Luận văn thạc sĩ Địa kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu sự thay đổi sức chống cắt của đất yếu trộn vôi kết hợp với xi măng ở khu vực Cần Thơ

Vì vậy để tăng sức chịu tải của nền đất, cải thiện một số tính chất cơ lý của nền đất yếu như: Giảm hệ số rỗng, giảm tính nén lún, tăng độ chặt, tăng trị số modun biến dạng, tăng cường đ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

VÕ VĂN ĐẤU

NGHIÊN CỨU SỰ THAY ĐỔI SỨC CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT YẾU TRỘN VƠI KẾT HỢP VỚI XI MĂNG

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH

- -oOo -

Tp HCM, ngày tháng năm 2012

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: VÕ VĂN ĐẤU Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: Ngày 20 tháng 04 năm 1972 Nơi sinh: Bến Tre Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng MSHV: 10090366 Khoá (năm trúng tuyển): 2010

TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU SỰ THAY ĐỔI SỨC CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT YẾU TRỘN VÔI KẾT HỢP VỚI XI MĂNG Ở KHU VỰC CẦN THƠ NHIỆM VỤ: Nghiên cứu sự thay đổi sức chống cắt của đất trộn vôi kết hợp với xi măng qua sự thay đổi hàm lượng vôi và xi măng, từ đó tìm ra hàm lượng vôi – xi măng sao cho đạt hiệu quả về yêu cầu kỹ thuật và kinh tế Với điều kiện đất nền cụ thể, sử dụng kết quả thí nghiệm trên để tính toán ổn định của nền đất đắp và công nhà dân dụng

NỘI DUNG: MỞ ĐẦU Chương 1 Tổng quan về một số kết quả nghiên cứu xác định cường độ của đất trộn vôi –xi măng

Chương 2 Cơ sở lý thuyết xác định cường độ của mẫu đất trộn vôi và xi măng Chương 3 Quy trình chế bị và thử nghiệm – Kết quả thử nghiệm

Chương 4 Ứng dụng kết quả thí nghiệm vào bài toán cụ thể và mô phỏng bằng Plaxis

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1 NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 2 NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 3 HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS VÕ PHÁN, TS ĐỔ

THANH HẢI

(Họ tên và chữ ký)

LỜI CẢM ƠN

Luận văn tốt nghiệp này được hoàn thành không những từ nỗ lực của bản thân học viên mà còn nhờ sự hướng dẫn nhiệt tình và giúp đỡ của quý thầy cô, đồng nghiệp cùng bạn bè thân hữu

Trước tiên, xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong bộ môn Địa cơ nền móng đã nhiệt tình giảng dạy trong suốt thời gian qua, đồng thời đã quan tâm giúp đỡ, tạo mọi điều kiện tốt nhất trong giai đoạn thực hiện Luận văn

Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS Võ Phán, TS Đổ Thanh Hải, người đã giúp đỡ, chỉ dẫn tận tình trong thời gian thực hiện Luận văn và luôn quan tâm, động viên về tinh thần, giúp cho học viên có thêm tự tin để tiếp thu những kiến thức mới hữu ích, làm nền tảng cho việc học tập và công tác sau này

Xin cảm ơn các bạn học viên cùng lớp Địa Kỹ Thuật Xây Dựng K2010, những người đã luôn kề vai sát cánh trong suốt thời gian học tập

Cuối cùng, xin cảm ơn Gia đình, Cơ quan và bạn bè thân hữu đã động

viên, giúp đỡ học viên trong thời gian học tập và thực hiện Luận văn

Học viên

Võ Văn Đấu

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề Đất nền tại TP Cần Thơ đa phần là bùn sét, bùn sét hữu cơ, bùn sét pha, mực nước ngầm tương đối cao Theo báo cáo địa chất tại thành phố Cần Thơ thì lớp đất trên mặt dày khoảng 0.5 – 1.5m gồm những loại sét hạt bụi đến sét cát có màu xám nhạt đén xám vàng, có nơi bùn sét hữu cơ màu xám đen, mực nước ngầm ở độ sâu từ 0.5-1m Lớp sét hữu cơ có bề dày thay đổi từ 3-5m, có nơi dày đến 8m, thường có màu xám đen, hàm lượng hữu cơ chiếm khoảng 3 – 8%, đất lớp này có độ ẩm từ 50-100%, hệ số rổng từ 1.5 – 3, có nơi lớn hơn 3, dung trọng tự nhiên dao động từ 1.35 đến 1.65g/cm3 , dung trọng khô từ 0.64 – 0.95g/cm3 Nhìn chung lớp đất này thường gắp ở trạng thái dẽo mềm, dẽo chảy đến chảy, hệ số rổng từ nhiên lớn, dung trọng nhỏ cho nên việc xây dựng các công trình trên nền đất này đòi hỏi phải xử lý nền và móng Vì vậy để tăng sức chịu tải của nền đất, cải thiện một số tính chất cơ lý của nền đất yếu như: Giảm hệ số rỗng, giảm tính nén lún, tăng độ chặt, tăng trị số modun biến dạng, tăng cường độ chống cắt của đất, giảm tính thấm của đất, đảm bảo ổn định cho khối đất đắp người ta sử dụng rất nhiều giải pháp: sử dụng cọc đóng, cọc ép, cọc khoan nhồi, cọc vật liệu rời, gia tải trước, phun xịt xi măng, bất thấm, bơm hút chân không, vải địa kỹ thuật, … các phương pháp này thường có chi phí tương đối cao Để khắc phục nhược điểm trên nhiều nước trên thế giới đã áp dụng phương pháp trộn đất với vôi, đất với xi măng, đất kết hợp với cả vôi và xi măng xử lý tại chỗ cho loại đất này Ở Cần Thơ đã có một số công trình áp dụng phương pháp trộn đất – xi măng như nhà máy nhiệt điện Ô Môn, sân bay Cần Thơ…

Giải pháp cột đất trộn vôi kết hợp với xi măng đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giới và đang càng ngày phát triển, trong khi giải pháp này ở Việt Nam thì chưa được áp dụng nhiều, Vì vậy, việc “Nghiên cứu sự thay đổi sức chống cắt của đất trộn vôi kết hợp với xi măng ở khu vực Cần Thơ” nói riêng và ở Việt Nam nói chung trong điều kiện đất yếu là một nhiệm vụ quan trọng và cấp bách

nhằm góp phần nâng cao hiệu quả đầu tư xây dựng và nghiên cứu này trở thành một trong những giải pháp nền móng hợp lý cho các loại công trình

2 Nội dung nghiên cứu Nội dung của luận văn tập trung vào các vấn đề trên, bao gồm các nhiệm vụ chủ yếu sau đây:

i) Xác định sự thay đổi về độ ẩm, tỉ trọng hạt, hàm lượng hữu cơ và giới hạn chảy, giới hạn dẽo của hổn hợp đất trộn vôi kết hợp với xi măng ii) Đánh giá sự thay đổi về cường độ, module biến dạng của hổn hợp đất

trộn vôi kết hợp với xi măng theo các hàm lượng vôi, xi măng khác nhau theo thời gian thông qua thí nghiệm nén nở hông

iii) Đánh giá sự thay đổi của lực dính c và góc nội ma sát φ của hổn hợp đất vôi- xi măng thông qua thí nghiệm cắt trực tiếp

iv) Với điều kiện đất nền cụ thể, sử dụng kết quả thí nghiệm trên để tính toán ổn định của nền đất đắp (nền đường)

