CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TèNH HèNH NGHIấN CỨU
4.3 NGHIấN CỨU THÍ NGHIỆM TRONG PHềNG
Chỳng ta đều biết, điều kiện thi cụng ở hiện trường cú thể cú nhiều yếu tố bất thường ảnh hưởng đến tớnh đồng đều của sản phẩm. Do đú, để cú thể tạo ra một tập hợp số liệu đủ tin cậy, cần thiết phải tiến hành tạo được nhiều mẫu cú độ đồng đều cao, số lượng mẫu trong mỗi tổ phải đủ lớn.
Song song với việc thi cụng cọc thử nghiệm tại hiện trường, nhúm nghiờn cứu đó tiến hành đỳc mẫu trong phũng thớ nghiệm nhằm so sỏnh ảnh hưởng của húa chất đối với quỏ trỡnh tạo cọc cũng như chất lượng của cọc thi cụng bằng phương phỏp ỏp lực cao.
4.3.1 Vật liệu sử dụng
- Cỏt hạt nhỏ, màu xỏm đen (dựng làm vữa trỏt trong xõy dựng) - Xi măng Vissai PCB 40
- Thủy tinh lỏng. - Nước mỏy sinh hoạt
- Ống mẫu bằng nhựa PVC đường kớnh 76mm, cao 150mm, đỏy bịt kớn. 4.3.2 Cỏc bước thực hiện chế tạo mẫu
a. Mẫu chứa húa chất
Bước 1: Hũa xi măng với nước theo tỉ lệ trọng lượng 1:1.
Bước 2: Trộn đều 800g cỏt với 380ml nước xi măng thành vữa nhuyễn. Bước 3: Pha loóng thủy tinh lỏng với nước theo tỉ lệ thể tớch 1:4.
Bước 4: Rút từ từ và đồng thời toàn bộ lượng vữa xi măng tạo thành ở bước 2 cựng với 100ml nước thủy tinh pha loóng vào ống mẫu, khuấy đều cho đến khi vữa bắt đầu đụng kết.
b. Mẫu khụng chứa húa chất
Bước 1: Hũa xi măng với nước theo tỉ lệ trọng lượng 1:1.
Bước 2: Trộn đều 800g cỏt với 380ml nước xi măng thành vữa nhuyễn.
Bước 3: Rút từ từ toàn bộ lượng vữa xi măng tạo thành ở bước 2 vào ống mẫu, vừa rút vừa khuấy đều để trỏnh hiện tượng vữa tỏch nước.
4.3.3 Cụng tỏc thớ nghiệm
4.3.3.1 Thớ nghiệm cường độ
Hỡnh 4.5 Thiết bị nộn mẫu TYA – 300C
Cỏc mẫu chế bị được bảo quản trong điều kiện phũng thớ nghiệm và dưỡng hộ trong 1, 3, 7, 14, 28 ngày. Hết thời gian dưỡng hộ, mẫu được lấy ra khỏi ống và cắt gọt để đạt kớch thước chuẩn trước khi mang đi nộn.
Cỏc mẫu khoan lấy lừi từ cọc thử nghiệm được nộn sau 28 ngày kể từ ngày thi cụng. Thớ nghiệm nộn nở hụng được tiến hành trờn tất cả cỏc mẫu hiện trường và mẫu đỳc trong phũng bằng mỏy nộn TYA-300C theo tiờu chuẩn TCVN 3118.
4.3.3.2 Thớ nghiệm hệ số thấm
a. Hệ số thấm của đất nền trước khi xử lý
Thớ nghiệm này nhằm xỏc định hệ số thấm của đất trước khi xử lý bằng phương phỏp ộp vữa húa chất.
Dựng mỏy khoan địa chất khoan vào nền đất tự nhiờn, tạo một hố khoan thẳng đứng đến cao trỡnh -1,6. Thả ống chống giữ vỏch. Khoan tiếp 50cm bằng mũi khoan đường kớnh 91mm đến cao trỡnh -2,1. Bơm nước rửa sạch hố khoan và tiến hành thớ nghiệm đổ nước hố khoan.
