–xi măng
Với cơ sở khoa học nêu trên, để giảm độ lún và nâng cao sức chịu tải của nền đất thì các phương pháp xử lý nền đất yếu nói chung, phương pháp cọc cát biển –xi măng nói riêng, đều hướng tới việc làm giảm hệ số rỗng và tăng sức kháng cắt của đất nền. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, phương pháp cọc cát biển –xi măng có tác dụng làm giảm thể tích lỗ rỗng và tăng sức kháng cắt của đất nền thông qua các quá trình: nén chặt cơ học, gia tăng cường độ của cọc và đất nền xung quanh cọc, tăng khảnăng cố kết của đất nền.
3.2.2.1. Quá trình nén chặt cơ học
Như đã trình bày ở mục 3.1.1, xử lý nền đất yếu bằng cọc cát biển – xi măng là dùng một thiết bị chuyên dụng dạng guồng xoắn đưa vật liệu hỗn hợp cát biển –xi măng khô vào nền dưới dạng cọc tiết diện tròn và không lấy đất trong nền ra. Như vậy, lượng vật liệu cát biển –xi măng đưa vào nền sẽ chiếm chỗ lỗ rỗng của đất ở trong nền, một lượng nước và khí trong lỗ rỗng có cơ hội thoát ra ngoài, thể tích lỗ rỗng trong đất sẽ giảm đi, nền được nén chặt. Khi đó, nền đất yếu được xem như nền đất mới với các tính chất cơ lý đã thay đổi theo hướng có lợi cho công tác xây dựng, làm cho sức chịu tải của nền tăng lên và độ lún của nền giảm đi ngay sau khi tạo cọc.
Có thểđánh giá định lượng bản chất quá trình nén chặt cơ học của đất nền như sau: Xét một khối đất nền ở trạng thái tự nhiên gồm 3 pha: rắn, lỏng và khí. Nếu gọi thểtích ban đầu của khối đất là Vo, thể tích hạt rắn ban đầu là Vho, thể tích lỗ rỗng ban đầu là Vro , ta có:
Vo = Vho + Vro (3.2)
Sau khi xử lý khối đất nền bằng cọc cát biển –xi măng, thể tích của khối đất sẽ là V, thể tích hạt rắn sẽ là Vh, thể tích lỗ rỗng sẽ là là Vr, tương tự (3.2) ta có:
V = Vh + Vr (3.3)
Như vậy, sựthay đối thể tích của khối đất trước và sau khi gia cố là:
V = Vo - V (3.4)
hay là: V = (Vho + Vro )– (Vh + Vr)
Vì thể tích hạt rắn sau khi xửlý là không đổi so với trước khi xử lý, nghĩa là Vho
= Vh, cho nên ta có:
V = Vro – Vr , hay là:
V = Vr (3.5)
Biểu thức (3.5) cho thấy: Sựthay đổi thể tích khối đất trước và sau khi xử lý bằng cọc cát biển - xi măng chính là sựthay đổi thể tích lỗ rỗng trong khối đất.
Nếu xem xét sựthay đổi thể tích khối đất trước và sau khi gia cốthông qua đặc trưng biến dạng của đất là hệ số rỗng, ta cũng có thể biểu thịnhư sau:
Theo định nghĩa, hệ số rỗng của đất là tỷ số giữa thể tích lỗ rỗng và thể tích hạt rắn của đất. Nếu khối đất trước khi xử lý có hệ số rỗng là 0, sau khi gia cố có hệ số rỗng là , ta có: 0 = ho ro V V (3.6) và = h r V V (3.7) Suy ra : Vro = 0Vho và Vr = Vh Theo (3.2) và (3.3) ta có : Vo = Vho + 0Vho = Vho(1+ 0) (3.8) V = Vh + Vh = Vh(1+0) (3.9) Từ (3.8) và (3.9) ta có: Vho = (3.10) Vh = + 1 V (3.11) Do thể tích hạt rắn trước và sau khi xử lý không đổi, ta có:
= + 1 V (3.12) Theo tính chất của đẳngthức, từ (3.12) ta có: 0 1+ Vo 0 1+ Vo
= ( + )−( +) − 1 1 0 V Vo = V (3.13) V = (1+0) Vo (3.14)
Biểu thức (3.14) chính là nguyên lý nén chặt đất: Trong quá trình nén chặt đất, biến thiên thể tích đất tỷ lệ bậc nhất với biến thiên hệ số rỗng.
