1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước
1.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước
Từ năm 2004 đến nay hàng loạt công nghệ xử lý nền đất yếu được áp dụng tại Việt Nam. Nhu cầu nghiên cứu và phát triển công nghệ xử lý nền đất yếu ngày càng gia tăng. Thách thức chính là điều kiện đất nền phức tạp và sự hạn chế về máy móc thiết bị của nước ta. Trong những năm tới công nghệ xử lý nền đất chắc chắn sẽ không ngừng phát triển nhằm đáp ứng việc xây dựng đường, cảng biển, lấn biển và cơng trình hạ tầng cơ sở khác. Hiện tại các cơng trình xây dựng trên vùng đất yếu thường bị hư hỏng bởi nguyên nhân từ nền móng là do người thiết kế lựa chọn sai giải pháp xử lý nền đất và thiết kế móng.
Trước đây, phương pháp thơng dụng để xử lý nền đất yếu ở Việt Nam là dùng cừ tre và cừ tràm. Đây là giải pháp kinh tế cho cơng trình có điều kiện đất yếu và tải trọng tương đối nhỏ. Do sự giới hạn của chiều dài cọc, nên khả năng áp dụng thực tế cũng bị hạn chế. Cần thiết đánh giá sức chịu tải và độ lún của nền được gia cố bằng cọc ngắn. Các giải pháp này chỉ có tác dụng cho cơng trình nhà ở độc lập. (Theo điều kiện thực tế của từng địa phương, được các nhà khoa học tin tưởng và xử dụng hiệu quả).
Phương pháp gia tải trước thường là giải pháp công nghệ kinh tế nhất để xử lý nền đất yếu. Trong một số trường hợp phương pháp chất tải trước không dùng giếng thốt nước thẳng đứng vẫn thành cơng nếu điều kiện thời gian và đất nền cho phép. Tải trọng gia tải trước có thể bằng hoặc lớn hơn tải trọng cơng trình trong tương lai. Trong thời gian chất tải độ lún và áp lực nước được quan trắc. Lớp đất đắp để gia tải được dỡ khi độ lún kết thúc hoặc đã cơ bản xảy ra. Phương pháp gia tải trước được dùng để xử lý nền móng của Rạp xiếc Trung ương (Hà Nội, Viện nhi Thuỵ Điển (Hà Nội), Trường Đại học Hàng Hải (Hải Phịng) và một loạt cơng trình tại phía Nam.
4
Gia tải trước là công nghệ đơn giản, tuy vậy cần thiết phải khảo sát đất nền một cách chi tiết. Một số lớp đất mỏng, xen kẹp khó xác định bằng các phương pháp thơng thường. Nên sử dụng thiết bị xuyên tĩnh có đo áp lực nước lỗ rỗng đồng thời khoan lấy mẫu liên tục. Trong một số trường hợp do thời gian gia tải ngắn, thiếu độ quan trắc và đánh giá đầy đủ, nên sau khi xây dựng cơng trình, đất nền tiếp tục bị lún và cơng trình bị hư hỏng.
Cọc đất – vôi - đất xi măng nên được dùng rộng rãi để gia cố sâu đất nền. Đây là giải pháp hữu ích, nhằm tăng cường độ của nền.
Cọc cát cho phép tăng sức chịu tải và rút ngắn thời gian cố kết của đất nền. Thiết bị thi công cọc cát hiện nay cho phép thi cơng cọc có đường kính 40-70cm và chiều dài 25m. Đây là giải pháp cơng nghệ thích hợp, kinh tế và cho phép xử lý sâu. Việc đầm chặt cọc cát ở vị trí mũi cọc cho phép tăng hiệu quả gia cố.
Cố kết động là giải pháp ít tốn kém để xử lý nền. Diện tích gia cố lớn có thể được thi cơng xử lý trong thời gian ngắn. Hiệu quả của giải pháp cần được kiểm tra bằng các thiết bị khảo sát. Đây là cơng nghệ thích hợp để gia cố các lớp đất đắp chưa được đầm chặt.
