Luận văn thạc sĩ Địa kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thành phần khoáng trong xi-măng đến sự hình thành cường độ của cọc đất trộn xi măng

HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ---Ω--- NGUYỄN ANH QUỐC NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÀNH PHẦN KHOÁNG TRONG XI-MĂNG ĐẾN SỰ HÌNH THÀNH CƯỜNG ĐỘ CỦA CỌC ĐẤT TRỘN XI-MĂNG CHUYÊ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-Ω -

NGUYỄN ANH QUỐC

NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÀNH PHẦN KHOÁNG TRONG XI-MĂNG ĐẾN SỰ HÌNH THÀNH

CƯỜNG ĐỘ CỦA CỌC ĐẤT TRỘN XI-MĂNG

CHUYÊN NGÀNH : ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG MÃ SỐ NGÀNH : 60.58.60

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2012

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

-Δ -

Cán bộ hướngdẫn khoa học : TS NGUYỄN MINH TÂM TS TRẦN VĂN MIỀN Cán bộ chấm nhận xét 1 : ………

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại

HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày……tháng……năm 2012

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

- -oOo -

Tp HCM, ngày tháng năm 2011

NHIỆM VỤ ĐỀ CƯƠNG LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: NGUYỄN ANH QUỐC Giới tính : Nam Ngày, tháng, năm sinh : 26/03/1977 Nơi sinh : Quảng Ngãi

Chuyên ngành : Địa kỹ thuật xây dựng MSHV: 10090337 I- TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÀNH PHẦN KHOÁNG TRONG MĂNG ĐẾN SỰ HÌNH THÀNH CƯỜNG ĐỘ CỦA CỌC ĐẤT TRỘN XI-MĂNG

XI-II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: 1-Nhiệm vụ: Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thành phần khoáng trong xi-măng đến

sự hình thành cường độ của cọc đất trộn xi-măng

2-Nội dung:

Mở đầu Chương 1 : Tổng quan về nghiên cứu và ứng dụng cọc đất trộn xi-măng trong cải tạo

nền đất yếu

Chương 2 : Các phương pháp thí nghiệm và phương pháp nghiên cứu Chương 3 : Nghiên cứu thực nghiệm và đánh giá ảnh hưởng của thành phần khoáng Kết luận và kiến nghị

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : ……/ … / …… IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : ……/ … / …… V- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS NGUYỄN MINH TÂM

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

TS Nguyễn Minh Tâm TS Trần Văn Miền PGS.TS VÕ PHÁN

Đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

Ngày tháng năm……

LỜI TRI ÂN

Qua thời gian học tập và nghiên cứu tại trường, Em xin cảm ơn quý thầy cô

trong Bộ môn Địa cơ Nền móng đã nhiệt tình truyền đạt những kiến thức quý báu

và quan tâm, tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ học viên Xin gởi lời tri ân đết tất cả mọi người

Xin gởi lời cảm ơn đặc biệt đến hai thầy hướng dẫn khoa học là thầy Nguyễn Minh Tâm và thầy Trần Văn Miền Hai thầy đã chỉ dẫn Tôi một cách tận tâm, tận

tụy và định ra phương hướng trong suốt thời gian thực hiện cuốn luận văn này Xin gởi lời cảm ơn đến thầy Đặng Kỳ Minh, thầy Nguyễn Quốc Khánh, thầy Bùi Đức Vinh, thầy Cù Khắc Trúc, thầy Võ Phán Các thầy đã giúp đỡ Tôi trong quá trình nghiên cứu

Xin gởi lời cảm ơn đến trung tâm thí nghiệm vật liệu xây dựng của công ty nghiên cứu kỹ thuật và tư vấn xây dựng HOÀNG VINH, phòng thí nghiệm trọng điểm của khoa “Công nghệ vật liệu” của trường ĐHBK, phòng thí nghiệm phân tích cấu trúc vật liệu của khoa hóa của trường ĐHBK, phòng thí nghiệm vật liệu xây dựng của bộ môn vật liệu xây dựng của khoa “kỹ thuật xây dựng”, phòng thí nghiệm nano của trường đại học quốc gia TP.HCM, phòng thí nghiệm đo nhiễu xạ tia X của của viện khoa học & công nghệ Việt Nam Những phòng thí nghiệm trên đã giúp Tôi đo và phân tích dữ liệu

Cuối cùng, xin cảm ơn Gia đình và bạn bè thân hữu đã động viên, giúp đỡ Tôi trong suốt thời gian học tập vừa qua

TP Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2012

Học viên

Nguyễn Anh Quốc

TÓM TẮT

Luận văn trình bày nghiên cứu trong phòng về sự ảnh hưởng của các thành phần khoáng trong xi-măng đến sự hình thành cường độ của cọc đất trộn xi-măng Đất sét nguyên liệu được chọn ở tỉnh Trà Vinh và xi-măng là nguồn nguyên liệu trong nước với bốn loại khác nhau A,B,C,D Nghiên cứu được tiến hành với nhiều hàm lượng xi-măng, thay đổi hàm lượng xi-măng từ 15% đến 30%, và thời gian bảo dưỡng từ 7 ngày đến 28 ngày

Nghiên cứu chỉ ra rằng cường độ nén của đất trộn xi-măng đạt giá trị cao và đột biến ở hàm lượng xi-măng 30% Sự phát triển cường độ tăng nhanh ở thời gian bảo dưỡng 7 ngày và sau đó tăng chậm ở thời gian bảo dưỡng 28 ngày Xi-măng loại D có hàm lượng khoáng cao nhất và mẫu đất gia cố xi-măng loại D cũng tương ứng cho cường độ cao nhất Hàm lượng và vi cấu trúc các thành phần khoáng tạo ra của quá trình đóng rắn của mẫu đất trộn xi-măng được trình bày thông qua phân tích nhiễu xạ tia X, qua các ảnh chụp kính hiển vi điện tử Mô-đuyn cát tuyến (E50) đạt từ 69.09 qu đến 687.16 qu ở 28 ngày bảo dưỡng

Qua nghiên cứu cho thấy sự chọn lựa loại xi-măng phù hợp nhất cho dự án căn cứ vào hàm lượng các khoáng trong loại xi-măng đó

ABSTRACT

This thesis present a laboratory study on the influence of the mineral composition of cement to the formation of intensity of soil cement mix Selected materials in clay Trà Vinh province and cement is the source of raw materials in the country with four different types A, B, C, D The study was carried out with different cement content, changing the cement content from 15% to 30%, and maintenance time from 7 days to 28 days

Research indicates that the compressive strength of soil cement mix of high value and mutations in the cement content of 30% The development intensity increase in maintenance time 7-days and then increased slowly at 28-days maintenance period Cement type D has the highest mineral content and soil reinforced cement type D also corresponds to the highest intensity Content and structure of micro-mineral components of the curing process of cement mixed soil samples are shown through X-ray diffraction analysis, through an electron microscope photograph Secant modulus (E50) reached from 69.09 qu to 687.16 qu in 28-days of maintenance

Studies showed that the choice of the most suitable cement for the project based on the content of minerals in the cement