3 Phương pháp nghiên cứu: Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận văn:

i) Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu tổng quan về sử dụng đất trộn vôi, xi măng để gia cố nền đất yếu trên thế giới và ở Việt Nam Nghiên cứu các phương pháp thí nghiệm trong phòng và hiện trường để xác định các tính chất cơ lý của đất nền và đất gia cố

ii) Nghiên cứu thực nghiệm: Chế bị mẫu thử và thử nghiệm tìm ra kết quả tối ưu theo hàm lượng vôi – xi măng theo thời gian Phân tích và đánh giá kết quả thử nghiệm đồng thời ứng dụng kết quả vào tính toán ổn định của nền đất được gia cố

iii) Nghiên cứu mô phỏng: Ứng dụng phần mềm Plaxis để mô phỏng tính toán

4 Ý nghĩa khoa học Đề tài làm rõ hơn ảnh hưởng của hàm lượng vôi – xi măng đến cường độ và mô đun biến dạng của đất nhằm đánh giá thực trạng của việc xử lý nền đất yếu bằng phương pháp đất trộn vôi kết hợp với xi măng

5 Tính thực tiển: Với việc xác định sự thay đổi tính chất cơ lý của đất nền, đánh giá cường độ tối ưu theo hàm lượng vôi – xi măng sao cho đạt hiệu quả về kỹ thuật và kinh tế trong điều kiện đất nền tại Thành Phố Cần Thơ, đề tài đưa ra các thông số kỹ thuật để cho các kỹ sư tham khảo trong việc tính toán thiết kế cọc đất trộn vôi kết hợp xi măng, đồng thời sử dụng phương pháp này giải quyết được bài toán gia cố nền đất yếu ở Cần Thơ nói riêng và ở Đồng Bằng Sông Cửu Long nói chung

6 Giới hạn của đề tài: Đề tài tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của sự thay đổi hàm lượng vôi – xi măng đến cường độ, sức chống cắt của hổn hợp đất – vôi – xi măng, đồng thời sử dụng kết quả thí nghiệm để tính toán ổn định ở một loại đất cụ thể cho đất nền

Do ở Cần Thơ chưa có công trình sử dụng cọc đất trộn vôi kết hợp với xi măng, vì vậy việc ứng dụng phần mềm Plaxis để mô phỏng tính toán trong điều kiện các thông số có được trong phòng thí nghiệm

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU XÁC

ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ CỦA ĐẤT TRỘN VÔI – XI MĂNG

Đất yếu là bùn sét và bùn á sét có độ thấm kém khả năng ứng dụng cọc vật liệu rời không hiệu quả vì đất không nén chặt được trong quá trình thi công, vì nước trong lỗ rỗng của bùn rất khó thoát đi để lỗ rỗng có thể giảm nhỏ lại Mặt khác, vật liệu rời có thể chìm dần trong bùn nên không giữ được hình dạng cọc sau khi thi công Việc dùng vôi/ximăng để cải thiện ổn định nền đất yếu bằng các cột vôi - xi măng đất, trong đó vôi và xi măng trộn với đất tại chỗ để tạo ra cột gia cố nền đất được sử dụng từ lâu Thụy Điển, Nhật và một số quốc gia khác đã nghiên cứu phương pháp này trong khoảng thời gian dài cho thấy cọc đất gia cố vôi/ximăng rất hữu hiệu trong việc gia tăng sức chịu tải và giảm độ lún của nền đất Công nghệ này đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ, nhưng là một giải pháp tương đối chưa được ứng dụng nhiều tại Việt Nam Cơ bản đất được coi là điều kiện khả thi để thực hiện của các cột vôi xi măng: đất sét mềm bão hòa với tạp chất hữu cơ

Một số kết quả nghiên cứu sử dụng cột đất vôi xi măng: 1.1 Một số nghiên cứu trên thế giới

Theo ông Ahnberg cùng các cộng sự năm 1994, kết quả thử nghiệm trong phòng bằng công nghệ của Thụy Điển cho con đường ở I-95/Route 1 Interchange in Alexandria, Virginia, 1 tiểu bang ở Mỹ cho thấy đất sét quickclays và clayey silts dễ dàng xử lý bằng vôi / xi măng, trong khi đó sét hữu cơ organic clays và bùn sét (peat) rất khó xử lý Hình 1 cho thấy xử lý cường độ của 1 số loại đất sau khi ổn định 14 ngày với 100kg/m3 phụ gia Đất cố kết thường và đất yếu có sức kháng cắt không thoát nước từ 5 đến 30kPa [18]

Và lượng gia tăng cường độ thể hiện ở hình 1-2

Hình 1-2: Ảnh hưởng của sức kháng cắt cho 3 loại đất khác nhau với các hàm lượng khác nhau [18]

Hình 1-1: Ảnh hưởng xi măng, vôi-xi măng (25:75) ở thời gian 14 ngày sau khi ổn định của các loại đất khác nhau trong phòng thí nghiệm.[18]

Theo [18], sự gia tăng cường độ theo thời gian cho 2 loại vôi quicklime và hydrated lime không có sự khác biệt lớn (Hình 1-3)

Hình 1-3: Quicklime (CaO) và Hydrated lime (Ca(OH)2) [18] Tuy nhiên sự thay đổi cường độ theo thời gian cho 2 loại xi măng khác nhau có sự khác biệt (Hình 4)

Hình 1- 4: Cường độ tăng theo thời gian của 2 loại Xi măng [18]

Ảnh hưởng cường độ theo thời gian với hàm lượng vôi xi măng (25:75) –hình1-5

Hình 1-5: Cường độ tăng theo thời gian với tỉ lệ vôi – Xi măng (25:75) [18] Ảnh hưởng cường độ và thời gian theo hàm lượng vôi xi măng (50:50) minh họa hình 6

Hình 1-6: Cường độ tăng theo thời gian với tỉ lệ vôi – xi măng (50:50) [18]

Cường độ theo thời gian của vôi – xi măng với liều lượng 200kg/m3 (hình 1-7)

Hình 1-7: Cường độ theo thời gian của hàm lượng 200kg/m3 phụ gia [18]

Mối quan hệ ứng suất – biến dạng giữa đất trôn vôi/ xi măng trong thí nghiệm nén 3 trục của Kivelo (1996) với hàm lượng vôi/xi măng là 12%, biến dạng từ 1 – 1.5% ( Hình 1-8), biến dạng dọc trục của vật liệu đất vôi/xi măng khi ứng suất đạt cực đỉnh thấp hơn so với biến dạng của đất xung quanh, sau khi đạt ứng suất cực đỉnh, biến dạng dọc trục của vật liệu đất vôi/xi măng sẽ giảm dần đến một giá trị gần như không đổi đến khi ứng suất cắt của đất nền xung quanh đạt cực đỉnh.[18]

Hình 1-8: Quan hệ ứng suất – biến dạng của đất trộn vôi/ xi măng [19]

