Một số tính chất đặc trưng của đất yếu ở ĐBSCL
Đất yếu có thể được định nghĩa là những loại đất không có khả năng tiếp nhận tải trọng công trình nếu không có các biện pháp gia cố hoặc xử lý thích hợp. ĐBSCL được hình thành và phát triển trên nền đất yếu với những điều kiện hết sức phức tạp của đất nền dọc theo các dòng sông và bờ biển. Do đó, địa chất dưới nền móng của các công trình nhà ở, nhà xưởng, đường xá, đê điều, đập chắn nước và một số công trình khác ở đây thường đặt ra hàng loạt vấn đề cần phải giải quyết như sức chịu tải của nền thấp, độ lún lớn.
Các loại đất yếu thường gặp ở ĐBSCL [12] như là đất sét mềm gồm các loại đất sét hoặc á sét tương đối chặt, ở trạng thái bão hòa nước, có cường độ thấp; bùn là các loại đất tạo thành trong môi trường nước, thành phần hạt rất mịn ở trạng thái luôn no nước, hệ số rỗng rất lớn, rất yếu về mặt chịu lực; than bùn là loại đất yếu có nguồn gốc hữu cơ, được hình thành do kết quả phân hủy các chất hữu cơ có ở các đầm lầy.
Theo 22TCN 262: 2000 [13] và TCXD 245: 2000 [14], đất yếu là đất ở trạng thái tự nhiên, độ ẩm của chúng gần bằng hoặc cao hơn giới hạn chảy, hệ số rỗng lớn, lực dính (c) theo kết quả cắt nhanh không thoát nước từ 15 kPa trở xuống, góc ma sát trong () từ 0o đến 10o, lực dính từ kết quả cắt cánh hiện trường ≤ 35 kPa, sức chống mũi xuyên tĩnh < 100 kPa, chỉ số xuyên tiêu chuẩn SPT < 5. Nói chung, đất sét yếu là loại đất có sức chịu tải thấp và tính nén lún cao. Phần lớn các nước trên thế giới thống nhất về định nghĩa nền đất yếu theo sức kháng cắt không thoát nước (Su) và trị số xuyên tiêu chuẩn (N) như sau: đất rất yếu có Su ≤ 12,5 kPa hoặc N ≤ 2; đất yếu có Su ≤ 25 kPa hoặc N ≤ 4.
Lê Bá Lương và các đồng nghiệp (2005) kết luận trong nghiên cứu về đất yếu ở ĐBSCL là phần lớn đất thuộc dạng đất yếu và có chiều dày từ 10 m đến 40 m [15]. Sự phân bố đất yếu ở ĐBSCL theo Nguyễn Văn Thơ và Trần Thị Thanh (2002) như bản đồ Hình 1.1 [16]
6
Phương pháp gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng
Có nhiều phương pháp xử lý và ổn định nền đất yếu, Han-Georg Kempfert (2006) đã phân loại phương pháp xử lý và ổn định nền đất yếu theo ba nhóm chính là cố kết, thay thế đất và các phần tử dạng trụ [17]. Phương pháp gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng là một trong những phương pháp phần tử dạng trụ trong cách phân loại này.
Hình 1.1 Bản đồ phân vùng đất yếu khu vực ĐBSCL (Nguyễn Văn Thơ và Trần Thị Thanh, 2002) [16]
Đất sét màu xám nâu, xám vàng
Đất bùn sét, bùn á sét, bùn á cát xen kẹp với các lớp á cát (IIa, IIb, IIc, IId) Cát hạt mịn, á cát xen kẹp ít bùn á cát
(IIIa, IIIb, IIIc)
Đất than bùn xen kẹp bùn sét, bùn á sét, cát bụi, á cát (IVa, IVb)
Bùn á sét và bùn á cát ngậm nước Cà Mau
Rạch Giá
Sóc Trăng Bạc Liêu
Trà Vinh
Bến Tre Mỹ Tho Tân An
Cao Lãnh Long Xuyên
Cần Thơ Châu Đốc
Hà Tiên
Hồng Ngự
Vĩnh Long
CAMPUCHIA BÌNH PHƯỚC
TP. HỒ CHÍ MINH
VỊNH THÁI LAN
I
IId
IVb
IIIa
IIIb
IIId IIa
IIb
IIa VIa
V
GHI CHÚ:
7
Phương pháp cơ học để thi công trụ đất gia cố bằng thiết bị trộn được gọi là phương pháp trộn sâu (DMM – Deep Mixing Method). DMM trở thành một thuật ngữ chung để mô tả kỹ thuật cải tạo đất yếu. Bruce, D. A. (2000) đã đề nghị các kỹ thuật DMM được phân loại dựa trên các đặc điểm như phương pháp đưa chất kết dính vào đất, phương pháp trộn và vị trí của các lưỡi trộn [18].