Như vậy, khi xử lý nền đất yếu bằng cọc cát biển –xi măng, quá trình nén chặt cơ học đất nền sẽ xảy ra ngay sau khi bắt đầu xử lý nền. Hiệu quả nén chặt đất sẽ phụ thuộc vào khối lượng vật liệu cát biển – xi măng đưa vào nền, kích thước lỗ rỗng có trong đất cũng như lượng nước và khí có trong lỗ rỗng thoát ra ngoài. Tuy nhiên, do quá trình thoát nước ra khỏi lỗ rỗng của đất yếu cần nhiều thời gian nên quá trình nén chặt đất cũng không thể kết thúc ngay sau khi thi công cọc cát biển –xi măng. Việc dự báo chính xác thời điểm quá trình nén chặt đất kết thúc phụ thuộc vào thời gian cố kết thoát nước của đất nền. Đây là vấn đề hết sức phức tạp, đòi hỏi phải có các nghiên cứu chuyên sâu, tốn nhiều thời gian và công sức.
3.2.2.2. Quá trình gia tăng cường độ của cọc cát biển –xi măng và nền đất yếu
xung quanh cọc.
Khác với cọc cát, vật liệu làm cọc cát biển – xi măng gồm cát biển và xi măng trộn với nhau ở trạng thái khô gió tương đối. Sau khi thi công tạo cọc, hỗn hợp cát biển- xi măng khô sẽ hút nước ở trong nền tạo thành vữa cát biển –xi măng, sau đó đông cứng với sựgia tăng cường độ tùy thuộc tỷ lệxi măng trộn với cát biển. Quá trình đông cứng vữa cát biển –xi măng vừa làm gia tăng cường độ của cọc vừa góp phần gia tăng cường độ một phần nền đất yếu xung quanh cọc [29].
* Quá trình gia tăng cường độ của cọc cát biển-xi măng
Quá trình gia tăng cường độ của cọc cát biển-xi măng là quá trình vữa cát biển – xi măng hóa cứng. Đây là quá trình biến đổi hóa lý phức tạp, chia làm hai giai đoạn chính: giai đoạn ninh kết và rắn chắc. Trong giai đoạn ninh kết, vữa xi măng mất dần tính dẻo và đặc dần lại nhưng chưa có cường độ. Trong giai đoạnrắn chắc, chủ yếu xảy ra quá trình thủy hóa các thành phần khoáng vật của clinker của chất gắn kết với vật liệu.
Như đã biết, thành phần khoáng vật của clinker gồm: silicat, tricalcit 3CaOSiO2
chiếm 37% 60%; silicat bicalcit 2CaOSiO2 chiếm 15% 37%, aluminat tricalcit
0
1+
3CaOAl2O3 chiếm 10% 18%; fero aluminat tetracalcit 4CaO.Al2O3.Fe2O3 chiếm 7% 15%, ngoài ra còn có một số thành phần phụ như 5CaO.Al2O3; 2CaO.Fe2O3; MgO < 4%; CaO < 0,5%; SO3<3,5% [29].
