Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Ảnh hưởng của hàm lượng vôi đến cường độ đất yếu ở khu vực thành phố Cần Thơ

Phương pháp gia cố nền đất yếu bằng đất trộn vôi là một công nghệ để xử lý nền đất yếu được thế giới biết đến và áp dụng từ những năm của thế kỷ XX.. Do vậy, nếu nghiên cứu công nghệ đất

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-o0o -

NGUYỄN TRƯƠNG PHÖ

ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG VÔI ĐẾN CƯỜNG ĐỘ ĐẤT YẾU Ở KHU VỰC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS VÕ PHÁN

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM, ngày … tháng … năm 2015 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Nguyễn Trương Phú Giới tính : Nam Mã số học viên: 13091306

Ngày, tháng, năm sinh : 08-08-1989 Nơi sinh : Cần Thơ Chuyên ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình ngầm Khóa: 2013

1- TÊN ĐỀ TÀI: ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG VÔI ĐẾN CƯỜNG ĐỘ

ĐẤT YẾU Ở KHU VỰC THÀNH PHỐ CẦN THƠ

2- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nhiệm vụ: Xác định ảnh hưởng của hàm lượng vôi đến cường độ đất yếu ở

khu vực thành phố Cần Thơ Ứng dụng kết quả thí nghiệm vào bài toán cụ thể và mô phỏng bằng phần mềm Geo/Slope W

Nội dung: Mở đầu Chương 1: Tổng quan về phương pháp xử lý nền đất đắp bằng đất trộn vôi Chương 2: Cơ sở lý thuyết về ổn định mái dốc và tương tác giữa các vật liệu

trong hỗn hợp đất trộn vôi

Chương 3: Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý của đất tự nhiên và đất

trộn vôi

Chương 4: Ứng dụng tính toán ổn định cho nền đất đắp trước và sau khi xử

lý bằng phương pháp gia cường vôi tại đường Lộ Vòng Cung ở Cần Thơ

Kết luận và kiến nghị 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 19/01/2015 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 14/06/2015 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS VÕ PHÁN

Em xin chân thành cám ơn quý Thầy Cô ở bộ môn Địa cơ nền móng, Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh đã truyền đạt những kiến thức quý báu cho em trong suốt quá trình học, giúp em có đầy đủ những kiến thức để phục vụ cho việc học tập, nghiên cứu

Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy PGS.TS Võ Phán đã ân cần

hướng dẫn và giúp em có những định hướng tốt cho luận văn, hỗ trợ nhiều tài liệu, kiến thức quý báu trong suốt quá trình thực hiện đề tài Với sự chỉ bảo tận tình, thầy đã dạy dỗ và trang bị cho em những kiến thức không chỉ trong phạm vi luận văn mà cả trong phương pháp nghiên cứu và cách thức làm việc sau này

Cuối cùng xin cảm ơn đền gia đình, người thân và bạn bè đã giúp đỡ để luận văn được hoàn thành

Một lần nữa xin gửi đền Quý Thầy, Cô và gia đình lòng biết ơn sâu sắc

TP Hồ Chí Minh ngày 14 tháng 06 năm 2015

Học viên

Nguyễn Trương Phú

Quá trình nghiên cứu sẽ sử dụng phần mềm mô phỏng Geo – Slope/W để tính toán cho công trình thực tế ở xã Mỹ Khánh, huyện Phong Điền, thành phố Cần Thơ Giải pháp cho thấy có tính khả thi tại thành phố Cần Thơ và từ đó có thể nghiên cứu áp dụng rộng rãi cho vùng Đồng bằng sông Cửu Long

The author will use software Geo Slope/W to calculate the actual work in the landslide My Khanh Village, Phong Dien Town, Can Tho City The results show that the solution is feasible in the studying location and this research can also widely applied to other position in Mekong Delta.

Qua quá trình nghiên cứu và thí nghiệm, tôi cam đoan thực hiện những yêu cầu về nội dung đã đặt ra là trung thực và được thực hiện trên cơ sở tổng hợp các lý thuyết

kết hợp với thực nghiệm dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Võ Phán Thực

hiện đúng theo các tiêu chuẩn thí nghiệm cũng như thao tác đúng các bước cần thiết Nội dung luận văn được trình bày đầy đủ các nội dung yêu cầu

Các số liệu tính toán đều được chú thích và trích dẫn đầy đủ nguồn gốc tài liệu một cách khách quan và chính xác

Một lần nữa tôi xin khẳng định sự trung thực của đề tài và hoàn toàn chịu trách nhiệm với những lời cam kết ở trên

Trang

MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề nghiên cứu 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Phương pháp nghiên cứu 2

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

5 Giới hạn nghiên cứu 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ 4

NỀN ĐẤT ĐẮP BẰNG BẰNG ĐẤT TRỘN VÔI 1.1 Tổng quan xử lý nền đất đắp bằng phương pháp đất trộn vôi 4

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ỔN ĐỊNH MÁI DỐC 13

VÀ TƯƠNG TÁC GIỮA CÁC VẬT LIỆU TRONG HỖN HỢP ĐẤT TRỘN VÔI 2.1 Thành phần của vôi 13

2.2 Cơ sở để cải tạo đất bằng phương pháp trộn vôi 14

2.4 Cơ sở lý thuyết của ổn định mái dốc 19

2.4.1 Ổn định không thoát nước của mái dốc 19

2.4.2 Mái dốc không đồng nhất không thoát nước (φu=0) 21

2.4.3 Mái dốc ngập nước 23

2.4.4 Phương pháp mặt trượt trụ tròn W.FELLENIUS 23

2.4.5 Phương pháp mặt trượt trụ tròn A.W.BISHOP 28

2.5 Nhận xét chương 2 29

CHƯƠNG 3: THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ 31

CỦA ĐẤT TỰ NHIÊN VÀ ĐẤT TRỘN VÔI 3.1 Chuẩn bị vật liệu 31

3.5 Tính toán kết quả thí nghiệm 39

3.5.1 Đánh giá cường độ chịu nén của mẫu đất trộn vôi 40

với các tỷ lệ khác nhau 3.5.2 Đánh giá sự phát triển cường độ chịu nén của mẫu đất trộn vôi 43

Theo thời gian 3.6 Thí nghiệm cắt trực tiếp 49

3.6.1 Mục đích 49

3.6.2 Thiết bị thí nghiệm 49

3.6.5 Quy trình thí nghiệm 50

3.6.6 Kết quả thí nghiệm 50

3.7 Kết luận thí nghiệm lựa chọn hàm lượng vôi và loại vôi 51

cho đất trộn vôi áp dụng tại thành phố Cần Thơ CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CHO NỀN ĐẤT ĐẮP 53

TRƯỚC VÀ SAU KHI XỬ LÝ BẰNG PHƯƠNG PHÁP GIA CƯỜNG VÔI TẠI ĐƯỜNG LỘ VÕNG CUNG Ở CẦN THƠ 4.1 Giới thiệu công trình 53

4.1.1 Địa điểm, quy mô công trình 53

MỤC LỤC HÌNH

Hình 1.1 Cường độ của hỗn hợp đất – vôi tăng dần theo tỷ lệ vôi Hình 1.2 Ảnh hưởng thời gian và nhiệt độ đến cường độ hỗn hợp vôi đất Hình 2.1 Phương pháp xác định sức chống cắt

Hình 2.2 Các cung trượt có tâm và bán kính khác nhau Hình 2.3 Cung trượt phân tích theo ứng suất tổng (φu=0)

Hình 2.4 Ảnh hưởng của khe nứt căng trong phân tích ứng suất tổng Hình 2.5 Mái dốc nhiều lớp

Hình 2.6 Cung trượt của mái dốc nhiều lớp Hình 2.7 Ảnh hưởng của một lớp đất cứng nằm bên dưới Hình 2.8 Ảnh hưởng của mái dốc ngập nước

Hình 2.9 Phân tích ổn định theo phương pháp FELLENIUS Hình 2.10 Xét ảnh hưởng của áp lực đẩy nổi cho phân mảnh ngập nước Hình 2.11 Xét ảnh hưởng của áp lực thủy tĩnh

Hình 2.12 Xét ảnh hưởng của áp lực thủy động Hình 2.13 Xét tác dụng của hoạt tải

Hình 2.14 Phân tích ổn định theo phương pháp A.W.BISHOP Hình 3.1 Thiết bị trộn

Hình 3.2 Ống đúc mẫu 50x100mm Hình 3.3 Tiến hành trộn và đất sau khi trộn với vôi Hình 3.4 Khuôn tạo mẫu

Hình 3.5 Thiết bị thí nghiệm nén một trục nở hông Hình 3.6 Nén mẫu bằng máy nén một trục

Hình 3.7 Mẫu bị phá hoại sau khi thí nghiệm Hình 3.8 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ cường độ chịu nén đơn và hàm lượng vôi của mẫu đất trộn vôi ở độ tuổi 7 ngày

Hình 3.9 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ cường độ chịu nén đơn và hàm lượng vôi của mẫu đất trộn vôi ở độ tuổi 14 ngày

Hình 3.10 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ cường độ chịu nén đơn và hàm lượng vôi của mẫu đất trộn vôi ở độ tuổi 28 ngày

7 9 19 19 20 21 22 22 23 23 24 25 26 26 27 28 33 33 34 34 37 38 38 41

42

42

Hình 3.12 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ cường độ chịu nén đơn theo thời gian của

mẫu đất trộn vôi tương ứng với hàm lượng vôi là 8%

Hình 3.13 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ cường độ chịu nén đơn theo thời gian của mẫu đất trộn vôi tương ứng với hàm lượng vôi là 10%

Hình 3.14 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ cường độ chịu nén đơn theo thời gian của mẫu đất trộn vôi tương ứng với hàm lượng vôi là 12%

Hình 3.15 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ cường độ chịu nén đơn theo thời gian của mẫu đất trộn vôi tương ứng với hàm lượng vôi là 14%

Hình 3.16 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ cường độ chịu nén đơn theo thời gian của mẫu đất trộn vôi tương ứng với hàm lượng vôi là 8%, 10%, 12% 14%

Hình 3.17 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ cường độ chịu nén đơn và chuyển vị

tương ứng với các hàm lượng vôi 8%, 10%, 12% 14%

Hình 4.1 Phạm vi xây dựng dự án Hình 4.2 Mặt cắt xử lý nền đường Hình 4.3 Xác định sơ bộ tâm trượt Hình 4.4 Xác định dòng thấm qua nền đường Hình 4.5 Phân tích mảnh trượt có R = 5m với đất tự nhiên Hình 4.6 Phân tích mảnh trượt có R = 5.5m với đất tự nhiên Hình 4.7 Phân tích mảnh trượt có R = 5m với đất đắp được gia cường vôi Hình 4.8 Phân tích mảnh trượt có R = 5.5m với đất đắp được gia cường vôi Hình 4.9 Kết quả mô phỏng phân tích ổn định với đất tự nhiên H=2m Hình 4.10 Kết quả theo các phương pháp

Hình 4.11 Kết quả mô phỏng phân tích ổn định với đất gia cường vôi H=2m Hình 4.12 Kết quả theo các phương pháp với đất gia cường vôi H=2m Hình 4.13 Kết quả mô phỏng phân tích ổn định với đất gia cường vôi H=5.5m Hình 4.14 Biểu đồ quan hệ giữa hệ số FS và chiều cao đất đắp theo các phương

Bảng 3.5 Kết quả nén đơn trục ở độ tuổi 7 ngày Bảng 3.6 Kết quả nén đơn trục ở độ tuổi 14 ngày Bảng 3.7 Kết quả nén đơn trục ở độ tuổi 28 ngày Bảng 3.8 Kết quả nén đơn trục với hàm lượng vôi 8% Bảng 3.9 Kết quả nén đơn trục với hàm lượng vôi 10% Bảng 3.10 Kết quả nén đơn trục với hàm lượng vôi 12% Bảng 3.11 Kết quả nén đơn trục với hàm lượng vôi 14% Bảng 3.12 Kết quả thí nghiệm cắt trực tiếp

Bảng 4.1 Tổng hợp chỉ tiêu cơ lý của các lớp địa chất Bảng 4.2 Các thông số đất đắp

Bảng 4.3 Tính toán hệ số ổn đinh nền đắp bằng đất tự nhiên với R = 5m Bảng 4.4 Tính toán hệ số ổn đinh nền đắp bằng đất tự nhiên với R = 5.5m Bảng 4.5 Hệ số an toàn theo chiều cao đất đắp

Bảng 4.6 Tính toán hệ số ổn định nền đắp bằng đất đắp gia cường vôi

66

67

Bảng 4.10 Bảng tổng hợp tính hệ số an toàn bằng Geo Slope/W ứng với

chiều cao đắp khác nhau bằng đất trộn vôi

Bảng 4.11 Bảng tổng hợp tính hệ số an toàn bằng giải tích ứng với

chiều cao đắp khác nhau

71

72

 (o) : Góc ma sát trong τ (kN/m2) : Sức chống cắt của đất c (daN/m2) : Lực dính của đất cu (daN/m2) : Lực dính của đất trong thí nghiệm UU, CU d (m) : Khoảng cách từ trọng tâm O

e : Hệ số rỗng IL (%) : Độ sệt FS : Hệ số an toàn Pw (kN/m) : Cường độ áp lực thủy tĩnh k (cm/s) : Hệ số thấm

u (daN/cm2) : Áp lực nước lỗ rỗng R (m) : Bán kính cung trượt qu (daN/cm2) : Cường độ nén đơn γw (g/cm3) : Dung trọng lượng riêng γd (g/cm3) : Dung trọng lượng khô Gs (g/cm3) : Tỉ trọng

θ (o) : Góc hình quạt W (kN/m3) : Trọng lượng khối đất W (%) : Độ ẩm

WL (%) : Giới hạn nhão Wd (%) : Giới hạn dẻo PI (%) : Chỉ số dẻo Z0 (m) : Độ sâu khe nứt

Họ và tên : NGUYỄN TRƯƠNG PHÚ Giới tính : Nam Sinh ngày: : 08 - 08 - 1989 Nơi sinh : Cần Thơ Mã số học viên : 13091306 Dân tộc : Kinh

Địa chỉ liên lạc : 66/34 Nguyễn Văn Cừ, P An Hòa, Q Ninh Kiều TP Cần Thơ Điện thoại : 0946.67.11.21

QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO

Từ năm 2007 đến năm 2012: Sinh viên Trường Đại Học Cần Thơ Từ năm 2013 đến năm 2015: Học viên Cao học ngành Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Ngầm - Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh

QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC

Từ năm 2012 – 2014: Công ty TNHH Tư vấn và Đầu tư Xây dựng Hòa Bình Từ năm 2015 đến nay: Doanh nghiệp tư nhân Quốc Đại

ϕ (o) : Góc ma sát trong τ (kN/m2) : Sức chống cắt của đất c (daN/m2) : Lực dính của đất cu (daN/m2) : Lực dính của đất trong thí nghiệm UU, CU d (m) : Khoảng cách từ trọng tâm O

e : Hệ số rỗng IL (%) : Độ sệt FS : Hệ số an toàn Pw (kN/m) : Cường độ áp lực thủy tĩnh k (cm/s) : Hệ số thấm

u (daN/cm2) : Áp lực nước lỗ rỗng R (m) : Bán kính cung trượt qu (daN/cm2) : Cường độ nén đơn γw (g/cm3) : Dung trọng lượng riêng γd (g/cm3) : Dung trọng lượng khô Gs (g/cm3) : Tỉ trọng

θ (o) : Góc hình quạt W (kN/m3) : Trọng lượng khối đất W (%) : Độ ẩm

WL (%) : Giới hạn nhão Wd (%) : Giới hạn dẻo PI (%) : Chỉ số dẻo Z0 (m) : Độ sâu khe nứt

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề nghiên cứu:

Trong những năm gần đây cùng với sự phát triển của kinh tế đất nước, tốc độ đô thị hóa các thành phố lớn đang diễn ra với một nhịp độ khá nhanh Trong đó Tp Cần Thơ là một trong số các đô thị có tốc độ đô thị hóa nhanh trong cả nước Cơ sở hạ tầng khu vực Tp Cần Thơ trong những năm gần đây phát triển, điển hình là các công trình trọng điểm đã đi vào hoạt động như cầu Cần Thơ, Cảng Cái Cui, sân bay Cần Thơ, nhà máy nhiệt điện Ô Môn, Bệnh viện Đa Khoa Tp Cần Thơ…

