hết các công bố đều tập trung nghiên cứu cơ sở khoa học thiết kế và công nghệ thi công CXMĐ mà chưa đề cập đến các ảnh hưởng của đất yếu đến chất lượng của CXMĐ. Trên cơ sở các số liệu thí nghiệm khoan lõi CXMĐ ở mà nhóm nghiên cứu thu thập được. Dựa vào kết quả thí nghiệm nén xác định cường độ kháng nén nở hông qu và mô-đun biến dạng đàn hồi E50 tại thời điểm 14 ngày và 28 ngày và các tính chất cơ lý của đất yếu để nghiên cứu ảnh hưởng của các tính chất cơ lý của đất yếu lên chất lượng của CXMĐ nhằm tìm ra những yếu tố có độ nhạy cảm đặc biệt đến cường độ của CXMĐ.

2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Các số liệu thí nghiệm khoan lõi CXMĐ được lấy từ công trình cụ thể để phân tích thống kê đánh giá chất lượng của CXMĐ. Căn cứ vào năm chỉ tiêu cơ lý của đất yếu bao gồm γ, j, C, W, Ip phân tích ảnh hưởng của chúng đến chất lượng CXMĐ và xây dựng các đường hồi quy thể hiện quan hệ giữa các chỉ tiêu cơ lý đặc trưng cơ bản của đất yếu và cường độ của CXMĐ gồm cường độ nén nở hông và mô đun biến dạng.

3. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ THẢO LUẬN

3.1. Kết quả phân tích sự ảnh hưởng của loại đất đến cường độ CXMĐ

3.1.1. Đất bùn

Lớp bùn là lớp trên cùng của mỗi mẫu CXMĐ, có chiều sâu từ 0 đến 1m, ký hiệu mẫu là U1. Dựa vào thí nghiệm các mẫu khoan lõi CXMĐ, các số liệu về cường độ nén nở hông của lớp bùn trong mỗi CXMĐ ở biểu đồ Hình 3.1. Từ biểu đồ này, ta có thể nhìn thấy rằng lớp đất bùn của cọc 336 C10 có cường độ nén nở hông thấp nhất là 7.029 daN/cm2 và cường độ nén nở hông cao nhất là 11.282 daN/cm2 đối với lớp đất bùn của cọc 309 C12. Cường độ nén nở hông trung bình của lớp đất bùn này khoảng 9.048 daN/cm2.

Image451964

3.1.2. Đất sét pha

Lớp sét pha là lớp nằm ngay phía dưới lớp bùn của mỗi mẫu CXMĐ, có chiều sâu khoảng từ 1 đến 9m. Các thí nghiệm được tiến hành lần lượt từng mét một theo chiều sâu lớp sét pha của tất cả các mẫu lõi CXMĐ, ký hiệu mẫu cho từng mét của mỗi cọc lần lượt từ U2 đến U9. Sau khi lấy trung bình các giá trị về cường độ nén nở hông trên tất cả các mẫu của mỗi cọc, ta có biểu đồ được thể hiện ở Hình 3.2. Nhìn vào biểu đồ trên, ta có thể nhìn thấy rằng cường độ nén nở hông của lớp sét pha dao động từ 8.137 daN/cm2 đến 10.209 daN/cm2. Cường độ nén nở hông trung bình của lớp đất sét pha này khoảng 8.873daN/cm2.

Image451979
Hình 3.2: Cường độ nén nở hông của lớp sét pha trong các CXMĐ

3.1.3. Đất sét

Lớp đất sét là lớp dưới cùng của mỗi mẫu CXMĐ, có chiều sâu từ 13 đến 13.5m, ký hiệu mẫu là U14. Sau khi tiến hành thí nghiệm, các kết quả về cường độ nén nở hông của mỗi mẫu được thể hiện ở trên Hình 3.3. Ngoài 2 giá trị min 4.909 daN/cm2 và max 11.331 daN/cm2 thì cường độ nén nở hông của các mẫu đất sét còn lại đều dao động trong khoảng 7.126 - 9.876 daN/cm2. Cường độ nén nở hông trung bình của lớp đất sét này khoảng 8.288 daN/cm2.