Một số cụm từ khác đôi khi cũng được dùng như “mixed – in – place piles”, “in situ soil mixing” và “soil cement columns” [19], [20], [21]. Trong nghiên cứu này, sẽ sử dụng thuật ngữ trộn sâu (DMM) và sản phẩm của quá trình thi công trộn sâu là trụ đất xi măng (CDM column – Cement Deep Mixing column).
Mặc dù có nhiều kỹ thuật trộn sâu khác nhau, nhưng kết quả chung nhất là tạo ra các cột gia cố bằng thiết bị khoan với một hoặc nhiều cần trộn để đưa chất kết dính vào đất tự nhiên nơi gia cố. Chất kết dính thường được sử dụng là hỗn hợp xi măng hoặc xi măng/vôi và nước. Kết quả của sự trộn chất kết dính và đất tạo ra một vật liệu có cường độ và độ cứng lớn hơn đất tự nhiên (Bảng 1.1).
Chức năng chính của trụ đất xi măng dùng trong gia cố nền đất yếu chịu tải trọng đứng là truyền tải trọng phía trên xuống nền đất bên dưới đồng thời giảm độ lún của nền đất.
Các quan điểm tính toán trụ đất xi măng hiện nay: Quan điểm 1 là trụ đất xi măng làm việc như cọc đơn chịu lực. Tính toán thiết kế như móng cọc. Quan điểm 2 là trụ đất xi Bảng 1.1 Cường độ chịu nén trong các dự án DMM tại U.S (Bruce, D.A., 2000) [18]
Dự án Loại đất/ Hàm lượng chất kết dính Cường độ nén, qu
I-95 Route 1, Alexandria, VA
Phương pháp trộn ướt Đất hữu cơ
Hàm lượng xi măng: 300 kg/m3, w/c=1
Trung bình qu ≥ 1,100 kPa khoảng 1,517 kPa
Nhỏ nhất qu ≥ 690 kPa Central Artery
Project, Boston, MA
Phương pháp trộn ướt
Đất san lấp, đất hữu cơ và đất sét Boston Blue
Hàm lượng xi măng: 20 - 300 kg/m3, w/c = 0,9
Nhỏ nhất qu ≥ 2,100 kPa Lớn nhất qu ≥ 6,900 kPa
Oakland Airport Roadway, California
Phương pháp trộn ướt
Đất cát san lấp và đất sét yếu Hàm lượng xi măng: 60 - 240 kg/m3
Trung bình qu ≥ 1,035 kPa Nhỏ nhất qu ≥ 690 kPa
8
măng và nền đất tự nhiên làm việc đồng thời như một nền tương đương. Tính toán thiết kế như nền thông thường với chiều dày bằng chiều dài trụ đất xi măng. Quan điểm 3 là kết hợp hai quan điểm trên, sức chịu tải tính toán như móng cọc, trong khi biến dạng tính theo nền tương đương.
Trong thực tế, trụ đất xi măng thường được thi công xuyên qua toàn bộ lớp đất yếu nằm trên địa tầng rắn chắc lúc này trụ làm việc gần giống với cọc chống. Đôi khi các trụ này chỉ nằm trong phạm vi lớp đất yếu còn gọi là trụ treo. Khi trụ đất xi măng đơn chịu tải trọng đứng có thể xảy ra 1 trong 3 dạng phá hoại là phá hoại do phình nén, phá hoại do cắt và phá hoại do xuyên thủng (Hình 1.2).
Phá hoại do phình nén (Hình 1.2a) do trụ đất xi măng có đường kính bé trong khi chiều dài lớn và mũi trụ tựa vào tầng cứng còn gọi là trụ mềm. Phá hoại do phình nén thường xảy ra tại đầu trụ dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng.
Ngược lại, phá hoại do cắt (Hình 1.2b) ngay tại vùng được gia cố, trụ đất xi măng có đường kính lớn nhưng chiều dài bé và mũi trụ tựa vào tầng đất cứng. Khả năng mang tải của từng đoạn trụ bị chi phối bởi sức kháng cắt của đất được xử lý cũng như cường độ cắt của đất không được xử lý xung quanh trụ. Mặt trượt phá hoại cắt ngang trụ và đất.