MỤC LỤC

MỤC LỤC HÌNH VÀ BẢNG 4 

KÝ HIỆU 7 

MỞ ĐẦU 9 

1 Tính cấp thiết của đề tài 9 

2 Mục đích và vấn đề nghiên cứu của đề tài 9 

3 Phương pháp nghiên cứu 9 

4 Ý nghĩa khoa học của đề tài 10 

5 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài 10 

6 Nội dung nghiên cứu của đề tài .10 

1.1.2 Nguyên lý hình thành cường độ của cọc đất trộn xi-măng 16 

1.1.3 Ứng dụng trụ đất trộn xi-măng để gia cố nền đất yếu 17 

1.1.4 Những dạng hình học của bố trí móng .20 

1.2 Sơ lược phương pháp thi công 21 

1.2.1 Các phương pháp trộn 21 

1.2.2 Công nghệ thi công trụ đất gia cố bằng xi-măng 23 

1.3 Ứng dụng của cọc đất trộn xi-măng ở Việt Nam 29 

1.4 Các kết quả nghiên cứu có liên quan đến vấn đề nghiên cứu trong và ngoài nước 30 

1.4.1 Các kết quả nghiên cứu trên thế giới 30 

1.4.2 Các kết quả nghiên cứu ở Việt Nam 42 

CHƯƠNG 2 : CÁC PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM VÀ QUY TRÌNH TẠO MẪU NGHIÊN CỨU 48 

2.1 Các thí nghiệm vật lý cơ bản của đất 48 

2.1.1 Thí nghiệm xác định độ ẩm (ASTM D2216) .48 

2.1.2 Thí nghiệm xác định dung trọng .48 

2.1.3 Thí nghiệm xác định thành phần hạt (ASTM D422-63) .50 

2.1.4 Thí nghiệm xác định giới hạn dẻo, giới hạn chảy Atterberg .51 

2.2 Các thí nghiệm mẫu đất trộn xi măng 53 

2.2.1 Thí nghiệm nén một trục có nở hông (ASTM D5102-96) .53 

2.3 Quy trình tạo mẫu nghiên cứu 57 

2.3.1 Định nghĩa các kí hiệu thông số liên quan 57 

2.3.2 Các bước tiến hành thí nghiệm 58 

2.3.2.1 Vị trí đất thí nghiệm và công tác lấy mẫu .58 

2.3.2.2 Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý đất tự nhiên 58 

2.3.2.3 Lựa chọn hàm lượng xi măng nghiên cứu (aw) và chất kết dính 63 

2.3.2.4 Thiết bị trộn mẫu, Khuôn mẫu thí nghiệm 65 

2.3.2.5 Quy trình trộn mẫu, bảo dưỡng mẫu đất trộn xi măng (ASTM D1632-96) : 66 

2.3.3 Thí nghiện nén đơn 74 

2.3.4 Thí nghiệm phân tích thành phần khoáng (X-Ray) 74 

2.3.5 Chụp vi cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử (SEM) 74 

2.3.6 Thí nghiệm phân tích thành phần hóa của xi-măng 74 

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÀNH PHẦN KHOÁNG 75 

3.1 Ảnh hưởng của của tỉ lệ đất nước trên xi-măng (sw/c) 75 

3.2 Sự thay đổi cường độ nén đơn (qu) theo thời gian bảo dưỡng 80 

3.3 Cường độ nén nở hông (qu) và độ biến dạng dọc trục (ε) 86 

3.4 Tương quan giữa cường độ nén đơn (qu) và mô-đuyn cát tuyến (E50) 100 

3.5 Tương quan giữa cường độ nén đơn qu và liều lượng xi-măng α (kg/m3) 105 

3.6 Kết quả và nhận xét của các thí nghiệm phân tích đặc tính xi-măng làm thí nghiệm 107 

3.7 Phân tích và nhận xét hình ảnh chụp cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử (SEM) của mẫu đất sét và mẫu đất trộn xi-măng 112 

3.8 Kết quả và nhận xét của thí nghiệm phân tích hàm lượng các khoáng bằng nhiễu xạ tia X (X-Ray) 116 

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 122 

HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 124 

TÀI LIỆU THAM KHẢO 125 

MỤC LỤC HÌNH VÀ BẢNG

MỤC LỤC HÌNH VÀ BẢNG 4

KÝ HIỆU 7

MỞ ĐẦU 9

1 Tính cấp thiết của đề tài 9

2 Mục đích và vấn đề nghiên cứu của đề tài 9

3 Phương pháp nghiên cứu 9

4 Ý nghĩa khoa học của đề tài 10

5 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài 10

6 Nội dung nghiên cứu của đề tài .10

1.1.2 Nguyên lý hình thành cường độ của cọc đất trộn xi-măng 16

1.1.3 Ứng dụng trụ đất trộn xi-măng để gia cố nền đất yếu 17

1.1.4 Những dạng hình học của bố trí móng .20

1.2 Sơ lược phương pháp thi công 21

1.2.1 Các phương pháp trộn 21

22

1.2.2 Công nghệ thi công trụ đất gia cố bằng xi-măng 23

1.3 Ứng dụng của cọc đất trộn xi-măng ở Việt Nam 29

1.4 Các kết quả nghiên cứu có liên quan đến vấn đề nghiên cứu trong và ngoài nước 30

1.4.1 Các kết quả nghiên cứu trên thế giới 30

1.4.2 Các kết quả nghiên cứu ở Việt Nam 42

CHƯƠNG 2 : CÁC PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM VÀ QUY TRÌNH TẠO MẪU NGHIÊN CỨU 48

2.1 Các thí nghiệm vật lý cơ bản của đất 48

2.1.1 Thí nghiệm xác định độ ẩm (ASTM D2216) .48

2.1.2 Thí nghiệm xác định dung trọng .48

2.1.3 Thí nghiệm xác định thành phần hạt (ASTM D422-63) .50

2.1.4 Thí nghiệm xác định giới hạn dẻo, giới hạn chảy Atterberg .51

2.2 Các thí nghiệm mẫu đất trộn xi măng 53

2.2.1 Thí nghiệm nén một trục có nở hông (ASTM D5102-96) .53

2.3 Quy trình tạo mẫu nghiên cứu 57

2.3.1 Định nghĩa các kí hiệu thông số liên quan 57

2.3.2 Các bước tiến hành thí nghiệm 58

2.3.2.1 Vị trí đất thí nghiệm và công tác lấy mẫu .58

2.3.2.2 Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý đất tự nhiên 58

2.3.2.3 Lựa chọn hàm lượng xi măng nghiên cứu (aw) và chất kết dính 63

2.3.2.4 Thiết bị trộn mẫu, Khuôn mẫu thí nghiệm 65

2.3.2.5 Quy trình trộn mẫu, bảo dưỡng mẫu đất trộn xi măng (ASTM D1632-96) : 66

2.3.3 Thí nghiện nén đơn 74

2.3.4 Thí nghiệm phân tích thành phần khoáng (X-Ray) 74

2.3.5 Chụp vi cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử (SEM) 74

2.3.6 Thí nghiệm phân tích thành phần hóa của xi-măng 74

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÀNH PHẦN KHOÁNG 75

3.1 Ảnh hưởng của của tỉ lệ đất nước trên xi-măng (sw/c) 75

3.2 Sự thay đổi cường độ nén đơn (qu) theo thời gian bảo dưỡng 80

3.3 Cường độ nén nở hông (qu) và độ biến dạng dọc trục (ε) 86

3.4 Tương quan giữa cường độ nén đơn (qu) và mô-đuyn cát tuyến (E50) 100

3.5 Tương quan giữa cường độ nén đơn qu và liều lượng xi-măng α (kg/m3) 105

3.6 Kết quả và nhận xét của các thí nghiệm phân tích đặc tính xi-măng làm thí nghiệm 107

3.7 Phân tích và nhận xét hình ảnh chụp cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử (SEM) của mẫu đất sét và mẫu đất trộn xi-măng 112

