Luận văn thạc sĩ Địa kỹ thuật xây dựng: Phân tích tính toán độ lún nền đắp trên nền đất yếu được gia cố bằng cột đất trộn xi măng

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:  Phân tích, tính toán độ lún do tải đắp lên nền đất yếu được gia cố bằng cột đất trộn xi măng thông qua công trình thực tế  Một số kết luận và kiến nghị 2... Chư

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại

HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Ngày 27 tháng 08 năm 2014

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Lê Bá Vinh

2 PGS.TS Tô Văn Lận 3 TS Đỗ Thanh Hải 4 TS Lê Bá Vinh 5 TS Nguyễn Cảnh Tuấn Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa

PGS.TS Châu Ngọc Ẩn TS Nguyễn Minh Tâm

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: ĐINH HỮU DỤNG MSHV: 12090352 Ngày, tháng, năm sinh: 09/05/1987 Nơi sinh: THANH HÓA Chuyên ngành: Địa Kỹ Thuật Xây Dựng Mã số : 605860

I TÊN ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN ĐỘ LÚN NỀN ĐẮP TRÊN NỀN ĐẤT YẾU ĐƯỢC GIA CỐ BẰNG CỘT ĐẤT TRỘN XI MĂNG

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

 Phân tích, tính toán độ lún do tải đắp lên nền đất yếu được gia cố bằng cột đất trộn xi măng thông qua công trình thực tế

 Một số kết luận và kiến nghị

2 Nội dung

Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính toán gia cố nền đất yếu bằng cột đất trộn xi măng Chương 3: Nghiên cứu thí nghiệm trong phòng về tính toán biến dạng của nền đất yếu được gia cố bằng cột đất trộn xi măng

Chương 4: Phân tích, tính toán độ lún do tải đắp lên nền đất yếu được gia cố bằng cột đất trộn xi măng

Kết luận và kiến nghị

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 20/01/2014 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/06/2014 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS LÊ BÁ VINH

Nội dung và yêu cầu của luận văn đã được thông qua bộ môn

Tp HCM, ngày tháng năm 2014

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

TS NGUYỄN MINH TÂM

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới Thầy hướng dẫn luận văn của tôi, TS Lê Bá Vinh, người đã luôn ủng hộ và tận tình hướng dẫn Tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn Nếu không có sự hỗ trợ của Thầy thì luận văn này sẽ không thể hoàn thành

Tôi muốn gửi lời cám ơn đến tất cả quý Thầy, Cô trong bộ môn Địa Cơ Nền Móng, những người đã truyền đạt cho Tôi nhiều kiến thức quý báu trong quá trình học tập và nghiên cứu khoa học ở trường

Tôi muốn gửi lời cảm ơn đến Phòng đào tạo sau đại học - Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện thuận lợi cho Tôi hoàn thành khóa học này

Sau cùng tôi xin gửi lời cám ơn đến gia đình, bạn bè đã luôn tạo điều kiện và giúp đỡ Tôi trong suốt quá trình học tập cũng như thực hiện luận văn

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân tôi, được thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS.Lê Bá Vinh

Học viên thực hiện

Đinh Hữu Dụng

đất trộn xi măng

Giải pháp dùng hệ thống cột đất trộn xi măng thường được sử dụng để cải thiện các đặc tính của đất yếu, làm tăng cường độ và sức kháng cắt của đất Công nghệ này đã được ứng dụng rất rộng rãi để giải quyết các vấn đề địa kỹ thuật như nâng cao độ ổn định của nền đắp, tăng ổn định cho mái dốc, giữ thành hố đào…Có thể sử dụng trong các loại đất đất loại sét, đất hữu cơ Công nghệ này chủ yếu làm tăng cường độ, giảm độ lún của nền đất được gia cố

Trong phần thứ nhất, tác giả tập trung phân tích sự biến đổi về tính nén lún, hệ số thấm và cường độ của cột đất trộn xi măng theo hàm lượng xi măng và thời gian bảo dưỡng khác nhau bằng các thí nghiệm trong phòng

Trong phần thứ hai, tác giả xây dựng mô hình thí nghiệm để đánh giá biến dạng lún của nền đất yếu được gia cố bằng hệ thống cột đất trộn xi măng Dựa trên kết quả quan trắc độ lún theo các cấp áp lực nén khác nhau, tiến hành so sánh với kết quả tính toán theo các phương pháp giải tích để làm rõ ảnh hưởng của ma sát giữa khối gia cố với nền đất xung quanh

Mục đích là xác định sự biến đổi của các chỉ tiêu về cường độ, biến dạng, tính thấm của cột đất trộn xi măng và đưa ra kiến nghị hàm lượng xi măng đất tối ưu cho loại đất nghiên cứu Dựa trên kết quả quan trắc độ lún theo các cấp áp lực nén khác nhau, tiến hành so sánh với kết quả tính toán theo các phương pháp giải tích để làm rõ ảnh hưởng của ma sát giữa khối gia cố với nền đất xung quanh

Từ khóa: mô hình thí nghiệm, tỷ lệ trộn, hàm lượng xi măng, modulus đàn hồi, nén

một trục, nén cố kết, hệ số cố kết

loading on soft soil reinforced with soil cement column

Conventional deep soil mixing techniques are often used to improve soft soil properties in terms of their settlement, bearing capacity and shear strength characteristics This technique has a wide range of applications such as improvement of embankment stability, slope stability, braced excavation…which can be performed in different soils like clays and peats The system is mainly designed to increase strength and reduce compressibility of treated soil

The first part of this study, the author analyse the compressibility, coefficient of permeability and shear strength of soft soils reinforced by cement with different cement contents and curing times

The second part of this study, the author carried out model experiments to evaluate the deformation of soft ground reinforced by soil cement columns From comparison between the analytical analysis and test results under inclined loads, the effects of friction between the reinforcement block and surrounding soft soils can be analyzed

The aim for this project was to determine the variation of the strength, deformation, and permeability characteristic of soil cement columns and outputting optimum mixture ratio From comparison between the analytical analysis and test results under inclined loads, the effects of friction between the reinforcement block and surrounding soft soils can be analyzed

Keywords: laboratory model, mixture ratio, cement content, elastic modulus,

unconfined compression test, consolidation test, coefficient of consolidation

MỞ ĐẦU 1

1.Đặt vấn đề…… 1

2.Mục tiêu nghiên cứu 2

3.Ý nghĩa khoa học của đề tài 2

4.Phạm vi nghiên cứu 3

5.Phương pháp nghiên cứu 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỘT ĐẤT TRỘN XI MĂNG 5

1.1 Giới thiệu về cột đất trộn xi măng 5

1.2 Lịch sử phát triển của cột xi măng đất 5

1.3 Ứng dụng của cột đất trộn xi măng 7

1.4 Các kiểu bố trí điển hình 10

1.5 Phương pháp thi công cột đất trộn xi măng 11

1.6.Các kết quả nghiên cứu liên quan 14

1.7.Kinh nghiệm lựa chọn tỷ lệ xi măng-đất hợp lý 22

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỘT ĐẤT TRỘN XI MĂNG 25

2.1Cơ sở lý thuyết của phương pháp gia cố nền đất yếu bằng cột đất trộn xi măng ……… 25

2.2 Các phương pháp tính toán gia cố nền bằng cột đất trộn xi măng 28

2.3 Tính toán sự phân bố ứng suất lên cột đất trộn xi măng 40

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM TRONG PHÒNG VỀ TÍNH TOÁN BIẾN DẠNG CỦA NỀN ĐẤT YẾU ĐƯỢC GIA CỐ BẰNG CỘT ĐẤT TRỘN XI MĂNG 45