Phá hoại xuyên do mũi trụ (Hình 1.2c) nằm trong tầng đất yếu, sức chịu tải của trụ chủ yếu do thành phần ma sát xung quanh trụ. Lực đứng lớn hơn khả năng chịu tải do a) Phá hoại phình nén b) Phá hoại cắt c) Phá hoại xuyên
Hình 1.2 Dạng phá hoại của trụ đất xi măng
9
thành phần ma sát. Dạng phá hoại này thì trụ di chuyển theo một khối trong lớp đất yếu khi mất ổn định.
Khi nền đất được gia cố để mang tải trọng thẳng đứng của công trình bên trên thì trụ đất xi măng đơn tối ưu cho việc xử lý nền đất yếu. Trong xử lý nền đất yếu bên dưới nền đất đắp, trụ đất xi măng đơn nên được sử dụng tại vùng chủ động bên dưới tại tâm khối đất đắp vì tải trọng tác dụng thẳng đứng dọc theo trục của trụ đất xi măng và chuyển vị của trụ nhỏ. Trong khi tại vùng bị động và vùng cắt chuyển vị của trụ đất xi măng rất lớn. Bengt B. Homs (1999) khuyên rằng trụ đất xi măng đơn không nên sử dụng để gia cố nền đất yếu tại hai vùng này [21].
Trường hợp nền đất được gia cố bằng trụ đất xi măng, các trụ đất xi măng được bố trí theo dạng ô vuông như Hình 1.3. Khả năng chịu tải của trụ đất xi măng được tính toán theo các công thức từ 1.1 đến 1.12.
max col ult,
col Q
Q (1.1)
max soil ult,
col Q
Q (1.2)
col col
col q .A
Q (1.3)
Hình 1.3 Bố trí trụ đất xi măng
10
col eq
col E
E
q q (1.4)
s soil
s col
eq E a 1 a E
E (1.5)
2
s s
d 4
a π
(1.6)
u,soil
2 c
soil
ult, πdL 2,25π, c
FS
Q 1 (1.7)
FS .q
Qmaxult,col Acol 1,max (1.8)
ult s max
1, 0,95a σ
q (1.9)
h u,col
ult 3,5c 3σ
σ (1.10)
soil u, v
h σ 5c
σ (1.11)
c
v q γ'L
σ (1.12)
Độ lún của nền đất yếu gia cố trụ đất xi măng gồm độ lún của nền đất đã được gia cố và nền đất phía dưới vùng gia cố, được tính toán như công thức 1.13, 1.14, 1.15.
qu
h1
q
2 1
h2
Lc h
Hình 1.4 Lún của nhóm trụ đất xi măng
11
2
1 Δh
Δh
Δh (1.13)
s soil
col s
c
1 a E 1 a E
Δh qL
(1.14)
vz u vz 10 c 0
2 σ
σ q log e C
1
Δh h (1.15)
Ứng dụng của đất trộn xi măng để cải tạo đất được trình bày trong một số công bố của Bengt B. Homs (1999), D.A. Bruce (2000)… Các nghiên cứu ứng dụng khác nhau của kỹ thuật trộn sâu được thực hiện như nền móng của nhà, đường vào cầu, móng bồn dầu, đường đắp cao, ổn định mái dốc… Các dạng bố trí cột đất trộn xi măng để xử lý đất cho các dự án ở biển và đất liền (Hình 1.5) [22].
Dạng tường Dạng lưới Dạng khối Dạng diện
Dạng khối Dạng tường Dạng lưới Dạng cột
Dạng cột tiếp xúc Dạng tường tiếp xúc Dạng lưới tiếp xúc Dạng khối tiếp xúc Hình 1.5 Các dạng bố trí trụ đất xi măng (Yang, D.S, 1997) [22]
12
Ảnh hưởng của khoáng vật MMT đến cường độ chịu nén của đất xi măng Terashi, M. (1997) đã thống kê tất các các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu nén của mẫu đất xi măng như đặc điểm của tác nhân gia cố, đặc điểm và điều kiện của đất, điều kiện trộn và điều kiện bảo dưỡng (Bảng 1.2) [23]. Trong các yếu tố này, yếu tố quan trọng làm ảnh hưởng lớn đến cường độ chịu nén của đất xi măng là đặc điểm và điều kiện của môi trường nền đất cần gia cố.
