Nguyờn lý cơ bản của của viợ̀c gia cụ́ xi măng đṍt là xi măng sau khi trộn với đṍt sét sẽ sinh ra một loạt cỏc phản ứng hoỏ học rồi dần dần đóng rắn lại, cỏc phản ứng chủ yếu của nó là:
a. Phản ứng thủy giải và thủy hoỏ của xi măng: Xi măng phổ thụng chủ yếu do cỏc oxyd là oxyd calci, oxyd silic lần lượt tạo thành cỏc khoỏng vật xi măng khỏc nhau: Silicat tricalci, aluminat, silicat dicalci v.v… Khi dựng xi măng gia cụ́ đṍt yếu, cỏc khoỏng vật trờn bề mặt hạt xi măng nhanh chóng xảy ra phản ứng thuỷ giải và thuỷ hoỏ với nước trong đṍt yếu tạo thành cỏc hoỏ hợp chṍt như hydroxyd calci, silicat calci ngậm nước, aluminat calci ngậm nước v.v… theo cụng thức sau:
Xi măng + Nước = CSH-gel + Hydroxit calci
b. Tỏc dụng của hạt đất sột với cỏc chất thuỷ hoỏ của xi măng: Sau khi cỏc chṍt thuỷ hoỏ của xi măng được tạo thành, tự thõn nó trực tiếp đóng rắn, hình thành bộ khung xương đỏ xi măng; tiếp đến phản ứng với cỏc hạt đṍt sét có một hoạt tính
nhṍt định ở xung quanh.
c. Tỏc dụng cacbonat hoỏ: Hydroxyd calci trụi nổi trong chṍt thuỷ hoỏ xi măng có thờ̉ hṍp thụ cacbonic trong nước và trong khụng khí sinh ra phản ứng cacbonat hoỏ tạo thành cacbonat calci khụng tan trong nước.
Quỏ trình phản ứng gia cụ́ xi măng đṍt như hỡnh 2-7.
Nước Hạt sét Ximăng Silicát phổ thông Nước Bột tro than
Đất sét Trộn nước
Phản ứng hấp phụ bề mặt
mặt hoặc trao đổi ION + Ca(OH)2 hoá tính kiềm Tác dụng hoạt Phản ứng đông rắn Trộn nước C - S - H C - A - H C - A - S - H C - S - H C - A - S - H C - A - H C - S - H C : CaO SaO S : A : Al O2 3 2 H O A : Sản vật phản ứng
Hỡnh 2-7: Quỏ trỡnh phản ứng gia cố xi măng đất 3. Phạm vi ỏp dụng và ưu điểm nổi bật cọc xi măng đất.
a. Pham vi ỏp dụng.
Phương phỏp trộn dưới sõu thích hợp với cỏc loại đṍt được hình thành từ cỏc nguyờn nhõn khỏc nhau như đṍt sét dẻo bóo hoà, bao gồm bựn nhóo, đṍt bựn, đṍt sét và đṍt sét bột, v.v… Độ sõu gia cụ́ từ mṍy mét đến 50 ữ 60m. Áp dụng tụ́t nhṍt cho độ sõu gia cụ́ từ 15 ữ 20m và loại đṍt yếu khoỏng vật đṍt sét có chứa đỏ cao lanh, đỏ cao lanh nhiều nước và đỏ măng tụ thì hiợ̀u quả tương đụ́i cao; gia cụ́ loại đṍt tính sét có chứa đỏ silic và hàm lượng chṍt hữu cơ cao, độ trung hoà (pH) tương đụ́i thṍp thì hiợ̀u quả tương đụ́i thṍp.
Cọc xi măng đṍt là một trong những giải phỏp xử lý nền đṍt yếu. Cọc xi măng đṍt được ỏp dụng rộng rói trong viợ̀c xử lý móng và nền đṍt yếu cho cỏc cụng trình xõy dựng giao thụng, thuỷ lợi, sõn bay, bến cảng…như: Làm tường hào chụ́ng thṍm cho đờ đập, sửa chữa thṍm mang cụ́ng và đỏy cụ́ng, gia cụ́ đṍt xung quanh đường hầm, ổn định tường chắn, chụ́ng trượt đṍt cho mỏi dụ́c, gia cụ́ nền đường, mụ́ cầu dẫn...