3.1 Vật liệu và tiêu chuẩn thí nghiệm 45

3.2 Thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của đất tự nhiên 47

3.3 Thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của mẫu xi măng đất 48

3.4 Thí nghiệm mô hình nền đất yếu được gia cố bằng cột đất trộn xi măng 68

4.1 Ứng dụng giải pháp cột đất – xi măng cho đoạn từ km 3 + 400 đến km 4 + 200 thuộc dự án đường Mậu Thân – sân bay Trà Nóc, Cần Thơ 91 4.2 Phân tích độ lún của nền gia cố bằng cột đất trộn xi măng 100

(d) kiểu kẻ ô (Anand J Puppala et al, 2008) 10

Hình 1.2: Sơ đồ thi công theo phương pháp trộn khô (http://www.djm.gr.jp) 13

Hình 1.3 Quan hệ giữa tỷ lệ xi măng với đất và cường độ của xi măng-đất (Lin 2000) 16

Hình 1.4: Sức kháng cắt không thoát nước của cột vôi/xi măng (Kivelo 1997) 17

Hình 2.1: Sơ đồ tính toán biến dạng 31

Hình 2.2: Sơ đồ tính toán biến dạng 37

Hình 3.1: Vải địa kỹ thuật PPW 150 47

Hình 3.2: Mẫu đất trộn xi măng trong thí nghiệm nén đơn (a); Mẫu đất trộn xi măng trong thí nghiệm nén cố kết (b); Mẫu đất trộn xi măng trong thí nghiệm thấm (c); Mẫu đất trộn xi măng sau khi gia công 2 mặt (d) 50

Hình 3.3: Máy trộn xi măng-đất (a), thùng bảo dưỡng mẫu (b) 51

Hình 3.4: Khuôn dùng để gia công mặt mẫu (a), mẫu khi gia công xong (b) 52

Hình 3.5: Thước kẹp (a), mẫu sau khi gia công 2 mặt (b), máy nén 1 trục (c) 53

Hình 3.6: Quan hệ giữa cường độ kháng nén qu và tỷ lệ xi măng/đất 54

Hình 3.7: Quan hệ giữa cường độ kháng nén qu và thời gian bảo dưỡng mẫu 55

Hình 3.8: Quan hệ giữa modulus đàn hồi và tỷ lệ xi măng/đất 56

Hình 3.9: Quan hệ giữa modulus đàn hồi E50 và thời gian bảo dưỡng mẫu 57

Hình 3.10: Quan hệ giữa biến dạng khi mẫu phá hủy và tỷ lệ xi măng-đất 58

Hình 3.11: Quan hệ giữa biến dạng khi mẫu phá hủy và thời gian bảo dưỡng 59

Hình 3.12: Máy nén cố kết (a); Mẫu nén cố kết (b) 61

Hình 3.13: Mối quan hệ giữa chỉ số nén và tỷ lệ xi măng-đất 63

Hình 3.14: Mối quan hệ giữa chỉ số nở và tỷ lệ xi măng-đất 64

Hình 3.15: Cấu tạo bộ dụng cụ thấm Nam Kinh 65

Hình 3.16: Mẫu thí nghiệm thấm (a); Bộ thí nghiệm thấm Nam Kinh (b) 66

Hình 3.17: Quan hệ giữa hệ số thấm và hàm lượng xi măng 67

Hình 3.18: Máy trộn chế bị lại mẫu đất (a); Đất sau khi trộn xong (b) 71

Hình 3.19: Mô hình thí nghiệm 71

Hình 3.22: Mối quan hệ giữa áp lực nén và độ lún sau 24 giờ 76

Hình 3.23: Phân tích lún theo Asaoka 77

Hình 3.24: Kết quả phân tích theo Asaoka ở cấp áp lực 0.5 kgf/cm2 79

Hình 3.25: Kết quả phân tích theo Asaoka ở cấp áp lực 1.0 kgf/cm2 80

Hình 3.26: Kết quả phân tích theo Asaoka ở cấp áp lực 1.5 kgf/cm2 81

Hình 3.27: Kết quả phân tích theo Asaoka ở cấp áp lực 2.0 kgf/cm2 82

Hình 3.28: Kết quả phân tích theo Asaoka ở cấp áp lực 2.5 kgf/cm2 83

Hình 3.29: Kết quả phân tích theo Asaoka ở cấp áp lực 3.0 kgf/cm2 84

Hình 3.30: Kết quả phân tích theo Asaoka ở cấp áp lực 4.0 kgf/cm2 85

Hình 3.31: Mối quan hệ giữa hệ số cố kết, hệ số thấm theo từng cấp áp lực nén 86

Hình 3.32: Mối quan hệ giữa hệ số thấm Kv và áp lực nén 87

Hình 3.33: Độ lún cuối cùng tính theo một số phương pháp 90

Hình 4.1: Đường Mậu Thân-sân bay Trà Nóc sau khi hoàn thành 92

Hình 4.2 Mặt cắt ngang đại diện 93

Hình 4.12 Biểu đồ chuyển vị theo thời gian tại tim đường 109

Hình 4.13 Cấu tạo, vị trí đặt móc quan trắc lún 110

Hình 4.14 Sơ đồ bố trí cọc quan trắc lún 111

Hình 4.15 Mặt bằng bố trí quan trắc công trình trình 112

Hình 4.17 Biểu đồ so sánh kết quả quan trắc lún và kết quả từ Plaxis tại mép đường

Bảng 1.2: Một số công trình sử dụng cột đất trộn xi măng ở Việt Nam 9

Bảng 1.3: Mối quan hệ giữa E50 và qu theo một số tác giả 19

Bảng 1.4: Tỷ lệ xi măng/đất tối ưu tương ứng với các loại đất khác nhau (Mitchell and Freitag, 1959) 23

Bảng 1.5: Tỷ lệ xi măng/đất với các loại đất khác nhau theo hệ thống phân loại Unified (Mitchell and Freitag, 1959) 23

Bảng 3.1: Chỉ tiêu cơ lý của xi măng (http://www.holcim.com.vn) 46

Bảng 3.2: Bảng đặc trưng cơ lý của mẫu đất nghiên cứu 48

Bảng 3.3: Cường độ kháng nén qu của từng hàm lượng xi măng/đất 54

Bảng 3.4: Quan hệ giữa Modulus đàn hồi và tỷ lệ xi măng-đất 56

Bảng 3.5: Mối quan hệ giữa modulus đàn hồi và cường độ kháng nén 57

Bảng 3.6: Quan hệ giữa biến dạng của mẫu khi phá hủy và ac 58

Bảng 3.7: Cấp áp lực nén trong thí nghiệm nén cố kết mẫu xi măng-đất 61

Bảng 3.8: Quan hệ giữa chỉ số nén (Cc) chỉ số nở (Cs) với ac 63

Bảng 3.9: Cấp áp lực để cố kết lớp đất trong mô hình 70

Bảng 3.10: Tính chất của mẫu đất sau khi chế bị 70

Bảng 3.13: Kết quả thí nghiệm trên mô hình 75

Bảng 3.14: Giá trị modulus biến dạng của khối gia cố theo từng cấp áp lực nén 78

87

Bảng 3.15: Kết quả tính lún theo các phương pháp giải tích 89

Bảng 3.16: Độ lún cuối cùng tính theo các phương pháp 89

Bảng 4.1: Chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất 95

Bảng 4.2 Phân vùng bố trí cột đất trộn ximăng để gia cố nền 98

Bảng 4.3 Bảng tính lún của khối đất bên dưới khối gia cố 101

Bảng 4.3 Bảng tính lún của khối đất bên dưới khối gia cố 103

Bảng 4.4: Số liệu quan trắc thực tế độ lún của nền gia cố tại Km3+580 111

Bảng 4.5: Mối quan hệ giữa hệ số giảm ứng suất và chiều dài cột đất trộn xi măng 116