Thiam-Soon Tan và các đồng nghiệp (2002) đã làm thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của mẫu đất xi măng trên 3 loại đất sét ở ba vùng biển khác nhau: đất sét vùng biển Eunos, City Hall và SAC với hàm lượng xi măng 20% và độ ẩm 90% [24]. Sau thời gian bảo dưỡng 7 ngày, cường độ chịu nén của các mẫu đất xi măng khác nhau rất lớn (Hình 1.6). Như vậy mỗi loại đất sét có thành phần khoáng khác nhau ảnh hưởng lên mức độ cải tạo cường độ của mẫu đất xi măng.
Bảng 1.2 Yếu tố ảnh hưởng đến cường độ đất xi măng (Terashi, M., 1997) [23]
I. Đặc điểm của tác nhân gia cố I.1. Loại tác nhân gia cố I.2. Chất lượng
I.3. Nước trộn và các chất thêm vào II. Đặc điểm và các điều kiện của đất
(Đặc biệt quan trọng cho các loại đất sét)
II.1. Tính chất vật lý, hóa học và khoáng vật học của đất
II.2. Hàm lượng hữu cơ II.3. pH của nước lỗ rỗng II.4. Độ ẩm
III. Điều kiện trộn III.1. Nhiệt độ trộn III.2. Thời gian trộn
III.3. Hàm lượng của tác nhân gia cố IV. Điều kiện bảo dưỡng IV.1. Nhiệt độ
IV.2. Thời gian bảo dưỡng IV.3. Độ ẩm
IV.4. Thời tiết (Ướt và khô /đóng băng và tan băng).
13
Nozu, M. và Nakai, N. (2010) thực hiện thí nghiệm mẫu đất xi măng với ba loại đất có khoáng vật sét khác nhau giữa đất sét miền Nam Việt Nam, đất sét Mỹ và đất sét Nhật Bản [25]. Mẫu đất xi măng được tạo bằng đất sét Việt Nam và Mỹ rất khó thực hiện do đất có tính hút nước của khoáng vật MMT có trong đất. Đồng thời, kết quả thí nghiệm nén một trục thì đất sét Việt Nam và Mỹ đều có cường độ thấp (Hình 1.7). Từ kết quả thí nghiệm này, phạm vi và phương pháp thi công trụ đất xi măng tại Việt Nam trong gia cố tường vây để tránh áp lực ngang do đất trương nở gây ra cũng được đề xuất.
Hình 1.6 Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của mẫu đất xi măng với các loại đất khác nhau (Thiam-Soon Tan và các đồng nghiệp, 2002) [24]
0 1 2 3 4 5 Biến dạng dọc trục (%)
Độ ẩm=90%
Hàm lượng XM=20%
Thời gian bảo dưỡng=7 ngày Đất sét Eunos Đất sét City Hall Đất sét SAC
Ứng suất (kPa)
800
600
400
200
0
14
Tiêu chuẩn TCVN 9403:2012 đặt ra yêu cầu xác định đặc trưng vật lý và thành phần khoáng của đất trong khâu khảo sát địa kỹ thuật trước khi thiết kế gia cố nền đất yếu bằng công nghệ trụ đất xi măng [26]. Tuy nhiên, các phụ lục D và E của tiêu chuẩn này chỉ nêu lên các phương pháp để xác định sức kháng nén trong phòng của mẫu đất xi măng mà không đề cặp ảnh hưởng của khoáng vật có trong đất đến cường độ chịu nén của đất xi măng.
Tính chất cơ học của đất được gia cố xi măng bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố như lượng nước, hàm lượng sét, hàm lượng chất hữu cơ trong đất; loại và tỉ lệ chất kết dính và phụ gia [6]. Viện Phát Triển công nghệ ven biển – Nhật Bản (CDIT, 2002) nhận định rằng tất cả các yếu tố trên ảnh hưởng đến cường độ của đất được gia cố bằng trụ đất xi măng, ngay cả sự khác nhau tương đối nhỏ trong đất dùng để trộn nhưng kết quả lại khác nhau rất lớn trong tính chất cơ học của đất xi măng [27].
