Bài viết trình bày các kết quả thí nghiệm trong phòng nén một trục không hạn chế nở hông đối với một số loại đất sét gia cố xi măng với các hàm lượng khác nhau để lựa chọn hàm lượng xi măng phù hợp gia cố nền đường khu công nghệ cao Hòa Lạc.
THÍ NGHIỆM CƯỜNG ĐỘ ĐẤT GIA CỐ XI MĂNG CHO NỀN ĐƯỜNG KHU CÔNG NGHỆ CAO HÕA LẠC VŨ BÁ THAO, NGUYỄN THU HƢƠNG, QUÁCH HOÀNG HẢI* Laboratory tests on strength of soil stabilization by cement to build the road foundation at Hoa Lac Hi-Tech industrial zone Abstract: This study aims to investigate reasonable cement contents for stabilizing the soft soil to build the road foundation in Hoa Lac Hi-Tech industrial zone Strength of four types of clay stabilized with cement contents of 150, 175, 200, and 250 kg/m were tested at curing periods of 3, 7, 14, and 28 days The results show that the strength of soil stabilization increases with cement content and curing time Strength of soil-cement meets designated requirement, larger than MPa, when cement content is 200 to 250 kg/m , depending on type of soil Relation between the soil-cement strength at 28 days and days is qu28 = 1.25qu7 + 191 (kPa) However, in case organic content of soil is greater than 10%, effects of cement on stabilizing the soft soil is quite limited Từ khóa: Soil cement, Soft soil, Road foundation ĐẶT VẤN ĐỀ* Xi măng đất trộn sâu phƣơng pháp xử lý đất yếu đƣợc nƣớc giới đánh giá cao, đặc biệt Nhật Bản nƣớc vùng Scandinaver [1] Ở Việt Nam, phƣơng pháp đƣợc áp dụng đại trà để gia cố đất yếu cho cơng trình quan trọng nhƣ: dự án cảng Ba Ngòi (Khánh Hòa) sử dụng 4000m cọc đất - xi măng có đƣờng kính 0.6m, gia cố móng cho nhà máy nƣớc Vụ Bản tỉnh Hà Nam, xử lý móng cho bồn chứa xăng dầu Đình Vũ thành phố Hải Phòng, dự án sân bay Cần Thơ, dự án cảng Bạc Liêu Tại thành phố Hồ Chí Minh cọc xi măng đất sử dụng phổ biến, nhƣ dự án đại lộ Đông Tây, building Sai Gon Times Square [2] * Phòng Nghiên cứu Địa kỹ thuật, Viện Thuỷ Công, Viện Khoa h c Thủy lợi Việt Nam Email: vubathao@gmail.com 32 Theo số kết thí nghiệm xi măng đất phòng, cƣờng độ nén khơng hạn chế nở hông q u thƣờng từ 4.08 - 40.8 kG/cm2 (408 - 4080 kPa), lớn chục đến hàng trăm lần đất tự nhiên, nhiên kết lại phụ thuộc vào nhiều nhân tố nhƣ: thành phần điều kiện đất, điều kiện phƣơng pháp trộn, điều kiện dƣỡng hộ [3] Do với cơng trình trƣớc thi cơng cần tiến hành thí nghiệm phòng nhằm biết rõ hiệu gia cố loại đất nhằm chọn đƣợc hàm lƣợng xi măng phù hợp [3] Bài báo trình bày kết thí nghiệm phòng nén trục không hạn chế nở hông số loại