Để lựa chọn tỷ lệ xi măng với đất phù hợp với từng loại đất nền cần phải xử lý, tác giả giới thiệu những ảnh hưởng của tỷ lệ xi măng với đất đến tính chất của hỗn hợp vật liệu, sức chịu tải của cọc đơn, sức chịu tải của nền đất sau khi được gia cố và kinh nghiệm lựa chọn tỷ lệ xi măng với đất đối với các loại đất khác nhau cần phải xử lý để các bạn cùng tham khảo!
LỰA CHỌN TỶ LỆ XI MĂNG VỚI ĐẤT KHI CHẾ TẠO CỌC XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU ThS THÂN VĂN VĂN Bộ môn Công nghệ quản lý xây dựng, Trường Đại học Thủy Lợi Tóm tắt: Xử lý đất yếu cọc xi măng-đất nước ta mẻ Một tiêu quan trọng thiết kế cọc xi măng-đất lựa chọn tỷ lệ xi măng với đất Để lựa chọn tỷ lệ xi măng với đất phù hợp với loại đất cần phải xử lý, tác giả giới thiệu ảnh hưởng tỷ lệ xi măng với đất đến tính chất hỗn hợp vật liệu, sức chịu tải cọc đơn, sức chịu tải đất sau gia cố kinh nghiệm lựa chọn tỷ lệ xi măng với đất loại đất khác cần phải xử lý để độc giả tham khảo 66 kháng nén (qu) tiêu để tính tốn sức chịu tải cọc Thí nghiệm phòng với tỷ lệ trộn xi măng với đất dính khác cho kết bảng sau: Bảng Kết thí nghiệm phịng xác định cường độ kháng nén hỗn hợp vật liệu xi măng đất Tỷ lệ xi măng với đất, 12 17 aw (%) Cường độ kháng nén 28 15,5 17,5 6,02 6,18 9,13 ngày, qu28 ngày (kG/cm2) Cường độ kháng nén 90 21,0 23,6 8,13 8,35 12,33 ngày, qu90 ngày (kG/cm ) Cường độ xi măng-đất tăng lên theo tỉ số tăng lượng xi măng trộn vào (hình 1) thực tế, tỷ lệ xi măng với đất thường chọn 7% ÷ 15%, trường hợp thơng thường khơng nên nhỏ 12% 2500 2000 q u (kPa) Đặt vấn đề Hiện với phát triển kinh tế đất nước, nhu cầu phát triển sở hạ tầng lớn cấp thiết Phần lớn cơng trình xây dựng đất hình thành cách tự nhiên môi trường khác Do đất tự nhiên nhiều chưa đáp ứng khả chịu tải cơng trình nhà cửa, cầu cống, đê đập xây dựng chúng, hay nói cách khác, khả chịu tải chúng so với tải trọng dự kiến Vì cần cải thiện tính chất đất phạm vi đới ảnh hưởng để chúng đủ sức chịu tải trọng thiết kế Trong thực tế có nhiều phương pháp để cải thiện tính chất đất yếu, phương pháp xử lý cọc xi măng đất Một thông số quan trọng thiết kế cọc xi măng đất lựa chọn tỷ lệ xi măng với đất hợp lý; ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất vật liệu, sức chịu tải giá thành cơng trình Ảnh hưởng tỷ lệ xi măng với đất đến tính chất hỗn hợp vật liệu, sức chịu tải cọc xi măng-đất sức chịu tải đất sau xử lý cọc xi măng-đất a) Ảnh hưởng tỷ lệ xi măng với đất đến tính chất hỗn hợp vật liệu xi măng đất Việc lựa chọn tỷ lệ xi măng với đất (aw) ảnh hưởng lớn đến tính chất hỗn hợp vật liệu xi măng đất giá thành cơng trình Cường độ 1500 1000 500 0 10 15 20 25 a w (% ) Hình Quan hệ tỷ lệ xi măng với đất cường