3.8 Kết quả và nhận xét của thí nghiệm phân tích hàm lượng các khoáng bằng nhiễu xạ tia X (X-Ray) 116

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 122

HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 124

TÀI LIỆU THAM KHẢO 125

KÝ HIỆU

aw Hàm lượng xi-măng Ao/A Diện tích tiết diện ngang ban đầu / diện tích qui đổi b Chiều rộng trung trình của mẫu sau pha1 hoại c Lực dính

eo Hệ số rỗng γw Dung trọng ướt γd Dung trọng khô ϕ Góc ma sát E50 Mô-đuyn cát tuyến H Chiều cao mẫu

IL Độ sệt LL Giới hạn chảy LP Giới hạn dẻo L0 Chiều cao ban đầu của mẫu ΔL Chiều cao bị biến dạng của mẫu P Lực dọc trục khi mẫu bị phá hoại

qu Cường độ nén nở hông V Thể tích

Wsd Khối lượng đất khô Wsw Khối lượng đất ẩm Wmix Khối lượng hỗn hợp Ww Khối lượng nước

W Độ ẩm tự nhiên

Wc Khối lượng xi-măng sw/c Tỷ lệ đất nước trên xi-măng w/c Tỷ lệ nước trên xi-măng

α Liều lượng xi-măng ε Độ biến dạng dọc trục của mẫu

MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết của đề tài

Tốc độ đô thị hóa ngày càng nhanh bởi sự gia tăng dân số đòi hỏi phải xây dựng nhiều công trình hạ tầng, phải tạo ta nhiều tiện nghi xã hội mà cấp bách là ở các đô thị Bên cạnh đó, qũy đất dành cho xây dựng các công trình hạ tầng ngày càng hạn hẹp kết hợp với điều kiện nền đất xây dựng thường là đất yếu Những vấn đề của đất yếu là cường độ thấp, độ ổn định không cao, lún nhiều, lún không đều và lún kéo dài theo thời gian

Hiện tại có nhiều giải pháp xử lý nền đất yếu như là cọc cát , giếng cát , đắp gia tải , đắp gia tải kết hợp với bơm hút chân không , bấc thấm … thì biện pháp cọc đất gia cố xi-măng có nhiều ưu điểm được lựa chọn trong thời gian gần đây Vấn đề tìm hiểu sự hình thành cường độ, mô-đuyn đàn hồi của cọc đất gia cố xi-măng ứng dụng vào thiết kế tính toán là cần thiết Liên quan đến sự nghiên cứu quá trình hình thành cường độ của vật liệu trên thế giới và trong nước thì có nhiều, tuy nhiên nghiên cứu theo góc độ các thành phần khoáng trong xi-măng quyết định đến sự hình thành cường độ thì còn thiếu Từ đó giúp định hướng cho người sử dụng bởi vì càng ngày càng có nhiều chủng loại xi-măng xuất hiện trên thị trường

2 Mục đích và vấn đề nghiên cứu của đề tài Nhiệm vụ chính của đề tài là “Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thành phần khoáng trong xi-măng đến sự hình thành cường độ của cọc đất trộn xi-măng”

nhằm xác định các vấn đề sau : Ảnh hưởng của loại và hàm lượng xi-măng đến sự hình

thành và phát triển cường độ của cọc đất trộn xi-măng Xác định mối tương quan giữa

mô-đuyn đàn hồi và cường độ nén của mẫu đất trộn xi-măng khi chịu ảnh hưởng các điều kiện trên

3 Phương pháp nghiên cứu

¾ Nghiên cứu về lý thuyết :

- Cơ sở lý thuyết của sự tương tác giữa đất và xi-măng đến sự hình thành và phát

triển cường độ của cọc đất trộn xi-măng

¾ Thực nghiệm : - Thu thập mẫu đất yếu từ khu vực nghiên cứu - Thu thập loại xi-măng dành cho việc cải tạo đất yếu từ nhiều nhà sản xuất khác nhau

- Tiến hành chế bị mẫu đất trộn xi-măng, bảo dưỡng mẫu - Tiến hành phân tích, thí nghiệm mẫu

- Thu được các kết quả thí nghiệm, kết quả phân tích - Phân tích các kết quả đạt được

- Đánh giá ảnh hưởng của các thành phần khoáng trong xi-măng đến sự hình thành cường độ của cọc đất trộn xi-măng

4 Ý nghĩa khoa học của đề tài

- Xác định được các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành và phát triển cường độ cũng như hàm lượng xi-măng tối ưu cho cọc đất trộn xi-măng (CDM-Cement deep mixing) trong khu vực nghiên cứu Xác định được cơ chế, sự hình thành và đóng rắn của các thành phần khoáng trong hỗn hợp cũng như là xác định hàm lượng các thành phần khoáng trong điều kiện của độ ẩm, loại đất xác định của dự án

5 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

- Lựa chọn được chính xác và nhanh chóng loại xi-măng phù hợp cho từng loại đất của dự án

6 Nội dung nghiên cứu của đề tài - Nghiên cứu tổng quan về những nghiên cứu và ứng dụng của trụ đất trộn xi-măng trong nền đất yếu

- Nghiên cứu trong phòng các chỉ tiêu cơ lý và thành phần khoáng của mẫu đất yếu trộn với nhiều loại xi-măng khác nhau Đất yếu được bảo quản trong bao ny-lon để hạn chế bị thay đổi tính chất Quy trình tạo mẫu được tiến hành theo phương pháp ướt

- Nghiên cứu phân tích mẫu với những phương pháp phân tích hiện đại như: phân tích nhiễu xạ tia X, chụp hình vi cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử

7 Hạn chế của đề tài

Do thời gian có hạn nên : Trong đề tài này tác giả chỉ tập trung nghiên cứu sự ảnh hưởng của hàm lượng xi-măng, loại xi-măng mà chưa xét đến các ảnh hưởng khác như : năng lượng trộn, thời gian trộn, hàm lượng hữu cơ trong đất, ảnh hưởng của nhiệt độ trong quá trình trộn …

Cần có thêm nhiều nghiên cứu tương tự cho nhiều loại đất yếu ở nhiều vùng khác Đề tài chưa xét đến yếu tố giá thành của giải pháp, chưa đánh giá hiệu quả kinh tế so với các giải pháp khác

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CỌC ĐẤT

TRỘN XI-MĂNG (CDM) TRONG CẢI TẠO NỀN ĐẤT YẾU 1.1 Lịch sử phát triển và ứng dụng trụ đất trộn xi-măng gia cố nền đất yếu

1.1.1 Lịch sử phát triển trụ đất trộn xi-măng

- Người ta đã nhận thấy rằng nếu trộn đất sét với một lượng vôi, xi-măng hoặc một chất kết dính tương tự thì sẽ được vật liệu mới có tính chất cơ học cao hơn hẳn đất sét lúc chưa gia cố