Tuy nhiên việc phát triển hạ tầng đô thị còn gặp nhiều khó khăn do khu vực Tp Cần Thơ nằm trên lớp đất yếu Có rất nhiều giải pháp xử lý nền đất như cọc vật liệu rời, giếng cát hay bấc thấm gia tải trước, bơm hút chân không kết hợp gia tải trước, phun xịt xi măng… Giải pháp gia cố nền đất yếu bằng đất trộn vôi đã được sử dụng và mang lại hiệu quả rõ rệt

Phương pháp xử lý nền đất yếu bằng đất trộn vôi có nhiều ưu điểm hơn hẳn các phương pháp khác như: thời gian thi công nhanh, thi công được cả trong điều kiện ngập sâu trong nước hoặc điều kiện hiện trường bị chật hẹp Vì vậy phương pháp này rất thích hợp để áp dụng cho việc xử lý nền đất yếu có chiều dày lớn, là đặc trưng về địa chất của các tỉnh và thành phố khu vực ĐBSCL Qua nhiều ứng dụng thực tế, bên cạnh việc gia cố tốt cho công trình, đất trộn vôi còn mang lại hiệu quả kinh tế rõ rệt so với các giải pháp xử lý khác trong điều kiện khu vực

Phương pháp gia cố nền đất yếu bằng đất trộn vôi là một công nghệ để xử lý nền đất yếu được thế giới biết đến và áp dụng từ những năm của thế kỷ XX Tại nhiều nước trên thế giới, việc sử dụng công nghệ đất trộn vôi gia cố cho nền đất yếu trong các dự án đường giao thông đã cho hiệu quả rất cao Do vậy, nếu nghiên cứu công nghệ đất trộn vôi để áp dụng cho các dự án đường bộ đắp trên nền đất yếu khu vực Tp Cần Thơ thì rất có thể sẽ là một trong các phương pháp hiệu quả có tính khả thi cao Tuy nhiên các chỉ tiêu về cường độ, biến dạng đất nền gia cố đất trộn vôi rất khó xác định do phụ thuộc vào thời gian, loại đất nền, hàm lượng hữu cơ, độ pH,

thành phần hạt và hàm lượng vôi sử dụng vv Vì vậy việc nghiên cứu “Ảnh hưởng

của hàm lượng vôi đến cường độ đất yếu ở khu vực Thành phố Cần Thơ” là một

nhiệm vụ quan trọng góp phần nâng cao hiệu quả đầu tư xây dựng, nghiên cứu này để áp dụng cho các dự án đường bộ đắp trên nền đất yếu khu vực Đồng bằng sông Cửu long và Tp Cần Thơ

2 Mục tiêu nghiên cứu

Xác định loại vôi và hàm lượng vôi - đất phù hợp cho khu vực thành phố Cần Thơ

Xác định thời gian bảo dưỡng để cường độ đất trộn vôi đạt tối ưu Tính toán ổn định xác định chiều cao đất đắp tối đa của nền đường khi xử lý bằng giải pháp đất trộn vôi

3 Phương pháp nghiên cứu

Lý thuyết: + Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về sức chống cắt không thoát nước, ổn định mái dốc và độ lún của nền

+ Nghiên cứu vai trò của vôi khi xử lý đất.Thực nghiệm :

+ Tiến hành thí nghiệm xác định các thông số cơ lý của loại đất dùng trong thí nghiệm

+ Tiến hành thí nghiệm nén 1 trục nở hông để xác dịnh hàm lượng và loại vôi cho cường độ hỗn hợp cao nhất

+ Nghiên cứu mô phỏng: dùng phần mềm Geo Slope/W để mô phỏng tính toán ổn định công trình đắp xử lý bằng giải pháp đất trộn vôi

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Thông qua kết quả nghiên cứu này, chúng ta hiểu rõ hơn về ứng xử của đất trộn vôi trong điều kiện đất yếu ở khu vực ĐBSCL, từ đó có số liệu để đánh giá khái quát hơn về khả năng ứng dụng đất trộn vôi trong việc xử lý nền đất yếu tại khu vực Thành phố Cần Thơ và cho các khu vực có điều kiện địa chất tương tự

Tận dụng được nguồn nguyên liệu của địa phương để xử lý cho nền đất yếu Nghiên cứu này được sử dụng như một tài liệu tham khảo hữu ích cho các kỹ sư thiết kế và chủ đầu tư trong việc phân tích lựa chọn phương án xử lý nền đất yếu tại khu vực Thành phố Cần Thơ nhằm đem lại hiệu quả cao về mặt kỹ thuật và kinh tế

5 Giới hạn nghiên cứu

Do phạm vi luận văn này chỉ nghiên cứu tính toán trên một công trình ở điều kiện địa chất TP Cần Thơ nên kết quả chưa phản ánh được giá trị tổng quát

Do hạn chế về thời gian và kinh phí nên luận văn chỉ nghiên cứu thí nghiệm với những tỷ lệ % hàm lượng vôi còn hạn chế

Chưa xét đến tính thấm của hỗn hợp đất gia cường vôi

Việc đánh giá cường độ đất trộn vôi được tiến hành thông qua thí nghiệm trong phòng Trong phạm vi của nghiên cứu, chưa có điều kiện để tiến hành các thí nghiệm hiện trường nhằm có được kết quả so sánh, đối chiếu

Nghiên cứu chỉ xem xét sự thay đổi hàm lượng vôi, không xét đến việc tác động qua lại với các yếu tố khác

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT ĐẮP

BẰNG ĐẤT TRỘN VÔI 1.1 Tổng quan xử lý nền đất đắp bằng phương pháp đất trộn vôi

Kỹ thuật gia cố nền bằng vôi được áp dụng đầu tiên và phát triển mạnh mẽ trong lĩnh vực xây dựng các lớp móng đường Và theo thời gian, phương pháp này được phát triển để cải thiện tính chất cơ lý của đất sét trong nền thiên nhiên

Những năm trước, khi gia cố nền bằng đất trộn vôi thường người ta đào hoặc khoan lỗ có đường kính từ 30-50cm, cách nhau 2-5cm rồi cho từng cục vôi sống chưa tôi vào Khi tiếp xúc với nước trong nền đất yếu vôi sẽ được tôi làm tăng thể tích (có khi tăng đường kính cọc lên từ 60-80%), do đó có tác dụng nén chặt đất xung quanh, đồng thời còn có tác dụng gia cố đất xung quanh trụ làm tăng cường độ hút nước , giảm độ ẩm của đất xung quanh đất trộn vôi

Tuy nhiên, do độ thấm của đất sét rất nhỏ nên sự lan truyền của vôi trong khối đất bị hạn chế, do vậy việc cải thiện tính chất đất trộn vôi còn rất cục bộ

Để khắc phục nhược điểm trên, năm 1975 các chuyên gia Thụy Điển đã trực tiếp trộn vôi với đất sét mềm ngay trong nền đất yếu, làm thành các trụ đất gia cố vôi Ý tưởng của kỹ thuật thi công các trụ đất gia cố cả vôi của Thụy Điển là xây dựng ngay trong nền đất yếu các cột có đường kính 50cm bằng một thiết bị trộn đặc biệt kiểu khoan dĩa hoặc thiết bị giống như dụng cụ khuấy trứng khổng lồ Khoan được xoắn vào trong đất đến độ sâu yêu cầu tương ứng với chiều dài thiết kế của cọc và được rút lên khi xoay ngợc chiều Tốc độ quay và khả năng chuyển vật liệu (có thể chuyển vào khoảng 7-10 % vôi sống và trộn nó với đất dính) được điều chỉnh để giảm sự xáo động của đất Vôi sống sẽ được chuyển đồng thời với khí nén từ hệ thống xi lô qua ống dẫn trong cần khoan vào trong đất Tốc độ rút lên (Có liên quan với hiệu quả khuấy trộn) có thể điều khiển theo tính chất của đất Quá trình khuấy trộn đồng thời cũng làm chặt đất trong cọc Tác dụng giữa vôi và đất xảy ra, quá trình rắn chắc của đất gia cố phát triển theo thời gian tạo thành các cọc có sức chịu tải nhất định Một trong những thiết bị thường dùng để thi công cọc đất gia cố vôi ở Thụy Điển hiện nay là máy LPS 3 do hãng Linden Alimak sản xuất Máy này đã được nhập vào Việt Nam và được Viện khoa học kỹ thuật xây dựng kết hợp với Liên hiệp các xí nghiệp thi công cơ giới nghiên cứu sử dụng thành công trong việc thi công cọc đất gia cố vôi và cọc đất gia cố xi măng đường kính 500 mm sâu 10m