Quá trình thủy hóa các thành phần khoáng vật của clinker được biểu diễn bằng các phản ứng sau:
3CaOSiO2 + nH2O →Ca (OH)2 + 2CaO.SiO2(n-1) H2O 2CaO.SiO2 + mH2O →2CaO.SiO2mH2O
3CaO.Al2O3 + 6H2O →3CaO.Al2O3.6H2O
4CaO.Al2O3Fe2O3 + nH2O →3CaO.Al2O3.6H2O + CaO.Fe2O3.mH2O Silicat tricalcit (3CaO.SiO2) là thành phần quan trọng nhất vì chiếm tỷ lệ lớn, có cường độ cao, rắn chắc nhanh, tỏa nhiều nhiệt. Thành phần aluminat tricalcit (3CaO.Al2O3) rắn chắc nhanh trong thời kỳ đầu nhưng cường độ thấp, nhiệt lượng tỏa ra nhiều nhất, dễ gây nứt nẻ. Có thể chia quá trình rắn chắc của vữa cát biển - xi măng làm ba giai đoạn:
- Giai đoạn hòa tan
Khi xi măng tác dụng với nước, phản ứng hóa học giữa xi măng và nước xảy ra trên bề mặt hạt xi măng khô, những chất mới sinh ra hòa tan được trong nước như Ca(OH)2, 3CaO.Al2O3.6H2O lập tức hòa tan, tạo thành thể dịch bao quanh mặt hạt xi măng.
- Giai đoạn hóa keo
Các hợp chất Ca(OH)2, 3CaO.Al2O3.6H2O mới sinh ra do quá trình thủy hóa không hòa tan được nữa mà tồn tại ở thể keo. Chất silicat bicalcit (2CaO.SiO2) vốn không hòa tan sẽ tách ra ở dạng phân tán nhỏ trong dung dịch tạo thành keo phân tán. Lượng keo này ngày càng sinh ra nhiều, làm cho các hạt keo phân tán tương đối nhỏ tụ lại thành những hạt keo lớn hơn ở dạng sệt khiến cho xi măng mất dần tính dẻo và ninh kết lại dần dần nhưng chưa hình thành cường độ.
- Giai đoạn kết tinh
Các hợp chất Ca(OH)2, 3CaO.Al2O3.6H2O từ thể ngưng keo chuyển sang dạng kết tinh, các tinh thể nhỏ đan chéo nhau làm cho xi măng bắt đầu có cường độ, hợp chất 2CaO.SiO2mH2O tồn tại ở thể keo rất lâu, sau đó có một phần chuyển thành tinh thể. Do lượng nước ngày càng mất đi, keo dần dần bị khô, kết chặt lại và trở nên rắn chắc.
ra đồng thời với nhau, xen kẽ nhau. Ngoài ra, quá trình carbonat hóa cũng góp phần vào sự rắn chắc của xi măng [29].
Khi hỗn hợp cát biển-xi măng đông cứng, độ bền của vật liệu tạo cọctăng lên đáng kể nhờ hình thành liên kết cát biển-xi măng. Khi chưa có xi măng, sức kháng cắt của cát biển rời, khô xác định theo biểu thức: =tg, với là góc ma sát trong của cát biển. Khi hỗn hợp cát biển – xi măng đông cứng, hình thành liên kết cát biển-xi măng, đặc trưng bởi thành phần lực dính tương tự như trong đất dính, khi đó: =tg+ cxm với cxm
là lực dính đơn vị được tạo nên bởi liên kết cát biển-xi măng. Lực dính đơn vị này chính là đại lượng làm gia tăng sức kháng cắt (độ bền) của cọc và giá trị của nó hoàn toàn có thể xác định được nhờ thí nghiệm cắt hoặc nén các mẫu cát biển – xi măng ở trong phòng.
* Quá trình gia tăng sức kháng cắt của đất nền
Quá trình đông cứng của cọc cát biển-xi măng còn có tác dụng làm gia tăng sức kháng cắt của đất nền xung quanh cọc do quá trình trao đổi ion và phản ứng puzoland xảy ra ở mặt tiếp xúc giữa cọc và đất nền. Các ion calci hóa trị hai thay thế các ion natri và hyđro hóa trị một ở trong lớp điện kép bao quanh mỗi hạt khoáng vật sét của đất. Vì cần ít hơn calci hóa trị hai để trung hòa lưới điện âm trên mặt của mỗi khoáng vật sét nên giảm được kích thước của lớp điện kép và do đó làm tăng lực hút của các hạt sét, dẫn đến lực dính của đất tăng lên. Hơn nữa, silic và nhôm trong khoáng vật sét sẽ phản ứng với silicat calci và hyđrat nhôm calci trong phản ứng puzoland, tạo ra các hợp chất có độ bền cao và rất bền trong môi trườngnước. Những quá trình này làm tăng lực ma sát và lực dính của đất xung quanh cọc, dẫn đến làm gia tăng cường độ của đất nền [29].