- Ban đầu, họ tiến hành khoan các lỗ có đường kính từ 30~50cm, cách nhau 2~5m rồi tiến hành cho vôi cục chưa tôi vào Khi tác dụng với nước, vôi sống được tôi sẽ tăng thể tích (có thể tăng đường kính cọc lên 60~80%), vì thế nó làm cho đất xung quanh bị nén chặt hơn Đồng thời vôi còn có tác dụng gia cố đất xung quanh cọc làm tăng cường độ, hút nước vào rồi tạo ra phản ứng tỏa nhiệt, làm bốc hơi nước do đó làm giảm độ ẩm của đất yếu xung quanh cọc vôi Tuy nhiên, do độ thấm của sét rất nhỏ nên sự lan truyền của vôi trong khối đất bị hạn chế, vì vậy việc cải thiện tính chất của đất yếu của cọc vôi còn rất cục bộ

- Để khắc phục nhược điểm trên, người ta đã tiến hành trộn trực tiếp vôi hoặc măng với đất sét mềm ngay trong nền đất yếu tạo thành các cọc đất vôi hoặc cọc đất xi-măng có đường kính 50 cm bằng một thiết bị khoan đặc biệt Lưỡi 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 ngược chiều Vôi sống hoặc xi-măng khô sẽ được chuyển đồng thời với khí nén từ hệ thống xi-lô qua ống dẫn bên trong cần khoan vào trong đất Tốc độ rút lên của cần có liên quan đến hiệu quả khuấy trộn vật liệu, có thể điều chỉnh tùy theo tính chất của đất Quá trình khuấy trộn đồng thời cũng làm chặt đất trong cọc Tác dụng hoá lý giữa vôi hoặc xi-măng 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 Ngày nay để tận dụng các phế phẩm công nghiệp vào việc gia cố đất, ngoài vôi và xi-măng người ta còn sử dụng hỗn hợp các chất sau làm chất kết đính trong gia cố đất như: Tro xỉ (fly ash) + vôi, Tro xỉ + enzymes cũng đã thu được hiệu quả tương tự

- 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, Châu Âu 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 Intrustion Prepark 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

- Từ năm 1960, Nhật Bản và Thụy Điển đã độc lập nghiên cứu và phát triển kỹ thuật trộn đất dưới sâu sử dụng vôi hoạt tính dạng hạt Người Nhật chú trọng đến kỹ thuật gia cường đất mà có thể sử dụng thích hợp cho các dự án ở biển và sông Trong khi Thụy Điển thì chú trọng đến kỹ thuật gia cường đất sét yếu cho các dự án xây dựng đường ô tô và tường chắn đất Năm 1961, MIP được sử dụng hơn 300000 mét dài cho trụ ở Nhật nhằm chống đỡ hố đào và kiểm soát nước trong đất Tiếp theo công ty Seiko Kogyo thành công cho ứng dụng dạng tường chắn và kỹ thuật trộn sâu (DMM – Deep Mixing Method) Năm 1967, Viện nghiên cứu cảng biển (PHRI) bắt đầu nghiên cứu trong phòng sử dụng vôi bột xử lý đất yếu với đất ở biển Các nghiên cứu tiếp theo bởi Okumura, Terashi và đến đầu những năm 1970: (I) nghiên cứu phản ứng giữa Vôi (lime) với đất sét biển; (II) phát triển các thiết bị trộn thích hợp Cường độ nén nở hông thu được từ 0.1MPa – 1MPa Năm 1967, Nghiên cứu trong phòng và hiện trường bắt đầu với phương pháp “Trụ vôi Thụy Điển” cho dự án xử lý đất sét yếu dưới nền đường sử dụng vôi chưa tôi

- Đến năm 1970, phương pháp trộn khô sử dụng vôi sống trộn với đất ở hiện trường để tạo thành các trụ vôi đã được thực hiện ở Thụy Điển và Nhật Bản Xi-măng khô được sớm thêm vào để tăng cường ổn định và tạo ra dạng trụ có cường độ cao hơn Những trụ vôi/xi-măng hoặc trụ xi-măng sử dụng ngày nay đã thay thế hoàn toàn những trụ vôi (Kivelo, 1998) Phương pháp mà bột vôi khô và xi-măng được sử dụng để tăng cường ổn định được gọi là phương pháp trộn khô (Dry Method of Deep Mixing) Phương pháp trộn sâu (DLM) đã được áp dụng rộng rãi ở Nhật Bản

- Giữa năm 1970, một nổ lực để tăng cường sự đồng nhất của đất đã được gia cường bằng phương pháp trộn dưới sâu, người Nhật cũng bắt đầu đưa ra phương pháp tăng cường ổn định mà sử dụng vữa xi-măng lỏng được gọi là phương pháp trộn ướt ('Wet Method of Deep Mixing') Phương pháp ướt ban đầu được giới thiệu ở Nhật để ổn định đất sét trên biển, nhưng sau này nó được sử dụng cả cho trên đất liền Thử nghiệm được tiến hành trên trụ vôi tại sân bay Ska Edeby (Thụy Điển): Thí nghiệm và đánh giá ảnh hưởng của việc thoát nước (cột dài 15m, đường kính 0.5m) Năm 1974, thử nghiệm cho nền đường sử dụng phương pháp “Trụ vôi Thụy Điển” cho đất sét yếu ở Phần Lan (dài 8m, đường kính 0.5m) Năm 1975, các báo cáo về trụ vôi của Thụy Điển (Brom và Boman) và báo cáo của Nhật Bản về DLM (Okumura và Terashi) được thuyết trình tại hội nghị ở Bangole Năm 1975, PHRI phát triển “phương pháp trộn sâu CDM” sử dụng vữa xi-măng lỏng và lần đầu tiên thực hiện trong dự án lớn với đất yếu ngoài khơi Năm 1976, Viện nghiên cứu công chánh (PWRI) kết hợp với Viện nghiên cứu máy xây dựng bắt đầu nghiên cứu phương pháp phun khô (DJM) sử dụng bột xi-măng khô Năm 1977, Viện địa kỹ thuật Thụy Điển xuất bản cuốn sổ tay hướng dẫn thiết kế về trụ vôi (áp dụng cho vôi chưa tôi)

- Đến thập niên 80 của thế kỷ XX, phương pháp trộn dưới sâu được áp dụng rộng rãi trong xây dựng Ở Mỹ vào năm 1980, phương pháp trộn dưới sâu vẫn còn được xem như là một kỹ thuật mới xuất hiện Tuy nhiên với sự gia tăng của thiết bị sẵn có và kinh nghiệm của nhà thầu xây dựng, phương pháp trộn đất đã trở thành một kỹ thuật xây dựng được chấp nhận Năm 1986, SMW Seiko Inc mở hoạt động ở Mỹ và giới thiệu công nghệ DMM Năm 1987-1989, công ty Bachy ở Pháp phát triển “Colmix” bằng kỹ thuật trộn và làm chặt khi đảo chiều xoay của các cần trong suốt quá trình rút cần Năm 1989, công ty Trevisian và Rodio ở Italy phát triển phiên bản DMM bắt đầu với phun khô nhưng phát triển ở phương pháp trộn ướt