Hỡnh 4.6 Thớ nghiệm xỏc định hệ số thấm của đất nền tự nhiờn bằng phương
phỏp đổ nước
Hỡnh 4.7 Thớ nghiệm xỏc định hệ số thấm của đất nền sau khi xử lý bằng KPHC bằng phương phỏp đổ nước
b. Hệ số thấm sau khi xử lý
Dựng mỏy khoan địa chất khoan vào nền đất đó được xử lý. Phương phỏp khoan tương tự như đối với đất nền trước khi xử lý. Sơ đồ bố trớ thớ nghiệm như hỡnh 4.7. 4.4 KẾT QUẢ NGHIấN CỨU
4.4.1 Thớ nghiệm về cường độ
4.4.1.1 Mẫu hiện trường
- 2,10 - 1,60 0,10 0,00 Ống chống Vỏch hố khoan - 2,10 - 1,60 0,10 0,00 Ống chống Vỏch hố khoan
Lừi khoan của cỏc cọc A1 và A2 được chụp ảnh như trong hỡnh 4.8 và 4.9.
Hỡnh 4.8 Lừi khoan cọc A1 Hỡnh 4.9 Lừi khoan cọc A2
Qua quan sỏt lừi khoan lấy lờn từ cọc A1 và A2, cú thể nhận thấy việc xử lý đó cú tỏc dụng rừ rệt. Cụ thể, mẫu khoan được từ lớp thứ 3 (sột dẻo chảy) cú hỡnh dạng ổn định, cú độ cứng tương tự đất sột ở trạng thỏi nửa cứng. Ở lớp 4 (cỏt pha), cỏc dung dịch xử lý đó được trộn đều với đất nền cú sẵn và ninh kết hoàn toàn, tạo ra những sản phẩm cú độ cứng rất cao.
Từ lừi khoan thu được, nhúm nghiờn cứu đó cắt gọt thành 4 mẫu tiờu chuẩn: UC1, M1 (từ cọc A1) và UC2, M2 (cọc A2), trong đú cỏc mẫu UC1, UC2 cú độ sõu lấy mẫu thuộc lớp 3 và cỏc mẫu M1, M2 thuộc lớp 4.
Bốn mẫu núi trờn được đưa vào mỏy nộn một trục. Bỏo cỏo thớ nghiệm được trỡnh bày ở phụ lục 8. Kết quả tổng hợp như bảng 4.4.
Ảnh chụp cỏc mẫu M1 (cọc A1) và mẫu M2 (cọc A2) phỏ hoại do thớ nghiệm nộn nở hụng được trỡnh bày ở hỡnh 4.9.
Bảng 4.4 Cường độ khỏng nộn cỏc mẫu hiện trường
Tờn cọc Ký hiệu mẫu Cường độ khỏng nộn (kG/cm2)
A1 UC1 1,697
M1 123,7
A2 UC2 0,867
Hỡnh 4.10 Phỏ hoại mẫu M1, M2 trong thớ nghiệm nộn nở hụng
4.4.1.2 Mẫu chế bị
Phụ lục 9 là bỏo cỏo đầy đủ của cỏc thớ nghiệm nộn mẫu chế bị. Cường độ khỏng nộn trung bỡnh của cỏc tổ mẫu, sau khi loại bỏ cỏc số liệu cú độ sai lệch so với kết quả trung bỡnh quỏ 10%, được trỡnh bày trong bảng 4.5. Biểu đồ phỏt triển cường độ khỏng nộn của mẫu theo thời gian được thể hiện ở hỡnh 4.11.
Bảng 4.5 Cường độ khỏng nộn cỏc mẫu chế bị Vật liệu Thời gian dưỡng hộ Vật liệu Thời gian dưỡng hộ
(ngày) Cường độ khỏng nộn trung bỡnh (kG/cm2) Xi măng 1 10,9 3 20,1 7 37,7 Xi măng – Húa chất 1 4,0 3 11,2 7 13,8
Hỡnh 4.11 Quan hệ cường độ khỏng nộn nở hụng với thời gian của vật liệu XMĐ và XM-HC 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 1 2 3 4 5 6 7 8 C ư ờ n g đ ộ n ộn R a (k G /c m 2)
Thời gian dưỡng hộ (ngày)
4.4.2 Thớ nghiệm thấm
4.4.2.1 Hệ số thấm trước khi xử lý
Từ kết quả đo đạc (Phụ lục 10), ta cú thể biểu diễn lượng nước tiờu hao theo thời gian như hỡnh 4.12.