Ngoài chức năng làm tăng cường độ chịu tải của đṍt nền, trụ đṍt xi măng cũn được dựng trong cỏc trường hợp sau:
+ Giảm độ lún cụng trình;
+ Tăng khả năng chụ́ng trượt mỏi dụ́c; + Ổn định thành hụ́ móng;
+ Giảm ảnh hưởng chṍn động đến cụng trình lõn cận; + Trỏnh hiợ̀n tượng biến loóng (hoỏ lỏng) của đṍt rời; + Cụ lập vựng đṍt bị ụ nhiễm;
b. Ưu nhược điểm nổi bật của cọc xi măng đất.
+ Thi cụng nhanh tiết kiợ̀m thời gian thi cụng đến hơn 50% do khụng phải chờ đúc cọc và đạt đủ cường độ, kỹ thuật thi cụng khụng phức tạp, khụng có yếu tụ́ rủi ro cao.
+ Hiợ̀u quả kinh tế cao, giỏ thành hạ hơn nhiều so với phương ỏn cọc đóng, đặc biợ̀t trong tình hình giỏ vật liợ̀u leo thang như hiợ̀n nay.
+ Rṍt thích hợp cho cụng tỏc sử lý nền, sử lý móng cho cỏc cụng trình ở cỏc khu vực nền đṍt yếu như bói bồi, ven sụng, ven biờ̉n.
+ Thi cụng được trong điều kiợ̀n mặt bằng chật hẹp, mặt bằng ngập nước.
4. Giới thiệu phương phỏp tớnh toỏn.
Hiợ̀n nay viợ̀c tính toỏn kết cṍu cọc xi măng đṍt trộn sõu dựa chủ yếu vào cỏc tiờu chuẩn sau:
Tại Viợ̀t Nam, tiờu chuẩn thiết kế - thi cụng - nghiợ̀m thu cọc xi măng đṍt là TCXDVN 385: 2006 "Phương phỏp gia cụ́ nền đṍt yếu bằng trụ đṍt xi măng" do Viợ̀n Khoa học Cụng nghợ̀ Xõy dựng - Bộ Xõy dựng biờn soạn, Vụ Khoa học Cụng nghợ̀ Xõy dựng đề nghị, Bộ Xõy dựng ban hành theo Quyết định sụ́ 38/2006/QĐ-
BXD ngày 27 thỏng 12 năm 2006.
Tớnh toỏn biến dạng của nền gia cụ́ bằng trụ vật liợ̀u rời thì phải tựy vào độ cứng của trụ cũng như dạng liờn kết đầu mũi trụ đờ̉ đưa ra sơ đồ tính phự hợp. Nếu trụ là dạng floating (khụng được đưa xuụ́ng tầng đṍt chịu tải) thì nờn tính toỏn lún bằng cỏch qui đổi trụ + đṍt thành nền đồng nhṍt có E tương đương đờ̉ tính. Nếu trụ tương đụ́i cứng lại được đưa xuụ́ng tầng chịu tải thì tính lún nền bằng độ lún của trụ có lẽ phự hợp hơn. Lưu ý là trong tính toỏn lún nền gia cụ́ bởi trụ, độ lún tổng khụng có ý nghĩa mṍy. Độ lún lợ̀ch quan trọng hơn rṍt nhiều. Về chuyợ̀n lún lợ̀ch thì lại liờn quan đến sự truyền tải trọng xuụ́ng trụ và đṍt nền.
Hiợ̀n nay có 3 quan điờ̉m
- Quan điờ̉m xem cọc xi măng đṍt làm viợ̀c như cọc. Sơ đồ này đũi hỏi trụ phải có độ cứng tương đụ́i lớn (trụ đỏ hoặc trụ bờ tụng) và cỏc trụ phải được đưa xuụ́ng tầng đṍt chịu tải. Nếu tính theo sơ đồ này thì lực từ móng chuyền xuụ́ng sẽ chủ yếu đi vào cỏc colums (đṍt nền dưới móng khụng chịu tải). Với trụ khụng được đưa xuụ́ng tầng chịu lực, có thờ̉ dựng phương phỏp tính với cọc ma sỏt đờ̉ tính.
