CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CẤU TẠO, PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG VÀ ỨNG DỤNG CỌC VÔI- XIMĂNG- ĐẤT ĐỂ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU CHO CÔNG TRÌNH NHÀ TỪ 3 ĐẾN 6 TẦNG
3.3. Các đặc trưng cơ lý của cọc vôi –xi măng-đất
3.3.1. Các đặc trưng cơ học
Độ bền chống cắt không thoát nước lớn nhất có thể đạt được với vôi sống thường từ 200 – 300kPa trong khi với 10% đến 20% vôi/ximăng (50% vôi, 50% ximăng) là 500kPa.
Những phản ứng sau đóng góp cho cả độ bền chống cắt thoát nước và không thoát nước của đất gia cố với vôi và ximăng :
v Giảm độ ẩm do hydrat hóa và bốc hơi trong quá trình tôi vôi.
v Trao đổi ion và kết quả là gia tăng giới hạn dẻo và giảm chỉ số dẻo.
v Phản ứng pozzolan
Độ bền chống cắt ngắn hạn của đất yếu với vôi (CaO) phụ thuộc nhiều vào việc giảm độ ẩm trong suốt quá trình tôi vôi và phụ thuộc vào độ giảm chỉ số dẻo do trao đổi cation (Brandl 1981 ; Eggestad 1983; Bell 1988; Ahnberg, . . ., 1989, Lacat, . . ., 1990). Độ bền chống cắt dài hạn với vôi và ximăng chủ yếu do phản ứng pozzolanic trong đất gia cố.
a. Độ bền chống cắt không thoát nước
Độ bền chống cắt không thoát nước có thể xác định bằng thí nghiệm nén nở hông (UC test), bằng xuyên tỉnh và cắt cánh, bằng thí nghiệm ba trục không thoát nước hoặc cắt nhanh trực tiếp không thoát nước (UU-test). Một vài thí nghiệm ba trục cố kết không thoát nước được sử dụng với áp lực hông trong suốt quá trình cố kết tương ứng với lực đất ngang được đánh giá tại hiện trường. Độ bền chống cắt không thoát nước theo đánh giá bằng thí nghiệm xuyên tỉnh và cắt
cánh phải được chia cho hệ số an toàn trước khi được sử dụng để phân tích độ ẩm của nền đắp, mái dốc và đào đất (Bjerrum 1972; Helenelund 1977; Larson 1977, Aas, . . ., 1986).
Độ bền chống cắt không thoát nước của đất gia cố nói chung được xác định bằng thí nghiệm nén nở hông (UC-test) hoặc bằng UU- test. Thí nghiệm UC được xem là phương pháp hiệu quả và kinh tế để xác định hàm lượng vôi và ximăng cần thiết để đạt đến độ bền chống cắt yêu cầu .
Độ bền chống cắt khụng thoỏt nước của cọc (ký hiệu là Cu.col) bằng ẵ qu.col (độ bền nén nở hông của cọc) khi φu.col bằng zero. Góc ma sát φu.col = 0 ở vị trí gần mặt đất, nơi mà áp lực hông nhỏ.
Độ bền chống cắt không thoát nước của đất gia cố cọc hỗn hợp vôi ximăng hoặc cọc ximăng ( ký hiệu τfu..col ) mà thường quyết định độ ổn định của nền đắp, mái dốc và hố đào thì gia tăng tỉ lệ với áp lực hông :
τfu..col = Cu.col + σf tan φu.col
Trong đó,
φu.col là góc nội ma sát không thoát nước của đất gia cố thay đổi tùy theo loại đất và độ ẩm
Cu.col : là lực dính không
σf : là tổng ứng suất chính tác dụng lên mặt trượt cắt qua các cọc Góc φu.col = 300 được đề nghị có thể được sử dụng cho ứng suất chính 150 kPa cho vôi và vôi-ximăng như hình minh hoạ, khi đó :
2 Cu.col = qu.col Ka Trong đó Ka là hệ số áp lực chủ động
Tuy vậy, độ bền chống cắt Cu.col = 0.5 qu.col thường được sử dụng trong thiết kế.
Độ bền chống cắt không thoát nước giả định này thường cao hơn khi ứng suất chính nhỏ hơn trị ứng suất tới hạn σcol.crit
Ứng suất chính tới hạn σcol.crit được tính từ phương trình :
ucol a ucol
col u
col u
col u
crit
tg K tg
q C
q φ φ
σ −
=
−
= 0.5 0.5(1
. .
.
qu.col 150kpa
Ứng suất thường
0.5 qu.col
Cucol
φu.col
Cucol+150tgφu.col
Ứng suất cắt
Hình 3.9 Độ bề chống cắt không thoát nước Tyû soá
col u
crit
q .
σ giảm tỷ lệ nghịch với giá trị qu.col. Giá trị tới hạn σt.crit có thể được tính toán tại qu.col= 200kPa
b. Độ bền chống cắt không thoát nước theo thời gian
Theo Ahnberg, độ bền chống cắt không thoát nước τfu..col của bùn sét pha (Clayer Silt) và của đất sét nhạy (Quickclay) gia cố với vôi, hỗn hợp vôi - ximăng và ximăng được xác định bằng UC test.
Độ bền chống cắt gia tăng nhanh chóng khi gia cố với hỗn hợp vôi, vôi - ximăng và ximăng cho cả bùn sét pha và sét nhạy sau 30 ngày trộn. Càng về sau, độ gia tăng độ bền chống cắt theo thời gian là nhỏ. Độ bền chống cắt khi gia cố ban đầu với 10% vôi thấp hơn độ bền chống cắt với 10% hỗn hợp vôi - ximăng (2.5%
vôi + 7.5% ximăng) và 10% ximăng. Tại 90 ngày, độ bền chống cắt sẽ như nhau.