Ngồi ra cịn những phương pháp nhân tạo cũng được nghiên cứu áp dụng như trong Bảng 1.1 dưới đây.
Bảng 1. 1: Những phương pháp xử lý nền nhân tạo
Các phương pháp xử lý nền nhân tạo
Dạng nền và các khả năng xây dựng chúng
Điều kiện địa chất cơng trình
Thay thề nền mới Đệm cát hoặc đất
Đắp nền bằng đá hoặc cát sỏi
Đất yếu, lún nhiều (than bùn, bùn, đất đắp xốp yếu) Tầng bùn nằm dưới nước
5 Đầm chặt đất Đầm chặt trên mặt đất: - đầm bàng các khối nặng - đầm rung Làm chặt dưới sâu: - cọc đất - cọc cát - Nén chặt bằng rung cơ học hay phương pháp thủy lực. - làm chặt bằng phương pháp nổ Các loại đất lỗ rỗng lớn, cát tơi xốp, đất dính chưa nén chặt. Cát rời xốp Các loại đất lỗ rỗng lớn Đất yếu thấm nước (bùn, á sét, á cát nhão yếu) Đất cát rời xốp Đất loại cát rời xốp
Phun vữa Silicat hóa
Hắc ín tổng hợp Xi măng hóa
Cát xốp, các loại đất có lỗ rỗng lớn
Phương pháp điện Điện hóa Điện thấm
Dùng tia lửa điện
Đất sét yếu, hệ số thấm k<= 0,01m/ngd
Phương pháp nhiệt Dùng sức nóng để nung cho đất cứng lại
Đất có lỗ rỗng lớn
Từ các tiêu chuẩn của Mỹ, các nước châu Âu… Tiêu chuẩn Việt Nam cũng đề cập đến vấn đề ổn định khối lượng. Theo TCVN 9403:2012. Gia cố nền đất yếu bằng phương pháp trụ xi măng - đất [22] cũng đã đề cập về xử lý toàn khối.
Tiêu chuẩn gia cố đất bằng chất dính vơ cơ TCVN 10379:2014. Nêu u cầu đối với đất trong gia cố móng nền đường ơ tơ bằng chất dính vơ cơ [23].
Ngày 28/11/2015, tại Hà Nội, Bộ Xây dựng tổ chức hội thảo về “Xây dựng Tiêu chuẩn xử lý nền đất yếu - Phương pháp xử lý nông và giới thiệu công nghệ xử lý nền đất yếu theo phương pháp ổn định tồn khối”[11]. Cơng ty BCX đã được Tập đồn Bitexco giao nhiệm vụ nhận chuyển giao, phát triển và ứng dụng rộng rãi cơng nghệ gia cố tồn khối, xử lý nền đất yếu theo phương pháp ổn định toàn khối từ Phần Lan để áp dụng tại Việt Nam.”
Hiện nay tại Việt Nam áp dụng công nghệ này ngay tại dự án khu đô thị The Manor Central Park của Tập đoàn Bitexco rộng gần 100 ha trên đường Nguyễn Xiển,
6
quận Hoàng Mai (Hà Nội). Đây cũng là dự án đầu tiên tại Việt Nam áp dụng công nghệ xử lý nền đất yếu bằng phương pháp ổn định tồn khối.
Hình 1. 2: Dự án khu đơ thị The Manor Central Park – Hà Nội (Bitexco)
HỒ ECO - VĨNH PHÚC
Địa điểm: Huyện Yên Lạc & Bình Xuyên, Tỉnh Vĩnh Phúc, Việt Nam Loại: Khu dân cư, Biệt thự & Nhà liền kề, Thương mại
Diện tích: 3.000 ha; Khối lượng ổn định: 10.000.000 m3
Hình 1. 3: Dự án Hồ ECO – Vĩnh Phúc(Bitexco)
7
Địa điểm: Thanh Đa, Bình Quới, TP HCM, Việt Nam Loại: Khu dân cư, Biệt thự & Nhà liền kề, Thương mại Diện tích: 426 ha; Khối lượng ổn định: 2.150.000 m3
Hình 1. 4: Dự án Khu dân cư Thanh Đa – TP HCM (Bitexco).