3.2.2.3. Quá trình cố kết thoát nước của đất nền khi xử lý bằng cọc cát biển – xi
măng .
Ngoài tác dụng nén chặt cơ học, gia tăng cường độ của cọc và đất nền xung quanh cọc, cọc cát biển-xi măng còn có tác dụng làm tăng nhanh quá trình cố kết thoát nước của đất nền.
Do cọc cát biển-xi măng được đưa vào nền đất dưới dạng khô hoặc ít ẩm nên hỗn hợp cát biển-xi măng sẽhút nước trong đất nền để tạo ra vữa cát biển –xi măng và dần dần đông cứng. Quá trình hình thành và đông cứng vữa cát biển –xi măng sẽ làm tổn thất một lượng lớn nước chứa trong đất, nghĩa là làm tăng nhanh quá trình cố kết thoát nước của nền đất. Quá trình này xảy ra ngay sau khi bắt đầu xử lý và kéo dài cho đến
khi nền đất được xử lý xong, toàn bộ cọc cát biển-xi măng được đông cứng.
Bài toán cố kết thấm của nền đất yếu khi xử lý bằng cọc cát biển-xi măng có thể xem giống như bài toán cố kết thấm của nền khi cải tạo bằng cọc cát đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu. Đối với cọc cát, Rendulic (1985) đã đưa ra phương trình vi phân cố kết đối xứng để xác định trị số áp lực nước lỗ rỗng trong nền đất. Trước đó, Carrillo (1942) đã phân chia bài toán cố kết thấm ba chiều thành tổng hợp của bài toán cố kết thấm theo chiều thẳng đứng và theo chiều xuyên tâm [29]. Terzaghi đã dùng phương pháp giải tích để giải bài toán cố kết thấm theo chiều thẳng đứng, còn Glover, Barron đã giải bài toán cố kết thấm theo hướng xuyên tâm. Năm 1948, Barron đã đưa ra lời giải toàn diện đầu tiên cho bài toán cố kết của trụ đất có chứa một cọc cát ở trung tâm (một đơn nguyên). Khi khoảng cách giữa các cọc gần nhau, phương trình vi phân có dạng:
2 2 1 h U U U C t r r r = + (3.15) trong đó :
U- áp lực nước lỗ rỗng dư trung bình tại một điểm vào thời điểm bất kỳ,
r - khoảng cách hướng tâm từ điểm đang xét đến tâm trụ đất,
t –thời gian sau một độ tăng tức thời của tổng ứng suất thẳng đứng;
Ch - hệ số cố kết của đất theo phương ngang.
Trong tính toán quá trình cố kết của nền đất xử lý bằng cọc cát, độ cố kết toàn phần (kết quả tổng hợp của quá trình thoát nước theo phương ngang và theo phương đứng) được xác định bằng định đề Carrillo:
t = 1- (1- h) (1- v) (3.16) trong đó:
t - độ cố kết toàn phần của đất nền,
h- độ cố kết trung bình của đất nền theo phương ngang,
v - độ cố kết trung bình của đất nền theo phương đứng.
Đối với cọc cát biển – xi măng, áp dụng bài toán cố kết thấm theo hướng xuyên tâm của Glover và Barro là phù hợp vì sau khi đông cứng, khả năng thấm nước theo chiều thẳng đứng của cọc là không đáng kể. Do đó, khi xử lý nền bằng cọc cát biển – xi măng kiến nghị chỉ tính toán độ cố kết của đất nền theo phương ngang.