Hỡnh 4.12 Quan hệ lượng nước tiờu hao Qc và thời gian thớ nghiệm t của đất nền Từ hỡnh 4.12, lưu lượng thấm ổn định được xỏc định Qc = 7,049 (cm3/s).
Hệ số thấm của đất được xỏc định bằng cụng thức: = g H 2 lg H Q 43 , 0 K 2c (4.3) Trong đú:
H - chiều cao cột nước thớ nghiệm, H = 50(cm); r - bỏn kớnh hố khoan thớ nghiệm, r = 45,5 (cm);
Thay vào cụng thức (4.3), xỏc định: K = 4,079x10-4 (cm/s).
4.4.2.2 Hệ số thấm sau khi xử lý
Từ kết quả đo đạc (Phụ lục 10), xỏc định lưu lượng thấm ổn định được xỏc định Qc = 0,546 (cm3/s). y = 7.0494x + 22.679 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 0 500 1000 1500 2000 Thời gian (s) L ư ợ n g n ư ớ c t iờ u h a o ( c m 3 )
Hệ số thấm của đất được xỏc định bằng cụng thức (4.3).
Thay cỏc giỏ trị vào cụng thức (4.3) xỏc định được hệ số thấm của đất nền sau xử lý: K = 3,16 x 10-5 (cm/s).
4.5 NHẬN XẫT KẾT QUẢ 4.5.1 Về tỏc dụng thỳc đẩy keo húa 4.5.1 Về tỏc dụng thỳc đẩy keo húa
Nhờ phản ứng húa học giữa xi măng và húa chất, quỏ trỡnh ninh kết được đẩy nhanh. Hiện tượng keo húa nhanh khi đưa húa chất vào vữa phụt được xỏc nhận qua quan sỏt trong quỏ trỡnh thi cụng cọc thử nghiệm tại hiện trường và cả trong quỏ trỡnh chế bị mẫu.
Quan sỏt trong quỏ trỡnh thực hiện thớ nghiệm thấy rằng, khi rút vữa xi măng đồng thời với nước thủy tinh đó pha loóng vào ống chế bị mẫu và khuấy đều, chỉ khoảng 30 giõy sau, hợp chất trong ống mẫu bắt đầu keo kết đến mức khụng thể tiếp tục khuấy được nữa. Việc chế bị mẫu theo cỏch tương tự, nhưng sử dụng silica sol (sản phẩm thu được từ việc pha trộn thủy tinh lỏng, acid H2SO4 với NaHCO3 theo tỷ lệ thớ nghiệm) thay thủy tinh lỏng pha loóng đó khụng thành cụng, do phản ứng keo húa xảy ra quỏ nhanh, chỉ trong vũng 3 ữ 5 (s). Trong một thời gian quỏ ngắn đú, việc trộn đều vật liệu trong ống mẫu là khụng thể thực hiện được.
Hiện tượng keo húa nhanh chúng của vữa trào ngược trong quỏ trỡnh phụt vữa cũng được quan sỏt tại hiện trường. Dũng vữa trào ngược keo húa ngay trờn miệng hố khoan đó làm co hẹp tiết diện hố khoan, hạn chế lưu lượng của dũng vữa trào ngược lờn miệng hố, và do đú, gúp phần hạn chế tổn thất vật liệu một cỏch đỏng kể.
Đối với cọc A2, do phản ứng giữa xi măng với thủy tinh lỏng diễn ra cú phần chậm hơn, cụng tỏc khoan phụt đó được tiến hành với thiết bị mũi khoan thường. Tuy nhiờn, đối với cọc A3, do phản ứng giữa xi măng và hỗn hợp húa chất diễn ra rất nhanh, nhúm nghiờn cứu đó phải sử dụng thiết bị mũi khoan cải tiến để trỏnh hiện tượng mũi khoan bị kẹt dưới đất do dũng trào ngược đó ninh kết và bớt chặt miệng hố khoan.
4.5.2 Về cường độ khỏng nộn
Cỏc kết quả thớ nghiệm trờn mẫu hiện trường và mẫu chế bị đều cho thấy, việc xử lý bằng khoan phụt XMĐ cú tỏc dụng rừ rệt về khả năng gia tăng cường độ khỏng nộn của đất. Tựy thuộc vào loại đất, mức độ ảnh hưởng cú thể khỏc nhau. Chẳng hạn, đối với lớp sột dẻo chảy (lớp 3), mức tăng về cường độ nhỏ hơn nhiều so với lớp cỏt mịn (lớp 4) của hiện trường thớ nghiệm. Kết quả này, tương tự như nghiờn cứu của cỏc tỏc giả khỏc.