Thuận tiện thi công, thân thiện môi trường, phát triển bền vững… phù hợp áp dụng rộng rãi ở Việt Nam là những ưu điểm nổi bật của công nghệ xử lý nền đất yếu toàn khối, được các chuyên gia trong lĩnh vực xây dựng ghi nhận khi tham gia thực nghiệm thực tế tại hiện trường.
Trần Đình Hà.[11] Giới thiệu phương pháp xử lý nông và công nghệ xử lý nền đất yếu theo phương pháp ổn định toàn khối. Nêu ý kiến của PGS TS. Nguyễn Bá Kế, nguyên Viện trưởng Viện Khoa học công nghệ Xây dựng Nghiên cứu, đất sau khi trộn với chất kết dính, dưới tác dụng của các phản ứng hóa học thì hỗn hợp này sẽ cứng chắc dần và cường độ đất gia cố sẽ phát triển theo thời gian để cuối cùng trở thành một loại bê tơng mác thấp; có thể gia tải để tăng hiệu quả làm chặt đất gia cố. Việt Nam nên lựa chọn và áp dụng cơng nghệ trên vì nhu cầu đang rất lớn để áp dụng cho cơng trình đường bộ ở nơng thơn qua vùng sình lầy, xử lý những vị trí đi qua nền đất than bùn, khu nhà vượt lũ ở đồng bằng sông Cửu Long, đê biển hoặc kè
8
phịng giảm thiệt hại do biến đổi khí hậu, kè chống sát lở bờ sông, nhà thấp tầng trên vùng đất yếu, quây giữ chống ô nhiễm các bãi thải rác, khu nghĩa trang…
Trần Đình Hà.[11] Giới thiệu phương pháp xử lý nông và công nghệ xử lý nền đất yếu theo phương pháp ổn định tồn khối. Cịn theo theo TS. Phạm Quyết Thắng, Phó viện trưởng Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng, công nghệ gia cố nền này có nhiều nét tương đồng với cơng nghệ gia cố sâu trụ đất - xi măng theo phương pháp trộn khô.
TS. Thắng cho hay, công nghệ này đã được áp dụng tại nhiều nước khi gia cố nền đường, nền cơng trình có tải trọng không lớn, độ lún cho phép cao, nơi sinh lầy… và rất khả thi để áp dụng tại Việt Nam. Tuy nhiên, để áp dụng rộng rãi thì cơ quan chức năng Nam cần sớm ban hành các tiêu chuẩn để đưa công nghệ này vào xây dựng.
1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Theo Makusa, G.P [16] FM5-410. Soil Stabilization for Road and Airfield, 2012. Đăng trên Tập chí Đại học Cơng nghệ Lulể, Thụy Điển năm 2012. Thơng qua việc ổn định đất, các vật liệu khơng dính có thể được ổn định bằng vật liệu xi măng (xi măng, vôi, tro bay, bitum hoặc kết hợp).
Vật liệu đất ổn định có độ bền cao, khả năng thấm thấp và độ nén thấp hơn đất tự nhiên (Keller bronchure 32-01E). Phương pháp có thể đạt được theo hai cách, cụ thể là; (1) ổn định tại chỗ và (2) ổn định tại trạm.
Sự ổn định này được xem như là một biến hóa mà nhờ đó mọi thuộc tính đất có thể được cải thiện tốt hơn (Ingles và Metcalf, 1972). Quyết định sử dụng công nghệ phụ thuộc vào tính chất của đất cần được biến đổi. Các tính chất chính của đất mà các kỹ sư quan tâm là tính ổn định thể tích, độ bền, tính nén, độ thấm và độ ổn định (Ingles và Metcalf, 1972, Sherwood, 1993, EuroSoilStab, 2002).