1.2 Một số nghiên cứu ở Việt Nam

Theo [7] “Ứng dụng giải pháp cột đất vôi – xi măng để gia cố nền đất yếu” nêu rõ: Trong điều kiện nền đất yếu có chiều dày lớn, đã có nhiều giải pháp hữu hiệu để xử lý, gia cố nền đất yếu, và giải pháp cột đất - vôi - ximăng là một trong số các giải pháp đó Trên thế giới, giải pháp này đã được ứng dụng khá lâu ở nhiều nước như Thụy Điển, Pháp, Nhật, Mỹ,… và đã thu được nhiều kết quả khả quan Ở nước ta, giải pháp này đã được ứng dụng nhiều trong vòng 5 năm gần đây ở nhiều loại công trình như: khu thương mại Vĩnh Trung Plaza ở Đà Nẵng, đại lộ Đông - Tây ở Tp Hồ Chí Minh, kho xăng dầu Nhà Bè, sân bay Cần Thơ,… Từ thực tế các công trình này cho thấy giải pháp cột đất - ximăng bước đầu có thể ứng dụng tốt và là giải pháp hợp lý cho nền móng của nhiều loại công trình ở nước ta

Phương pháp trộn có thể tạo ra cột đất + vôi/ximăng có tiết diện ngang thay đổi theo chiều sâu phù hợp với điều kiện cụ thể của đất

Đất sau khi được trộn với vôi/ximăng để tạo nên các trụ hỗn hợp đất + vôi/ ximăng đem lại sự tăng cao sức chống cắt cho nền và làm giảm tính biến dạng của nền Sự tăng cao sức chống cắt trong nền chủ yếu xãy ra trong các cột đất + vôi/ximăng: là nơi xãy ra các phản ứng hoá học (vôi/ximăng)

Ngoài ra sự tăng sức chống cắt cũng xãy ra trong đất nền xung quanh các cột đất + vôi/ximăng do một lượng nước mất đi do sự thủy hóa vôi tạo ra nhiệt lượng lớn làm bốc hơi nước trong đất yếu

Theo [8] kết quả cho thấy: - Về độ ẩm: Kết quả thí nghiệm cho thấy mức giảm độ ẩm của đất tương ứng với mức tăng của tổng hàm lượng chất kết dính Hàm lượng chất kết dính càng cao, mức giảm độ ẩm của đất càng lớn (Bảng 1-1) Thống kê kết quả phân tích độ ẩm của 16 mẫu đất vôi xi măng đất sau 28 ngày bảo dưỡng cho thấy độ giảm trung bình của độ ẩm so với độ ẩm ban đầu là 16,1% Độ giảm độ ẩm lớn nhất của mẫu M00-20-0 là 24,6% và nhỏ nhất là của mẫu M08-04-0 tương ứng là 9,5%

Bảng 1-1 Sự thay đổi độ ẩm của hổn hợp vôi xi măng trước và sau khi thí nghiệm [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 (hình 1-9)

Hình 1-9: Cường độ của hỗn hợp đất – vôi tăng dần theo tỷ lệ vôi [8] - Trường hợp trộn riêng đất với măng, kết quả nghiên cứu cho thấy, cường độ nén đơn của hỗn hợp đất – xi măng phụ thuộc vào hàm lượng xi măng, tuy nhiên,

nếu hàm lượng xi măng nhỏ hơn 12% thì sự gia tăng cường độ của đất cũng rất nhỏ, chỉ đạt tới 0,92 kG/cm2 (mẫu M00-12-0) Khi hàm lượng xi măng tăng lên đến 20% thì cường độ nén đơn của mẫu tăng lên đáng kể, đạt giá trị 3,8 kG/cm2 (mẫu M00-20-0) Các kết quả thí nghiệm được thể hiện trên hình 1-10

- Trong trường hợp trộn đất – vôi – xi măng, kết quả nghiên cứu cho thấy, cường độ nén đơn của hỗn hợp tăng theo tỷ lệ tăng của các chất kết dính Tuy nhiên, giá trị cường độ nén đơn của mẫu cũng không cao, với tỷ lệ vôi: xi măng là 8%: 12% (M08-12-0) cường độ nén đơn của mẫu sau 28 ngày bảo dưỡng chỉ đạt 1,46 kG/cm2 (hình 1-11) Như vậy, sự kết hợp vôi và xi măng để gia cố đất yếu khu vực này vẫn chưa đạt hiệu quả cao

Hình 11 Cường độ đất vôi– xi măng tăng dần theo thời gian [8] Hình 1-10: Cường độ của đất – xi măng phụ thuộc vào hàm lượng xi măng [8]

1.3 Nhận xét chương 1: Các kết quả nghiên cứu sức chống cắt của đất trộn vôi xi măng trong phòng thí nghiệm trong nước và trên thế giới cho thấy:

1/ Cọc đất vôi và đất xi măng đóng vai trò gia cường nền Đây là giải pháp công nghệ thích hợp để gia cố nền đất yếu

2/ Các chỉ tiêu về cường độ, biến dạng phụ thuộc vào thời gian, loại đất nền, hàm lượng hữu cơ, thành phần hạt và hàm lượng xi măng và vôi sử dụng 3/ Với các loại đất khác nhau thì hàm lượng vôi xi măng khác nhau, khi xử lý nền đất yếu nếu chỉ sử dụng vôi và xi măng riêng lẻ thì hiệu quả gia tăng cường độ của đất không cao

4/ Cường độ của đất gia cố chỉ bắt đầu gia tăng khi hàm lượng xi măng >12%, hoặc khi hàm lượng vôi + xi măng đạt khoảng 20% Mức độ tăng nhanh của cường độ ở 28 ngày và tốc độ tăng này sẽ giảm dần theo thời gian

5/ Sức chống cắt không thoát nước sau khi xử lý đất nền thay đổi đáng kể theo chiều hướng tăng hàm lượng vôi/xi măng và thời gian bảo dưỡng Đất gia cố bằng vôi, xi măng thể hiện tính dòn, tính dòn của đất tăng theo thời gian bão dưỡng và hàm lượng chất kết dính và sức chống cắt có hướng giảm khi khi hàm lượng xi măng >15%, hoặc khi hàm lượng vôi + xi măng > 20%

6/ Cọc đất vôi, đất xi măng nên được dùng rộng rãi để gia cố đất nền Đây là giải pháp hữu ích, không cần thời gian chất tải, tăng cường độ ổn định của nền

7/ Ở TP Cần Thơ đã có các công trình sử dụng cọc xi măng đất để gia cố nền, tuy nhiên chưa có công trình nào sử dụng phương pháp đất trộn vôi kết hợp với xi măng, nhưng qua các nghiên cứu trên thế giới và trong nước thì bài toán đất trộn vôi kết hợp với xi măng là bài toán khả thi, bởi lẽ:

8/ Đất yếu vùng đồng bằng sông Cửu Long, có độ ẩm cao, nhiều chất hữu cơ, nên cường độ sức chống cắt thấp, tính nén lún cao Một số vùng đất còn bị nhiễm phèn, mặn ( đất acid)