Kết quả thớ nghiệm trờn mẫu hiện trường cho thấy hiệu quả của việc xử lý bằng XMĐ và Đ-X-HC là khỏc nhau đối với lớp 3. Cường độ khỏng nộn của XMĐ thuộc lớp này sau khi xử lý bằng vữa xi măng là 1,697kG/cm2, gấp đụi cường độ khỏng nộn Đ-X-HC nếu xử lý bằng vữa xi măng - húa chất. Kết quả này cho thấy, hiệu quả của việc xử lý bằng vữa xi măng - húa chất chỉ bằng khoảng 50% hiệu quả của việc xử lý bằng vữa xi măng đơn thuần. Điều đú cú nghĩa, việc đưa húa chất vào vữa phụt cú tỏc dụng đẩy nhanh tiến trỡnh keo húa, nhưng lại cú tỏc dụng phụ là làm giảm cường độ khỏng nộn của vật liệu sau khi xử lý.
Mặc dự vậy, nhận xột này khụng hoàn toàn hợp lý khi ta xem xột kết quả thớ nghiệm trờn cỏc mẫu hiện trường lấy từ lớp cỏt pha (lớp 4). Cường độ khỏng nộn của cỏc mẫu thu được từ cọc A1 và A2 ở lớp 4 chỉ chờnh lệch khoảng 2%. Điều này đặt ra
giả thuyết là sự khỏc biệt về mặt hiệu quả của cỏc loại vữa cũng thay đổi tựy thuộc vào cỏc đặc tớnh cơ - lý - húa của đất. Chẳng hạn, việc sử dụng cỏc loại vữa khỏc nhau để xử lý cú thể khụng khỏc biệt nhiều đối với đất hạt thụ (cỏt hoặc sỏi sạn). Như vậy, khú cú thể kết luận gỡ về hiệu quả của cỏc loại vữa khỏc nhau đối với cựng một loại đất, nếu chỉ dựa vào cỏc mẫu hiện trường. Do việc thi cụng trong điều kiện hiện trường cú quỏ nhiều yếu tố ảnh hưởng. Vỡ vậy, cần thiết phải tiến hành chế bị mẫu dưới cỏc điều kiện được kiểm soỏt tốt hơn để thu được cỏc mẫu cú chất lượng đồng đều hơn và số lượng đủ lớn để cú thể loại bỏ cỏc số liệu quỏ sai lệch. Từ đú cú cỏc kết luận chớnh xỏc hơn về ảnh hưởng của vữa XM và XM-HC.
Kết quả thớ nghiệm nộn trờn mẫu chế bị, biểu diễn trờn hỡnh 4.10 cho thấy:
- Trong giai đoạn đầu, cường độ của mẫu XMĐ phỏt triển cao xấp xỉ hai lần mẫu XMĐ. Sau đú, cường độ của mẫu XMĐ tiếp tục phỏt triển nhanh, trong khi cường độ của mẫu XMĐ phỏt triển chậm lại. Do đú, khi thời gian càng dài, sự khỏc biệt về cường độ của hai loại vật liệu càng lớn, mẫu XMĐ cú xu hướng đạt cường độ tối đa nhanh hơn so với mẫu XMĐ.
- Sự khỏc biệt rừ rệt về cường độ của hai nhúm mẫu là bằng chứng ủng hộ giả thuyết đó nờu ở trờn về hiệu ứng phụ của việc đưa húa chất vào vữa phụt là làm giảm cường độ của vật liệu sau khi xử lý.
- Từ thực tế là lớp cỏt số 4, đó được sử dụng để chế bị mẫu trong phũng và kết quả nộn mẫu qua cựng thời gian dưỡng hộ, bỏc bỏ giả thuyết cho sự khỏc biệt về hiệu quả xử lý của vữa XM và XM-HC. Khỏc biệt này cú thể đó thể hiện trờn cỏc mẫu hiện trường nằm trong lớp 4 nếu điều kiện thi cụng trờn hiện trường cũng lý tưởng như điều kiện trong phũng thớ nghiệm. Núi cỏch khỏc, kết quả thớ nghiệm trờn cỏc mẫu hiện trường M1 và M2 đó khụng phản ỏnh đỳng quy luật, điều đú càng khẳng định sự ảnh hưởng của điều kiện thi cụng đến cỏc tớnh chất của vật liệu. Kết luận này, cũng phự hợp với cỏc kết quả nghiờn cứu trong luận ỏn tiến sĩ “Nghiờn cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến sức chịu tải của cọc XMĐ thi cụng theo cụng nghệ JG cho một số vựng đất yếu ở Việt Nam” của NCS Phựng Vĩnh An.