Image451993
Hình 3.3: Cường độ nén nở hông của lớp sét trong các CXMĐ

Kết quả trên cho thấy, cường độ nén nở hông của đất bùn và đất sét trên các mẫu lõi CXMĐ chênh lệch nhau nhiều hơn so với kết quả trên các mẫu lớp đất sét pha. Nguyên nhân của sự chênh lệch các con số này có thể do sự phân bố kích thước hạt, hàm lượng axit humic, độ pH hay hàm lượng nước của từng loại đất. Tuy nhiên, giá trị trung bình về cường độ nén nở hông của 3 loại đất đều nằm trong một khoảng như nhau.

3.2. Kết quả phân tích sự ảnh hưởng của các chỉ tiêu cơ lý của đất đến cường độ CXMĐ

3.2.1. Đánh giá chất lượng CXMĐ bằng xử lý thống kê kết quả thí nghiệm

Số liệu thí nghiệm được xử lý thống kê tìm các hệ số an toàn đối với mô-đun biến dạng KE và cường độ nén nở hông Kq (KE và Kq tương ứng là tỷ số giữa mô đun biến dạng/cường độ nén nở hông thực tế và thiết kế). Kết quả tính toán ứng với các gói thầu thể hiện trên Bảng 3.1 đến 3.4.

Bảng 3.1 cho thấy, trong số 29 cọc được thí nghiệm để xác định mô đun biến dạng có 4 cọc có hệ số KE < 1: 44B48; 41B32; 40B56; 38B19. Mặc dù giá trị trung bình của các mẫu đều lớn hơn giá trị thiết kế nhưng giá trị biến đổi lớn nên KE có giá trị nhỏ hơn 1.

Bảng 3.1. Xử lý thống kê kết quả thí nghiệm mô-đun biến dạng E50 gói thầu XL1

TT Tên cọc KE TT Tên cọc KE TT Tên cọc KE TT Tên cọc KE
1 1 B188 1.13 8 1 B28 2.22 15 38 B19 0.14 22 40 B56 0.33
2 1 B189 1.19 9 2 B22 1.93 16 8 B30 1.08 23 30 B32 1.7
3 1 B190 1.83 10 4 B40 1.44 17 1 B108 1.21 24 28 B32 1.46
4 1 B158 1.25 11 4 B3 2.23 18 2 B71 3.14 25 29 B32 1.81
5 4 B176 1.11 12 45 B12 1.59 19 4 B62 2.75 26 14 B34 1.77
6 5 B150 1.27 13 44 B30 1.85 20 44 B48 0.4 27 1 B210 2.98
7 14 B206 1.71 14 41 B3 1.12 21 41 B32 0.49 28 2 B224 1.85
                        29 6 B213 1.75

Kết quả trong Bảng 3.2 cho thấy, các giá trị Kq đều lớn hơn 1, như vậy các mẫu thí nghiệm của gói thầu XL1 đạt yêu cầu thiết kế.

Bảng 3.2. Xử lý thống kê kết quả thí nghiệm cường độ nén nở hông gói thầu XL1

TT Tên cọc Kq TT Tên cọc Kq TT Tên cọc Kq TT Tên cọc Kq
1 1 B188 1.84 8 1 B28 2.65 15 38 B19 1.03 22 40 B56 1.18
2 1 B189 2.53 9 2 B22 2.51 16 8 B30 1.78 23 30 B32 2.45
3 1 B190 2.63 10 4 B40 2.94 17 1 B108 2.04 24 28 B32 2.41
4 1 B158 2.6 11 4 B3 2.77 18 2 B71 3.28 25 29 B32 1.96
5 4 B176 2.42 12 45 B12 2.59 19 4 B62 2.98 26 14 B34 2.33
6 5 B150 2.4 13 44 B30 1.95 20 44 B48 1.18 27 1 B210 1.52
7 14 B206 2.75 14 41 B3 2.95 21 41 B32 1.36 28 2 B224 2.52
                        29 6 B213 1.94

Kết quả trong Bảng 3.3 cho thấy, trong số 32 cọc được thí nghiệm để xác định mô-đun biến dạng chỉ có 1 cọc có hệ số KE < 1 là cọc 60C286. Mặc dù giá trị trung bình của các mẫu đều lớn hơn giá trị thiết kế nhưng giá trị biến đổi lớn (từ 510.26 kg/cm2 đến 1036.76 kg/cm2) nên KE có giá trị nhỏ hơn 1.