- Năm 1990, phát triển thiết bị trộn mới ở Phần Lan sử dụng xi-măng và vôi: khả năng tạo cột sâu hơn 20m và đường kính lớn hơn 0.8m

- Năm 1991, Bulgarian Academy of Science báo cáo kết quả nghiên cứu cọc đất

gia cố xi-măng - Năm 1994, hiệp hội DJM báo cáo 1820 dự án đã hoàn thành - Năm 1995, báo cáo nghiên cứu phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng hóa cứng Nghiên cứu sử dụng chất kết dính mới (xỉ, tro bay,…) Hội địa chất Thụy Điển phát hành hướng dẫn thiết kế mới cho trụ vôi và xi-măng (tiêu điểm cho đất yếu và trụ nửa cứng)

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

- Năm 1997, Trụ xi-măng vôi ứng dụng xử lý giảm độ lún tại các dự án I-15, Salt Lake City (Mỹ)

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

- Phương pháp trộn dưới sâu để tăng cường đất nhằm đạt cường độ cao hơn, giảm độ dẻo và hệ số nén thấp hơn đất nguyên gốc Chất lượng của việc gia cường đất phụ thuộc mật độ và dạng hình học của móng, quá trình thi công, đặc tính của đất gốc, thời gian thi công và nhiệt độ Phương pháp ướt được thiết kế để cung cấp cường độ cao hơn phương pháp khô Tuy nhiên, vật liệu được sản xuất bằng phương pháp ướt đạt được cường độ chậm hơn trong thời gian dài (Kawasaki et al, 1981)

- Ngày nay phương pháp trộn dưới sâu được sử dụng trên khắp thế giới, đặc biệt ở châu Âu, Bắc Mỹ và châu Á với nhiều tên gọi khác nhau Bruce (2000) đã thống kê 24 loại khác nhau của phương pháp trộn sâu Tên chung 'Deep Mixing Method'- viết tắt là DMM- được sử dụng để bao gồm tất cả các phương pháp trộn sâu

- Tại Việt Nam, công nghệ cọc đất-vôi/xi-măng được bắt đầu nghiên cứu vào năm1980 với sự giúp đỡ của Viện Địa Kỹ Thuật Thụy Điển (SGI) Đề tài nghiên cứu được Bộ Xây Dựng nghiệm thu vào năm 1985 và đã được áp dụng cho một số công trình dân dụng và công nghiệp ở Hà Nội, Hải Phòng Công trình đầu tiên ở phía Nam do công ty Hercules kết hợp với Công ty Phát Triển Kỹ Thuật Xây Dựng Thi Công là công trình Tổng Kho Xăng Dầu Hậu Giang tại khu công nghiệp Trà Nóc, TP Cần Thơ

vào đầu năm 2001 với khối lượng khoảng 50.000 đài cọc Hiện tại công nghệ này đã và đang được áp dụng vào các dự án xây dựng lớn như công trình đại lộ Đông Tây - TP Hồ Chí Minh, sử dụng phương pháp khô với chiều sâu trụ đất trộn xi măng lên tới 26m; công trình sân bay quốc tế Cần Thơ, sử dụng phương pháp khô với chiều sâu trụ đất trộn xi măng là 6m; dự án đường cao tốc Long Thành - Dầu Dây; dự án đường vành đai Bình Lợi – Tân Sơn Nhất; dự án cải tạo kênh Tân Hóa – Lò Gốm

1.1.2 Nguyên lý hình thành cường độ của cọc đất trộn xi-măng

- Hạt xi-măng là một hợp chất (heterrogeneous) bao gồm Calcium Silicate (C3S), Calcium Silicate (C2S) và các chất rắn hòa tan như Tetracalcium Alumino - Ferrite (C4A) Bốn phân tử chính này tạo nên sản phẩm hỗn hợp tạo độ bền chủ yếu Khi nước lỗ rỗng của đất gặp xi-măng, quá trình thủy hóa xi-măng xảy ra nhanh chóng và sản phẩm chính yếu của sự thủy hóa bao gồm Hydrate Calcium Silicates (C2SHx, C3SHx) Hydrate Calcium Aluminate (C3AHx, C4AHx) và Hydroxyl vôi Ca(OH)2 Hai sản phẩm Hydrate liệt kê ở đầu tiên ở trên là hai sản phẩm kết dính xi-măng được hình thành từ thủy hóa vôi được sử dụng như những pha tinh thể rắn riêng biệt Những phần tử xi-măng này kết hợp với các hạt xi-măng nằm kế bên với nhau trong suốt qúa trình hóa cứng để tạo thành bộ khung cứng bao quanh các hạt đất nguyên vẹn Các pha Silicate và Alumino được kết hợp nội tại, do đó hầu như không có pha nào kết tinh hoàn toàn Một phần của pha Ca(OH)2 cũng có thể kết hợp với các hydrate khác mà chỉ có một phần kết tinh Hơn nữa thủy hóa xi-măng dẫn đến gia tăng độ pH của nước lỗ rỗng gây ra sự phân li của vôi Hydrate Các bazơ mạnh hòa tan Silicate và Aluminate từ cả khoáng vật sét và các chất vô cơ định hình khác trên những mặt của các hạt sét, theo cách tương tự như phản ứng giữa các axít yếu với 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 (đây là các sản phẩm xi-măng thứ yếu), hóa cứng khi được xử lí gia cố nền đất yếu Phản ứng thứ yếu này được gọi là phản ứng pozzolan Hợp chất của thủy hóa xi-măng thì được xác định rõ ràng bởi các công thức hóa học

- Khi trộn xi-măng vào trong đất, độ rắn chắc cho đất gia cố nhờ vào các phản ứng thủy hoá xi-măng như sau :

+ Khi xi-măng tiếp xúc với nước ở giai đoạn đầu xảy ra quá trình tác dụng nhanh của alít với nước tạo ra hiđrosilicat canxi và hiđroxit canxi :

2(3CaO.SiO2) + 6H2O = 3CaO.2SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2 (1.1) + Vì đã có Ca(OH)2 tách ra từ alít nên belit thủy hoá chậm hơn alit :

2(2CaO.SiO2) + 4H2O = 3CaO.2SiO2.3H2O + Ca(OH)2 (1.2) + Mặt khác, khi được tiếp xúc với nước, trên bề mặt các hạt xi-măng đã có lớp sản phẩm xốp, không bền, có tinh thể dạng tấm mỏng lục giác của 4CaO.Al2O3.9H2O và 2CaO.Al2O3.8H2O phản ứng nhanh với nước tạo ra dạng ổn định :

3CaO.Al2O3 + 6H2O = 3CaO.Al2O3 6H2O (1.3) 4CaO.Al2O3.Fe2O3 + mH2O = 3CaO.Al2O3.6H2O + CaO.Fe2O3.nH2O (1.4) - Khi phản ứng thuỷ hoá này diễn ra sẽ cần một lượng nước cho quá trình thủy hóa, vì vậy nước lỗ rỗng của đất yếu sẽ được lấy đi nên sẽ sẽ có hiệu quả làm giảm độ ẩm của đất trong cọc và xung quanh cọc