đất sét gia cố xi măng với hàm lƣợng khác để lựa chọn hàm lƣợng xi măng phù hợp gia cố đƣờng khu công nghệ cao Hòa Lạc PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Mẫu đất xi măng ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 Hình Ảnh chụp lấy mẫu t i tr ng Bảng Bảng tổng hợp tiêu lý đất Số hiệu tổ hợp mẫu Chỉ tiêu Sạn(sỏi) Cát Thành phần hạt (%) Bụi Sét Độ ẩm tự nhiên (W%) Khối lƣợng thể tích tự nhiên (, g/cm3) Khối lƣợng thể tích khơ (c, g/cm3) Tỷ trọng (, g/cm3) Hệ số rỗng (eo) Giới hạn chảy (Wl, %) Giới hạn dẻo (Wp,%) Hệ số nén lún (a1-2,cm2/N) Cƣờng độ kháng nén trục không hạn chế nở hông (qu, kPa) Hàm lƣợng hữu (%) Phân loại đất CP1 CP9 CP19 Giá trị CP2 CP14 13.9 61.3 24.8 48.6 4.1 17.2 47.8 30.9 71.3 14.9 55 30.1 64.9 6.4 56.7 36.9 35 12.6 44.5 42.9 37.9 1.69 1.50 1.61 1.82 1.85 1.14 0.89 0.98 1.35 1.35 2.66 1.339 50.7 33.9 0.0173 2.61 1.984 73.7 41.3 0.0115 2.68 1.745 65.9 39.7 0.0113 2.72 1.018 43.1 22.4 0.005 2.78 1.069 51.7 29.7 0.0025 30.41 28.5 27.49 65.57 89.73 7.02 11.0 5.61 3.05 1.39 Sét hữu cơ, chảy Sét hữu cơ, dẻo chảy Sét dẻo cao chứa hữu cơ, dẻo chảy Sét bụi, dẻo mềm Sét béo, dẻo mềm Theo yêu cầu thiết kế [4], [5], cƣờng độ kháng nén trục không hạn chế nở hông ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 mẫu đất thí nghiệm phòng phải đạt 1000 kPa trở lên sau 28 ngày tuổi 33 Mẫu đất đƣợc chọn gồm tổ hợp mẫu đƣợc lấy từ độ sâu 1.2-2.0 (m), 3.4-4.0 (m) 11.212.0 (m) hố khoan ABH5 (thuộc tuyến 8), ABH6, ABH7 (thuộc tuyến 9) khu vực Hòa Lạc Hình ảnh khoan lấy mẫu thể Hình Tiến hành phân tích tiêu lý đất Thí nghiệm xác định thành phần vật chất hữu theo tiêu chuẩn ASTM D294, thí nghiệm nén trục khơng hạn chế nở hông theo tiêu chuẩn D2166 Kết thí nghiệm tiêu lý mẫu đất đƣợc trình bày Bảng Năm loại đất dùng nghiên cứu gồm: Sét hữu cơ, chảy; Sét hữu cơ, dẻo chảy; Sét dẻo cao chứa hữu cơ, dẻo chảy; Sét bụi, dẻo mềm; Sét béo, dẻo mềm Xi măng đƣợc sử dụng để trộn với đất theo yêu cầu thiết kế xi măng pooc lăng Bút Sơn PC40 2.2 Phƣơng pháp thí nghiệm Quy trình thí nghiệm xi măng – đất đƣợc thực theo tiêu chuẩn JGS 0821-2000; TCVN 9403: 2012 Các mẫu đất sau đƣợc xác định tiêu thí nghiệm phòng, đem trộn với xi măng theo hàm lƣợng lần lƣợt 150 kg/m3, 175 kg/m3, 200 kg/m3, 250 kg/m3 tạo 80 tổ hợp mẫu Mỗi tổ hợp đƣợc chia làm phần nhau, đúc thành mẫu, tổng cộng tạo 320 mẫu Mẫu thí nghiệm đƣợc ký hiệu theo tổ hợp chữ số gồm: tên tổ hợp mẫu – hàm lƣợng xi măng – số thứ tự mẫu thí nghiệm Các mẫu đƣợc bảo dƣỡng tủ bảo dƣỡng mẫu nhiệt độ 20±3 độ C, độ ẩm 