Bảng 3.3. Xử lý thống kê kết quả thí nghiệm mô-đun biến dạng E50 gói thầu XL2 

TT Tên cọc KE TT Tên cọc KE TT Tên cọc KE TT Tên cọc KE
1 37 C249 2.69 9 46 C205 1.2 17 40 C288 1.17 25 2 C271 1.84
2 2 C206 1.57 10 47 C231 1.43 18 44 C283 1.62 26 1 C285 2.23
3 35 C77 1.72 11 47 C275 1.44 19 59 C254 1.66 27 58 C273 2.61
4 41 C71 1.1 12 49 C266 1.55 20 61 C262 2.07 28 60 C286 0.9
5 3 C194 1.86 13 48 C258 2.24 21 64 C271 2.36 29 63 C280 1.07
6 37 C66 1.46 14 50 C243 2.49 22 68 C276 2.01 30 61 C296 1.69
7 44 C65 1.43 15 21 C280 1.86 23 69 C288 1.29 31 66 C297 1.36
8 46 C242 1.62 16 35 C286 1.37 24 5 C263 2 32 73 C292 1.73

Kết quả trong Bảng 3.4 cho thấy, trong số 32 cọc được thí nghiệm để xác định mô-đun biến dạng chỉ có 1 cọc có hệ số Kq < 1 là cọc 60C286. Mặc dù giá trị trung bình của các mẫu đều lớn hơn giá trị thiết kế nhưng giá trị biến đổi lớn (từ 3.691 kg/cm2 đến 6.214 kg/cm2) nên Kq có giá trị nhỏ hơn 1.

Bảng 3.4. Xử lý thống kê kết quả thí nghiệm cường độ nén nở hông gói thầu XL2

TT Tên cọc Kq TT Tên cọc Kq TT Tên cọc Kq TT Tên cọc Kq
1 37 C249 1.26 9 46 C205 2.22 17 40 C288 3.03 25 2 C271 1.75
2 2 C206 1.24 10 47 C231 2.23 18 44 C283 3.15 26 1 C285 2.6
3 35 C77 2.67 11 47 C275 2.56 19 59 C254 3.17 27 58 C273 2.93
4 41 C71 2.43 12 49 C266 3.46 20 61 C262 2.52 28 60 C286 0.85
5 3 C194 1.14 13 48 C258 3.38 21 64 C271 2.33 29 63 C280 1.66
6 37 C66 2.18 14 50 C243 2.47 22 68 C276 2.26 30 61 C296 2.65
7 44 C65 1.28 15 21 C280 2.71 23 69 C288 2.42 31 66 C297 2.8
8 46 C242 1.43 16 35 C286 2.51 24 5 C263 2.79 32 73 C292 1.88

Kết quả phân tích trong Hình 3.4 cho thấy, các mẫu thí nghiệm xác định mô-đun biến dạng và cường độ nén nở hông của CXMĐ đều đạt yêu cầu thiết kế.

Kết quả phân tích trong Hình 3.5 cho thấy, các mẫu thí nghiệm xác định mô-đun biến dạng và cường độ nén nở hông của CXMĐ đều đạt yêu cầu thiết kế.