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Xây dựng công trình trên nền đất yếu đặt ra cho các kỹ sư Địa kỹ thuật những thách thức lớn, đặc biệt là khi xây dựng trên những công trình chịu tải trọng lớn, tải trọng động như: công trình cảng, công trình giao thông, công trình bến bãi, kho xưởng, các công trình xây dựng dân dụng…

Giải pháp dùng hệ thống cột đất trộn xi măng để gia cố nền đất yếu là một phương pháp phổ biến ở Việt Nam và trên thế giới Hiện nay, vấn đề sức chịu tải, biến dạng và tính thấm của nền đất được gia cố bằng cột đất trộn xi măng vẫn còn là vấn đề tranh luận nhiều Phương pháp truyền thống xem mô hình hệ cột gia cố và đất nền xung quanh như là một thể thống nhất, với giả thiết là chuyển vị thẳng đứng của hệ cột và đất nền xung quanh là bằng nhau Vì độ cứng của cột lớn hơn rất nhiều so với độ cứng của đất nền, nên sẽ xuất hiện sự tập trung ứng suất khá lớn ở đầu cột và sự giảm ứng suất ở khu vực đất nền xung quanh cột Sự tập trung ứng suất này được đánh giá bằng hệ số tập trung ứng suất (n) hoặc hệ số giảm ứng suất (SRR) Giá trị của hệ số tập trung ứng suất phụ thuộc vào mối tương quan về độ cứng giữa cột và đất yếu Phương pháp khá đơn giản, dễ sử dụng Tuy nhiên, nó không thể hiện đúng giá trị ứng suất thực sự tác dụng lên đất và cột trong quá trình làm việc, vì trong điều kiện thực tế, khi chịu tải, chuyển vị của đầu cột và vùng đất yếu xung quanh là khác nhau Vì vậy, độ chính xác của phương pháp không cao, không xét đến độ cứng của cột và đất Trong hầu hết các phương pháp và tiêu chuẩn, công thức tính toán độ lún của khối gia cố không xét đến ma sát của khối gia cố với nền đât xung quanh Khi tính modulus đàn hồi của khối gia cố, hầu hết các phương pháp và tiêu chuẩn đều tính theo nguyên tắc trung bình trọng số Rõ ràng tính như thế chưa phù hợp với thực tế vì modulus biến dạng phụ thuộc rất nhiều vào sự tương tác qua lại giữa đất và trụ Về tính thấm của cột xi măng đất, vẫn đang còn có nhiều luồng ý kiến khác nhau Với

những tồn tại nêu trên, đề tài “phân tích tính toán độ lún nền đắp trên nền đất yếu được gia cố bằng cột đất trộn xi măng” có ý nghĩa thiết thực trong việc tính toán sức

chịu tải, tính ổn định, tính biến dạng của nền dưới móng các công trình xây dựng khi xử lý bằng cột đất trộn xi măng

2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát

Phân tích tính toán độ lún của nền đất yếu được gia cố bằng cột đất trộn xi măng, từ đó đề xuất phương pháp tính thích hợp nhất, đúng nhất với sự làm việc thực tế của nền đất yếu khi gia cố bằng cột đất trộn xi măng

Mục tiêu cụ thể

 Tìm mối tương quan giữa hàm lượng xi măng đất với các thông số về độ bền, độ cứng

 Làm rõ tính thấm của cột đất trộn xi măng  Phân tích ảnh hưởng của cột đất trộn xi măng đối với hệ số thấm, hệ số cố kết

của đất nền  Làm rõ vấn đề về độ lún do tải đắp lên nền đất yếu được gia cố bằng cột đất trộn

xi măng bằng các phương pháp tính toán Từ đó, đề xuất công thức tính toán thích hợp

 Làm rõ tốc độ lún của nền đất yếu khi gia cố bằng cột đất trộn xi măng

3 Ý nghĩa khoa học của đề tài

 Tìm ra mối tương quan về cường độ kháng nén 1 trục nở hông tự do giữa các ngày tuổi của mẫu xi măng đất Đề xuất công thức tương quan giữa cường độ kháng nén qu với các chỉ tiêu về độ bền và độ cứng qu=f(c,E,) để sử dụng cho việc tính toán, thiết kế cột đất trộn xi măng

 Tìm ra mối tương quan giữa hàm lượng xi măng/đất với tính thấm của cột đất trộn xi măng

 Khi xử lý nền đất yếu bằng cột đất trộn xi măng, độ lún bản thân khối đất gia cố có xét đến ảnh hưởng của ma sát giữa cột đất trộn xi măng và nền đất yếu sẽ mang lại kết quả đúng với thực tế

 Tốc độ lún và sự phân bố ứng suất cũng sẽ được làm rõ trong luận văn

Ứng dụng thực tiễn

 Đóng góp các công thức tính toán về mối tương quan về cường độ kháng nén qu giữa các ngày tuổi Công thức tương quan giữa cường độ kháng nén qu với các chỉ tiêu về độ bền và độ cứng qu = f(,c,E)

 Làm rõ tính thấm của cột đất trộn xi măng khi thay đổi hàm lượng xi măng theo phương pháp trộn ướt

 Hoàn thiện phương pháp tính toán độ lún của nền đất yếu được gia cố bằng cột đất trộn xi măng

 Phân bố ứng suất là nguyên nhân chính để giảm độ lún và tăng tốc độ lún Sự hiện diện của cột đất trộn xi măng trong nền đất yếu đã làm tăng hệ số cố kết một chiều, nhờ sự phân bố lại ứng suất mà quá trình cố kết một chiều xảy ra nhanh hơn

4 Phạm vi nghiên cứu

Do thời gian có hạn, nên tác giả chỉ nghiên cứu loại đất yếu lấy ở phường Bình Khánh – Quận 2 – thành phố Hồ Chí Minh

5 Phương pháp nghiên cứu

 Nghiên cứu lý thuyết  Nghiên cứu thực nghiệm  Thí nghiệm trong phòng: Thí nghiệm đúc mẫu trong phòng với đất lấy từ

phường Bình Khánh – Quận 2 – Tp Hồ Chí Minh trộn xi măng theo hàm lượng xi măng/đất: 10, 12, 14, 16, 18, 20 %, thí nghiệm mẫu ở 7, 14, 28 ngày tuổi bao gồm: thí nghiệm thấm, thí nghiệm nén một trục nở hông tự do, thí nghiệm nén cố kết

 Thí nghiệm trên mô hình mô phỏng lại sự làm việc của cột đất trộn xi măng và nền đất yếu xung quanh khi truyền tải trọng theo từng cấp áp lực

 Tính toán độ lún do tải đắp lên nền đất yếu được gia cố bằng cột đất trộn xi măng bằng phương pháp phần tử hữu hạn

 Tính toán độ lún do tải đắp lên nền đất yếu được gia cố bằng cột đất trộn xi bằng phương pháp giải tích

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỘT

ĐẤT TRỘN XI MĂNG

1.1 Giới thiệu về cột đất trộn xi măng

Cột đất trộn xi măng (DSM) được nghiên cứu vào khoảng những năm 1960 Loại cột này sử dụng cốt liệu chính là đất tại chỗ trộn với lượng xi măng và chất phụ gia nhất định tùy thuộc vào loại và các tính chất cơ - lý – hoá của đất nền Nó sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao khi địa chất là đất cát Cột đất trộn xi măng thường được thi công bằng công nghệ trộn sâu hay gọi tắt là DMM