90% Mỗi tổ hợp mẫu đƣợc bảo dƣỡng theo ngày tuổi 3, 7, 14, 28 Tại thời điểm theo ngày tuổi, mẫu thí nghiệm đƣợc lấy khỏi tủ bảo dƣỡng, tiến hành cân xác định khối lƣợng, đo đƣờng kính, chiều cao nén trục không hạn chế nở hông xác định qu Thí nghiệm xác định qu theo tiêu chuẩn ASTM D2166 Một số hình ảnh thiết bị mẫu thí nghiệm thể Hình Hình 2: Thiết bị mẫu thí nghiệm nén trục PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Kết thí nghiệm nén trục không hạn chế nở hông mẫu hỗn hợp xi măng đất khu vực tuyến tuyến – khu cơng nghệ cao Hòa Lạc đƣợc trình bày Bảng Bảng Kết qu mẫu đất gia cố xi măng Tên tổ hợp CP1 34 Hàm lƣợng xi măng (kg/m3) Tuổi (ngày) 150 175 200 250 qu(kPa) 156.95 183.71 222.12 384.29 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 Tên tổ hợp Hàm lƣợng xi măng (kg/m3) 150 175 200 250 182.87 213.76 357.58 649.81 14 246.97 395.77 515.18 783.35 28 355.81 488.16 594.93 957.55 Tuổi (ngày) CP9 qu(kPa) 54.29 77.3 94.74 149.78 76.86 102.96 121.67 182.76 14 99.95 128.69 181.2 218.83 28 116.26 212.51 359.76 417.97 Tuổi (ngày) CP19 qu(kPa) 125.22 177.45 215.9 307.34 148.96 257.91 319.04 433.31 14 214.81 363.63 481.86 610.55 28 412.8 542.85 774.01 1024.75 Tuổi (ngày) CP2 qu(kPa) 339.96 412.54 540.44 649.75 454.14 500.53 799.43 1023.14 14 505.76 659.35 947.86 1208.74 28 611.44 757.43 1043.5 1410.25 Tuổi (ngày) CP14 qu(kPa) 306.46 388.71 455.48 565.25 356.26 469.99 611.24 743.79 14 509.74 626.02 805.14 963.18 28 666.87 874.7 934.94 1238.99 Qua Bảng nhận thấy cƣờng độ nén trục không hạn chế nở hông mẫu đất phụ thuộc vào hàm lƣợng xi măng, thời gian dƣỡng hộ hàm lƣợng hữu đất Các yếu tố ảnh hƣởng đến cƣờng độ lần lƣợt đƣợc phân tích mục dƣới 3.1 Ảnh hƣởng hàm lƣợng xi măng đến cƣờng độ đất xi măng Quan hệ cƣờng độ nén không hạn chế nở hơng tổ hợp mẫu thí nghiệm CP1, CP2, CP9, CP14, CP19 hàm lƣợng xi măng đƣợc trình bày Hình ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 Trên sở đồ thị Hình 13 Bảng nhận thấy cƣờng độ loại đất gia cố xi măng tăng theo hàm lƣợng xi măng thời gian dƣỡng hộ Khi hàm lƣợng xi măng 250 kg/m3, cƣờng độ nén không hạn chế nở hông 28 ngày tổ hợp mẫu CP2 đạt giá trị cao 1410.25 kPa, tổ hợp mẫu CP9 đạt giá trị thấp 417.97 kPa Mẫu đất CP9 đất sét hữu trạng thái dẻo chảy, hàm lƣợng hữu cao (11%) loại đất thí nghiệm Trong mẫu đất sét dẻo mềm CP2 CP14 có hàm lƣợng hữu nhỏ (3%), có giá trị cƣờng độ cao 35 (b) Tổ hợp mẫu CP9 (a) Tổ hợp mẫu CP1 (c) Tổ hợp mẫu CP14 (d) Tổ hợp mẫu CP19 (e) Tổ hợp mẫu CP2 Hình Quan hệ c ng độ đất gia c hàm l ợng xi măng 