độ xi măng-đất (Lin 2000) Tùy thuộc yêu cầu sức chịu tải cọc mà lựa chọn tỷ lệ aw để thỏa mãn yêu cầu vật liệu chế tạo cọc b) Ảnh hưởng tỷ lệ xi măng với đất đến sức chịu tải cọc đơn Sức chịu tải cọc đơn tiêu để tính tốn sức chịu tải (sau xử lý) Sức chịu tải cho phép cọc đơn xi măng-đất ước tính theo cơng thức: Theo sức kháng cắt vật liệu cọc xi măngđất Pa1 = .fcu.Ac (1) Theo sức kháng cắt đất sét yếu bao quanh (đất bị phá hoại) Pa2= Up.qsi.li + Ac.qp (2) Trong đó: Pa1 - Sức chịu tải cho phép cọc đơn xi măng-đất theo sức kháng cắt vật liệu cọc xi măng-đất (kN); Pa2 - Sức chịu tải cho phép cọc đơn xi măng-đất theo sức kháng cắt đất sét bao quanh (kN); fcu - Trị số bình quân cường độ kháng nén (kN/m2) mẫu thử xi măng-đất phịng có cơng thức phối trộn xi măng-đất thân cọc, 90 ngày tuổi điều kiện bảo dưỡng tiêu chuẩn; Ac - Diện tích mặt cắt cọc (m2); - Hệ số triết giảm cường độ thân cọc; Up - Chu vi cọc (m); qsi - Lực ma sát cho phép lớp đất thứ i xung quanh cọc (kN/m2); li - Chiều dày lớp đất thứ i xung quanh cọc (m); qp - Sức chịu tải đất móng thiên nhiên mũi cọc (kN/m2); - Hệ số triết giảm sức chịu tải đất móng thiên nhiên mũi cọc; Sức chịu tải cho phép cọc đơn Pa = (Pa1, Pa2) c) Ảnh hưởng tỷ lệ xi măng với đất sức chịu tải đất sau xử lý cọc xi măng-đất Sức chịu tải sau xử lý cọc xi măng-đất phụ thuộc vào sức chịu tải cọc đơn, mật độ cọc phạm vi xử lý Các yếu tố chịu ảnh hưởng trực tiếp tỷ lệ xi măng với đất Để tính sức chịu tải sau gia cố người ta đưa quan điểm khác nhau: - Phân tích khối cứng (tính tốn móng cọc) - Phân tích, tính tốn mơi trường hợp (xem cọc đất làm việc đồng thời) - Phân tích, tính tốn tương tác đất kết cấu Theo quy phạm Trung Quốc DBJ 08-40-94: Sức chịu tải đất móng hỗn hợp cọc xi măng-đất chịu lực ước tính theo cơng thức: P fsp = as a + .(1- as).fs (3) Ac Trong đó: fsp - Sức chịu tải cho phép móng tổ hợp (kN/m2); fs - Sức chịu tải cho phép đất móng thiên nhiên cọc (kN/m2); as - Tỷ lệ phân bố diện tích cọc đất; - Hệ số triết giảm sức chịu tải đất cọc Khi đất mũi cọc đất yếu, lấy 0,5 ÷ 1,0; đất mũi cọc đất cứng, lấy 0,1 ÷ 0,4 Cũng u cầu cơng trình đạt tới sức chịu tải cho phép móng tổ hợp, tìm tỷ lệ phân bố diện tích cọc đất theo cơng thức: f sp f s as Pa fs (4) Ap Khi bố trí mặt cọc xi măng-đất chịu lực vào yêu cầu sức chịu tải biến dạng móng kiến trúc phần đặc điểm kết cấu phần Chiều dài cọc phải vào yếu tố yêu cầu biến dạng khối kiến trúc kết cấu móng Cọc xi măng-đất bố trí theo hình vng tam giác đều, tổng số cọc cần dùng tính theo công thức: a A n s (5) Ac Trong đó: 67 n - Tổng số cọc; A - Diện tích đáy móng (m2) Khi cọc xi măng-đất chịu lực có tỷ lệ phân bố cọc đất tương đối lớn (as > 20%), đồng thời lại không bố trí