Kết quả phân tích trong Hình 3.6 cho thấy, các mẫu thí nghiệm xác định mô-đun biến dạng và cường độ nén nở hông của CXMĐ đều đạt yêu cầu thiết kế.

hinh34
Hình 3.4: Xử lý thống kê kết quả thí nghiệm E50 và qu gói thầu XL3
hinh35
Hình 3.5: Xử lý thống kê kết quả thí nghiệm E50 và qu gói thầu XL4
hinh36
Hình 3.6: Xử lý thống kê kết quả thí nghiệm E50 và qu gói thầu XL2

3.2.2. Kết quả phân tích sự ảnh hưởng của thời gian đến chất lượng CXMĐ

Hình 3.7 thể hiện quan hệ giữa cường độ nén nở hông 28 ngày qu28 và 14 ngày qu14 trong phòng thí nghiệm với các mẫu cọc lấy từ gói thầu XL3. Kết quả cho thấy qu28 và qu14 có quan hệ tuyến tính thể hiện tương ứng phương trình hồi quy như sau:

Y =  0,7139X + 4,9697                                               (1)

Trong đó:

Trục Y là cường độ nén nở hông sau 28 ngày qu28;

Trục X là cường độ nèn nở hông sau 14 ngày qu14.

Image452249
Hình 3.7: Mối quan hệ giữa cường độ nén nở hông sau 14 và 28 ngày

Hình 3.8 thể hiện quan hệ giữa mô-đun biến dạng 28 ngày E50.28 và 14 ngày E50.14 trong phòng thí nghiệm với các mẫu cọc lấy từ gói thầu XL3. Kết quả cho thấy mô-đun biến dạng 28 ngày E50.28 và 14 ngày E50.14 có quan hệ tuyến tính thể hiện tương ứng phương trình hồi quy như sau:

Y =  0,5544X + 709,04               (2)

Trong đó: Trục Y là mô-đun biến dạng sau 28 ngày E50.28;

Trục X là mô-đun biến dạng sau 14 ngày E50.14.

Image452267
Hình 3.8: Mối quan hệ giữa mô-đun biến dạng sau 14 và 28 ngày

 

3.2.3. Ảnh hưởng của đất đến chất lượng CXMĐ

* Khối lượng thể tích tự nhiên, γ

Hình 3.9 thể hiện ảnh hưởng khối lượng thể tích tự nhiên của đất, γ đến cường độ nén nở hông của CXMĐ, qu được thí nghiệm trên mỗi lớp của các CXMĐ. Cường độ nén nở hông, qu tỷ lệ nghịch với khối thể tích, γ. Phương trình hồi quy biểu diễn quan hệ giữa qu và γ có dạng hàm số mũ như sau:

Y = 73,517e-1.09X          (3)

Trong đó: Trục X và Y tương ứng là khối lượng thể tích, γ và cường độ nén nở hông, qw. Hệ số tương quan xác định được R2 = 0,9848 cho thấy phương trình hồi quy phản ánh tốt quan hệ giữa khối lượng thể tích, γ và cường độ nén nở hông, qu.

Image452283
Hình 3.9: Ảnh hưởng khối lượng thể tích tự nhiên của đất, g đến cường độ nén nở hông của CXMĐ, qu

* Góc ma sát trong, j

Từ phương trình: Y = 14,304X- 0.135           (4)

Trong biểu đồ 3.10 ta có thể thấy giá trị cường độ nén nở hông, qu (Y) của CXMĐ tỷ lệ nghịch với góc ma sát trong, j (X) với hệ số tương quan tương đối tốt R2 = 0,7031.

Image452298
Hình 3.10: Ảnh hưởng góc ma sát trong của đất, đến cường độ nén nở hông của CXMĐ, qu

* Lực dính kết, C

Hình 3.11 thể hiện ảnh hưởng lực dính kết của đất, C đến cường độ nén nở hông của CXMĐ, qu được thí nghiệm trên mỗi lớp của các CXMĐ. Cường độ nén nở hông, qu tỷ lệ thuận với lực dính, C. Phương trình hồi quy biểu diễn quan hệ giữa qu và C có dạng hàm số bậc nhất như sau:

Y = 23,794X + 8,8297                                (5)

Trong đó:  X và Y tương ứng là lực dính kết, C và cường độ nén nở hông, qu. Hệ số tương quan xác định được R2 = 0.7001 cho thấy phương trình hồi quy phản ánh tương đối tốt quan hệ giữa lực dính kết, C và cường độ nén nở hông, qu.