- Quan điờ̉m xem cỏc cọc và đṍt làm viợ̀c đồng thời. Nền trụ+đṍt dưới móng được xem như nền đồng nhṍt với cỏc sụ́ liợ̀u cường độ C, φ được nõng cao (được tính từ C, φ của đṍt và của vật liợ̀u làm trụ). Cụng thức qui đổi C, φ tương đương dựa trờn độ cứng của trụ, đṍt và diợ̀n tích đṍt được thay thế bởi trụ (tính toỏn như đụ́i với nền thiờn nhiờn).
- Một sụ́ cỏc nhà khoa học lại đề nghị tính toỏn theo cả 2 phương thức trờn nghĩa là sức chịu tải thì tính toỏn như "cọc" cũn biến dạng thì tính toỏn theo nền.
Sở dĩ cỏc quan điờ̉m trờn chưa thụ́ng nhṍt bởi vì bản thõn vṍn đề phức tạp, những nghiờn cứu về lý thuyết và thực nghiợ̀m cũn hạn chế.
Sau đõy một số kết quả nghiờn cứu và khả năng ứng dụng tại Việt Nam.
Khi tính toỏn sức chịu tải của nền gia cụ́ bởi cọc, 4 giả thiết phỏ hoại sau đõy thường được dựng đờ̉ kiờ̉m tra:
1. Trụ bị phỏ hoại do biến dạng nở hụng (bulging deformation): Tṍt cả cỏc loại cọc mềm (highly compressible) như trụ đỏ, trụ cỏt, trụ vữa xi măng ... đều có xu
hướng biến dạng nở hụng dưới tỏc dụng của tải trọng đứng. Biến dạng nở hụng thường xảy ra ở phần đầu trụ nơi ứng suṍt hụng trong đṍt tương đụ́i nhỏ. Khi xảy ra biến dạng hụng, ứng suṍt hụng trong đṍt có thờ̉ giả thiết là đạt tới Rankine's passive limit (phỏ hoại bị động). Sức chịu tải của nền tính theo sơ đồ này được tính bằng tải trọng gõy ra biến dạng nở hụng cho từng trụ đơn lẻ.
2. Phỏ hoại của đṍt dưới đầu mũi mỗi trụ đơn lẻ: Nếu trụ quỏ ngắn (L < 3D), tải trọng tỏc dụng trờn đỉnh trụ, do khụng được triợ̀t tiờu hết (thụng qua ma sỏt giữa trụ và đṍt), sẽ truyền xuụ́ng mũi trụ và gõy ra phỏ hoại cắt của đṍt dưới trụ (punching failure). Sức chịu tải của nền trong trường hợp này là tải trọng gõy ra phỏ hoại cắt của đṍt dưới đầu mũi của mỗi trụ đơn lẻ. Cỏc cụng thức tính sức chịu tải truyền thụ́ng của Terzaghi, Meyerhof, Vesis, Hanson... đều dựng được tuy nhiờn cần lưu ý là bề rộng móng B lúc này sẽ chính là đường kính trụ.
3. Phỏ hoại xảy ra ngày trong vựng được gia cụ́ (mặt trượt phỏ hoại chạy qua cả trụ lẫn đṍt): Tính toỏn sức chịu tải của nền như cho trường hợp móng nụng đặt trờn nền khụng có trụ gia cụ́. Dựng cỏc cụng thức tính sức chịu tải nờu trờn. Tuy nhiờn cần lưu ý là tính chṍt cơ lý C, φ của nền sẽ được xem là tổng hợp của C, φ của đṍt và trụ.
4. Phỏ hoại xảy ra tại vựng đṍt dưới đầu mũi trụ. Tính toỏn tương tự như trường hợp 3. Tải trọng tỏc dụng trờn bề mặt cộng với trọng lượng của khụ́i trụ + đṍt sẽ được qui về thành tải trọng tương đương đặt lờn lớp đṍt dưới đầu mũi trụ.