Để ổn định thành cơng, cần phải có một bài kiểm tra trong phịng thí nghiệm, sau đó là các kiểm tra thực địa để xác định các tính chất kỹ thuật và mơi trường. Các xét nghiệm trong phịng thí nghiệm mặc dù có thể tạo ra cường độ cao hơn vật liệu tương ứng từ thực địa, nhưng sẽ giúp đánh giá hiệu quả của các vật liệu ổn định trong đất. Kết quả từ các bài kiểm tra trong phịng thí nghiệm sẽ nâng cao hiểu biết về sự lựa chọn chất kết dính và lượng (EuroSoilStab, 2002).
9
Tập chí cũng đã phân tích các chỉ tiêu cơ lý hóa của đất và các khống chất của đất với các loại chất dính vơ cơ khác như: Xi măng, vơi, tro bay, xỉ lò cao…
Đất:
Hầu hết sự ổn định phải được thực hiện trong đất mềm (silt, đất sét claye hoặc đất hữu cơ) để đạt được các tính chất kỹ thuật mong muốn. Theo Sherwood (1993), các vật liệu dạng hạt mịn là phương pháp dễ nhất để ổn định do diện tích bề mặt lớn so với đường kính hạt. Đất sét so với các loại đất khác có diện tích bề mặt lớn do hình dạng hạt phẳng và dài. Mặt khác, vật liệu bùn có thể nhạy cảm với sự thay đổi nhỏ trong độ ẩm, và do đó, có thể chứng minh là khó khăn trong quá trình ổn định (Sherwood, 1993).
Đất than bùn và đất hữu cơ có hàm lượng nước lên đến khoảng 2000%, độ rỗng cao và hàm lượng hữu cơ cao. Sự đồng nhất của đất than bùn có thể thay đổi từ bùn thành sợi và trong hầu hết các trường hợp, sự lắng đọng là ít, nhưng trong những trường hợp xấu nhất, nó có thể lan rộng tới vài mét dưới bề mặt (Pousette, và 1999, Cortellazzo và Cola, 1999; Åhnberg Và Holm, 1999).
Đất hữu cơ có khả năng trao đổi cao; Nó có thể cản trở q trình hydrat hóa bằng cách giữ lại các ion canxi được giải phóng trong q trình hydrat hóa của canxi silicat và canxi aluminat trong xi măng để đáp ứng dung lượng trao đổi. Trong các loại đất này, sự ổn định thành công phải phụ thuộc vào sự lựa chọn đúng chất kết dính và lượng chất kết dính được thêm vào (Hebib và Farrell, 1999, Lahtinen và Jyrävä, 1999, Åhnberg và cộng sự, 2003).
Xi măng:
Xi măng là chất gắn kết lâu đời nhất kể từ khi phát minh ra công nghệ ổn định đất vào những năm 1960. Nó có thể được coi là chất ổn định chính hoặc chất kết dính thủy lực bởi vì nó có thể được sử dụng một mình để mang lại các hành động ổn định yêu cầu (Sherwood, 1993; EuroSoilStab, 2002). Phản ứng của xi măng khơng phụ thuộc vào khống chất của đất, và vai trị chính của nó là phản ứng với nước có thể có trong bất kỳ đất nào (EuroSoilStab, 2002). Đây có thể là lý do tại sao xi măng được sử dụng để ổn định một phạm vi rộng lớn của đất. Nhiều loại xi măng có trên thị trường; Đó là xi măng Portland thông thường, xi măng lò cao, xi măng kháng sulfate và xi măng alumina cao. Thông thường việc lựa chọn xi măng phụ thuộc vào loại đất được xử lý và độ bền cuối cùng mong muốn.