Vật liệu gia cố trong đất trộn vôi là vôi bột chưa tôi có cỡ hạt 0,2mm

Tác dụng chủ yếu của vôi là để tăng sức chống cắt và giảm tính nén lún của đất Những thay đổi về tính chất cơ học của đất xảy ra rất nhanh do qui trình trao đổi ion và “vôi tôi” trong đất

Đất nền được gia cố bằng vôi hoặc xi măng khá rắn chắc, có hệ số nén thấp, sức chống cắt cao so với đất không gia cố Cường độ chống cắt của đất sét gia cố có thể lên tới 10 KG/cm2 tăng 50 lần so với đất chưa gia cố

Kết quả nghiên cứu cho thấy là : sau 3 tháng đất gia cố vôi đạt được 80% giá trị cường độ cần có Đối với đất gia cố bằng xi măng thì giá trị trên đạt được trong vòng 1 tháng

Trong phạm vi gia cố , đất bị phá hủy cấu trúc tự nhiên, sau đó được trộn với vôi lỏng thành 1 hỗn hợp Các phản ứng hóa học xảy ra, hỗn hợp dần dần phát triển cường độ và trở thành cọc chịu lực Kết quả thí nghiệm cũng cho thấy hệ số thấm của đất vôi và đất ximăng là khá lớn (k=10-2

-10-4cm/s) vì thế các cột này làm gia tăng quá trình cố kết của đất nền

Gia cố thành hố đào, yêu cầu chống thấm cao

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ hỗn hợp đất vôi:

Theo [1] có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến cường độ hỗn hợp đất vôi như tính chất của đất ( hàm lượng hữu cơ, độ pH, độ ẩm của đất, thành phần khoáng vật của đất, đặc tính hóa học và cơ lý của đất), loại vôi , hàm lượng vôi, thời gian và nhiệt độ bảo dưỡng, độ chặt…

1.3.1 Các tính chất của đất [2]: - Loại đất

Để xử lý nền bằng vôi thành công thì đất nền phải có hàm lượng sét trên 20% và tổng hàm lượng silit và sét phải lớn hơn 35% Đối với đất có chỉ số dẻo lớn hơn 10 thì điểu kiện trên thông thường được đảm bảo Sự gia tăng của cường độ đất trộn vôi phụ thuộc chủ yếu vào những phản ứng pozzolanic (phản ứng giữa vôi với silicate và aluminate trong đất) Sự gia tăng cường độ theo thời gian sẽ lớn nhất với sét pha silit cố kết thường với chỉ số dẻo và độ ẩm thấp Sự gia tăng này rất thấp với

loại sét hữu cơ Thạch cao được dung với vôi chưa tôi để cải tạo đất sét hữu cơ, trong trường hợp có vôi thì không hiệu quả Khi độ ẩm tăng thì hiệu quả của vôi giảm đi

Trong một nghiên của [3] cho thấy phản ứng pozzolanic của vôi và đất phụ thuộc chủ yếu vào tính chất của đất Một số loại đất không phản ứng đáng kể với vôi nhưng có những loại phản ứng với vôi làm cho cường độ của mẫu đất tăng gấp nhiều lần

- Thành phần khoáng

Hàm lượng vôi cần thiết để trộn với đất sét có hiệu quả phụ thuộc vào thành phần khoáng của đất Qua thí nghiệm nén đơn người ta nhận thấy rằng các loại đất sét kaolinite và momorillnite chỉ cần trộn với vôi nhưng illite thì cần phải trộn thêm với phụ gia là tro núi lửa để có cường độ tốt hơn Người ta cũng nhận thấy rằng trộn vôi với sét momorillonite cho cường độ cao hơn khi trộn với kaolinite

- Độ pH

Vôi làm tăng độ pH của nước ở trong đất và làm tăng độ hòa tan, khi độ pH<7 thì sự trao đổi bazơ kém Những phản ứng hóa học lâu dài giữa vôi và đất sẽ thuận lợi trong trường hợp độ pH cao (pH >12) vì phản ứng sẽ được thúc đẩy nhanh nhờ độ hòa tan của silicate và aluminate trong hạt sét gia tăng

1.3.2 Loại vôi sử dụng:

Theo [4, 5, 6] loại vôi cũng ảnh hưởng đáng kể đến phản ứng pozzolanic giữa vôi và đất Vôi dolomitic cho hiệu quả sử dụng về cường độ lớn hơn so với vôi calcitic Theo [6] kết luận từ nghiên cứu của họ trong chín loại đất, vôi dolomitic kết hợp với những loại đất có chứa các hạt như montmorillonitic và illitic sẽ làm tăng cường độ của mẫu đất Theo [7], việc sử dụng các loại vôi dolomitic khác nhau thì sẽ làm thay đổi đáng kể cường độ, nhưng cường độ thu được hoàn toàn ổn định với các loại vôi calcitic

Mặc dù lý thuyết thường cho biết vôi dolomitic cho cường độ vượt trội hơn so với vôi calcitic nhưng một số quan điểm cho rằng vôi calcitic có hiểu quả sử dụng về cường độ tốt hơn

Đối với các loại đất dính, sau khi được xử lý bằng vôi đã tăng khả năng làm việc và tính dẻo của đất đã giảm đáng kể Loại vôi không ảnh hưởng lớn đến kết quả, nhưng vôi calcitic có hiệu quả hơn so với vôi dolomitic Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng các loại đất dính có thể được xử lý với vôi để giảm tính dẻo và không phụ thuộc vào tính chất hóa học và thành phần của đất

1.3.3 Hàm lƣợng vôi sử dụng :

Theo [1] trong hầu hết các trường hợp, cùng một điều kiện bảo dưỡng, hỗn hợp đất vôi sẽ có cường độ tối đa khi đất được trộn vôi với một hàm lượng vôi thích hợp Remus và Davidson nhận thấy rằng hàm lượng vôi thích hợp của dolomitic thường cao hơn vôi calcitic Đặc tính của đất ảnh hưởng đáng kể đến hàm lượng vôi, nó bao gồm các yếu tố hóa học, vật lý Các nghiên cứu chỉ ra rằng hàm lượng vôi thích hợp sẽ thay đổi tùy thuộc vào loại đất, loại vôi, thời gian bảo dưỡng, nhiệt độ bảo dưỡng v.v…

Theo [8] khi trộn riêng đất – vôi với tỷ lệ 4, 8, 12 và 20%, kết quả nghiên cứu cho thấy cường độ của hỗn hợp đất – vôi tăng dần theo tỷ lệ vôi, tuy nhiên, độ tăng cường độ của hỗn hợp tương đối nhỏ Các mẫu có tỷ lệ vôi 4% như mẫu M04-00-0, M08-00-0, giá trị cường độ nén đơn rất nhỏ, hầu như không xác định được Khi hàm lượng vôi tăng lên đến 20%, mẫu M20-00-0, cường độ nén đơn của mẫu cũng rất thấp, chỉ đạt giá trị là 1,16 kG/cm2 sau 28 ngày bảo dưỡng (H.1.1)

Hình 1.1 Cường độ của hỗn hợp đất – vôi tăng dần theo tỷ lệ vôi [8]

Việc lựa chọn tỷ lệ vôi với đất ảnh hưởng rất lớn đến tính chất của hỗn hợp vật liệu vôi đất và gía thành công trình Cường độ kháng nén (qu) là một chỉ tiêu để tính toán sức chịu tải của đất trộn vôi Thí nghiệm trong phòng với các tỷ lệ trộn vôi với đất dính khác nhau cho kết quả như bảng sau

Bảng 1.1 Cường độ kháng nén và tỷ lệ trộn vôi với đất TN trong phòng [1]

