Mỏy bơm vữa
Trạm trộn HC Mỏy khoan Mỏy phỏt điện Mỏy nộn khớ Mỏy bơm HC Xi măng Húa chất
Mỏy khuấy vữa
Đường dõy điện Ống dẫn khớ Ống dẫn dung dịch
Chỳ thớch
Mỏy bơm vữa
Trạm trộn HC Trạm trộn HC Mỏy khoan Mỏy phỏt điện Mỏy nộn khớ Mỏy bơm HC Mỏy bơm HC Xi măng Xi măng Xi măng Húa chất Húa chất Húa chất
Mỏy khuấy vữa Mỏy khuấy vữa
Đường dõy điện Ống dẫn khớ Ống dẫn dung dịch
Nhúm nghiờn cứu đó sử dụng xi măng Vissai PCB 40, cỏc húa chất: Axit sulfuric H2SO4 98%, natri bicarbonat NaHCO3 và thủy tinh lỏng do Cụng ty Húa chất Biotech (Hà Nội) cung cấp và nước mỏy sinh hoạt để pha trộn vật liệu tại phũng thớ nghiệm, nước trong kờnh tiờu tự nhiờn tại hiện trường.
4.2.4 Thiết bị sử dụng
Thiết bị thi cụng cọc thử nghiệm là dõy chuyền thiết bị khoan phụt húa chất bao gồm mỏy khoan chuyờn dụng để xử lý đất yếu, mỏy nộn khớ, mỏy khuấy vữa và bơm vữa xi măng cao ỏp, mỏy trộn và mỏy bơm húa chất. Cỏc thiết bị núi trờn đều sử dụng nguồn điện do mỏy phỏt điện cung cấp (Hỡnh 4.3).
Thiết bị thớ nghiệm trong phũng sử dụng thiết bị của phũng thớ nghiệm địa kỹ thuật, LASXD265;
4.2.5 Cụng tỏc thi cụng cọc thử nghiệm
Nhúm nghiờn cứu đó thi cụng ba cọc thử, bố trớ như trong hỡnh 4.3, trong đú hai cọc A1 và A2 được thi cụng bằng phương phỏp khoan phụt ỏp lực cao. Hai cọc này được thi cụng dưới cỏc điều kiện như nhau, cú hàm lượng xi măng giống nhau. Tuy nhiờn, cọc A2 cú sử dụng thủy tinh lỏng để gia tăng tốc độ keo húa.
Thụng qua nghiờn cứu cỏc mẫu thu được từ cọc A1 và A2, cú thể tỡm hiểu ảnh hưởng của thủy tinh lỏng đối với cọc xi măng đất thi cụng bằng phương phỏp khoan phụt cao ỏp.
Mỗi cọc A1 và A2 cú đường kớnh thiết kế 80cm, chiều dài 200cm, nằm ở độ sõu - 7m đến -9m. Như vậy mỗi cọc đều cú một phần nằm trong lớp 3 (sột dẻo chảy) và một phần nằm trong lớp 4 (cỏt pha).
Một trong cỏc vấn đề cần tỡm hiểu là hiệu quả của việc xử lý bằng húa chất đối với cỏc lớp đất khỏc nhau này như thế nào. Do đú, mẫu của cỏc phần cọc nằm trong cỏc lớp đất khỏc nhau sẽ được lấy lờn để phõn tớch và so sỏnh.
Khỏc với hai cọc A1 và A2, cọc thử nghiệm A3 được thi cụng bằng phương phỏp khoan phụt ỏp lực thấp. So sỏnh cỏc thụng số kỹ thuật ỏp dụng cho phương phỏp khoan phụt ỏp lực cao và ỏp lực thấp được thể hiện trong bảng 4.2.
Bảng 4.2 Thụng số kỹ thuật ỏp dụng cho 2 phương phỏp khoan phụt
Phương phỏp
Áp lực bơm (MPa) Lưu lượng bơm (l/phỳt) Vữa XM Húa chất Khớ Vữa XM Húa chất Khớ Khoan phụt JG 20 - 21 0,7 – 1,0 0,8 – 1,0 50 - 55 10 - 15 2000 Khoan phụt phõn đoạn 1,5 – 2,0 0,7 – 1,0 - 20 - 30 10 - 15 - Trong phương phỏp khoan phụt ỏp lực thấp, do sử dụng ỏp lực bơm nhỏ, tia vữa được phụt ra khụng cú khả năng phỏ vỡ kết cấu của đất như phương phỏp khoan phụt cao ỏp. Thay vào đú, dũng vữa sẽ len lỏi vào cỏc khe nứt nẻ và lấp đầy cỏc lỗ rỗng trong đất. Phương phỏp này, vỡ thế, cũn cú thể gọi là phương phỏp ộp vữa. Nhờ vữa bị ộp vào phần thể tớch rỗng của đất và húa thành keo, độ rỗng của đất sẽ giảm, dẫn đến khả năng chống thấm của đất được tăng lờn.
Để đỏnh giỏ mức độ cải thiện khả năng chống thấm của đất sau khi được xử lý bằng khoan phụt húa chất, nhúm nghiờn cứu đó tiến hành thớ nghiệm đổ nước hố khoan trong khu vực được xử lý và so sỏnh với kết quả thớ nghiệm trong đất tự nhiờn, chưa xử lý.
Cấp phối vữa dựng để tạo cỏc cọc thử nghiệm được trỡnh bày trong bảng 4.3. Sơ đồ bố trớ mặt bằng thớ nghiệm như hỡnh 4.4.
Đơn vị: cm Hỡnh 4.4 Sơ đồ bố trớ thớ nghiệm khoan phụt
Bảng 4.3 Cấp phối vữa dựng cho cọc thử nghiệm
Cọc Thành phần vật liệu cho 1m
3 cọc
Xi măng Thủy tinh lỏng H2SO4 (70%) NaHCO3
A1 750 kg - - -
A2 750 kg 60 L - -
A3 200 kg 60 L 15 L 6 kg
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