1.1.3 Ứng dụng trụ đất trộn xi-măng để gia cố nền đất yếu

Ứng dụng của đất trộn xi-măng, một kỹ thuật gia cố đất, đã được báo cáo trong các xuất bản khác nhau (Ryan and Jasperse, 1989; Yang et al 2003) Chúng được sử dụng với nhiều ứng dụng khác nhau trong xây dựng dân dụng, nền móng công trình cầu đường, kết cấu tường chắn, làm giảm sự hóa lỏng của đất, chống vách hố đào… Các nhóm ứng dụng cơ bản có thể thích hợp cho phương pháp trộn sâu hiện nay là : - Tường ngăn nước: những tường DMM để ngăn nước thấm qua hoặc sự phát triển của nước ở dưới cấu trúc tường chắn

Hình 1.1: Tường chắn chống thấm ở đập Parson Lake, 1917, Mỹ - Làm móng đỡ các kết cấu bên trên : những khối đất trộn xi-măng có cường độ cao hơn và đồng nhất thay thế đất yếu tự nhiên

Hình 1.2: DCM với chức năng là móng - Gia cố, tăng cường nền đất: những phần tử DMM được sử dụng để làm tăng khả năng chống biến dạng tổng thể của đất dưới nền đường

a- Gia cố nền đường b- Gia cố đường đầu cầu c- Ổn định lún cho công trình

Hình 1.3: Tăng cường khả năng chống biến dạng của nền đất yếu

- Làm giảm sự hóa lỏng của đất: DMM dạng hộp hoặc cấu trúc có vách ngăn làm giảm khuynh hướng hóa lỏng của đất và sự lan truyền chấn động, do động đất, ra xung quanh bên dưới nền đường hoặc tòa nhà lớn

- Xử lý ô nhiễm môi trường đất: hydrat hóa đất ô nhiễm tại chỗ và ngăn ngừa sự lây lan của đất ô nhiễm

- Tăng cường ổn định trượt, chuyển vị ngang: những trụ DCM làm tăng ổn định cho nền đường đắp trên đất yếu, giảm ảnh hưởng đến công trình lân cận, ổn định thành hố đào, chống chuyển dịch ngang của móng cọc

a- Ổn định trượt nền đắp b-Ổn định công trình lân cận

Hình 1.4: Ổn định trượt, chống chuyển vị ngang

Hình 1.5: Tường chắn đất thẳng đứng trong nền cát ở Texas

1.1.4 Những dạng hình học của bố trí móng

- Những kỹ thuật DMM khác nhau có thể được sử dụng để thi công móng với các dạng hình học bố trí khác nhau trong điều kiện trên biển và trên đất Có 4 nhóm:

+ Trụ đơn + Hàng gồm nhiều trụ đơn chèn vào nhau (những tường hoặc những panel) + Dạng lưới hoặc lưới mắt cáo

+ Dạng các khối trụ - Những trụ đơn có thể được sử dụng để chịu tải trọng nén dọc trục, trong khi đó những trụ dạng khối, tường hoặc lưới được sử dụng để gia tăng khả năng kháng cắt theo mặt trượt

- Khoảng cách thiết kế, đường kính và chiều dài của các trụ đơn phụ thuộc vào độ

lún cho phép và độ lún từng phần, và khả năng được yêu cầu để ngăn ngừa phá hoại ổn định Dạng hình học của trụ trộn sâu được xác định dựa trên những yếu tố khác nhau (Kivelo, 1998; Carlsten ,2000) bao gồm:

+ Cường độ cắt của đất hiện trường + Thời gian được đề nghị cho áp lực nước lỗ rỗng bị triệt tiêu trong thời gian gia tải nếu biện pháp gia tải được sử dụng

+ Cường độ cắt của trụ móng + Chiều cao của nền đường đắp

Kiểu tường Kiểu lưới Kiểu khối Toàn diện tích

1.2 Sơ lược phương pháp thi công 1.2.1 Các phương pháp trộn

Mục đích chính của quá trình thi công và quá trình trộn ở vùng trộn sâu là mang lại những thay đổi về tính chất vật lý trong lớp đất đó Việc trộn diễn ra giữa hai vật liệu khi chúng tiếp xúc với nhau và biến dạng để diện tích tiếp xúc giữa chúng tăng lên Đất yếu như đất sét có sức kháng biến dạng cao do tính chất nhớt đàn hồi Chuyển động trong một thể tích nhỏ hẹp xung quanh khu vực trộn Lực tương đối lớn là cần thiết để khắc phục sức kháng đó Việc trộn cũng diễn ra khi vật liệu được cắt thành từng phần nhỏ hơn và sắp xếp lại Một quá trình pha trộn hài hòa tạo ra một hỗn hợp có sự thống nhất cần thiết trong thời gian ngắn nhất và chi phí thấp nhất có thể về năng lực máy móc, năng lượng và con người

Theo Tiêu chuẩn Châu Âu prEN 14679 (2004) trộn sâu liên quan đến “pha trộn bằng cách xoay các công cụ cơ khí chỗ được hỗ trợ cho đất xung quanh không bị cắt bỏ” Theo truyền thống, ổn định đất nông có liên quan đến các lực nền nông (Ví dụ công

trình đường bộ), trong khi trộn sâu là liên quan đến việc cải thiện toàn bộ đất tích tụ Theo prEN 14679 (2004) trộn sâu liên quan đến việc ‘xử lý đất có độ sâu tối thiểu 3m’ Hầu hết các phương pháp trộn sâu sử dụng lưỡi hình mái chèo hay đặt trên mũi khoan 1 hay nhiều trục

Phương pháp trộn sâu quay một trục phun chất kết dính khô: sử dụng một cần (hoặc nhiều cần) và một cánh (hoặc nhiều cánh), Guồng xoắn liền khối hoặc guồng xoắn tháo rời

Phương pháp trộn sâu quay một trục phun chất kết dính ướt: không sử dụng guồng xoắn

Phương pháp trộn tổ hợp quay một trục (thủy lực hoặc tịnh tiến theo tuyến) phun chất kết dính bột khô: một cần, cánh & phun tia cao áp với xe bánh xích hoặc bánh lốp

Phương pháp trộn tổ hợp quay trong mặt phẳng (có thể tịnh tiến theo tuyến) phun chất kết dính dạng vữa: một cần, cánh với loại xe máy đào

Hình 1.6: Máy DCM-2 với 8 cánh trộn dùng trong phương pháp trộn sâu phun ướt ở Nhật Bản

Hình 1.7: Schnabel với hai 2 bộ cánh trộn dung đa năng trong phương pháp trộn sâu phun ướt

ở Mỹ

1.2.2 Công nghệ thi công trụ đất gia cố bằng xi-măng

Công nghệ thi công gồm các bước: định vị, khoan xuyên xuống và rút cần khoan lên Khi khoan xuyên xuống, đầu trộn sẽ cắt và phá kết cấu đến độ sâu thiết kế Khi rút cần khoan lên, chất kết dính sẽ được phun vào đất với tốc độ phun không đổi và tốc độ rút cần ổn định Cánh trộn quay theo phương ngang, trộn đều đất với chất kết dính

Trong phương pháp trộn khô, không khí dung để dẫn xi-măng bột vào đất Trong phương pháp ướt, chất kết dính ở dạng vữa được phun vào đất Trộn khô chủ yếu dung cải thiện tính chất của đất dính và đất có độ ẩm cao, trong khi phun ướt thường dùng cho đất rời