Cột đất trộn xi măng được áp dụng rộng rãi trong việc xử lý móng và nền đất yếu cho các công trình xây dựng dân dụng, giao thông, thuỷ lợi, sân bay, bến cảng…như: làm tường hào chống thấm cho đê đập, sửa chữa thấm mang cống và đáy cống, gia cố đất xung quanh đường hầm, ổn định tường chắn, chống trượt đất cho mái dốc, gia cố nền đường, mố cầu dẫn, ngăn ngừa hiện tượng hóa lỏng của đất các vùng đất nhiễm độc…

1.2 Lịch sử phát triển của cột xi măng đất [1]

Lịch sử phát triển của cột đất trộn xi măng được hệ thống hóa theo thời gian từ năm 1954 – nay Đánh dấu những mốc quan trọng trong tiến trình nghiên cứu, sử dụng công nghệ DMM

Bảng 1.1 Những nghiên cứu và thông tin về dự án tiêu biểu (Porbaha – 1998)

1954

Intrustion Prepakt Co (United State) phát triển công nghệ trộn tại chỗ (Mixed in place – MIP) với mũi khoan đơn và chỉ được sử dụng rải rác ở Mỹ

1961

MIP được sử dụng cho hơn 300.000 mét dài cho trụ ở Nhật Bản nhằm chống đỡ hố đào và kiểm soát nước trong đất Tiếp theo đó đến đầu những năm 1970 công ty Seiko Kogyo thành công cho ứng dụng đạng tường chắn và kỹ thuật trộn sâu (DMM – deep mixing method)

Năm Các nghiên cứu, ứng dụng

1967

Viện nghiên cứu cảng biển (PHRI) bắt đầu nghiên cứu trong phòng sử dụng vôi bột xử lý đất yếu ở biển Tiếp theo đó là các nghiên cứu của Okumura, Terashi và nnk đến đầu những năm 1970: (1) nghiên cứu phản ứng giữa vôi – đất sét biển (2) phát triển các thiết bị trộn thích hợp, cường độ nén nở hông (UCS) thu được từ 0.1-1 MPa

1967 Nghiên cứu trong phòng và hiện trường bắt đầu với phương pháp trụ vôi

ở Thụy Điển cho xử lý đất sét yếu dưới nền đường sử dụng vôi chưa tôi 1974 Phương pháp vôi trộn sâu (DLM) đã được áo dụng rộng rãi ở Nhật Bản 1974

Thử nghiệm được tiến hành trên trụ vôi tại sân bay Ska Edeby, Thụy Điển: thí nghiệm và đánh giá ảnh hưởng của thoát nước, cột dài 15m và đường kính 0.5m

1974 Thử nghiệm đầu tiên cho nền đường sử dụng phương pháp trụ vôi Thụy

Điển cho đất sét yếu ở Phần Lan (dài 8m, đường kính 0.5m) 1975

Tiếp theo những nghiên cứu từ 1973-1974, PHRI phát triển phương pháp trộn sâu (CDM) sử dụng vữa xi măng, và lần đầu tiên ứng dụng cho các dự án xử lý nền đất yếu ở ngoài khơi

1975 Phương pháp trụ vôi được sử dụng rộng rãi ở Thụy Điển để xử lý hố đào,

ổn định nền đường, móng nông 1976 Công ty Seiko Kogyo - Nhật Bản đưa phương pháp tường đất được đưa

ra ứng dụng ngoài thực tế

1977 Công nghệ CDM được ứng dụng lần đầu ở Nhật Bản (cả trên biển và đất

liền) 1985 Phần Lan lần đầu tiên áp dụng phương pháp cột vôi 1986 Nauy sử dụng phương pháp cột vôi (theo hướng dẫn của Thụy Điển) 1986 SMW Seiko Inc mở hoạt động ở Mỹ và giới thiệu công nghệ DMM

1987 Phương pháp SMW sử dụng trong gia cố dạng khối, phương pháp xử lý

nền đất cải tiến khả năng chống động đất ở công trình Jacson Lake Dam

Năm Các nghiên cứu, ứng dụng

1989

Công ty Trevisani và Rodio ở Italy phát triển công nghệ DMM, bắt đầu với phương pháp trộn khô, nhưng sau đó phát triển với phương pháp trộn ướt

1989 Trụ xi măng vôi phát triển nhanh ở Thụy Điển

1990

Phát triển thiết bị trộn mới ở Phần Lan sử dụng xi măng và vôi (cung cấp và trộn độc lập) khả năng tạo cột hơn 20m sâu và lớn hơn 0.8m đường kính

1992

Hương dẫn thiết kế mới STO-91 phát hành ở Phần Lan trên cơ sở kinh nghiệm từ những năm 1980 và các nghiên cứu của Kujala và Lahtinen (khoảng 3000 mẫu từ 29 công trường)

1993 Hiệp hội DJM (Nhật Bản) tái bản cuốn “thiết kế và thi công” 1995 Từ 1977 đến 1995 có hơn 26 triệu m3 CDM được sử dụng ở Nhật Bản

1995 Hội địa chất Thụy Điển phát hành hướng dẫn thiết kế mới cho trụ vôi và

xi măng – vôi 1996 Hội nghị phương pháp trộn sâu được tổ chức ở Nhật Bản 1996 Trụ xi măng vôi được sử dụng rộng rãi ở Mỹ

1996 Từ 1975-1996 có hơn 5 triệu mét dài trụ vôi, vôi-xi măng được thi công ở

Thụy Điển 1999 Hội nghị quốc tế về phương pháp trộn khô được tiến hành ở Thụy Điển 1999-

nay Có nhiều công trình nghiên cứu về cột xi măng đất

1.3 Ứng dụng của cột đất trộn xi măng

Cột đất trộn xi măng được sử dụng cho một số mục đích chính như

Cải tạo các đặc tính biến dạng của đất

 Giảm độ lún, lún lệch  Giảm chuyển vị ngang  Giảm thời gian lún ổn định, vì vậy mà đẩy nhanh tiến độ thi công công trình

Tăng cường độ của đất

 Tăng độ ổn định của nền đường, nền đắp  Tăng độ ổn định của tường chắn

 Ngăn ngừa hiện tượng hóa lỏng  Tăng sức chịu tải

Tăng độ cứng của đất

 Giảm chấn động gây ra bởi đường cao tốc  Giảm chấn động do các công trình ngầm

Ngăn ngừa ô nhiễm

 Ngăn ngừa ô nhiễm môi trường do các bãi rác, bãi xử lý chất thải…

Ứng dụng cột đất trộn xi măng trên thế giới

Việc phát triển khoa học công nghệ đã tạo điều kiện cho phương pháp trộn sâu phát triển nhanh chóng trong thời gian ngắn, điều đó đẩy nhanh tốc độ thi công trong xây dựng Mặc dù lúc đầu phương pháp trộn sâu dùng với mục đích chính là phát triển cường độ của đất với chi phí thấp Theo thống kê của hiệp hội CDM (Nhật Bản) tính chung trong giai đoạn 1980-1996 có 1345 dự án sử dụng 26 triệu m3 xi măng đất, từ 1977 đến 1993 lượng đất gia cố bằng xi măng vào khoảng 23.6 triệu m3 cho các dự án ngoài biển và trong đất liền, với khoảng 300 dự án Tính đến năm 2001 ở Nhật

Bản đã thi công đến 70 triệu m3 (Terashi 2003) Hiện nay, hàng năm thi công khoảng hơn 2 triệu m3

Ứng dụng cột đất trộn xi măng tại Việt Nam

Tại Việt Nam, phương pháp trộn sâu được nghiên cứu từ những năm đầu của thập kỷ 80 (thế kỷ trước) với sự giúp đỡ của Viện Địa kỹ thuật Thụy Điển (SGI) Phương pháp được ứng dụng ngoài thực tế cho một số dự án vào những năm 2002 như: sân bay Cần Thơ, sân bay Bạc Liêu…Những năm gần đây ngày càng có nhiều công trình sử dụng công nghệ này