9/ Vôi có hai công dụng chính là cung cấp chất Calcium và sửa chữa độ chua của đất cho thích hợp với từng lọai cây trồng Loai đá vôi, loại Dolomite lime và hydrate lime dùng để cải thiên đất phèn, đất chua [đất acid] Đặc biệt, vôi hút nước trong đất sét yếu ở đồng bằng sông Cửu Long nói chung và ở Cần Thơ nói riêng

10/ Xi măng được chọn là phụ gia để tăng nhanh quá trình đông kết và giúp cho sự phân tán các hạt được tốt hơn

2.1 Các điều kiện áp dụng [4] Bài toán gia cố đất vôi / xi măng có 3 điều kiện cần thỏa mãn: Điều kiện về cường độ: lực dính và góc nội ma sát tương đương của khối nền được gia cố phải thỏa mãn điều kiện sức chịu tải dưới tác dụng của tải trọng công trình

Điều kiện về biến dạng: mô đun biến dạng của khối nền được gia cố phải thỏa mãn điều kiện lún của công trình

Điều kiện thoát nước: Áp lực nước lỗ rổng dư trong đất cần được tiêu tán càng nhanh càng tốt

Do đó, quá trình thiết kế là quá trình bố trí hệ nền cột đất vôi xi măng trong diện tích chịu tải và kiểm tra lại cường độ của cột đất vôi xi măng sao cho ứng suất tác dụng lên cột và đất xung quanh không vượt quá cường độ của cột và đất nền

Để thiết kế cột đất vôi xi măng, ta lần lượt xác định các thông số của đất nền, xác định hàm lượng tối ưu của vôi xi măng mà mẫu đạt cường độ lớn nhất thông qua thí nghiệm nén không hạn chế nở hông và thí nghiệm cắt trực tiếp, từ đó ứng dụng các thông số tìm được tính toán ổn định của nền đất đắp, đồng thời dùng phần mềm Plaxis mô phỏng lại các bài toán trên để tìm ra giải pháp tốt nhất cho việc xử lý nền đất yếu hiện nay nghiên cứu này trở thành một trong những giải pháp nền móng hợp lý cho các loại công trình

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

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 bằng xi măng 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

Nếu trộn vôi bột chưa tôi vào đất thì đầu tiên có phản ứng vôi tôi: CaO + H2O = Ca(OH)2 + 15,3 Kcal (2.1) Nhờ nhiệt lượng toả ra do phản ứng mà nước trong đất bốc hơi làm giảm độ ẩm của đất Nhờ có phản ứng trên mà vôi bột được sử dụng để cải tạo các loại đất sét bão hoà nước và than bùn Hydrôxit canxi được tạo ra sẽ tham gia vào các quá trình hoá lý và hoá học trong hỗn hợp đất – vôi

Đầu tiên hydrôxit canxi tham gia vào phản ứng thuỷ hoá với thành phần SiO có trong khoáng vật của đất sét, phương trình phản ứng như sau:

Ca(OH)2+SiO2+n.H2O = CaO.SiO2.(n+1).H2O (2.2) Ca(OH)2 + Al2O3 2SiO2 + m.H2O = CaO Al2O3 2SiO2.(m+1).H2O (2.3)

Quá trình trên diễn ra liên tục và lâu dài tạo ra cấu trúc kết tinh Đặc điểm của cấu trúc kết tinh là cường độ cao và ổn định với nước Trong hai phương trình trên thì phương trình (2.2) quan trọng hơn bởi vì trong nhóm khoáng sét chủ

H2O

yếu có hàm lượng SiO2, còn hàm lượng Al2O3.2SiO2 rất nhỏ Nếu làm tăng độ hoà tan các thành phần SiO2, Al2O3.2SiO2 trong đất thì sẽ làm tăng đáng kể độ bền của đất gia cố

Mặt khác, trong môi trường nước lỗ rỗng hydrôxit canxi được tạo thành sẽ phân ly theo phương trình:

Ca(OH)2 Ca2+ + 2.OH- (2.4)

Do nồng độ cao nên các cation canxi hoàn toàn có khả năng trao đổi với các cation kim loại khác có trong tầng khuyếch tán của hạt keo sét và hấp thụ ngay trên bề mặt của chúng Kết quả làm cho bề dày tầng khuếch tán giảm đi, lực hút giữa các hạt keo sét tăng, chúng sẽ liên kết với nhau hình thành cấu trúc keo tụ Mặt khác tính nhớt, tính háo nước của các hạt sét giảm Khi đầm nén ở độ ẩm tối ưu thì khối lượng thể tích đất -vôi khô dễ dàng tăng lên Diện tích tiếp xúc giữa các hạt, các hợp thể trong hỗn hợp tăng lên, làm tiền đề để hình thành các mối liên kết bền vững giữa các hạt và các hợp thể của đất

Cùng với các quá trình trên, sự cacbonat hoá vôi cũng góp phần làm tăng độ bền của đất gia cố

Một phần hydrôxit canxi được tạo thành tác dụng với CO2 có trong pha khí của đất tạo ra CaCO3, 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 (2.5)

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

Nền móng của các công trình xây dựng nhà ở, đường sá, đập chắn nước và một số công trình khác trên nền đất yếu thường đặt ra hàng loạt các vấn đề phải giải quyết như sức chịu tải của nền thấp, độ lún lớn và độ ổn định của cả diện tích lớn Đồng bằng sông cửu long được biết đến là nơi có nhiều đất yếu, nhiều

công trình quan trọng được hình thành và phát triển trên nền đất yếu với những điều kiện hết sức phức tạp của đất nền, thực tế này đã đòi hỏi phải hình thành và phát triển các công nghệ thích hợp và tiên tiến để xử lý nền đất yếu

2.3 Cơ sở để cải tạo đất bằng phương pháp trộn xi măng [2][8]

Hạt xi măng Portland là một hợp chất bao gồm Tricalcium Silicate (C3S), Dicalcium Silicate ( C2S), Tricalcium Aluminate (C3A) và các chất rắn hòa tan như Tetracalcium Alumino-Ferrit (C4A) Bốn phần tử chính này tạo nên sản phẩm hỗn hợp tạo độ bền chủ yếu

Khi nước lỗ rỗng của đất gặp xi măng, thủy hóa xi măng xảy ra nhanh chóng và sản phẩm của sự thủy hóa chính yếu ban đầu này là Hydrated Calcium Silicate (C3SHX, C3S2HX), Hydrated Calcium Aluminate (C3SAX, C3S2AX) và Hidrocid vôi Ca(OH)2 Hai sản phẩm kết dính xi măng chính được hình thành và thủy hóa vôi được sử dụng như pha tinh thể rắn tách biệt