Quy trình thi công theo phương pháp trộn sâu theo trình tự: nghiệm thu tọa độ trụ; kiểm tra cần thẳng đứng trong quá trình khoan; nghiệm thu khoan đến độ sâu thiết kế; rút ống đồng thời kiểm tra áp lực phun, tốc độ rút cần tuân theo bảng thiết kế; kết thúc quá khoan trình thi công chờ ngày đánh giá chất lượng cọc

Trụ đất xi-măng

Hình 1.8: Quy trình thi công theo phương pháp trộn sâu Thi công theo phương pháp trộn khô thường có những công tác đặc trưng như là: Máy nén khí, máy sấy, bồn chứa khí Xi-măng rời được chở thẳng đến công trường bằng xe bồn và được bơm chứa trong si-lô Từ si-lô xi-măng sẽ được đưa theo máy bơm vào đất theo hàm lượng thiết kế

Thiết bị

Số lượng trục trộn

Áp lực phun 400 kPa đến 800

kPa

Tối đa là 300 kPa

Chiều sâu tối đa

25m 33m Truyền liệu

Công suất 50 kg/ph đến 300

kg/ph

50 kg/ph đến 200 kg/ph Bảng 1.1: So sánh công nghệ trộn khô Bắc Âu và Nhật Bản

Vận tốc xuyên xuống 2.0 m/ph đến 6.0 m/ph 1.0 m/ph đến 2.0 m/ph Vận tốc rút lên 1.5 m/ph đến 6.0 m/ph 0.7 m/ph đến 0.9 m/ph Tốc độ quay của cánh

trộn

100 vòng/ph đến 200 vòng/ph

24 vòng/ph đến 64 vòng/ph Số lượng vòng quay

Thiết bị Chi tiết

Châu Âu, Trên đất

liền

Nhật Bản, Trên đất liền

Nhật Bản, Trên biển Đầu trộn Số lượng trục trộn 1 đến 3 1 đến 4 2 đến 8

Đường kính (m) 0.4 đến 0.9 1.0 đến 1.3 1.0 đến 1.6 Chiều sâu tối đa 25 m 48 m 70 m từ mặt

nước biển Vị trí lỗ phun Trên cần

khoan

Trên cần và cánh khoan

Trên cần và cánh khoan Đầu trộn

vữa Khối lượng vữa lưu

giữ (m3)

3.0 đến 6.0 3.0 3.0 đến 20.0 Bồn chứa Thể tích tối đa 30 tấn 50 đến 1600 tấn

Bảng 1.3: So sánh công nghệ trộn ướt của Châu Âu và Nhật Bản

Trên đất liền

Nhật Bản, Trên đất liền

Nhật Bản, Trên biển Vận tốc xuyên xuống (m/ph) 0.5 đến 1.5 1.0 1.0

Vận tốc rút lên (m/ph) 3.0 đến 5.0 0.7 đến 1.0 1.0 Tốc độ quay cánh trộn (vòng/ph) 25 đến 50 20 đến 40 20 đến 60

Số lượng vòng quay cánh Chủ yếu là guồng xoắn 350/mét 350/mét Khối lượng vữa phun (kg/m3) 80 đến 450 70 đến 300 70 đến 300

Bảng 1.4:đặc tính kỹ thuật công nghệ trộn ướt của Châu Âu và Nhật Bản Trong phương pháp trộn ướt chia ra phương pháp trộn ướt thong thường với áp lực phun khoảng từ 2 đến 10 atm và phương pháp khoan phụt vửa cao áp với áp lực phun từ 200 đến 400 atm

¾ Phương pháp khoan phụt vữa cao áp – Jet grouting

Khoan phụt vữa cao áo là một quá trình bê-tông hóa đất Nhờ có tia nước và tia vữa phun ra với áp suất cao (200 – 400 atm), vận tốc lớn, các phần tử đất xung quanh lỗ khoan bị xói tơi ra và hòa trộn với vữa phun đông cứng tạo thành một khối đồng nhất

Hình 1.9 : Qúa trình thi công trụ đất theo phương pháp phụt vữa cao áp ¾ Phương pháp phun đơn (Single fluid Jet Grouting)

Vữa phụt với vận tốc >= 100 m/s, vừa cắt đất đồng thời trộn đất tạo ra cột đất gia cố xi-măng đồng đều với độ cứng cao và hạn chế đất trào lên trên

Cấu tạo đầu khoan gồm một hoặc nhiều lỗ phun bố trí ngang hàng hoặc lệch hàng với độ lệch góc đều nhau

Trong đất rời đường kính cột đất trộn xi-măng có thể đạt từ 0.6 đến 1.2m Phương pháp này không hiệu quả trong đất dính

¾ Phương pháp phun kép(Double fluid Jet Grouting)

Đây là hệ thống phụt vữa kết hợp với không khí, chúng được dẫn bởi các pha độc lập Vữa được phun vào trong đất và được hỗ trợ bởi khí nén bao quanh vòi phun Vòng khí nén sẽ làm giảm ma-sát và cho phép vữa phun sâu vào trong đất do đó tạo ra đường kính trụ lớn hơn Tuy nhiên dòng khí nén cũng làm giảm độ cứng của cột đất

Đường kính cột đất có thể lớn hơn 1m trong đất chặt vừa đến chặt và có thể lớn hơn 1.8m trong đất rời

Phương pháp này có hiệu quả hơn trong đất dính so với phương pháp phun đơn ¾ Phương pháp phun ba pha (Triple fluid Jet Grouting)

Đây là hệ thống phụt vữa kết hợp với không khí và nước Nước được phun dưới áp lực cao kết hợp với dòng khí nén xung quanh vòi nước Nước và khí được phun từ một vòi và vữa được phun qua một vòi riêng khác Đường kính có thể tạo ra từ 0.9 đến 1.5m Phương pháp này có hiệu quả trong đất dính

1.3 Ứng dụng của cọc đất trộn xi-măng ở Việt Nam

Ở Việt Nam, trong những năm gần đây nhiều công trình đã và đang áp dụng phương pháp gia cố, xử lý bằng cọc đất trộn xi-măng Chẳng hạn :

- Từ năm 2002 đã có một số dự án bắt đầu ứng dụng cọc CDM vào xây dựng các công trình trên nền đất, cụ thể như: Dự án cảng Ba Ngòi (Khánh Hòa) đã sử dụng 4000m cọc CDM có đường kính 0,6m thi công bằng phương pháp trộn khô; công trình xử lý nền cho bồn chứa xăng dầu đường kính 21m, cao 9m ở Cần Thơ Năm 2004 cọc CDM được sử dụng để gia cố nền móng cho nhà máy nước huyện Vụ Bản (Hà Nam), xử lý móng cho bồn chứa xăng dầu ở Đình Vũ (Hải Phòng), các dự án trên đều sử dụng công nghệ trộn khô, độ sâu xử lý trong khoảng 20m Các nhà thầu Nhật Bản đã sử dụng công nghệ Jet-grouting để sửa chữa khuyết tật cho các cọc nhồi của cầu Thanh Trì (Hà Nội); cọc khoan nhồi cầu Chữ Y (TP HCM) Năm 2005, một số dự án cũng đã áp dụng cọc CDM như: dự án thoát nước khu đô thị Đồ Sơn - Hải Phòng, dự án sân bay Cần Thơ, dự án cảng Bạc Liêu