Ngược lại với một số quá trình gia cố đất, tăng hàm lượng vôi không đồng nghĩa với sự gia tăng cường độ của hỗn hợp đất vôi Hỗn hợp đất vôi được bảo dưỡng trong một điều kiện nhất định sẽ có cường độ tối đa khi được trộn với hàm lượng vôi thích hợp Hàm lượng vôi thích hợp không phụ thuộc vào tính chất tự nhiên của đất như tính dẻo hay hàm lượng hạt sét, nhưng lại bị ảnh hưởng bởi độ pH trong đất và độ bảo hòa Độ pH trong đất và độ bảo hòa cao là đặc trưng cơ bản của đất ít bị phong hóa, thông thường chỉ cần một hàm lượng vôi ít hơn Với các loại đất phong hóa nhiều hơn (độ pH thấp, độ bảo hòa thấp) thì cần một lượng vôi lớn hơn để tham gia vào phản ứng giữa vôi và đất

1.3.4 Thời gian và nhiệt độ bảo dƣỡng:

Theo [9] khi tăng thời gian bảo dưỡng và nhiệt độ cao thì cường độ trong hỗn hợp vôi đất tăng đáng kể Báo cáo của các nhà nghiên cứu khác được công bố tiếp theo để tiếp tục công việc của họ minh chứng thực tế này Theo [1] thì thời gian và nhiệt độ bảo dưỡng ảnh hưởng đến cường độ của hỗn hợp đất

Theo [1] đối với hầu hết các loại đất, các hàm lượng vôi thích hợp vẫn giữ nguyên hoặc tăng lên khi thời gian bảo dưỡng thay đổi Các giá trị trung bình cho thấy có sự gia tăng nhẹ hàm lượng vôi thích hợp cho vôi dolomitic khi thời gian bảo dưỡng kéo dài, nhưng vôi calcitic cho giá trị trung bình như nhau Đối với một khoảng thời gian bảo dưỡng nhất định, các giá trị trung bình của vôi calcitic là như nhau, nhưng trung bình của vôi dolomitic cao hơn một chút

Hình 1.2 Ảnh hưởng thời gian và nhiệt độ đến cường độ hỗn hợp đất vôi [1]

1.3.5 Độ chặt:

Theo [1] độ chăt của vật liệu cũng ảnh hưởng đến cường độ của hỗn hợp vôi đất Theo [8] cường độ của hỗn hợp vôi đất tăng khi hỗn hợp này được nén bởi một năng lượng đầm lớn hơn

1.4 Các công nghệ thi công [2]

Hiện nay ở trên thế giới phổ biến hai công nghệ thi công là: Công nghệ trộn

khô ( Dry Jet Mixing ) và Công nghệ trộn ướt ( Wet Mixing)

1.4.1 Công nghệ trộn khô

Phương pháp này bột vôi được phun vào đất qua các lỗ ở đầu ống bằng hệ thống khí nén, sau đó bột vôi được trộn với đất bằng cách xoay hai cánh gắn đối xứng ở đầu ống Trong phương pháp này không cần sử dụng nước cho nên không tăng thêm lượng nước vào đất, vì vậy việc cải tạo nền có hiệu quả hơn với phương pháp trộn ướt

1.4.2 Công nghệ trộn ƣớt

Phương pháp này vôi được trộn với nước thành một dung dịch lỏng trước khi bơm chúng vào đất qua các lỗ ở đầu ống với áp lực khoảng 20MPa, thiết bị thi công theo phương pháp này gọn nhẹ, dễ di chuyển Khuyết điểm của phương pháp này là

đường kính đất trộn vôi thường phải thay đổi theo độ sâu tùy thuộc vào sức chống cắt của đất

1.5 Lịch sử phát triển của đất trộn vôi

Từ rất lâu phương pháp trộn vôi đã được dùng để cải tạo nền đất yếu Thời cổ La Mã người ta dùng vôi như một chất kết dính liện kết các khối đá

Ngay từ những năm 1925, ở Liên Xô đã dùng vôi để cải tạo tính chất của đất phục vụ xây dựng đường giao thông, thủy lợi, các công trình nhà…

Vào những năm 1954, IU.B Osipov đã dùng vôi sống để cải tạo tính chất xây dựng của đất Theo ông, vôi sống có khả năng ngưng kết (hoá cứng) trong vòng 5-10 phút ở điều kiện xác định, tức là nó ngưng kết nhanh gấp 50-100 lần vôi tôi

Cũng trong năm 1954, công ty Intrusion Prepakt (Mỹ) ứng dụng và phát triển kỹ thuật cọc trộn tại chỗ (MIP-Mix In Place Pile) Vào những năm 1960, qui trình gia cố đất nền bằng vôi trộn đất cho lớp đất mặt dày 1m đã được thực hiện ở Mỹ và Đức bằng cách nhồi vôi vào các lỗ khoan sẵn đường kính 100mm Đến năm 1961, kỹ thuật MIP đã áp dụng tại Nhật Bản với hơn 300.000m dài cột dùng gia cố hố đào và kiểm soát mực nước ngầm Tiếp tục đến những năm đầu của thập niên 70, công ty Seiko Kogyo đã thực hiện thành công kỹ thuật tường ngăn SMW (Soil Mixture Wall)

Năm 1959 vôi được sử dụng để xử lý nền đường cao tốc ở Bang Texas, Hoa Kỳ

Năm 1967, viện nghiên cứu hải cảng và bến tàu (PHRI-Port and Habour Reseach Institute) thuộc bộ giao thông vận tải Nhật Bản bắt đầu tiến hành thí nghiệm trong phòng sử dụng vôi cục hoặc vôi bột để xử lý cải tạo đất biển bằng phương pháp Deep Lime Mixing (DML) – phương pháp trộn dưới sâu Đề tài nghiên cứu do Okumura Terashi chủ trì :

Nghiên cứu phản ứng xảy ra giữa vôi và đất biển Nghiên cứu việc chế tạo các thiết bị trộn phù hợp Những thiết bị trộn được trộn sử dụng đầu tiên để thử nghiệm gần sân bay Hameda

Cũng vào năm 1967, Kjeld Paus, Linden Alimak AB và Byggproduktion AB tiến hành nghiện cứu trong phòng thí nghiệm và ngoài thực địa cho phương pháp cột vôi Thụy Điển để xử lý đất sét yếu dưới nền đường

Năm 1973, Abelev đã mô tả phương pháp xử lý nền đất áp dụng ở Barnul ở Buston.Ơ Buston, người ta xử lý lớp bùn sét dày 30m bằng cột vôi sống có đường kính 0,5m, dài 7 m các tim cột cách nhau 2m Hàm lượng nước của đất sét giảm

trung bình 5%, các thông số của cường độ kháng cắt C’=12-21KPa và f’ =13-140đến C’=30-37KPa và f’ =17-200

và modul biến dạng của đất giữa các cột tăng từ 1000-1600KPalên 2900-3800KPa Ơ Buston, người ta tiến hành thí nghệm chất tải trước và sau khi xử lý nền đất sét với cột vôi đường kính 0,265m dài 5m Kết quả thí nghiệm bàn nén hiện trường thực hiện 36 ngày sau khi xử lý đã cho thấy rõ hiệu quả của phương pháp

Năm 1974, Viện Nghiện Cứu Hải Cảng và Bến Tàu (PHRI– Port and Habour Reseach Insititute)

Cũng vào năm 1974, người ta tiến hành thí nghiệm với đất trộn vôi tại sân bay Ska Edeby, Thuỵ Điển với cọc dài 15m, đường kính 0,5m

Năm 1976, Viện Nghiên Cứu Công Trình Công Cộng (PWRI– Public Works Reseach Insititute) thuộc Bộ xây dựng Nhật Bản hợp tác với Viện Nghiên Cứu Máy Xây Dựng Nhật Bản bắt đầu nghiên cứu phương pháp DJM–Deep Jet Mix Trộn phun khô sử dụng bột ximăng khô hoặc đôi khi vôi sống Giai đoạn đấu tiên thử nghiệm thành công vào năm 1980

Cũng vào năm 1976, ở Ấn Độ,Hunad S.M Etel thuộc Viện Kỹ Thuật và Công Nghệ Shri và tiếp sau đó là Swarajyamal Hunad đã nghiên cứu và đề xuất sử dụng côt vôi để xử lý nền đất yếu trương nở là loại đất phổ biến khap miền Trung Ấn Độ