Bảng 1.2: Một số công trình sử dụng cột đất trộn xi măng ở Việt Nam

công

khối lượng (m)

Nhà máy nước huyện Vụ Bản (Hà

Xử lí nền đường hai đầu cầu công trình Cầu Nguyễn văn Trỗi - Trần

Ngô Quyền- Hà nội

Chống thấm đập Khuôn Cát (Lạng

Xử lý nền kết hợp chống thấm đập

Công trình Địa điểm Năm khởi

công

khối lượng (m)

Trụ sở làm việc Sacombank tại Nha

Đường vào sân đỗ cảng hàng

Đường nối cầu Thủ Thiêm với đại

1.4 Các kiểu bố trí điển hình

Công nghệ CDM có phạm vi ứng dụng rộng rãi, cả trên đất liền và trên biển Tùy thuộc vào đặc tính công trình mà cột đất trộn xi măng có thể được bố trí theo các kiểu khác nhau

 Cột đơn  Hàng cột (tường hoặc tấm)  Kiểu kẻ ô

 Kiểu khối

Hình 1.1: Các kiểu bố trí cột đất trộn xi măng (a) cột đơn (b) kiểu khối (c) kiểu tường

(d) kiểu kẻ ô (Anand J Puppala et al, 2008)

1.4.1 Kiểu cột đơn

Kiểu bố trí này dễ dàng cho thi công theo các mô hình: hình vuông, hình tam giác, lục giác, lưới…Nó chủ yếu được sử dụng để cải thiện các đặc tính về cường độ và biến dạng của đất yếu với những loại móng có tải trọng nhỏ, hoặc cải thiện sự ổn định của sườn dốc, gia cố nền đắp cho công trình đường, bến bãi, giảm lún, giảm chuyển vị ngang, ngăn lún lệch (Terashi and Tanaka 1983) Khả năng chịu lực của cột đơn tương đối lớn dưới tải trọng thẳng đứng, kiểu cột đơn thường được sử dụng để ổn định nền đường

1.4.2 Kiểu khối

Là kiểu bố trí chồng lấn các cột đơn lên nhau Kiểu bố trí này thay thế 100% phần đất yếu trong khối xử lý Đây là kiểu xử lý mang tính ổn định cao nhưng chi phí khá lớn, nó chỉ áp dụng cho các cấu trúc có tải trọng lớn cần tính ổn định cao và lâu dài như các cơ cấu bến cảng…

1.4.3 Kiểu kẻ ô

Là sự kết hợp giữa các tường xi măng đất với nhau, tường dài có chức năng gánh đỡ các lực bên ngoài và truyền vào các lớp đất tốt hơn, tường ngắn có nhiệm vụ gắn kết các tường dài khác để tăng độ cứng của khối gia cố Nó là sự kết hợp trung gian giữa loại khối và loại tường Kiểu bố trí này thường được áp dụng để cải tạo đê biển, gần đây còn được áp dụng trong việc chống lại sự hóa lỏng của đất (CDIT 2002)

1.5 Phương pháp thi công cột đất trộn xi măng [2]

Hiện nay, phổ biến hai phương pháp thi công cột đất trộn xi măng là: Phương pháp trộn khô (dry jet mixing) và phương pháp trộn ướt (wet mixing hay còn gọi là Jetgrouting)

1.5.1 Phương pháp trộn khô (Dry Jet Mixing)

Phương pháp trộn khô đã được ứng dụng từ giữa thập niên 70 của thế kỷ trước, bắt đầu ở Thụy Điển, Phần Lan Trong thập kỷ 80 và 90, việc ứng dụng phương pháp này đã tăng với một tốc độ lớn ở các nước Bắc Âu và Nhật Bản Ngoài ra, ở Italy, các thiết bị cho việc trộn sâu với phương pháp trộn khô cũng đã được nghiên cứu và phát triển Ngày nay phương pháp này đã được sử dụng ở loạt các quốc gia châu Âu, châu Á, Mỹ Ở Nhật Bản, công nghệ trộn khô đã được viện nghiên cứu kỹ thuật xây dựng của Bộ Xây Dựng Nhật Bản phát triển và ứng dụng vào năm 1980 Đến nay đã có hơn 2500 dự án được hoàn thành với tổng số thể tích xi măng đất được sản xuất vượt quá 15 triệu m3

Phương pháp trộn khô (Dry jet mixing) là phương pháp trộn sâu dạng khô, dùng không khí để dẫn xi măng bột vào đất (độ ẩm của đất cần phải lớn hơn 20% - theo TCVN 9403-2012) Bột xi măng được phụt sâu vào trong đất thông qua ống nén khí Bột này được trộn một cách cơ học nhờ thiết bị quay Trong phương pháp này không cho thêm nước vào trong đất, do đó hiệu quả cải tạo đất sẽ cao hơn phương pháp trộn ướt

Quy trình thi công gồm các bước sau:  Định vị thiết bị trộn

 Xuyên đầu trộn xuống độ sâu thiết kế đồng thời phá tơi đất;  Rút đầu trộn lên, đồng thời phun xi măng vào đất;

 Đầu trộn quay và trộn đều xi măng với đất;  Kết thúc thi công;

Hình 1.2: Sơ đồ thi công theo phương pháp trộn khô (http://www.djm.gr.jp)

Ưu điểm: Tốc độ thi công nhanh, đường kính cột đảm bảo đồng đều Nhược điểm: Thiết bị cồng kềnh (phải có một dàn dẫn hướng cao để gắn cần

khoan) không thích hợp với mặt bằng hiện trường chật hẹp, lầy lội

1.5.2 Phương pháp thi công trộn ướt (Jet - Grouting)

Phương pháp trộn ướt (Jet – grouting) là phương pháp trộn sâu dạng ướt, vữa xi măng được phun vào đất nhờ áp lực lớn từ một vòi xoay Phương pháp Jet – grouting được phát minh tại Nhật Bản năm 1970 Sau đó các công ty của Ý, Đức đã mua lại phát minh trên và đến nay nhiều công ty xử lý nền móng hàng đầu thế giới đều sử dụng công nghệ này như công ty Layne Christensen (Mỹ), Bauer (Đức), Keller (Anh), Frankipile (Úc)…Trải qua hơn 40 năm hoàn thiện và phát triển, đến nay công nghệ này đã được thừa nhận rộng khắp, được kiểm nghiệm và đưa vào tiêu chuẩn ở các nước phát triển trên thế giới

Để thi công cột đất trộn xi măng theo phương pháp này trước tiên, đưa cần khoan đến đáy cột dự kiến thì dừng lại và bắt đầu bơm vữa xi măng phụt ra thành tia ở đầu mũi khoan, vừa bơm vừa xoay cần và rút lên Tia nước và vữa phun ra với áp suất cao (200 – 400 atm), vận tốc lớn (≥100 m/s) làm cho các phần tử đất xung quanh lỗ khoan bị xói tơi ra, hòa trộn với vữa phụt, sau đó đông cứng tạo thành một cột đất xi măng

a Ưu điểm:

 Phạm vi áp dụng rộng, thích hợp mọi loại đất, từ bùn sét đến sỏi cuội;  Có thể xử lý các lớp đất yếu một cách cục bộ, không ảnh hưởng đến các lớp đất

tốt;  Có thể xử lý dưới móng hoặc kết cấu hiện có mà không ảnh hưởng đến công

trình;  Thi công được trong nước;  Mặt bằng thi công nhỏ, ít chấn động, ít tiếng ồn, hạn chế tối đa ảnh hưởng đến

công trình lân cận;  Thiết bị nhỏ gọn, có thể thi công trong không gian có chiều cao hạn chế, nhiều

chướng ngại vật;

b Nhược điểm:

 Có thể gây ra trương nở nền và gây ra các chuyển vị quá giới hạn trong lòng đất Áp lực siêu cao còn có khả năng gây nên rạn nứt nền đất lân cận và tia vữa có thể lọt vào các công trình ngầm sẵn có như hố ga, tầng hầm lân cận;

 Đối với nền đất chứa nhiều túi bùn hoặc rác hữu cơ thì axit humic trong đất có thể làm chậm hoặc phá hoại quá trình ninh kết của hỗn hợp xi măng đất

1.6 Các kết quả nghiên cứu liên quan [3] [4] [5] [6] [7] [8]

Đặc tính của đất xử lý theo phương pháp trộn sâu bị ảnh hưởng của nhiều yếu tố như: độ ẩm, hàm lượng hạt sét và hữu cơ chứa trong đất, kiểu trộn (trộn khô, trộn ướt), vật liệu kết dính, quá trình trộn, cách bố trí cột, tuổi của cột…

1.6.1 Cường độ của đất gia cố

Đã có nhiều công trình nghiên cứu về cột đất trộn xi măng, hầu hết các nghiên cứu đều chỉ ra rằng, phương pháp trộn sâu cải thiện rõ rệt các đặc tính về cường độ của cột đất trộn xi măng (Broms – 1979; Kawasaki et al., 1981; Kamon and Bergado 1992; Walker 1994; Kamaluddin and Balasubramaniam 1995; Schaefer et al 1997;

Lin and Wong 1999; Fang el al 2001; Porbaha et al., 2001; Miura et al., 2001; Yin 2001; Porbaha 2002; Tan et al., 2002; Horpibulsuk et al., 2004)

Các nghiên cứu chỉ ra rằng cường độ kháng nén một trục nở hông tự do của cột đất trộn xi măng tăng khi:

 Tăng hàm lượng chất kết dính (xi măng hoặc vôi/xi măng)  Tăng thời gian bảo dưỡng cột xi măng đất

Cường độ kháng nén một trục nở hông tự do của cột xi măng đất sẽ giảm khi:  Tăng hàm lượng hữu cơ trong đất xử lý

 Đất tự nhiên có giá trị pH thấp  Tăng độ ẩm tự nhiên trong đất  Thêm vào các chất thay thế khác như bụi tro hoặc bentonite  Tăng tỷ lệ nước/xi măng (ngoại trừ đất loại sét có độ ẩm thấp)

Cường độ nén nở hông của đất gia cố bị ảnh hưởng của nhiều yếu tố Nó biến đổi trong phạm vi rộng, ở 28 ngày tuổi cường độ nén một trục nở hông tự do của cột đất trộn xi măng theo phương pháp trộn ướt có giá trị 140 đến 27600 kPa (Haley & Aldrich 2000, Japanese Geotechnical Society 2000, Kaiqui 2000, Lin and Wong 1999, Maswoswe 2001, McGinn and O’Rourke 2003, Tatsuoka and Kobayashi 1983, VDOT 2001) Cường độ kháng nén một trục nở hông tự do của cột đất trộn xi măng ở 28 ngày tuổi theo phương pháp trộn khô biến đổi từ 14 đến 2760 kPa (Baker 2000, Esrig and Mackenna 1999, Haley and Aldrich 2000, Hebib and Farrell 2002, Jacobson et al 2003, Kaiqiu 2000, Lin and Wong 1999, Saye et al 2001, VDOT 2001) Theo kết quả nghiên cứu của Tan, T.S và nnk (2002), Lozendo và nnk (2004) khi hàm lượng nước càng cao thì cường độ nén nở hông càng giảm Bergado và nnk (1996) đã đưa ra mối liên hệ giữa cường độ nén nở hông qu và hàm lượng xi măng accó thể chia ra 3 vùng

 Vùng kém hiệu quả (Inactive zone) có ac từ 0-5%  Vùng hiệu quả (Active zone) có ac từ 5-25%  Vùng phát triển chậm (Inert zone) có ac>25%

Hình 1.3 Quan hệ giữa tỷ lệ xi măng với đất và cường độ của xi măng-đất (Lin 2000)

Trường đại học Xây Dựng Hà Nội nghiên cứu với đất sét dùng trong xây dựng mặt đường là 12-14% Theo nghiên cứu của PGS.TS Châu Ngọc Ẩn đối với đất yếu khu vực Nhà Bè – TP.Hồ Chí Minh, có độ pH trong nước = 6.02, cho thấy hàm lượng xi măng tối ưu là 9.5% so với trọng lượng khô

1.6.2 Sức kháng cắt

a Sức kháng cắt không thoát nước

Giá trị sức kháng cắt không thoát nước có thể được xác định bằng thí nghiệm 3 trục cố kết đẳng hướng không thoát nước Kivelo (1998) chỉ ra rằng thí nghiệm ba trục và thí nghiệm cắt trực tiếp thường cho các giá trị đáng tin cậy hơn nén một trục nở hông tự do Đối với cột đất trộn xi măng thi công theo phương pháp trộn ướt, theo nghiên cứu của Tekenaka (1995) 1

2

C  q (khi giá trị qu nhỏ hơn vài trăm kPa) và

12

C  q Đối với cột đất trộn xi măng thi công theo phương pháp

trộn khô, sức kháng cắt không thoát nước thường bằng ½ cường độ kháng nén nở hông tự do Tuy nhiên, bằng thí nghiệm nén ba trục cố kết không thoát nước và thí nghiệm cắt trực tiếp Kivelo (1997) cho rằng sức kháng cắt không thoát nước có thể

05001000150020002500

nhỏ hơn ½ cường độ kháng nén 1 trục nở hông tự do khi áp lực buồng thấp Tuy nhiên, khi áp lực buồng vượt quá 150-250 kPa thì sức kháng cắt không thoát nước hầu như ổn định ở giá trị bằng ½ giá trị cường độ kháng nén 1 trục nở hông tự do

Hình 1.4: Sức kháng cắt không thoát nước của cột vôi/xi măng (Kivelo 1997)

Theo kết quả nghiên cứu Kivelo (1997) đưa ra công thức

1tan

2

Trong đó u,col - sức kháng cắt không thoát nước của cột Cu,col – lực dính không thoát nước của cột u - ứng suất pháp

u,col – góc ma sát trong điều kiện không thoát nước của cột Các kết quả nghiên cứu cho thấy, góc ma sát biến đổi trong phạm vi rộng từ 250đến 450, giá trị u,col = 300 theo đề xuất của Broms (1999) cho cột vôi/xi măng với áp lực pháp tuyến vào khoảng 150-250 kPa, với u,col = 300, Cu,col có thể lấy bằng 29% giá trị qu Giá trị ứng suất pháp từ 150-250 kPa, sức kháng cắt không thoát nước có thể lấy bằng ½ qu

b Sức kháng cắt trong điều kiện thoát nước

Sức kháng cắt trong điều kiện thoát nước có thể xác định từ thí nghiệm nén 3 trục theo sơ đồ cố kết – thoát nước (CD) hoặc sơ đồ cố kết – không thoát nước (CU),

cắt phẳng theo sơ đồ cố kết – thoát nước Giá trị sức kháng cắt d,col được xác định theo phương trình

’col – góc ma sát của cột trong điều kiện có cố kết có thoát nước Theo nghiên cứu của Broms (2003) góc ma sát trong điều kiện có cố kết có thoát nước vào khoảng 350 đối với cột xi măng/vôi – đất và khoảng 400 đối với cột xi măng-đất trong điều kiện trộn khô EuroSoilStab (2002) đề xuất lấy ’col = 300 và C’col tính theo công thức