Image452312
Hình 3.11: Ảnh hưởng lực dính kết của đất, C đến cường độ nén nở hông của CXMĐ, qu

* Độ ẩm tự nhiên, W

Hình 3.12 thể hiện ảnh hưởng độ ẩm của đất, W đến cường độ nén nở hông của CXMĐ, qu được thí nghiệm trên mỗi lớp của các CXMĐ. Cường độ nén nở hông, qu tỷ lệ thuận với độ ẩm tự nhiên, W. Phương trình hồi quy biểu diễn quan hệ giữa  qu và W có dạng hàm số mũ như sau:

Y = 6,5334e0.012X          (6)

Trong đó: X và Y tương ứng là lực dính kết, W và cường độ nén nở hông, qu. Hệ số tương quan xác định được R2 = 0,9426 cho thấy phương trình hồi quy phản ánh tốt quan hệ giữa độ ẩm, W và cường độ nén nở hông, qu.

Image452325
Hình 3.12: Ảnh hưởng độ ẩm của đất, W đến cường độ nén nở hông của CXMĐ, qu

* Chỉ số dẻo, Ip

Hình 3.13 thể hiện ảnh hưởng chỉ số dẻo của đất, Ip đến cường độ nén nở hông của CXMĐ, qu được thí nghiệm trên mỗi lớp của các CXMĐ. Cường độ nén nở hông, qu tỷ lệ thuận với chỉ số dẻo, Ip. Phương trình hồi quy biểu diễn quan hệ giữa qu và Ip có dạng hàm loga như sau:

Y = 6,2539ln(x)  - 7,5766           (7)

Trong đó: X và Y tương ứng là chỉ số dẻo, Ipvà cường độ nén nở hông, qu. Hệ số tương quan xác định được R2 = 0,8272 cho thấy phương trình hồi quy phản ánh tốt quan hệ giữa chỉ số dẻo, Ip và cường độ nén nở hông, qu.

Image452334
Hình 3.13Ảnh hưởng chỉ số dẻo của đất, Iđến cường độ nén nở hông của CXMĐ, qu

4. KẾT LUẬN

Trên cơ sở các kết quả thí nghiệm về cường độ nén nở hông và mô-đun biến dạng, tác giả đã tiến hành xử lý thống kê để đánh giá chất lượng CXMĐ. Kết quả cho thấy chất lượng của CXMĐ bảo đảm; đã phân tích đánh giá ảnh hưởng của thời gian đến chất lượng CXMĐ và xây dựng 2 phương trình hồi quy thể hiện liên quan giữa cường độ nén nở hông qu tới thời gian và mô đun đàn hồi E50 tới thời gian; đã phân tích đánh giá ảnh hưởng của 5 tính chất cơ lý đất yếu bao gồm g, j, C, W, Ip đến chất lượng CXMĐ. Tương ứng mỗi yếu tố, tác giả đưa ra một phương trình hồi quy thể hiện mối tương quan của chúng. Độ chính xác của các phương trình này là tương đối tốt thể hiện qua hệ số tương quan R2 gần bằng 1.0.

Tài liệu tham khảo

[1]. Kitazume and Tareshi (2012), Deep Mixing Method, CRC Press, Taylor and Francis Group.

[2]. Mary Ellen C. Bruce, Ryan R. Berg, James G. Collin, George M. Filz, Masaaki Terashi and David S, Yang Federal Highway Administration Design Manual: Deep Mixing for Embankmentand Foundation Support, PUBLICATION NO. FHWA-HRT-13-046. Federal Highway Administration.

[3]. TCVN9403:2012, TCVN9403:2012, Gia cố nền đất yếu - Phương pháp trụ đất xi măng.

[4]. GS. TS. Nguyễn Viết Trung, KS. Vũ Minh Tuấn (2014), Cọc đất xi măng - Phương pháp gia cố nền đất yếu. NXB. Xây dựng.

[5]. Phạm Văn Huỳnh (2014), Nghiên cứu xác định sức chịu tải của nền đất gia cố bằng trụ đất xi măng áp dụng cho công trình cầu đường, Tạp chí GTVT, số 7, trang 31-33, 24.

 

 

 

Ý kiến của bạn

Bình luận