- Năm 2004, Viện Khoa học Thủy lợi đã tiếp nhận chuyển giao công nghệ khoan

phụt cao áp (Jet-grouting) từ Nhật Bản Đề tài đã ứng dụng công nghệ và thiết bị này trong nghiên cứu sức chịu tải của cọc đơn và nhóm cọc, khả năng chịu lực ngang, ảnh hưởng của hàm lượng xi-măng đến tính chất của CDM, nhằm ứng dụng cọc CDM vào xử lý đất yếu, chống thấm cho các công trình thuỷ lợi Nhóm đề tài cũng đã sửa chữa chống thấm cho Cống Trại (Nghệ An), cống D10 (Hà Nam), Cống Rạch C (Long An) Tại thành phố Đà Nẵng, cọc CDM được ứng dụng ở Plazza Vĩnh Trung

- Tại Tp Hồ Chí Minh, cọc CDM được sử dụng trong dự án Đại lộ Đông Tây, một số nhà cao tầng như Saigon Times Square , Savico Building, dự án đường vành đai Bình Lợi – Tân Sơn Nhất, dự án cải tạo kênh Tân Hóa – Lò Gốm…

- Tại Đồng Nai, cọc CDM được sử dụng trong dự án đường cao tốc Long Thành – Dầu Dây

- Tại Quảng Ninh, công trình nhà máy nhiệt điện Quảng Ninh đã áp dụng công nghệ phun ướt, với địa chất công trình phức tạp gặp đá mồ côi ở tầng địa chất cách cao độ mặt đất (11-12)m

- Tại Hà Nội, Hầm đường bộ Kim Liên được xây dựng trong khu vực địa chất yếu, nên nền đất dưới hầm đã được cải tạo bằng phương pháp cột đất gia cố xi-măng với chiều dày khoảng (1.5-6.0)m Việc gia cố đất tại vị trí đáy bằng phương pháp cột đất gia cố xi-măng không nhằm gia cố nền đất mà chỉ với mục đích chống trượt trồi khi đào xuống độ sâu lớn (trên 10m) theo điều kiện địa chất từng khu vực: có nơi gia cố, có nơi không Việc gia cố ít nhiều có ảnh hưởng đến độ lún của các đốt hầm Đường Láng Hòa Lạc nối Thủ đô Hà Nội với khu công nghệ cao Hoà Lạc đi qua nhiều sông ngòi và nhiều điểm giao cắt với đường bộ, đường sắt Dọc theo con đường này có nhiều hạng mục công trình đã dùng cọc xi-măng đất để xử lý nền đất yếu nhằm mục đích chống lún, chống trượt đất cho mái dốc, ổn định đất đường hầm

1.4 Các kết quả nghiên cứu có liên quan đến vấn đề nghiên cứu trong và ngoài nước

1.4.1 Các kết quả nghiên cứu trên thế giới * Trọng lượng riêng

- Nghiên cứu của Broms (2003) cho thấy rằng trong phương pháp trộn khô trọng lượng riêng của đất xử lý tăng so với đất chưa xử lý Với 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 Đối với đất sét, dung trọng riêng tăng từ 0,5-1kN/m3

* Độ ẩm của đất/xi-măng

- Wang (1979) cho rằng độ ẩm của đất/xi-măng nhỏ hơn so với đất chưa xử lý Kawasaki et al (1981): nếu đất xử lý là đất sét thì độ ẩm của đất/xi-măng sẽ giảm với sự gia tăng của hàm lượng xi-măng và thời gian bão dưỡng Tuy nhiên đối với đất cát thì sự giàm này rất nhỏ

Hình 1.10: Thay đổi độ ẩm của đất/xi-măng theo hàm lượng xi-măng (Uddin 1997)

Trong phương pháp trộn khô thì hệ số thấm thay đổi từ 10-100 lần so với đất tự

nhiên theo kết quả thí nghiệm hiện trường của Baker (2000) Tính thấm 7 ngày cao hơn tính thấm 28 ngày Điều này được báo cáo bởi Broderic và Daniel (1990) ; Locat et al (1996) và nó phù hợp với xu thế thay đổi của kích thước lỗ rỗng trước đó Sự tăng ngắn hạn trong tính thấm có thể giải thích bởi phân tích 2 lớp kép (double layer) Bởi việc bổ sung ion Ca2+ từ xi-măng làm gia tăng nồng độ của cation và tăng giá trị trong phạm vi đất gia cố Sự gia tăng nồng độ và giá trị mà kết quả giảm lực đẩy và tạo ra kết dính của hạt sét Các hạt dính kết dẫn đến sự tăng tính thấm Sụ giảm độ thấm trong thời gian dài nó phù hợp với sự giảm kích thước lỗ rỗng do CASH và CSH được ngưng tụ lên trên nhóm hạt sét

Hình 1.11: Ảnh hưởng của hàm lượng xi-măng và thời gian bảo dưỡng đến tính thấm

(S.H.Chew et al.2004)

* Kích thước lỗ rỗng của đất gia cố

Có thể thấy ma trận đất sét được xử lý có độ cứng cao hơn, tỉ lệ của xâm nhập đường kính lỗ rỗng lớn hơn so với đất không xử lý Điều đó nó phù hợp với việc tạo ra một cấu trúc chất kết dính mở với nhóm sét và xi-măng xen kẻ bởi lỗ rỗng lớn

Hình 1.12: Ảnh hưởng của hàm lượng xi-măng và thời gian bảo dưỡng đến sự phân bố

kích thước lỗ rỗng (A.H.M Kamruzzaman et al 2004)

* Cường độ của đất gia cố

Nhìn chung, cường độ nén không nở hông của đất gia cố tăng từ 50-100 lần so với đất trước gia cố (Honjo, 1982) và nó bị ảnh hưởng của nhiều yếu tố như : loại đất sét, độ ẩm của đất, hàm lượng xi-măng, tỷ số nước/xi-măng , thời gian bảo dưỡng, độ pH, phương pháp trộn, đường kính mẫu thí nghiệm

Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ của đất gia cố (Terashi 1997): a) Đặc điểm của chất kết dính: loại chất kết dính, chất lượng chất kết dính, nước

trộn và lượng bổ sung b) Đặc điểm của đất chưa gia cố: các tính chất vật lý, hóa học và khoáng của đất

Hàm lượng hữu cơ Độ pH của nước lỗ rỗng Độ ẩm của đất c) Điều kiện trộn: tốc độ trộn, thời gian trộn, đặc tính của đất gia cố d) Điều kiện bảo dưỡng: nhiệt độ, thời gian bảo dưỡng, độ ẩm - Ảnh hưởng của loại sét

Hình 1.13: Thay đổi cường độ chống cắt với các loại đất khác nhau sau thời gian bảo

dưỡng 14-91 ngày (Ahnberg et al 1999) - Ảnh hưởng của hàm lượng xi-măng

Hình 1.14: Ảnh hưởng của hàm lượng xi-măng đến cường độ, Bergado et al (1996) - Ảnh hưởng của tỷ lệ nước/xi-măng và của thời gian bảo dưỡng