4.5.3 Về khả năng chống thấm
Kết quả thớ nghiệm thấm bằng phương phỏp đổ nước hố khoan chứng tỏ rằng việc xử lý bằng phương phỏp ộp vữa xi măng - húa chất cú thể giảm hệ số thấm của nền đất tới hơn 10 lần. Tuy nhiờn, trong thớ nghiệm này, dự đó giảm được hơn 10 lần, kết quả hệ số thấm sau khi xử lý vẫn cũn khỏ cao (3,16 x 10-5 cm/s). Điều này cú thể được giải thớch như sau: Khi sử dụng phương phỏp ộp vữa, dũng vữa khụng tạo thành tia cú ỏp lực cao như phương phỏp khoan phụt cao ỏp. Trong quỏ trỡnh khoan phụt cao ỏp, kết cấu của đất bị phỏ vỡ hoàn toàn và cú thể xem như được thay thế tại chỗ bằng vật liệu đất - xi măng - húa chất cú hệ số thấm nhỏ hơn. Khi đú trong phạm vi cọc, tức phạm vi hiệu quả của việc "thay thế đất" núi trờn sẽ cú hệ số thấm nhỏ, nhưng ngoài phạm vi đú, cỏc đặc tớnh của đất, bao gồm cả tớnh thấm, ớt bị thay đổi.
Trong khi đú, do sử dụng ỏp lực thấp, phương phỏp ộp vữa khụng nhằm phỏ vỡ hoàn toàn kết cấu của đất, mà chủ yếu tỏc động vào những "điểm yếu" trong kết cấu đú. Những "điểm yếu" đú chớnh là những khu vực cú độ rỗng lớn, hệ số thấm cao, liờn kết giữa cỏc thành phần hạt yếu, dễ bị phỏ vỡ. Do đường đi của dũng vữa tập trung vào những khu vực này, những khu vực lõn cận, cú hệ số thấm nhỏ hơn, ớt chịu sự xõm nhập của dũng vữa, mặc dự hệ số thấm của chỳng khụng phải là rất nhỏ.
Như vậy, nếu nền đất tự nhiờn (trước khi xử lý) cú độ rỗng lớn, hệ số thấm cao thỡ việc xử lý bằng ộp vữa sẽ bớt được cỏc mạch rỗng chớnh mà bỏ qua cỏc mạch nhỏ hơn, yếu tố duy trỡ tớnh thấm tương đối cao của đất ngay cả sau khi xử lý. Một vớ dụ về loại đất này chớnh là lớp đất trờn cựng (đất lấp) tại hiện trường thử nghiệm. Để kiểm chứng nhận định này, nhúm nghiờn cứu đó cho mở một hố đào vào giữa khu vực được xử lý ộp vữa xi măng - húa chất ("Cọc" A3). Kết quả quan sỏt cho thấy dũng vữa quả thực đó xõm nhập vào nền đất xung quanh một cỏch "cú trọng điểm", nghĩa là cú những khu vực tập trung rất nhiều vữa đó ninh kết, trong khi những khu vực lõn cận cú ớt biểu hiện bị ảnh hưởng hơn. Cú vị trớ, dũng vữa tạo hẳn thành những vỉa cứng, cú chiều dày đỏng kể, nằm xen kẹp giữa cỏc lớp đất tự nhiờn.
Qua đú, cú thể xỏc nhận cỏch giải thớch trờn về hiệu quả cải thiện khả năng chống thấm đối với nền cú hệ số thấm lớn.
4.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4
Qua nghiờn cứu bằng thực nghiệm trỡnh bày trờn đõy, cú thể rỳt ra một số kết luận như sau:
- Việc sử dụng húa chất pha trộn theo đỳng tỷ lệ để bơm vào nền cựng với vữa phụt