Đối với cột đất trộn xi măng thi công theo phương pháp trộn ướt, modulus đàn hồi, E50, vào khoảng 350-1000 lần giá trị qu đối với đất bột và sét (Kawasaki et al 1981) Gần đây, khi nghiên cứu đất trộn xi măng theo phương pháp trộn ướt với tỷ lệ

nước/xi măng = 1, Fang et al (2001) cho rằng E50 = (30÷300)qu Navin và Filz (2005) cho rằng E50 = 300qu đối với đất ở Alexandria, Virginia, trộn xi măng theo cả phương pháp trộn khô và trộn ướt

PP trộn khô cột vôi/xi măng

Modulus nén lún Mcol có quan hệ với modulus đàn hồi và hệ số poisson (col) theo công thức

(1 ).(1 ).(1 2 )

  (1.4)

Thông thường, hệ số posson từ 0.25-0.50 (CDIT 2002, Terashi 2003) Tuy nhiên, đối với đất than bùn thi công theo phương pháp trộn khô, Hebib và Frarell (2000) cho rằng lấy hệ số poisson 0.1 đối với biến dạng <1%

1.6.4 Trọng lượng riêng

Nghiên cứu của Broms (2003) cho thấy rằng trong phương pháp trộn khô, đối với đất hữu cơ có độ ẩm ban đầu lớn, trọng lượng riêng của đất xử lý tăng so với đất chưa xử lý Tuy nhiên, với loại đất không phải đất hữu cơ, trọng lượng riêng của đất

khi xử lý sẽ giảm so với đất chưa xử lý Viện kỹ thuật biển Nhật Bản (The Japanese Coastal Development Institute Of Technology – CDIT) (2002) cho rằng dung trọng tự nhiên của đất gia cố tăng từ 3-15% so với đất chưa gia cố

Trong phương pháp trộn ướt khi hàm lượng xi măng tăng thì trọng lượng riêng của đất gia cố tăng, Tekenaka (1995) Đối với đất sét, dung trọng riêng tằng từ 0.5-1.0 kN/m3 còn đối với đất cát nó tăng không đáng kể

1.6.5 Cường độ chịu kéo (Tensile Strength)

Takenaka (1995) cho rằng cường độ chịu kéo của đất theo phương pháp trộn ướt bằng 10-20% sức kháng nén 1 trục qu Euro SoilStab (2002) cho rằng thi công theo phương pháp trộn khô thì cột không thể chịu được ứng suất kéo

1.6.6 Tính thấm

Khi xử lý đất yếu bằng vôi có thể làm tăng tính thấm của đất Tuy nhiên, khi thêm vôi và xi măng thì chỉ làm tăng nhẹ, thậm chí làm giảm tính thấm của sét yếu (Baker 2000) Đối với phương pháp trộn khô, EuroSoilStab (2002) cho rằng tính thấm của cột vôi và xi măng có thể cao hơn tính thấm của nền chưa xử lý từ 200-600 lần Một vài nghiên cứu ngoài hiện trường của Baker (2000) cho rằng tính thấm tăng từ 10-100 lần so với đất chưa xử lý

Đối với phương pháp trộn ướt, tính thấm thường biến đổi trong phạm vi từ 10-7-10-8 m/s, thậm chí có thể đạt giá trị rất thấp 10-10 m/s theo tỷ lệ trộn thiết kế (Bruce 2000) Tăng hàm lượng xi măng sẽ làm cho tính thấm giảm, cột đất trộn xi măng theo phương pháp trộn ướt không thể được coi như một đường thoát nước thẳng đứng (Broms 1999)

Năm 2003-2006, Viện Khoa học Thuỷ lợi chủ trì đề tài nghiên cứu khoa học

độc lập cấp Nhà nước "Nghiên cứu các giải pháp khoa học công nghệ để nâng cấp, sửa chữa cống dưới đê thuộc sông Hồng và sông Thái Bình" Giải pháp khoa học

công nghệ mà đề tài đã áp dụng để chống thấm cho cống dưới đê và nền đê bằng tường cột đất trộn xi măng, thi công theo phương pháp Jet - Grouting mang lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật và được đánh giá cao Dự án đã thí nghiệm trong phòng và hiện

trường nhằm đánh giá khả năng chống thấm và nâng cao khả năng chống thấm của tường cột đất trộn xi măng Đã chứng minh và khẳng định tường đất trộn xi măng thi công bằng công nghệ Jet-grouting hoàn toàn có thể sử dụng làm tường chống thấm trong đập đất có cột nước dưới 30m Đã soạn thảo và ban hành Tiêu chuẩn cơ sở

TCCS 05:2010/VKHTLVN "Hướng dẫn sử dụng phương pháp Jet-grouting tạo cột đất ximăng để xử lý đất yếu, chống thấm nền và thân công trình bằng đất” Đây là

tiêu chuẩn kỹ thuật đầu tiên về công nghệ này ở Việt Nam, bao gồm cả hướng dẫn cho mục đích xử lý nền và cả cho mục đích chống thấm

1.6.7 Thời gian bảo dưỡng

Tùy theo chất kết dính được sử dụng, một vài phản ứng hóa học xảy ra nhanh chóng, nhưng cũng có một số phản ứng xảy ra chậm hơn Khi sử dụng xi măng, sức kháng cắt tăng nhanh trong tháng đầu tiên (Broms 2003) Khi sử dụng chất xử lý là vôi, thạch cao, xỉ lò hoặc tro, cường độ sẽ tiếp tục tăng lên sau tháng đầu tiên Cường độ của đất gia cố ở ngoài công trường sẽ tăng nhanh hơn so với trong phòng thí nghiệm, nguyên nhân chính là do nhiệt độ bên ngoài cao hơn và áp lực của đất xung quanh cột làm các phản ứng pozzolan xảy ra nhanh hơn (Bruce 2000)

Thi công theo phương pháp trộn ướt qu28  (1 2)qu7 , 6028

(1.2 2.5)

q  q (Bruce 2000, Takenaka and Takenaka 1995) Thi công theo phương pháp trộn khô

(1.5 2.4)

q  q (Bruce 2000) Nhìn chung, giá trị cường độ của đất tăng gần như tuyến tính với logarit thời gian (CDIT 2002) Hayashi et al (2003) đã lấy lõi đất ở 17 năm tuổi của cột đất trộn xi măng thi công theo phương pháp trộn sâu để thí nghiệm Nhóm nghiên cứu thấy rằng, không có sự thay đổi nhiều về tính chất vật lý như: độ ẩm, dung trọng khô Tuy nhiên, giá trị qu sau 17 năm tăng lên từ 3-7 lần giá trị qu ở 28 ngày tuổi

1.6.8 Độ ẩm của đất trộn xi măng

Wang (1979) cho rằng, độ ẩm của đất trộn xi măng nhỏ hơn so với đất chưa xử lý Kawasaki và nnk (1981) và Suzuki (1982), nếu đất xử lý là đất sét thì độ ẩm của

đất trộn xi măng sẽ giảm với sự gia tăng của hàm lượng xi măng và thời gian bảo dưỡng Tuy nhiên đối với đất cát thì sự giảm này rất nhỏ

1.6.9 Trọng lượng thể tích

Cột đất trộn xi măng trương nở trong suốt quá trình thủy hóa Một phần nước được cung cấp cho quá trình thủy hóa bởi đất không gia cố xung quanh cột đất trộn xi măng Thể tích đất gia cố xi măng tăng khoảng 85% thể tích xi măng sử dụng Do trương nở thể tích, áp lực đất xung quanh các cột gia cố xi măng sẽ tăng Áp lực này làm cố kết đất yếu không gia cố giữa các cột đất trộn xi măng