Hình 1.7 Quan hệ giữa cường độ chịu nén và hàm lượng xi măng của mẫu đất xi măng với các loại đất khác nhau (Nozu, M. và Nakai, N., 2010) [25]
50 100 150 200 250 300 350 400 Hàm lượng xi măng (kg/m3)
Cường độ chịu nén (kPa)
7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0
15
Phương pháp phân tích địa kỹ thuật bằng tia X
Phương pháp phân tích bài toán địa kỹ thuật bằng tia X (X-ray CT: X-ray Computed Tomograph) được sử dụng nhiều trong nghiên cứu. Phương pháp này cho phép nhận biết sự thay đổi ứng suất, biến dạng bên trong vật liệu mà không gây bất kỳ sự phá hủy nào (còn gọi là thí nghiệm không phá hủy) [28], [29], [30]. Một số kết quả nghiên cứu ứng dụng tia X như đặc tính của đất, sự phá huỷ của đất nén cố kết, sự phá hủy của đất trộn với bùn, xi măng, xỉ xốp, nghiên cứu sự tương tác thành phần và cấu trúc của đất (Hình 1.8); nghiên cứu đặc tính thấm và thoát nước phục vụ công tác cải tạo nền đất yếu (Hình 1.9); phát triển thiết bị nén ba trục; khả năng chịu tải của nền đất dưới tải trọng của cọc (Hình 1.10); sử dụng số liệu thu được để giải các bài toán của phương pháp số [31], [32], [33], [34].
a) b)
c) d)
Hình 1.8 Phân tích thành phần hạt của đất (Lenoir, N., 2002) [30]
16
Máy chụp tia X được phát minh bởi Hounsfield vào đầu thập niên 70 trong kỹ thuật chụp ảnh cắt lớp vùng đầu con người và giành được giải Nobel năm 1979 cùng với Cormack. Tia X là một dạng của sóng điện từ, có bước sóng trong khoảng từ 0,01 nm đến 10nm tương ứng với dãy tần số từ 30 PHz đến 30 EHz và năng lượng từ 120 eV đến 120 keV. Bước sóng tia X ngắn hơn tia tử ngoại nhưng dài hơn tia Gamma [28].
Hình 1.9 Sự thấm của vật liệu Super Geo (Otani J. và các đồng nghiệp, 2002a) [31]
a)
b)
Hình 1.10 Phân bố ứng suất dưới mũi cọc (Toshifumi Mukunoki, 2010) [28]
17
Ngày nay, máy chụp tia X đã được sử dụng rộng rãi trên thế giới trong y khoa, công nghiệp và trong máy gia tốc hạt. Sự khác nhau chính của ba máy chụp tia X sử dụng trong y khoa, công nghiệp và trong máy gia tốc hạt là nguồn phát, hình dạng tia X, độ phân giải, kích thước mẫu và thời gian chụp ảnh (Bảng 1.3).
Trong nghiên cứu này, thí nghiệm chụp tia X được thực hiện bằng máy X-ray CT công nghiệp TOSCANER-20000min (Hình 1.11) tại Trường Đại học Kumamoto (Nhật Bản).
Bảng 1.3 Đặc điểm của các máy chụp tia X (Toshifumi Mukunoki, 2010) [28]
Các loại máy Y khoa Công nghiệp Máy gia tốc hạt Nguồn phát Ống tia X Ống tia X Sự tăng tốc các hạt
Hình dạng Hình quạt Hình quạt Song song
Độ phõn giải 100 ữ 500 àm 10 ữ 100 àm 0,1 ữ 10 àm
Kích thước mẫu dm cm mm
Thời gian chụp Vài giây đến một phút
Vài phút đến một
giờ Vài giây đến một phút
Hình 1.11 Máy TOSCANER 20000 min (Toshifumi Mukunoki, 2010) [28]
18
Máy TOSCANER-20000min có thể chụp với tia X có độ dày 0,3 mm, 0,5 mm, 1 mm, 2 mm, 3 mm và 4 mm. Cấu tạo của máy chụp tia X gồm 3 phần chính như nguồn phát tia X, bộ phận giữ mẫu và bộ phận cảm biến (Hình 1.12) [28].
Sau khi tia X được chụp, phần mềm ImageJ [30] được sử dụng để phân tích các ảnh tia X và từ các ảnh tia X dạng 2D xây dựng hình thành ảnh 3D như (Hình 1.13) [33].
Hình 1.12 Cấu tạo bên trong của máy chụp tia X (Toshifumi Mukunoki, 2010) [28]
Hình 1.13 Xây dựng ảnh 3D từ ảnh tia X (Otani J. và các đồng nghiệp, 2000) [33]
Nguồn phát tia X Cảm biến
Bàn giữ mẫu
Xoay tròn
Di chuyển dọc D400 mm
600 mm