theo hàng đơn, phải coi chùm cọc xi măng-đất với đất cọc móng nặng tồn khối quy ước Để kiểm tra cường độ lớp đất mềm yếu đáy móng nặng tồn khối quy ước, áp dụng công thức: f spm A G Asm q s f sm ( A A1 ) A1 f (6) Theo thống kê, tỷ lệ xi măng với đất thích hợp thay đổi theo loại đất có giá trị biến đổi phạm vi định Trong xi măng-đất thường dùng xi măng silicát phổ thông xi măng xỉ quặng Lượng xi măng trộn vào 7% ÷ 15% trọng lượng khô đất cần gia cố lượng xi măng từ 180 ÷ 250 kg/m3 đất gia cố Thơng thường, hàm lượng hạt sét đất yếu tăng lượng xi măng yêu cầu tăng (Bell, 1993) Theo nghiên cứu Lan Wang [2]: “Tính ổn định vật liệu xi măng-đất mơi trường có sunfat” lượng xi măng thay đổi phạm vi từ 4% đến 16% trọng lượng khô đất cần gia cố Qua nghiên cứu so sánh, Shiells cộng (2003) kết luận: thông thường phương pháp trộn ướt sử dụng tỷ lệ xi măng với đất cao so với phương pháp trộn khô - Lượng xi măng từ 180 ÷ 400 kg/m3 đất cần gia cố phương pháp trộn ướt; - Lượng xi măng từ 90 ÷ 180 kg/m3 đất cần gia cố phương pháp trộn khô Theo nghiên cứu hai tác giả Mitchell and Freitag, 1959, [3]: (1) Thông thường xi măng-đất chứa từ 5% ÷ 14% xi măng so với trọng lượng đất cần gia cố thường sử dụng để ổn định đất có tính dẻo thấp, đất cát; (2) Lượng xi măng yêu cầu phụ thuộc vào loại đất, trạng thái đất cần gia cố (3) Tỷ lệ xi măng với đất tối ưu (so với trọng lượng khô đất cần gia cố) phụ thuộc vào loại đất khác bảng 2, bảng 3: Trong đó: fspm - Lực nén mặt đáy móng nặng tồn khối quy ước (kN/m2); G - Trọng lượng móng nặng tồn khối quy ước (kN); Asm - Diện tích bề mặt bên móng nặng tồn khối quy ước (m2); qs - Lực ma sát bình qn bề mặt bên móng nặng toàn khối quy ước (kN/m2); fsm - Sức chịu tải cho phép đất móng cạnh móng nặng tồn khối quy ước (kN/m2); A1 - Diện tích mặt đáy móng nặng tồn khối quy ước (m2); f - sức chịu tải cho phép đáy móng sau chỉnh sửa mặt đáy móng nặng tồn khối quy ước (kN/m2) Kinh nghiệm lựa chọn tỷ lệ xi măng với đất Tỷ lệ xi măng với đất (aw) tính theo % khối lượng xi măng so với khối lượng đất khô Để chọn tỷ lệ pha trộn hỗn hợp gia cố theo phương pháp thí nghiệm phòng xác định sức kháng nén mẫu xi măng-đất Để giảm bớt số mẫu thời gian thí nghiệm giới thiệu số kinh nghiệm để độc giả tham khảo Bảng Tỷ lệ xi măng với đất tối ưu tương ứng với loại đất khác (Mitchell and Freitag, 1959) STT Loại đất Tỷ lệ xi măng với đất % Đất tốt chứa sỏi, cát hạt thơ, cát hạt mịn, có 5% khơng có lượng nhỏ bùn hay sét Đất cát xấu với lượng nhỏ bùn 9% Loại đất cát lại 7% Đất chứa bùn không dẻo dẻo vừa phải 10% Đất sét dẻo 13% nhiều 68 Bảng Tỷ lệ xi măng với đất với loại đất khác theo hệ thống phân loại Unified (Mitchell and Freitag, 1959) ST Loại đất Tỷ lệ xi măng với đất % T Sỏi có tính chọn lọc kém, cát có tính chọn ÷ 10 lọc cát có tính chọn lọc tốt Sét dẻo thấp, bùn dẻo thấp bùn dẻo cứng ÷ 12 Sét dẻo thấp, dẻo cứng 10 ÷ 14 Ở Viện kĩ thuật Châu Á, Law (1989) tiến hành nghiên cứu đưa kết luận: trộn 10% xi măng với đất sét yếu Băng Cốc – Thái Lan làm tăng độ bền nén nở hông 10 lần, áp lực cố kết trước tăng ÷ lần Hệ số cố kết quan sát tăng 10 ÷ 40 lần [1] DOH and JICA (1998) kiến nghị: xi măng ảnh hưởng tốt cho việc cải thiện đặc tính đất sét Băng Cốc, Thái Lan Phương pháp xử lý cọc xi măng-đất thường sử dụng hàm lượng xi măng thích hợp khoảng 80 ÷ 200 kg/m3 chúng xác định dựa vào cường độ thiết kế dự án Thông thường, xi măng Portland với hàm lượng vào khoảng 200 kg/m3 sử dụng nghiên cứu ổn định đất sét biển mềm yếu Tóm lại, việc lựa chọn tỷ lệ xi măng với đất nên dựa sở kinh nghiệm đề xuất nhiều cơng trình nghiên cứu trước Sau đó, tiến hành thí nghiệm phịng xác định sức kháng nén mẫu xi măng-đất Cuối cùng, chọn tỷ lệ xi măng với đất thích hợp Kết luận kiến nghị Việc lựa chọn tỷ lệ xi măng với đất để xử lý đất yếu cọc xi măng đất phức tạp; phụ thuộc vào nhiều yếu tố chi phối đến chất lượng, giá thành xây dựng cơng trình Đây tiêu quan trọng cần phải nghiên cứu tỉ mỉ kể lý thuyết thí nghiệm để lựa chọn tỷ lệ thích hợp mang lại hiệu cao xử lý đất yếu Tài liệu tham khảo [1] D.T.Bergado – J.C.Chai – M.C.Alfaro – A.S.Balasubramaniam (1994), Những biện pháp kĩ thuật cải tạo đất yếu xây dựng, Nhà xuất Giáo dục – Bản dịch Nguyễn Uyên, Trịnh Văn Cương [2] Lan Wang (May 2002), Cementitious stabilization of soils in the presence of sulfate , A Dissertation Submitted to Graduate Faculty of the Louisiana State University and Agricultural and Mechanical College in partial fulfillment of the Requirements for the degree of Doctor of Philosophy in The Department of Civil & Environmental Engineering [3] V.N.S.Murthy (2006), “Geotechnical engineering”, “Chapter 21 Soil improvement”, 21.9 Soil stabilization by the use of admixtures Abstract: SELECTION OF CEMENT-SOIL RATIO IN PILE MANUFACTION OF WEAK FOUNDATION IMPROVEMENT 69 ... nén mẫu xi măng- đất Cuối cùng, chọn tỷ lệ xi măng với đất thích hợp Kết luận kiến nghị Việc lựa chọn tỷ lệ xi măng với đất để xử lý đất yếu cọc xi măng đất phức tạp; phụ thuộc vào nhiều yếu tố... tải đất móng thiên nhiên mũi cọc; Sức chịu tải cho phép cọc đơn Pa = (Pa1, Pa2) c) Ảnh hưởng tỷ lệ xi măng với đất sức chịu tải đất sau xử lý cọc xi măng- đất Sức chịu tải sau xử lý cọc xi măng- đất. .. khối quy ước (kN/m2) Kinh nghiệm lựa chọn tỷ lệ xi măng với đất Tỷ lệ xi măng với đất (aw) tính theo % khối lượng xi măng so với khối lượng đất khô Để chọn tỷ lệ pha trộn hỗn hợp gia cố theo phương