1.6.10 Tương quan giữa thí nghiệm trong phòng và thí nghiệm hiện trường

Như đề cập ở phần trước, sức kháng cắt và tính nén lún của cột vôi/xi măng, cột đất trộn xi măng chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố: độ ẩm, hàm lượng sét, hàm lượng hữu cơ, phương pháp thi công, vật liệu kết dính, tỷ lệ chất kết dính, kiểu bố trí cột, thời gian Ngoài ra, cường độ ở trong phòng thí nghiệm còn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ bảo dưỡng, tốc độ cắt, mức độ đồng nhất của mẫu, phương pháp thí nghiệm, hình dạng mẫu Do sự khác nhau về điều kiện ở trong phòng thí nghiệm và ngoài công trường nên khó xác định một cách chính xác các giá trị của vật liệu ngoài công trường căn cứ vào số liệu thí nghiệm trong phòng

1.7 Kinh nghiệm lựa chọn tỷ lệ xi măng-đất hợp lý

Tỷ lệ xi măng với đất (ac) được tính theo % khối lượng xi măng so với khối lượng đất khô Để chọn tỷ lệ pha trộn các hỗn hợp gia cố theo phương pháp thí nghiệm trong phòng xác định sức kháng nén của mẫu đất trộn xi măng Theo thống kê, tỷ lệ xi măng/đất thích hợp thay đổi theo từng loại đất và có giá trị biến đổi trong phạm vi nhất định Lượng xi măng trộn vào là 7% ÷ 15% trọng lượng khô của đất cần gia cố hoặc lượng xi măng từ 180 ÷ 250 kg/m3 đất gia cố Thông thường, khi hàm lượng hạt sét trong đất yếu tăng thì lượng xi măng yêu cầu cũng tăng (Bell, 1993)

Theo nghiên cứu của Lan Wang: “Tính ổn định của vật liệu xi măng-đất trong môi trường có sunfat” lượng xi măng thay đổi trong phạm vi từ 4% đến 16% trọng lượng khô của đất cần gia cố

Qua nghiên cứu so sánh, Shiells và các cộng sự (2003) kết luận: thông thường phương pháp trộn ướt sử dụng tỷ lệ xi măng với đất cao hơn so với phương pháp trộn khô Lượng xi măng từ 180 ÷ 400 kg/m3 đất cần gia cố đối với phương pháp trộn ướt Lượng xi măng từ 90 ÷ 180 kg/m3 đất cần gia cố đối với phương pháp trộn khô Theo nghiên cứu của hai tác giả Mitchell and Freitag, 1959 chỉ ra rằng

 Thông thường xi măng/đất chứa từ 5% ÷ 14% xi măng so với trọng lượng của đất cần gia cố và thường sử dụng để ổn định đất có tính dẻo thấp, đất cát;  Lượng xi măng yêu cầu phụ thuộc vào loại đất, trạng thái của đất cần gia cố  Tỷ lệ xi măng với đất tối ưu (so với trọng lượng khô của đất cần gia cố) phụ

thuộc vào các loại đất khác nhau như bảng 1.4 và bảng 1.5

Bảng 1.4: Tỷ lệ xi măng/đất tối ưu tương ứng với các loại đất khác nhau

(Mitchell and Freitag, 1959)

1 Đất tốt chứa sỏi, cát hạt thô, cát hạt mịn, có

hoặc không có lượng nhỏ bùn hay sét ≤ 5%

4 Đất chứa bùn không dẻo hoặc dẻo vừa phải 10%

Bảng 1.5: Tỷ lệ xi măng/đất với các loại đất khác nhau theo hệ thống phân loại

Unified (Mitchell and Freitag, 1959)

1 Sỏi có tính chọn lọc kém, cát có tính chọn lọc

kém và cát có tính chọn lọc tốt 6 ÷ 10 2 Sét dẻo thấp, bùn dẻo thấp và bùn dẻo cứng 8 ÷ 12

Ở Viện kĩ thuật Châu Á, Law (1989) đã tiến hành nghiên cứu đưa ra kết luận: trộn 10% xi măng với đất sét yếu Bangkok – Thái Lan làm tăng độ bền nén nở hông 10 lần, áp lực cố kết trước tăng 2 ÷ 4 lần Hệ số cố kết quan sát được tăng 10 ÷ 40 lần DOH and JICA (1998) kiến nghị: xi măng ảnh hưởng tốt cho việc cải thiện các đặc tính của đất sét ở Bangkok Thái Lan Phương pháp xử lý nền bằng cột đất trộn xi măng thường sử dụng hàm lượng xi măng thích hợp trong khoảng 80 ÷ 200 kg/m3 và chúng được xác định dựa vào cường độ thiết kế của mỗi dự án Thông thường, xi măng Portland với hàm lượng vào khoảng 200 kg/m3 được sử dụng trong các nghiên cứu ổn định đất sét biển mềm yếu

Tóm lại, việc lựa chọn tỷ lệ xi măng với đất nên dựa trên cơ sở các kinh nghiệm đề xuất trong nhiều công trình nghiên cứu trước đây Sau đó, tiến hành thí nghiệm trong phòng xác định sức kháng nén của mẫu đất trộn xi măng Cuối cùng, chọn ra tỷ lệ xi măng/đất thích hợp

TÓM TẮT CHƯƠNG 1

Trong chương 1, hệ thống lại lịch sử phát triển của công nghệ trộn sâu, những nghiên cứu nổi bật và những ứng dụng của cột đất trộn xi măng Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ của cột đất trộn xi măng như: ảnh hưởng của hàm lượng trộn, tuổi bảo dưỡng, tỷ lệ nước, loại đất…tất cả được xem xét một cách chi tiết Trong các nghiên cứu trước, hầu hết các tác giả đều đưa ra mối tương quan giữa cường độ kháng nén, modulus đàn hồi với các yếu tố khác

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN GIA CỐ NỀN ĐẤT

Trên cơ sở phân tích lý thuyết các phương pháp gia cố nền bằng cột cát, cột đất trộn xi măng, cột đất trộn vôi có thể nhận thấy, khi gia cố nền đất yếu bằng cột đất trộn xi măng trong nền đất sẽ diễn ra các quá trình cơ học và hoá lý sau đây:

2.1.1 Phản ứng của đất và xi măng

Hạt xi măng porland là một chất không đồng nhất, nó bao gồm tricalcium silicate (C3S) dicalcium silicate (C2S) tricalcium aluminate (C3A) và một chất rắn hòa tan là tetracalcium alumino ferrite (C4A) Bốn chất nói trên là những hợp chất chính tạo ra cường độ Khi nước trong lỗ rỗng gặp xi măng thì hiện tượng thủy hợp xảy ra nhanh chóng và tạo thành hydrated calcium silicate (C2SHx, C3S2Hx), hydrated calcium aluminate và vôi tôi Ca(OH)2 Hai chất đầu là sản phẩm chủ yếu do xi măng tạo ra và vôi tôi được kết tụ riêng rẽ ở dạng tinh thể Trong quá trình đông cứng, các hạt xi măng dính kết với nhau tạo nên một khung kết cấu hạt bao quanh các hạt sét Các pha silicate và aluminate trộn lẫn với nhau nên không có pha nào ở dạng tinh thể hòa toàn Một phần Ca(OH)2 có thể được trộn với những pha khác háo nước cũng chỉ cho sản phẩm một phần ở dạng tinh thể Ngoài ra, tính háo nước của xi măng cũng làm cho nước trong lỗ rỗng có độ pH cao hơn vì phản ứng đã cho ra vôi tôi Các bazo mạnh hòa tan silica và alumina có trong khoáng sét và trong các tạp chất trên bề mặt hạt khoáng Sự hòa tan này giống như phản ứng giữa một acid yếu với một bazo