3.2 Ảnh hƣởng thời gian dƣỡng hộ đến cƣờng độ đất xi măng Quan hệ thời gian dƣỡng hộ cƣờng độ nén không hạn chế nở hông mẫu đƣợc trình bày Hình Từ đồ thị Hình nhận thấy cƣờng độ nén không hạn chế nở hông qu xi măng đất tăng theo thời gian dƣỡng hộ hàm lƣợng xi măng Tuy nhiên, tùy loại đất khác cho giá trị qu khác Xu hƣớng tăng cƣờng 36 độ theo thời gian mẫu đất gia cố tƣơng đối tuyến tính, riêng tổ hợp mẫu CP9 có tăng vọt qu 14 28 ngày tuổi Tuy vậy, cƣờng độ 28 ngày mẫu đất CP9 nhỏ 1MPa nên không đạt yêu cầu làm đƣờng Cƣờng độ xi măng - đất tăng theo thời gian [3], nhƣng mối tƣơng quan phát triển cƣờng độ lại phụ thuộc vào loại đất loại/lƣợng chất kết dính Do với cơng trình, việc đƣa đƣợc mối tƣơng quan ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 cƣờng độ nén ngày (qu7) cƣờng độ nén 28 ngày (qu28) có ý nghĩa cho áp dụng đại trà địa chất tƣơng tự; đồng thời làm để dự đoán cƣờng độ ngày muộn dựa vào cƣờng độ nén ngày, giảm bớt đƣợc khối lƣợng thí nghiệm cho cơng trình có điều kiện địa chất tƣơng tự (a) Tổ hợp mẫu CP1 (b) Tổ hợp mẫu CP9 (c) Tổ hợp mẫu CP14 (d) Tổ hợp mẫu CP19 (e) Tổ hợp mẫu CP2 Hình 4: uan hệ c ng độ đất gia c th i gian d ỡng hộ Kawasaki (1981) xây dựng quan hệ dựa phân tích tƣơng quan hiệu chỉnh cƣờng độ nén nở hông cho đất sét biển vùng vịnh Tokyo trộn với xi măng Pooc lăng nhƣ công thức (1): 0.49qu28 – 64 < qu7< 0.71qu28 + 5% (1) Ở đây, qu7, qu28 tính theo kPa Hiệp hội CDMA (Cement Deep Mixing Association of Japan) Nhật Bản (1994) ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 hiệu chỉnh quan hệ thành: qu28 = (1.49-1.56) qu7 (2) Ở Việt Nam có số cơng trình nghiên cứu mối tƣơng quan này, nhƣ Đậu Văn Ngọ với đất bùn sét hữu dự án Đại lộ Đông tây Sài Gòn: qu28 = 1.26qu7 + 401.5 (kN/m2) (3) Đối với vùng nghiên cứu – tuyến 8, tuyến khu cơng nghệ cao Hòa Lạc, quan hệ 37 cƣờng độ đất gia cố xi măng tuổi 28 ngày ngày đạt đƣợc nhƣ Hình Quan hệ tham khảo cho dự án có điều kiện Hình 5: M i t ơng quan c 3.3 Ảnh hƣởng hàm lƣợng hữu đất cƣờng độ đất xi măng Quan hệ hàm lƣợng hữu đất qu đƣợc thể Hình Hình cho thấy, hàm lƣợng hữu cao cƣờng độ xi măng đất có xu hƣớng giảm Khi hàm lƣợng hữu lớn 10%, ảnh hƣởng hàm Hình 6: uan hệ c (4) ng độ đất xi măng 28 ngày tuổi lƣợng xi măng qu28 giảm rõ rệt, tác dụng xi măng gia cố đất thấp Do đó, đất yếu khu vực tuyến 8, tuyến khu cơng nghệ cao Hòa Lạc, loại đất có hàm lƣợng hữu lớn 10% cần xem xét việc dùng xi măng để gia cố ng độ mẫu thử 28 ngày tuổi thành phần hữu đất KẾT LUẬN Trên sở kết t hí nghiệm nén trục không