Q trình hydrat hóa là một q trình mà theo đó phản ứng xi măng diễn ra. Q trình bắt đầu khi xi măng được trộn với nước và các thành phần khác cho một
10
ứng dụng mong muốn dẫn đến các hiện tượng cứng. Sự cứng (xi măng) của xi măng sẽ bao phủ đất như keo, nhưng nó sẽ khơng làm thay đổi cấu trúc của đất (EuroSoilStab, 2002). Phản ứng hydrat hóa diễn ra chậm từ bề mặt của các hạt xi măng và trung tâm hạt có thể khơng bị mất nước (Sherwood, 1993). Xi măng hydrat hóa là một q trình phức tạp với một loạt các phản ứng hóa học phức tạp (MacLaren and White, 2003). Tuy nhiên, q trình này có thể bị ảnh hưởng bởi.
Sự hiện diện của các vấn đề nước bên ngoài hoặc tạp chất Tỷ lệ nước-xi măng
Nhiệt độ bảo dưỡng
Sự có mặt của các chất phụ gia Bề mặt cụ thể của hỗn hợp. Vôi:
Vôi cung cấp một cách tiết kiệm để ổn định đất. Sự tham gia của vôi làm gia tăng cường độ mang lại bởi dung lượng trao đổi chất chứ không phải là hiệu ứng xi măng mang lại bởi phản ứng pozzolanic (Sherwood, 1993). Trong quá trình biến đổi đất, khi các hạt đất sét xốp, biến đổi các tấm tự nhiên như các hạt đất sét thành kim như cấu trúc kim loại kết nối. Đất sét trở nên khơ hơn và ít nhạy cảm với sự thay đổi nồng độ nước (Roger et al, 1993). Sự ổn định vơi có thể liên quan đến phản ứng pucolanic, trong đó vật liệu pozzolana phản ứng với vơi trong nước có thể tạo ra các hợp chất xi măng (Sherwood, 1993, EuroSoilStab, 2002). Tác dụng có thể mang lại bởi vơi sống, CaO hoặc vôi hydrat, Ca (OH)2. Vơi bùn cũng có thể được sử dụng trong điều kiện đất khơ có thể u cầu nước để đạt được đầm chặt hiệu quả (Hicks, 2002). Vôi sống là vôi được sử dụng phổ biến nhất; Những điều sau đây là những lợi ích của việc vơi lâu ngày đối với vơi hydrat hóa (Rogers et al, 1996).
- Hàm lượng vôi tự do cao hơn trên một đơn vị khối lượng - Mật độ dày hơn vơi hydrat hóa (cần ít dung tích) và ít bụi
- Tạo ra nhiệt độ làm tăng cường độ tăng cường và giảm độ ẩm theo phương trình phản ứng dưới đây.
CaO + H2 O → Ca (OH)2 + Nhiệt (65kJ / mol).
Vôi sống khi trộn với đất ướt, ngay lập tức chiếm đến 32% trọng lượng riêng của nước từ đất xung quanh để tạo vơi hydrat hóa; Nhiệt tạo ra kèm theo phản ứng
11
này sẽ làm mất thêm nước do bay hơi dẫn đến kết quả làm tăng độ dẻo của đất, nghĩa là làm khô và hấp thụ (EuroSoilStab, 2002, Sherwood, 1993). Hiệu quả có thể được giải thích từ hình 1 cho đất ở độ ẩm 35% và nhựa giới hạn 25%. Thêm 2% vôi sẽ thay đổi giới hạn bằng nhựa thành 40% để độ ẩm của đất sẽ thấp hơn 5% so với giới hạn bằng nhựa thay vì 10% so với giới hạn bằng nhựa (Sherwood, 1993). Sherwood (1993) đã điều tra sự giảm độ dẻo như đã được tạo ra trong trường hợp đầu tiên bằng cách trao đổi chất, trong đó thành phần của natri và hydro được thay thế bằng các ion canxi mà trong đó khống chất đất sét có áp lực nước lớn hơn. Ngay cả trong đất (ví dụ đất vơi), đất sét có thể bão hịa ion canxi, việc thêm vơi làm tăng độ pH và do đó