Những phần tử xi măng này kết hợp các hạt xi măng nằm kế bên với nhau trong suốt quá trình hóa cứng để tạo thành hỗn hợp bộ khung bao quanh các hạt đất nguyên vẹn Các pha Silicate và Aluminate được kết hợp nội tại, do đó hầu như không có pha nào kết tinh hoàn toàn Một phần của Ca(OH)2 cũng có thể kết hợp với các pha Hydrate khác, chỉ có một phần được kết tinh Hơn nữa thủy hóa xi măng dẫn đến gia tăng độ pH của nước lỗ rỗng gây ra bởi sự phân ly của vôi Hydrate Các bazơ mạnh hòa tan Silicate và Aluminate từ cả khoáng vật sét và các chất vô định hình khác trên những mặt của các hạt sét, theo cách tương tự như phản ứng acid yếu và bazơ mạnh Các Silica và Alumina ngậm nước sau đó sẽ từ từ phản ứng với các ion Calcium tự do từ sự thủy phân xi măng để tạo thành hợp chất không hòa tan Phản ứng thứ yếu này được gọi là phản ứng puzzola Hợp chất thủy hóa xi măng thì vẫn chưa được xác định rõ ràng bởi các công thức hóa học, vì thế quan tâm đến các biến thể là khả thi Các hợp chất trong xi măng Portland được biến thể khi có nước như sau:

2(3CaO.SiO2) + 6H2O = 3CaO.SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2 (2.6) 2(2CaO.SiO2) + 4H2O = 3CaO.SiO2.3H2 + Ca(OH)2 (2.7)

4CaO.Al2O3.Fe2O3 + 10H2O + 2Ca (OH)2 = 6CaO.Al2O3.Fe2O3.12H2O (2.8) 3CaO.Al2O3 + 12H2O+ 2Ca(OH)2 = 6CaO.Al2O3.Ca(OH)2.12H2O (2.9) 3CaO.Al2O3 + 10H2O + Ca SO4.2H2O = 3CaO.Al2O3.CaSO4.12H2O (2.10)

Hai phản ứng (2-6) và (2-7), những chất của chúng hợp thành từ 75% xi măng Portland, chỉ ra rằng sự thủy hóa của hai loại Calcium Silicate tạo ra các hợp chất mới: vôi và tobermorite gel, sau đó đóng vai trò quan trọng liên quan đến cường độ và thể tích chủ yếu được quyết định bởi vôi và tobermorite gel Những phản ứng diễn ra trong gia cố xi măng - đất có thể được trình bày trong những phương trình được đưa ra sau đây:

CaS + H2O  C3S2Hx ( hydrated gel) + Ca(OH)2 (2.11) Ca(OH)2  Ca++ + 2(OH)- (2.12)

Ca++ + 2(OH)- + AL2O3 CAH (2.14) Khi độ pH < 12.6 thì phản ứng sau xảy ra:

C3S2Hx + H2O  C2S2Hx + Ca(OH)2 (2.15)

Để có thêm các lực liên kết được tạo ra trong hỗn hợp xi măng – sét, thành phần silicate và aluminate trong vật liệu phải hòa tan được Tính tan được của các khoáng vật sét thì chịu ảnh hưởng như nhau bởi sự hiện diện của những tạp chất, bởi mức độ kết tinh của các vật liệu liên quan, bởi cỡ hạt v.v… Trong những phương trình trên, lực dính kết của những sản phẩm làm cứng bề mặt chủ yếu mạnh hơn nhiều so với sản phẩm thứ yếu Với độ pH < 12.6, phản ứng tạo C3S2Hx (2-15) có thể xãy ra Tuy nhiên, độ pH hạ xuống trong suốt phản ứng puzzolan và giảm pH có khuynh hướng thúc đẩy sự thủy phân để tạo thành CSH Sự hình thành của CSH chỉ có ích khi nó được hình thành bởi phản ứng puzzolan của vôi và silica trong đất (2-11), nhưng nó sẽ bất lợi khi CSH được tạo thành từ sự tiêu hủy C3S2Hx Những đặc tính độ bền phát sinh của C3S2Hx thì ưu việt hơn CSH Sự thủy hóa xi măng và phản ứng puzzolan

có thể kéo dài hàng tháng, hoặc thậm chí 1 năm sau khi trộn, và vì thế độ bền của đất được gia cố xi măng sẽ tăng theo thời gian Điều này có nghĩa trong xi măng - đất bao gồm những hạt sét mịn, những hợp chất hóa cứng chủ yếu và thứ yếu được tạo thành Những sản phẩm chủ yếu hóa rắn thành những phụ gia cường độ cao và nó khác xi măng thông thường trong bê tông Các quá trình thứ yếu làm gia tăng cường độ và tính bền vững của xi măng – đất bởi việc sản sinh ra thêm những hóa chất cứng khác để nâng cao độ bền liên kết

Quá trình phản ứng lý – hóa của việc cải tạo đất bằng xi măng khác với nguyên lý đóng rắn của bê tông Đóng rắn của bê tông chủ yếu là xi măng thực hiện tác dụng thủy giải và thủy hóa trong cốt liệu thô và cốt liệu nhỏ, do đó tốc độ đóng rắn khá nhanh Khi dùng xi măng gia cố đất, do lượng xi măng trộn vào trong đất rất ít (chỉ chiếm từ 7 – 15% trọng lượng đất gia cố), phản ứng thủy giải và thủy hóa của xi măng hoàn toàn thực hiện trong môi trường có hoạt tính nhất định – sự khuây kín của đất, do đó tốc độ đóng rắn chậm và tác dụng phức tạp cho nên quá trình tăng trưởng cường độ của xi măng gia cố đất cũng chậm hơn bê tông

Nguyên lý cơ bản của việc gia cố xi măng – đất: xi măng sau khi trộn với đất sẽ sinh ra một loạt các phản ứng hóa học rồi dần đóng rắn lại Các phản ứng chủ yếu của chúng là:

· Phản ứng thủy giải và thủy hóa của xi măng · Tác dụng của các hạt đất với các chất thủy hóa của xi măng · Tác dụng cacbonat hóa

Từ nguyên lý trên có thể thấy, do tác dụng cắt gọt và nhào trộn của cần khoan trên thực tế không thể nào tránh khỏi đất còn sót lại một ít cục chưa bị đập vỡ, khi trộn vào với xi măng sẽ có hiện tượng xi măng bao lấy cục đất, khe rỗng to giữa các cục đất trên cơ bản được lấp kín bằng các hạt xi măng Cho nên trong đất xi măng sau khi gia cố hình thành tình huống là bên trong cục đất lớn nhỏ khác nhau thì không có xi măng mà ở xung quanh thì lại khá nhiều Chỉ có qua

một thời gian tương đối dài, các hạt đất ở trong cục xi măng dưới tác dụng thẩm thấu của các chất thủy giải của xi măng mới dần dần cải biến được tính chất của nó Do đó trong xi măng – đất sẽ không tránh khỏi tình trạng có những vùng đất cục có cường độ thấp hơn Hai loại này xen kẽ nhau trong không gian, hình thành một dạng xi măng – đất đặc biệt Có thể nói một cách định tính là việc trộn cưỡng bức giữa xi măng và đất càng kỹ thì đất bị đập vỡ càng nhỏ, xi măng phân bố vào trong đất càng nhiều thì tính ly tán về cường độ xi măng – đất càng nhỏ, cường độ tổng thể trên phạm vi rộng rãi sẽ càng cao

2.4 Loại đất được xử lý bằng vôi – xi măng [2]

2.4.1 Loại đất Hiệu quả của việc xử lý nền bằng vôi /xi măng sẽ kém khi độ ẩm và hàm lượng hữu cơ gia tăng Chỉ số dẻo của đất càng lớn khi khả năng cải tạo nền càng kém Cải tạo đất hữu cơ bằng xi măng sẽ hiệu quả hơn cải tạo bằng vôi (Miura, 1986)