hạn chế nở hông năm tổ hợp xi măng - đất hàm lƣợng xi 38 địa chất tƣơng tự qu28 = 1.25qu7 + 191 (kN/m2) măng khác thuộc tuyến tuyến dự án phát triển hạ tầng khu công nghệ cao Hòa Lạc, rút số kết luận sau: ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 Gia cố đất yếu xi măng phƣơng pháp tƣơng đối phù hợp với tính chất đất yếu khu cơng nghệ cao Hòa Lạc Tùy theo loại đất khác, để đạt yêu cầu thiết kế cƣờng độ đất gia cố tuổi 28 ngày MPa, hàm lƣợng xi măng cần dùng 200 kg/m3 250 kg/m3 Cƣờng độ kháng nén trục không hạn chế nở hông tổ hợp mẫu tăng theo hàm lƣợng xi măng thời gian dƣỡng hộ mẫu Mối tƣơng quan q u7 qu28 nhƣ sau: qu28 = 1.25 qu7+191 (kPa) Cƣờng độ nén không hạn chế nở hông đất sét gia cố xi măng phụ thuộc nhiều vào hàm lƣợng hữu đất Khi hàm lƣợng hữu đất lớn 10%, ảnh hƣởng hàm lƣợng xi măng đến cƣờng độ gần nhƣ không đáng kể, hàm lƣợng xi măng 250 kg/m3 không đạt đƣợc yêu cầu cƣờng độ thiết kế Do đó, hàm lƣợng hữu lớn 10% cần có nghiên cứu sâu để có biện pháp gia cố đất yếu cho phù hợp đảm bảo yêu cầu thiết kế đặt Ng TÀI LIỆU THAM KHẢO Thái Hồng Sơn, Trịnh Minh Thụ, Trịnh Công Vấn (2014) Lựa chọn hàm lƣợng xi măng tỷ lệ nƣớc - xi măng hợp lý cho gia cố đất yếu vùng ven biển Đồng Sơng Cửu Long Tạp chí khoa học kỹ thuật thủy lợi môi trƣờng, số 44 (3/2014) Nguyễn Mạnh Thủy, Ngô Tấn Phong (2007) Một số kết nghiên cứu gia cố đất yếu khu vực quận 9, TP.HCM vôi, xi măng Science & Technology Development, Vol 10, No.10 - 2007 Đậu Văn Ngọ (2009) Các nhân tố ảnh hƣởng đến cƣờng độ xi măng đất Science & Technology Development, Vol 12, No.05 - 2009 Factual Report On Soil Investigation at Project CP1A - Line Factual Report On Result of Lab Soil Cement Mixing Test at Line Đoàn Thế Mạnh - Khoa cơng trình thủy, trƣờng ĐHHH - Phƣơng pháp gia cố đất yếu trụ đất - xi măng i phản biện: PGS.TSKH TRẦN MẠNH LIỂU ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 39 ... công nghệ cao Hòa Lạc, rút số kết luận sau: ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 Gia cố đất yếu xi măng phƣơng pháp tƣơng đối phù hợp với tính chất đất yếu khu cơng nghệ cao Hòa Lạc Tùy theo loại đất khác,... thấy cƣờng độ loại đất gia cố xi măng tăng theo hàm lƣợng xi măng thời gian dƣỡng hộ Khi hàm lƣợng xi măng 250 kg/m3, cƣờng độ nén không hạn chế nở hông 28 ngày tổ hợp mẫu CP2 đạt giá trị cao 1410.25... cƣờng độ nén không hạn chế nở hông qu xi măng đất tăng theo thời gian dƣỡng hộ hàm lƣợng xi măng Tuy nhiên, tùy loại đất khác cho giá trị qu khác Xu hƣớng tăng cƣờng 36 độ theo thời gian mẫu đất gia