Sau 90 ngày, độ bền chống cắt không thoát nước của 10% vôi thì lớn hơn độ 10% vôi + ximăng và 10% ximăng. Thời gian đầu, độ bền chống cắt không thoát nước với vôi thì luôn luôn thấp hơn nhiều so với ximăng.
Theo thời gian , độ bền chống cắt của đất không gia cố xung quanh các cọc gia tăng. Độ bền chống cắt của đất không gia cố xung quanh các cọc gia tăng khi áp lực đất ngang lên các cọc gia tăng. Aùp lực đất ngang và khả năng chịu tải của các cọc cũng được tăng lên bởi sự giản nở hông Khi các cọc được chất tải. Trị số áp lực đất ngang này có thể cục bộ đạt đến trị số áp lực bị động.
Ahnberg, . . .(1994, 1995a) phát hiện rằng độ bền chống cắt không thoát nước xác định bằng UC test trên những lõi mẫu lấy từ các cọc ngoài trời có độ bền chống cắt không thoát nước với những mẫu chuẩn bị trong phòng khi độ bền chống cắt có trị số nằm trong khoảng 100-200 kPa. Khi trị số độ bền chống cắt thấp (<100 kPa), mẫu thí nghiệm trong phòng thường có trị số độ bền chống cắt thấp hơn độ bền chống cắt trung bình của các cọc ngoài trời.
Tuy nhiên, Theo Ekstrom (1994b) độ bền chống cắt xác định theo UC test với mẫu trong phòng cao hơn lõi mẫu lấy từ các cọc thực ngoài trời. Sự mâu thuẫn này được giải thích do sự khác nhau về thời gian thí nghiệm.
Khi độ bền chống cắt vượt quá 200 kPa, độ bền chống cắt của mẫu trong phòng thì thông thường cao hơn độ bền chống cắt ngoài trời của cọc. Theo Kamon (1991), hơn độ bền chống cắt ngoài trời của cọc ximăng cho những công trình bờ biển chỉ từ 1/5 – 1/2 độ bền chống cắt trong phòng. Nói chung, trị số độ bền chống cắt càng lớn, sự khác biệt giữa độ bền chống cắt trong phòng và ngoài trời càng tăng.
Thiết kế cọc vôi, vôi-ximăng, hay ximăng thì thông thường dựa trên độ bền chống cắt được đánh giá sau 28 ngày thi công. Độ bền chống cắt của cọc vôi thì thông thường không thể được ước tính chính xác do phần lớn độ gia tăng dài hạn độ bền chống cắt xuất hiện sau 28 ngày. Vì thế độ bền thiết kế của cọc vôi được đề nghị là nên được ước tính sau 90 ngày thi công.
Góc ma sát φu.col tương đối lớn của cọc vôi và vôi ximăng đã được báo cáo ngay cả khi áp lực xung quanh là nhỏ. Đất gia cố vôi hoặc ximăng có khuynh hướng giản nở tại những điểm có áp lực xung quanh nhỏ (Serra, . . .1883). Vì thế, áp lực nước lỗ rỗng âm có thể được chấp nhận khi gia tải nhanh và áp lực xung quanh thấp, nhỏ hơn 20 kPa ( Ahnberg, … 1995a). Aùp lực nước lỗ rỗng âm cũng được báo cáo bởi Balassubramanian.
Góc ma sát không thoát nước φu.col của đất gia cố có trị giá cao do bởi sự hiện diện của không khí trong cọc, do khí nén đượcsử dụng để ép ximăng và vôi vào trong đất trong suốt quá trình thi công hệ cọc. Đất gia cố thì không bão hoà hoàn toàn ngay sau khi thi công. Độ bão hoà sẽ tăng trong khi φu.col giảm theo thời gian là một đều được tính đến. Sau một vài tháng đất gia cố dưới mực nước ngầm có thể bão hoà hoàn tòan.
Góc ma sát không thoát nước φu.col giảm nghịch biến với áp lực hông. Ngưới ta cho rằng φu.col =0 khi đất bão hoà hoàn toàn. Chẳng hạn như Tatsuoka &
Kobayashi (1983) và Ahnberg, . . . (1995a) đã trình bày rằng độ bền chống cắt gia tăng không đáng kể khi áp lực hông tăng.
Độ bền chống cắt 140-200 kPa được báo cáo bởi Baker, . . . (1997) từ những thí nghiệm hiện trường, trong khi thí ngiệm trong phòng cho độ bền chống cắt 220 – 420 kPa. Giá trị độ bền chống cắt trong phòng hầu như gấp hai lần ngoài hiện trường. Sự khác biệt gia tăng nói chung cùng với sự gia tăng của độ bền chống caét.
Độ bền chống cắt của đất gia cố trong những vùng chồng mí của những cọc kề nhau trong các hàng cọc thì thấp. Theo Yoshida (1996), độ bền chống cắt xác định bằng thí nghiệm cắt trực tiếp thẳng đứng (vertical direct shear test; σf =0) thì bằng 23% của độ bền nở hông. Những quan trắc tương tự cũng được tiến hành thại Thụy Điển. Độ giảm độ bền chống cắt trong những vùng trồng mí cũng phải được xem xét trong thiết kế những tường cọc sử dụng cọc cồng mí.