Hiệu quả của vôi /xi măng giảm dần khi hàm lượng sét và chỉ số dẻo gia tăng Một cách tổng quát, khi độ linh hoạt của sét càng lớn thì cường độ của đất xử lý bằng xi măng càng thấp Tuy nhiên, điều này thì ngược lại với vôi vì cường độ của đất trộn vôi chủ yếu phụ thuộc vào sự tham gia của hạt sét trong phản ứng pozzolan Đối với đất trộn với xi măng thì cường độ này phụ thuộc chủ yếu vào sự xi măng hóa trong quá trình thủy phân Sự gia tăng cường độ do hạt sét kết đám thường tương đối nhỏ đối với trầm tích biển vì đất thuộc loại trầm tích này đã có sẵn cấu trúc bông (Broms, 1984)

2.4.2 Thành phần khoáng Trong trường hợp đất có hoạt tính pozzolan cao thì đặc trưng cường độ của đất trộn xi măng phụ thuộc chủ yếu vào sự ứng xử về cường độ của những hạt xi măng đông cứng Trong trường hợp đất có hoạt tính pozzolan kém thì đặc trưng cường độ của đất trộn xi măng phụ thuộc chủ yếu vào sự ứng xử về cường độ của những hạt đất đông cứng (Saitoh, 1985) cho nên nếu điều kiện cải tạo đất nền như nhau thì loại đất có hoạt tính pozzolan cao hơn cho cường độ lớn hơn Hilt và Davidson (1960) quan sát thấy rằng các loại đất sét monmorilonit và

kaolinit là những hoạt chất pozzolan có hiệu quả so với các loại đất sét chứa khoáng illite, chlorite hoặc vermiculite Wissa và những người khác (1965) cũng giải thích rằng số lượng xi măng thứ cấp sinh ra trong phản ứng pozzolan giữa hạt sét và vôi tôi phụ thuộc vào số lượng và thành phần khoáng của sét cũng như silica và alumina có trong đất

2.4.3 Độ pH của đất Những phản ứng pozzolan lâu dài sẽ thuận lợi khi độ pH lớn vì phản ứng sẽ được thúc đẩy nhanh nhờ độ hòa tan của silicate và aluminate trong hạt sét gia tăng Khi độ pH của đất nhỏ hơn 12.6 thì phản ứng (2.15) xảy ra Chất C3S2Hx lại phản ứng tiếp để tạo ra CSH và vôi tôi Ca(OH)2 Phản ứng tiếp theo ở trên làm giảm cường độ của đất trộn ximăng vì chất C3S2Hx có khả năng tăng độ bền cho đất tốt hơn CSH

2.5 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

2.5.1 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 

Với: Pc – tải trọng giới hạn nén một trục lên đất A – diện tích tiết diện ngang mẫu đất Độ bền nén đơn qu tương ứng với tiêu chuẩn bền Galilée (lý thuyết đầu tiên về độ bền)

Mẫu đất trộn vôi xi măng và sau khi bảo dưỡng tồn tại độ bền cấu trúc do các liên kết vôi - xi măng 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 -xi măng thường được thực hiện bằng thí nghiệm nén đơn trục không hạn chế nở hông

(2.16)

Với ba mẫu đất đem làm thí nghiệm, ứng với ba áp lực pháp tuyến  khác nhau, trong quá trình cắt mẫu đất ta sẽ xác định được ba ứng suất cắt cực đại , trong máy cắt trực tiếp  được xác định theo công thức sau:

RC.



Trong đó: C – hệ số vòng

R – Số đọc của đồng hồ đo biến dạng trên vòng đo lực ngang (biến dạng của vòng đo ứng biến)

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 (Hình 2.1)

 = tan + c

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



n

i

n

iii

n

i

n

in

iiii

i

nntg

1

2

12







c – lực dính của đất 2.6 Các phương pháp tính toán cọc đất vôi - xi măng [5] 2.6.1 Phương pháp tính toán theo quan điểm cọc đất vôi- xi măng làm việc như cọc

2.6.1.1 Đánh giá ổn định cọc đất vôi- xi măng theo trạng thái giới hạn1

Để móng cọc đảm bảo an toàn cần thỏa mãn các điều kiện sau: Nội lực lớn nhất trong một cọc: Nmax < .

Moment lớn nhất trong một cọc: Mmax < [M] của vật liệu làm cọc Chuyển vị của khối móng: Δy < [Δy] Trong đó:

Qult.col = Acol (3.5Cu.col + 3σh) - Sức chịu tải giới hạn của cọc đất vôi- xi măng [5]

[M] - Moment giới hạn của cọc đất vôi- xi măng Fs - Hệ số an toàn

(2.19)

(2.20)

2.6.1.2 Đánh giá ổn định cọc đất vôi- xi măng theo trạng thái giới hạn thứ 2

Tính toán theo trạng thái giới hạn 2, đảm bảo cho móng cọc không phát sinh biến dạng và lún quá lớn: ΣSi < [S]

Trong đó: [S] - Độ lún giới hạn cho phép ΣSi - Độ lún tổng cộng của móng cọc Nói chung, trong thực tế quan điểm này có nhiều hạn chế và có nhiều điểm chưa rõ ràng Chính vì những lý do đó nên ít được dùng trong tính toán

2.6.2 Phương pháp tính toán theo quan điểm như nền tương đương [5] Nền cọc và đất dưới đáy móng được xem như nền đồng nhất với các số liệu cường độ φtđ, Ctđ, Etđ được nâng cao Gọi as là tỉ lệ giữa diện tích cọc đất vôi xi măng thay thế trên diện tích đất nền

a =

fcAA

nenc

td

unenuc

utd

nenc

td

nenc

td

nenc

td

EaE

aE

SaS

aS

CaC

aC

aa

aa

)1(

)1(

)1(

)1(

)1(

,,

,

,,

,



















(Suc =qu/2)

Trong đó: a là tỷ diện thay thế của cột đất gia cố xi măng

= : Diện tích cột đất gia cố xi măng Af = s2 : Diện tích vùng xử lý, s – khoảng cách bố trí cột đất (hình vuông)

,,,

,, cnen

td   là các giá trị góc ma sát (điều kiện thoát nước) của nền tương đương, đất gia cố và nền tự nhiên

nenctd   , , là các giá trị dung trọng của nền tương đương, đất gia cố và nền tự nhiên

,,,

,, cnen

C là các giá trị lực dính thoát nước của nền tương đương, đất gia cố và nền tự nhiên

unenuctdSS , , là các giá trị sức kháng cắt không thoát nước của nền tương đương, đất gia cố và nền tự nhiên

nentdEE , là các giá trị mô dun biến dạng của nền tương đương, đất gia cố và nền tự nhiên

Ec: Môđun biến dạng của đất được gia cố (được xác định trên cơ sở thí nghiệm nén 1 trục nở hông)

qu là sức kháng nén 1 trục nở hông của cột đất gia cố vôi - xi măng thông qua thí nghiệm trong phòng