Năm 1977, ở Thụy Điển Viện Địa Kỹ Thuật Thụy Điển SGI (Swedish Geotechnical Insititute) đã xuất bản lần đấu tiên cuốn sách hướng dẫn thiết kế đất trộn vôi Kỹ thuật này bao gồm việc trộn tại chỗ với tỉ lệ 6% vôi sống với đất sét mềm bằng máy khoan Kết qảu ghi nhận được là sau một năm cường độ đạt được gấp 50 lần cường độ đất chưa xử lý Các đất trộn vôi cũng trở nên thấm nước hơn đất chưa xử lý và chúng làm việc như 1 giếng cát

Năm 1983, tại Helsink Phần Lan, Eggstad xuất bản báo cáo State of the art về hiệu quả gia cố của đất trộn vôi

Đất á sét ở An Giang gia cố 10% vôi đạt được cường độ nén (28 ngày tuổi) Rn = 12.85 kG/cm2, và cường độ nén khi bão hòa nước là Rbh =7.27 kG/cm2, như vậy hệ số mềm Km=0.565 thể hiện rằng trong điều kiện ngập nước thì cường độ của đất gia cố vôi sẽ suy giảm nhiều

Đất sét Tiền Giang gia cố vôi với hàm lượng 6%, 8%và 10% đạt cường độ lần lượt là 8.3; 10.5; 11.3 (daN/cm2) Và khi nén bão hòa nước cường độ giảm sút

rất nhiều còn 4.7; 6.3; 6.8 (daN/cm2) Nghĩa là cường độ chỉ còn bằng 0.56-0.6 lần so với cường độ vật liệu khi không bão hòa nước

1.6 Nhận xét chương 1:

Phương pháp gia cố nền đất đắp bằng phương pháp trộn vôi đã được sử dụng phổ biến trên thế giới, nhưng ở Việt Nam chưa được sử dụng rộng rãi Đây là giải pháp hữu ích, không cần tốn nhiều thời gian chất tải nhưng vẫn tăng cường độ ổn định của nền

Các chỉ tiêu về cường độ, biến dạng phụ thuộc vào thời gian, loại đất nền, hàm lượng hữu cơ, độ pH, thành phần hạt, hàm lượng và loại vôi sử dụng

Với các loại đất khác nhau thì hàm lượng vôi khác nhau, cường độ của đất gia cố chỉ bắt đầu gia tăng khi hàm lượng vôi Mức độ tăng nhanh của cường độ ở 28 ngày và tốc độ tăng này sẽ giảm dần theo thời gian

Dựa trên các nghiên cứu trong và ngoài nước về tương quan giữa hàm lượng vôi – cường độ đất, có thể dự đoán tương đối kết quả đối với công trình nghiên cứu cho đất trộn vôi ở khu vực Thành phố Cần Thơ

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ỔN ĐỊNH MÁI DỐC VÀ TƯƠNG TÁC GIỮA CÁC VẬT LIỆU TRONG HỖN HỢP ĐẤT TRỘN VÔI

2.1 Thành phần của vôi

Canxi hyđroxit là một hợp chất hóa học với công thức hóa học Ca(OH)2 Nó là một chất dạng tinh thể không màu hay bột màu trắng, và thu được khi cho Canxi ôxít tức vôi sống (quick lime) hay tác dụng với nước cho Canxi hydroxyt gọi là vôi tôi (hydrate lime) Nó cũng có thể kết tủa xuống khi trộn dung dịch chứa Canxi clorua (CaCl2) với dung dịch chứa Natri hiđroxit (NaOH) Tên gọi dân gian của canxi hiđroxit là vôi tôi hay đơn giản chỉ là vôi Tên gọi của khoáng chất tự nhiên chứa canxi hiđroxit là portlandit

Nếu bị nung nóng tới 512°C, thì canxi hiđroxit bị phân hủy thành ôxít canxi và hơi nước Thể vẩn của các hạt hyđroxyt canxi rất mịn trong nước gọi là vôi sữa Dung dịch chứa canxi hiđroxit gọi chung là vôi nước và có tính bazơ trung bình-mạnh, có phản ứng mạnh với các axít và ăn mòn nhiều kim loại khi có mặt nước Nó trở thành dạng sữa nếu điôxít cacbon đi qua đó, do sự kết tủa của Canxi cacbonat mới tạo ra

Đặc tính của vôi sử dụng gia cố đất yếu được thể hiện trong bảng 1

Bảng 2.1 Tính chất của vôi sống và vôi tôi

Vôi sống

Thành phần chủ yếu

Tỷ lệ Calcitic Lime, %

CaO

Tỷ lệ Dolomitic Lime, %

CaO.MgO CaO 92.25 - 98.00 55.50 - 57.50

Fe2O3 0.10 - 0.40 0.05 - 0.40 Al2O3 0.10 - 0.50 0.05 - 0.50

Tỷ trọng hạt 3.2 – 3.4 3.2 - 3.4 Khối lượng thể tích 880 - 960 kg/m3 880 - 960 kg/m3

Vôi tôi

Thành phần chủ yếu

Tỷ lệ Calcitic Lime, %

Ca(OH)2

Tỷ lệ Dolomitic Lime, % Ca(OH)2⋅MgO Tỷ trọng hạt 2.3 - 2.4 2.7 - 2.9 Khối lượng thể tích 400 - 560 kg/m3 400 - 560 kg/m3

2.2 Cơ sở để cải tạo đất bằng phương pháp trộn vôi [2]

Cường độ của đất khi trộn với vôi gia tăng nhờ vào ba phản ứng: - Sự mất nước của đất

- Sự trao đổi ion - Phản ứng pozzolanic Phản ứng carbonat hóa cũng làm tăng cường độ của đất, tuy nhiên nhỏ không đáng kể Sự mất nước, sự kết tụ ( sự trao đổi ion) xảy ra trong thời gian ngắn, trong khi đó sự xi măng hóa và carbonat hóa xảy ra trong thời gian dài Hiệu quả của đất trộn vôi khá rõ ràng cho nên vôi được dùng như một chất phụ gia để cải tạo đất Tác nhân tự nhiên làm tăng độ bền cho đất dính là calcium hydroxide, vôi ngậm nước hoặc vôi tôi Bản thân calcium hydroxide không phải chất kết dính nhưng nó tạo ra chất kết dính (chủ yếu là calcium silicate hydrate) bằng phản ứng với silicate trong khoáng sét của đất dính

Việc gia cố bùn sét hữu cơ, bùn sét pha, sét pha bằng vôi được giải thích là do tác dụng tương hỗ hoạt tính hoá học và hoá lý của phần nhôm silicat của đất với vôi Do đó hoạt tính hoá học, lý học của phần phân tán mịn của đất được xem như một dự trữ tiềm năng để nâng cao cường độ đất gia cố Nếu sử dụng đúng và khéo léo tiềm năng này thì có thể đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật cao và chỉ tốn một lượng tương đối nhỏ chất liên kết

Để gia cố đất thường dùng vôi bột, vôi tôi hoặc loại vôi chưa tôi kỵ nước Đối với vôi tôi hiệu quả lớn nhất khi trộn nó vào sét sỏi, còn vôi bột có hiệu quả khi trộn vào đất quá ẩm Có thể sử dụng vôi như một chất liên kết độc lập hoặc như một chất phụ gia hoạt tính khi gia cố đất quá ẩm Giáo sư Vuutx đã tiến hành nghiên cứu nhiều mặt về hiệu quả của vôi đối với việc gia cố đất và thấy rằng tính dẻo của hầu hết các loại đất bị giảm xuống hoặc bị mất, lực dính tăng 1,5 - 3 lần

2.2.1 Sự thủy hợp

Khi vôi sống (CaO) trộn với đất thì phát sinh một lượng nhiệt rất lớn do quá trình thủy hợp giữa vôi với nước trong lỗ rỗng, lúc đó nhiệt độ trong đất gia tăng

một cách đáng kể khiến cho nước trong lỗ rỗng phải sôi lên Độ ẩm trong đất giảm nhanh chóng do vôi hút nước trong quá trình thủy hợp Theo Assarson (1974) thì quá trình thủy hợp cần một lượng nước 0,3kg cho mỗi kg CaO (vôi sống) Hơn nữa, khi nhiệt độ gia tăng thì nước bốc hơi cho nên nước trong lỗ rỗng giảm Việc giảm nước trong lỗ rỗng rất có ý nghĩa trong việc xử lý nền sét yếu Vì vậy muốn giảm nước trong lỗ rỗng thì phải trộn vôi sống (vôi chưa tôi) với đất thay vì calcium hydroxide Điều quan trọng là nước trong đất sét phải đủ để hoàn tất việc tôi vôi sống Hơn nữa, để có thể trao đổi ion giữa những ion calcium của vôi tôi và những ion akali của khoáng sét thì nước trong đất sau khi bốc hơi phải còn đủ cho sự trao đổi này Ngoài ra, nhiệt phát sinh và thể tích vôi giãn nở ảnh hưởng đến quá trình cố kết của nền Phản ứng thủy hợp của vôi sống:

Cao + H2O  Ca(OH)2 + Nhiệt (280 Cal/gm CaO) Calcium hydroxide, Ca(OH)2 làm gia tăng tính điện ly và độ pH, đồng thời làm tan SiO2 và Al2O3 từ hạt sét

Ca(OH)2  Ca++ + 2(OH)- Sự gia tăng độ điện ly, độ pH và sự hòa tan SiO2 và Al2O3 dẫn đến sự trao đổi ion, sự kết tủa và các phản ứng pozzalan

Calcium hydroxide tham gia vào phản ứng thủy hóa với thành phần SiO2 có trong khoáng vật của đất sét để tạo ra hydroxide silicat canxi CaO.SiO2.(n+1)H2O, chất này tồn tại ở dạng kết tinh và biến cứng

Ca(OH)2 + SiO2 + nH2O  CaO.SiO2.(n+1)H2O Ca(OH)2 + Al2O3.2SiO2 + mH2O  CaO Al2O3 .2SiO2.(m+1)H2O Quá trình trên diễn ra liên tục và lâu dài tạo ra cấu trúc kết tinh Đặc điểm của cấu trúc kết kinh là cường độ cao và ổn định với nước Trong hai phương trình trên thì phương trình đầu quan trọng hơn vì trong nhóm khoáng sét chủ yếu có hàm lượng SiO2 , còn hàm lượng Al2O3.2SiO2 rất nhỏ Nếu làm tặng độ hòa tan các thành phần SiO2 và Al2O3.2SiO2 trong đất thì sẽ làm tăng đáng kể độ bền của đất gia cố

Một phần Calcium hydroxide được tạo thành tác dụng với CO2 có trong phá khí của đất tạo thành CaCO3 nhưng với thời gian dài, CaCO3 cũng gắn kết các thành phần của pha rắn lại với nhau Phương trình phản ứng như sau:

Ca(OH)2 + CO2  CaCO3 + H2O

Như vậy các quá trình hóa học, lý học xảy ra giữa đất với vôi có tác dụng tương hỗ nhau hình thành nên độ bền của đất gia cố Đóng vai trò quan trọng nhất của các quá trình trên là hydrosilicatcanxi

2.2.2 Sự trao đổi ion và sự kết đám

Khi trộn vôi với đất sét, các cation sodium và những ion khác sẽ bị hấp thu ở bề mặt hạt khoáng và trao đổi với calcium Sự trao đổi ion ảnh hưởng đến cấu trúc của hạt sét Sau khi trộn chừng vài phút đến vài giờ, vôi sẽ bị biến đổi do sự hiện diện của carbonic acid (H2CO3) ở trong đất (Kezdi, 1979) Carbonic acid sinh ra từ phản ứng giữa cabonic dioxide có trong khí ở trong đất và nước tự do Phản ứng này đã tách vôi thành những ion Ca++

hay Mg++ hoặc (OH)- và những ion này lại làm thay đổi lực hút tĩnh điện ở bề mặt hạt khoáng, lúc đó sự biến đổi cấu trúc hạt đất bắt đầu Các hạt đất kết đám và vón cục thành những hạt có kích thước lớn hơn, đồng thời giới hạn dẻo gia tăng Chỉ số dẻo của sét giảm làm tăng cường độ cũng như độ cứng của đất sét Sự thay đổi cấu trúc hạt đất là hậu quả của quá trình trao đổi cation do những ion calcium lưỡng cực trong nước thay chỗ cho những ion alkali đơn cực bám trên bề mặt tích điện âm cuả hạt sét (Assarson 1974) Chính sự trao đổi này đã dẫn đến sự kết đám của hạt đất

Ca++ + Sét  Ca++ trao đổi với những ion đơn cực ( K+, Na+) Một cách tổng quát, những cation có tính kim loại cao sẽ thay chỗ cho những cation có tính kim loại thấp thường gặp trong đất sét và đươc sắp xếp theo thứ tự như sau: Na+

< K+ < Ca++ < Mg++ Sự tập trung các ion Ca++ trên bề mặt hạt sét sẽ tạo nên sự kết đám Khả năng trao đổi cation phụ thuộc rất nhiều vào độ pH của nước trong đât và loại khoáng của đất sét Trong các loại khoáng của sét thì Momorillnite có khả năng trao đổi cation lớn nhất còn Kaolinite có khả năng nhỏ nhất (Assarson 1974) Brandl (1981) đã cho rằng khả năng trao đổi cation không phải là tiêu chuẩn để đánh giá hoạt tính của đất với vôi mà thay vào đó đề nghị dùng hàm lượng silicat làm tiêu chuẩn đánh giá

2.2.3 Phản ứng Pozzolanic

Cường độ chống cắt của đất trộn vôi sẽ tăng dần theo thời gian nhờ phản ứng pozzolanic Calcium hydroxide trong nước lỗ rỗng phản ứng với silicate và aluminate (pozzolanic) có trong đất để tạo thành chất xi măng gồm calcium silicate hoặc aluminate hydrate Những ion Ca++ trong nước phản ứng với SiO2 với Al2O3trên bề mặt hạt khoáng và tạo ra một chất quánh có khả năng liên kết các hạt lại với nhau

Ca++ + 2(OH)- + SiO2  CSH (Hydrated Calcium Silicate) Ca++ + 2(OH)- + Al2O3  CAH (Hydrated Calcium Aluminate ) Chất quánh hydrated calcium silicate và calcium aluminate hydrate kết dính các hạt đất lại với nhau giống như quá trình thủy hợp của xi măng porland Tuy nhiên quá trình vôi trờ thành xi măng là phản ứng xảy ra rất chậm, đòi hỏi thời gian dài hơn nhiều so với quá trình thủy hợp của xi măng Phản ứng chỉ thực sự xảy ra sau vài ngày trộn vôi với đất (Assarson 1974) và kéo dài từ một năm đến năm năm Xu hướng phản ứng với vôi phụ thuộc vào độ pH của nước trong đất Tốc độ phản ứng cũng gia tăng khi nhiệt độ gia tăng

2.2.4 Sự carbonat hóa

Vôi phản ứng với carbon dioxide có trong không khí hoặc trong đất Phản ứng này tạo nên những xi măng yếu, chẳng hạn như calcium carbonate hoặc magnesium carbonate thay vì tạo ra CSH hay CAH Cường độ của chứng không đáng kể, có thể bỏ qua [Broms, 1984]

2.3 Bản chất độ bền của đất

Độ bền theo nghĩa rộng là khả năng chống lại sự phá hoại Trong trường hợp tổng quát, sự phá hoại của đất có thể do các lực khác nhau (cơ học, thủy học,…) Do đó, người ta chia các kiểu độ bền của đất theo bản chất tác dụng phá hoại Theo mục đích nghiên cứu Địa kỹ thuật, ưu tiên trước nhất là làm rõ độ bền cơ học của đất, tức là khả năng chống lại sự phá hoại dưới tác dụng ứng suất cơ học Hơn nữa, nếu như các đặc trưng biến dạng của đất được xác định trong điều kiện ứng suất chưa gây phá hoại (giá trị ứng suất tới hạn) thì các thông số độ bền của đất tương ứng với các giá trị ứng suất tới hạn gây phá hoại và được xác định với tải trọng giới hạn làm vật thể bị vỡ vụn, mất liên tục hoặc biến dạng hình dạng không phục hồi hay chảy dẻo

Bản chất vật lý độ bền của đất được xác định bằng các lực tương tác giữa các thành phần cấu trúc – tinh thể, hạt, mảnh vụn,… – tức là phụ thuộc vào dạng và đặc điểm liên kết cấu trúc