Theo phương pháp tính toán này, bài toán gia cố đất có 2 tiêu chuẩn cần kiểm tra: tiêu chuẩn về cường độ và tiêu chuẩn về biến dạng

2.6.3 Phương pháp tính toán theo quan điểm của Viện Kỹ Thuật Châu Á [5]

2.6.3.1 Khả năng chịu tải của cọc đơn

Khả năng chịu tải giới hạn ngắn hạn của cọc đơn trong đất sét yếu được quyết định bởi sức kháng của đất sét yếu bao quanh (đất phá hoại) hay sức kháng cắt của vật liệu cọc (cọc phá hoại), theo tài liệu của D.T.Bergado:

Qult.soil = (πdLcol + 2.25πd2) Cu.soil (2.25) Trong đó:

d: đường kính cọc Lcol: chiều sâu chôn cột đất vôi xi măng Cu.soil: độ bền cắt không thoát nước trung bình của đất sét bao quanh, được xác định bằng thí nghiệm ngoài trời như thí nghiệm cắt cánh hoặc thí nghiệm xuyên côn

Khả năng chịu tải giới hạn ngắn ngày do cọc bị phá hoại ở độ sâu z, theo D.T Bergado (sức kháng cắt theo vật liệu):

Qult.col = Acol (3.5Cu.col + Kbσh) (2.26) Trong đó:

Kb: hệ số áp lực bị động; Kb = tg2(450+φ/2); Kb = 3 khi φult.col = 30o σh : Áp lực ngang tổng cộng tác động lên cột đất vôi xi măng tại mặt cắt giới hạn

2.6.3.2 Khả năng chịu tải giới hạn của nhóm cọc

Khả năng chịu tải giới hạn của nhóm cọc vôi xi măng - đất được tính theo công thức:

Qult.group = 2Cu.soil.H (B + L) + k.Cu.soil.B.L (2.27) Trong đó:

B, L, H - chiều rộng, chiều dài và chiều cao của nhóm cọc vôi xi măng - đất k = 6 khi móng hình chữ nhật k = 9 khi móng hình vuông, tròn

Trong tính toán thiết kế, kiến nghị hệ số an toàn là 2.50 (theo D.T.Bergado) 2.6.4 Tính toán biến dạng [10]

Độ lún tổng cộng của gồm 2 thành phần là độ lún cục bộ của khối được gia cố (Δh1) và độ lún của đất không ổn định nằm dưới khối gia cố (Δh2) Có 2 trường hợp xảy ra:

Trường hợp a: tải trọng tác dụng tương đối nhỏ và cọc chưa bị rão Trường hợp b: tải trọng tương đối cao và tải trọng dọc trục tương ứng với giới hạn rão của cọc

♦ Trường hợp a:

Hình 2.2 Tải trọng tác dụng tương đối nhỏ và cọc chưa bị rão Độ lún cục bộ phần cọc vôi - xi măng Δh1 được xác định theo giả thiết độ tăng ứng suất q không đổi suốt chiều cao khối và tải trọng trong khối không giảm:

(2.28) Độ lún của lớp đất yếu bên dưới đáy khối gia cố được tính toán theo phương pháp cộng lớp phân tố với công thức sau: (trường hợp tổng quát)

Trong đó: hi - bề dày lớp đất tính lún thứ i eoi - hệ số rỗng của lớp đất I ở trạng thái tự nhiên ban đầu Cri - chỉ số nén lún hồi phục ứng với quá trình dỡ tải Ccr - chỉ số nén lún hay độ dốc của đoạn đường cong nén lún σ’vo - ứng suất nén thẳng đứng do trọng lượng bản thân các lớp đất tự nhiên nằm trên lớp i Δσ’v - gia tăng ứng suất thẳng đứng

σ’p - ứng suất tiền cố kết

(2.29)

(2.30)

Tỷ số giảm lún β là tỷ số giữa độ lún tổng cộng ở dưới đáy khối đã được gia cố với độ lún khi không có cọc vôi - xi măng và được tính theo quan hệ sau:

♦ Trường hợp b Trong trường hợp này, tải trọng tác dụng quá lớn nên tải trọng dọc trục tương ứng với giới hạn rão Tải trọng tác dụng được chia ra làm 2 phần, phần q1 truyền cho cọc và q2 truyền cho đất xung quanh Phần q1 được quyết định bởi tải trọng rão của cọc và tính theo biểu thức:

Giá trị q1 có thể được xác định gần đúng như sau:

với c là khoảng cách cọc Độ lún cục bộ phần cọc tính theo biểu thức:

Độ lún Δh2 dưới đáy khối gia cố được tính cho cả q1 và q2, với giả thiết tải trọng q1 truyền xuống dưới đáy khối gia cố, tải trọng q2 tác động lên mặt

Hình 2.3 Tải trọng tương đối cao và tải trọng dọc trục tương ứng với giới hạn rão của cọc

(2.31)

(2.32)

(2.33)

2.7 Tính toán các thông số cột đất vôi xi măng [5][20]

Chiều dài, đường kính cũng như mật độ cột gia cố được xác định theo điều kiện sức chịu tải và điều kiện biến dạng lún của hệ cột các tiêu chuẩn về khống chế biến dạng lún của công trình trong giới hạn cho phép sao cho khi được xử lý hệ kết cấu làm việc đảm bảo các tiêu chuẩn cho phép theo quy định hiện hành đối với móng, mặt đường cứng hay mềm

Khoảng cách giữa các cột đất vôi - xi măng: Bố trí hình vuông: =

.

Bố trí hình tam giác: =

√ ( )

Trong đó: Qp: khả năng chịu tải mỗi cột trong nhóm cột

ffs: 1.3 hệ số riêng phần đối với trọng lượng đất fq: 1.3 hệ số riêng phần đối với tải trọng ngoài H: chiều cao nền đắp (m); q: ngoại tải tác dụng (KN/m2) γ: dung trọng đất đắp (KN/m3)

2.8 Giải pháp kỹ thuật xử lý nền đất yếu cho nền đường

Giải pháp xử lý gia cố nền đất yếu bằng cột đất trộn vôi - xi măng Khoảng cách và chiều sâu xử lý cột đất vôi - xi măng phụ thuộc vào chiều cao đất đắp và chiều dày tầng đất yếu và công trình lân cận

Nền đất yếu được gia cường bằng cột đất vôi - xi măng Tính toán thiết kế theo phương pháp nền hỗn hợp

2.8.1 Cơ sở lựa chọn thông số tính toán - Các căn cứ để lựa chọn hàm lượng vôi /xi măng:  Kết quả thí nghiệm nén 1 trục nở hông các mẫu đất gia cố vôi /xi măng

trong phòng thí nghiệm các tuổi ngày 7, 14 và ngày 28 và 56 với hàm

(2.34) (2.35)

lượng vôi lần lượt là 4%, 8%, 12%, 15% và hàm lượng xi măng lần lượt là 4%, 8%, 12%, 15%

 Dung trọng và độ ẩm của đất tự nhiên và đất gia cố  Hàm lượng hữu cơ đất gia cố

2.8.2 Tính toán thiết kế Tính toán thiết kế được kiểm tra theo hai trạng thái giới hạn: Trạng thái giới hạn I (TTGH cường độ): Kiểm tra các sức chịu tải của cột đơn, sức chịu tải của nhóm cột Kiểm tra ổn định trượt sâu nền hỗn hợp ( ổn định mái taluy)

Trạng thái giới hạn II (TTGH sử dụng): Kiểm tra điều kiện biến dạng của nền hỗn hợp

2.8.2.1.Tổ hợp tải trọng - Tải trọng tính lún Gồm lớp đất đắp thiết kế tính tới đỉnh cột đất (htk), lớp đất đắp bù lún (h1)

Pgl = (htk + h1)* dd (2.36) Trong đó:

Pgl : ứng suất do tải trọng gây lún tác dụng lên mặt phẳng đỉnh cột đất htk , h1 : chiều cao đất đắp, chiều dày lớp đất đắp bù lún

γdd :Dung trọng của đất đắp - Tải trọng kiểm toán sức chịu tải Tải trọng kiểm toán sức chịu tải gồm tải trọng thường xuyên và hoạt tải khai thác

Tải trọng thường xuyên : tải trọng tính lún

2.8.2.2.Tính sức chịu tải của cột đất gia cố, của nền hỗn hợp [16][17] - Kiểm toán sức chịu tải của cột đơn

Kiểm toán theo vật liệu cột Cường độ chịu tải giới hạn của cột đất gia cố:

colcreep

v



(2.37)

colfailure

 h (2.38)

 h = ,vo+0.5 v (2.39)

Trong đó

colcreep

 - Cường độ chịu tải trọng dài hạn của cột đất gia cố

colfailure

 - Cường độ giới hạn của cột đất gia cố

Su Cường độ kháng cắt không thoát nước ,

 h Ứng suất hữu hiệu theo phương ngang (áp lực hông) ,

 vo - ứng suất hữu hiệu theo phương đứng giữa cột và đất nềnv - ứng suất do tải trọng chất lên đầu cột

vcol - ứng suất do tải trọng dài hạn trên thân cột Kiểm toán theo đất nền

Kiểm toán theo điều kiện đất nền được thực hiện theo phương pháp hệ số tải trọng Điều kiện :

Fs = Qcol/Pac  2.0

Sức chịu tải của cột đất theo điều kiện đất nền:

Qcol = (π*D*Lc + 2.25*π*D2)*Su (2.40) FS- Hệ số an toàn

Qcol-Sức chịu tải danh định của cột đơn Pac- Tải trọng tính toán của một cột đơn bao gồm cả hoạt tải D- Đường kính cột

Lc- Chiều dài cột Su- Sức kháng cắt không thoát nước của đất nền Sức chịu tải của nhóm cột đất

Kiểm toán theo điều kiện đất nền được thực hiên theo phương pháp hệ số tải trọng Điều kiện:

FS= Qgroup/Pgroup 2.0 Sức chịu tải của nhóm cột được tính theo công thức của Brom-2001: Qgroup = 2*Su*Lc*(B+L) + np * Su*B*L (2.41) Tải trọng tính toán:

Pgroup= (Pgl + Pht)*B*h (2.42) Trong đó:

Qgroup- Sức chịu tải danh định của nhóm cột Pgroup- Tải trọng tính toán của nhóm cột B- Bề rộng nhóm cột

L- Chiều dài của nhóm cột trên mặt bằng, lấy l= 30m ứng với đoạn chia nhỏ nhất

Lc- Chiều dài cột Su- Sức kháng cắt không thoát nước của đất nền np- Hệ số liên quan tới hình dạng móng, np= 6÷9 Trường hợp móng băng, np=6 Pgl, Pht- Các trị số ứng suất do tải trọng gây lún và hoạt tải tác dụng trên mặt phẳng đỉnh cột đất

2.8.2.3 Tính độ lún [10] Tính lún cho phạm vi nền được xử lý và phần nền không đước xử lý

- Tính lún cho phạm vi nền được xử lý Độ lún tổng (S) của nền đất yếu được xử lý bằng cột đất xi măng được xác định như sau:

Trong đó: S1 : độ lún của khối đất được gia cố S2 : độ lún của đất nền tự nhiên dưới mũi cột đất gia cố Độ lún của khối gia cố

S1 =

td

EqH

(2.44) Trong đó:

q – Tải trọng công trình truyền lên khối gia cố H - Chiều dày lớp đất gia cố

Etd - Mô đun đàn hồi của nền tương đương Độ lún của đất nền dưới khối gia cố

Độ lớn S2 được tính theo nguyên lý cộng lún từng lớp (xem phụ lục 3 TCXD 45 – 78), áp lực đất phụ thêm trong đất có thể tính theo lời giải cho bán không gian biến dạng tuyến tính (tra bảng) hoặc phân bố giảm dần theo chiều sâu với độ dốc (2:1) Phạm vi vùng ảnh hưởng lún đến chiều sâu mà tại đó áp lực gây lún không vượt quá 10% áp lực đất tự nhiên

Tính độ lún theo thời gian và kiểm tra độ lún dư

S(t) = S1(t) + S2(t) (2.45) Trong đó:

S1(t) : Độ lún sau thời gian (t) của khối đất được gia cố S2(t) : Độ lún sau thời gian (t) của khối đất chưa gia cố, dưới mũi cọc Xác định độ lớn cố kết của nền đất yếu được xử lý bằng cột đất gia cố XM:

S1(t) = S1.U

U = 1 – exp[

)(.2

2 fnR

tch



Trong đó: U: độ cố kết ch : hệ số cố kết theo phương ngang của đất tự nhiên, ch = 1.5cv; t : Thời gian cố kết;

R : bán kính ảnh hưởng của cột đất Với cột bố trí hình ô vuông, R = 0,53d;

222222

2

.1.1)

411(175.0ln1)

cocdatLkkrnnnnn

nnn



n = R/r với r là bán kính cột gia cố; d : Khoảng cách giữa các tâm cột đất gia cố;

LD: Chiều dài thoát nước = chiều dài cột đất gia cố; kđất sét : Hệ số thấm tự nhiên của đất chưa gia cố; kcoc : Hệ số thấm của vật liệu cột; kcột/kđất sét = 100 Tính toán độ cố kết của đất nằm dưới mũi cột đất xi măng (áp dụng cho đất dính)

- Độ cố kết U của đất dưới mũi cột được xác định tùy thuộc vào nhân tố thời gian Tv:

Tv = tHCvtb

2 ,

22

)(

viiatb

v

ChzC

 (2.48)

- Độ lún cố kết sau thời gian t : St = Sc*Uv - Phần lún còn lại sau thời gian t: ΔS = (1 - U)*Sc

Trong đó: Tv: Nhân tố thời gian theo phương đứng, H: Chiều sâu thoát nước cố kết theo phương đứng

: Hệ số cố kết trung bình theo phương đứng trong phạm vi chiều sâu nén lún Za

hi: bề dày các lớp đất nằm trong phạm vi Za có hệ số cố kết khác nhau Cvi

Kiểm tra giới hạn độ lún Độ lún còn lại sau thời gian thi công:

dS = S – S(t) [SL] (2.49) Trong đó:

[SL] : Giới hạn độ lún dư cho phép dS : Độ lún dư thiết kế (của nền đã được gia cường)