2.3.1 Tiêu chuẩn và thông số độ bền của đất

Độ bền của đất được xác định khi có ứng suất cơ học tới hạn tác dụng lên chúng làm phá hoại mẫu đất Các dạng ứng suất tác dụng lên mẫu đất thí nghiệm có thể khác nhau (ứng suất pháp, tiếp, thể tích hay tổ hợp của chúng) Giá trị độ bền của đất có thể được chọn lựa căn cứ vào dạng ứng suất tới hạn khác nhau hoặc quan hệ của chúng Ngoài ra, điều kiện gia tải lên mẫu có thể khác nhau (với vận tốc khác

nhau, chu kỳ khác nhau,…) Vì vậy, để đánh giá độ bền của đất thường sử dụng lý thuyết trạng thái giới hạn (các giả thiết cơ bản của lý thuyết cân bằng giới hạn là các công trình nghiên cứu của Coulomb (1773), Rankine (1857), Mohr, Prandlt (1920) Theo các lý thuyết này, người ta xác định các thông số giá trị tới hạn (giới hạn) nào đó của ứng suất mà nó không gây phá hoại mẫu đất Các giá trị giới hạn của ứng suất đó tương ứng với các loại hình trạng thái ứng suất khác nhau diễn ra trong đất và đặc trưng bởi các giá trị ứng suất chính 1, 2, 3 Hình thức thể hiện trạng thái ứng suất thường được xét trong các bài toán Địa kỹ thuật có thể là: nén một trục (1> 0, 2 = 3 = 0), kéo một trục (1 < 0, 2 = 3 = 0), trượt phẳng (> 0, τ > 0) và nén ba trục (1 ≠ 2 = 3)

Khi nén một trục, độ bền của đất được đánh giá thông qua giá trị sức chịu nén đơn (qu) xác định theo biểu thức sau:

AP

u 

(2.1) Độ bền nén đơn qu tương ứng với tiêu chuẩn bền Galilée (lý thuyết đầu tiên về độ bền)

Mẫu đất trộn vôi và sau khi bảo dưỡng tồn tại độ bền cấu trúc do các liên kết vôi cứng Trong thực tế, khi biến dạng của mẫu đạt giá trị nào đó các liên kết này bị phá hoại và độ bền của mẫu giảm rất nhanh Việc xác định các đặc trưng độ bền của mẫu đất trộn vôi thường được thực hiện bằng thí nghiệm nén đơn trục không hạn chế nở hông

RC.



Từ các cặp (i,i) ta sẽ vẽ được đường thẳng    tg c Và từ hình vẽ này ta sẽ xác định được c,  của mẫu đất (H.2.1)

Hình 2.1 Phương pháp xác định sức chống cắt

Hay khi n ≥ 6 xác định c,  bằng phương pháp bình phương cực tiểu

2.4 Cơ sở lý thuyết của ổn định mái dốc [10][11]

2.4.1 Ổn định không thoát nước của mái dốc

Để phân tích ổn định không thoát nước ta có thể phân tích thong qua ứng suất tổng φu = 0 Trường hợp này có thể dung cho các trường hợp mái dốc mới đắp hay mới đào trong đất sét hoàn toàn bão hòa Vì φu = 0 nên độ bền chống cắt không thoát nước τu = cu

Giả thuyết mặt cắt của mặt phá hoại có dạng cung tròn và thường được xem là cung trượt tâm của cung trượt giới hạn ở một nơi nào đó bên trên đỉnh mái dốc Cung trượt giới hạn là một trong số vô hạn cung khã dĩ vẽ được bán kinh và tâm khác nhau (hình 2.2) Một số cung sẽ đi qua chân mái dốc và một số khác sẽ cắt mặt đất ở phía trước chân mái dốc

Hình 2.2 Các cung trượt có tâm và bán kính khác nhau

Cung giới hạn là một cung mà dọc theo nó phá hoại dễ xảy ra nhất và có hệ số an toàn thấp nhất chọn một số cung thử và việc phân tích được lặp lại cho mỗi cung cho đến khi nhận được hệ số an toàn thấp nhất

Hình 2.3 cho thấy mặt cắt ngang của một mái dốc cùng với một cung thử có bán kính R,tâm O và moment phá hoại Wd Sự mất ổn định có xu hướng làm vật thể có trọng lượng W nằm trên cung trượt dịch chuyển

Hình 2.3 Cung trượt phân tích theo ứng suất tổng (φu = 0)

Xu hướng dịch chuyển bị cản lại bởi moment của độ bền chống cắt được huy động dọc theo cung tròn AB

Chiều dài cung: AB = R.θ Lực kháng cắt dọc theo cung: AB = cu R.θ Moment kháng cắt = cu.R2.θ

Hệ số an toàn FS tính theo:

Wd

Rc

Trong đất dính, khi điều kiện cân bằng giới hạn biểu lộ, có xu hướng hình thành khe nứt căng gần đỉnh mái dốc Độ sâu của khe nứt căng có thể tính theo công thức

c

2

Sự phát triển của cung trượt được kết thúc ở độ sâu khe nứt căng và chiều dài cung trượt thực tế là AC (hình 2.4)

Hình 2.4 Ảnh hưởng của khe nứt căng trong phân tích ứng suất tổng

Nếu trong khe nứt căng chứa đầy nước thì phải xét thêm đến lực thủy tĩnh Pwtheo phương ngang:

205

Hệ số an toàn:

P

Wd

RcFS

cw

cu



Đất thực sự đồng nhất sẽ có cùng độ bền cắt không thoát nước cu tại tất cả các điểm trong toàn bộ khối cắt Mặc dù chắc chắn là điều kiện như vậy chỉ tồn tại trong lý thuyết, nhưng đối với một số trường hợp nhất định việc giả thuyết cu là hằng số có thể giúp cho việc đánh giá hệ số an toàn hợp lý Tuy nhiên thực tế có những trường hợp đất không đồng nhất như:

+ Có hai hay nhiều lớp đất khác nhau rõ rệt + Trong một lớp đất có độ bề cắt biến đổi đáng kể theo độ sâu

Bài toán nhiều lớp:

Dạng mái dốc nhiều lớp phổ biến xảy ra khi đổ hay đắp một loại đất trên bề mặt đã tồn tại trước của đất khác nhau để tạo thành khối đắp (hình 2.5a) Hệ nhiều lớp có thể bộc lộ khi hố móng đào qua trầm tích phân lớp (hình 2.5b) Dạng bài toán này chủ yếu phụ thuộc vào giá trị so sánh cu trong đất ở cả hai phía của mặt phân lớp Ở nơi đất có độ bền cắt tương đồi giống nhau có thể dung cách phân tích ứng suất tổng như trên

Hình 2.5 Mái dốc nhiều lớp a) Khối đắp hay đổ b) Đào trong trầm tích phân lớp

Hình 2.6 Cung trượt của mái dốc nhiều lớp

Hệ số an toàn:

dWdW

cc

RFS

BBAA

BuBAuA

(

2





Hình 2.7 Ảnh hưởng của một lớp đất cứng nằm bên dưới

2.4.3 Mái dốc ngập nước

Trong trường hợp khối đắp chắn nước như đập đất, bờ kênh, bờ hồ và công trình tương tự, thì một phần hoặc đôi lúc toàn bộ mái dốc bị ngập nước Hình 2.8 cho thấy mái dốc bị ngập nước một phần, đôi với trường hợp mái dốc bị ngập nước một phần có thể suy ra moment với O của khối nước trong nửa cung EFH cân bằng moment với O của khối nước trong nủa cung tròn còn lại FGH Vì thế moment áp lực nước thực bằng không tạo cho đất bảo hòa Trong trường hợp này trọng lượng phần khối trượt ở dưới EFG được tính trên cơ sở trọng lượng đơn vị ngập nước (γsat - γw) Ở phần trên vẫn dùng trọng lượng γ

Hình 2.8 Ảnh hưởng của mái dốc ngập nước

Về ảnh hưởng đến hệ số an toàn của mái dốc ngập nước thì do nước tồn tại ở phần mái dốc ngập nước tạo ra thành phần moment kháng phụ, vì thế hệ số an toàn tăng lên khi mực nước dâng cao và giảm xuống khi mực nước hạ thấp

2.4.4 Phương pháp mặt trượt trụ tròn W.FELLENUS Các giả thuyết

Giả sử mặt trượt là dạng trượt trụ tròn Các lực giữa các mảnh bằng nhau và ngược chiều nên triệt tiêu lẫn nhau,có nghĩa là E = 0 và X = 0