I. ĐẮP ĐẤT TRÊN LỚP ĐỆM – ĐẮP ĐẤT TRÊN BÈ:
2.2 CỘT ĐẤT GIA CỐ VƠI – XIMĂNG:
2.2.1 Gia cường đất yếu bằng vơi:
2.2.1.1 Các yếu tố quyết định hiệu quả gia cường đất yếu bằng vơi: a. Thành phần cấp phối hạt của đất:
Hàm lượng hạt sét trong đất cần được gia cường cĩ ảnh hưởng rất lớn đến độ bền cuả hổn hợp.
Bằng thí nghiệm, S. A. Morozov (1961) đã chứng minh được rằng:
Với 4% vơi, thì hàm lượng hạt sét tốt nhất là 20%; tương tự 6% - 25% và 10% - 31%.
b. Độẩm của đất:
V. I. Egorov bằng thực nghiệm đã chỉ ra rằng, độ ẩm tối ưu của hổn hợp đất – vơi (Wtưhh) thường cao hơn độ ẩm tối ưu của đất (Wtưđ), và ơng đề nghị dùng cơng thức dưới đây để xác định Wtưhh:
Wtưhh = Wtưđ + 1,5 + 0,2 * D (2.2.1) Trong đĩ:
Wtưhh – độ ẩm tối ưu của hổn hợp đất – vơi (%). Wtưđ – độ ẩm tối ưu của đất (%).
D – lượng vơi cần trộn, % so với trọng lượng đất.
Để tính tốn các trị số Wtưhh theo cơng thức (2.2.1), lượng vơi được lấy sơ bộ là: 5 – 7% cho cát pha, 8% cho sét pha và 9% cho sét.
Các phối liệu để nhận được độ ẩm đã ấn định (độ ẩm thiết kế) của hỗn hợp, được xác định theo cơng thức sau:
1 2 1 * 0,2* * 1 0,01* *(1 ) d hh W K D K D W d K − − = + + (2.2.2) Trong đĩ:
K1 – hệ số phản ánh hoạt tính của vơi theo hàm lượng Cao và Mgo (đối với Cao cĩ K1= 0,32; Mgo cĩ K1= 0,43);
K2 – là tỷ số hàm lượng Cao trong vơi cĩ nước; Wđ – độ ẩm ban đầu của đất (%).
D – lượng vơi tính bằng % so với trọng lượng đất.
c. Hàm lượng các muối vơ cơ trong đất:
Arizumi (1977) chỉ ra rằng, hiệu quả gia cường đất sét bằng vơi sống được tăng nhanh khi cho thêm một lượng muối vơ cơ vào hỗn hợp đất – vơi. Theo Arizumi và một số nhà nghiên cứu khác khẳng định là, muối NaCl cĩ tác dụng như một chất xúc tác, các ion Cl-, Na+ và Mg2+ cĩ thể làm tăng nhanh phản ứng.
d. Mức độ nén chặt hỗn hợp đất – vơi:
Để tạo cho hỗn hợp đất – vơi cĩ độ bền cao nhất, cần nén chặt hỗn hợp này. Việc nén chặt được thực hiện thích hợp khi hỗn hợp đất – vơi cĩ độ ẩm bằng (hay nhỏ hơn 1 – 2%) độ ẩm tối ưu. Quan hệ giữa độ bền của hỗn hợp đất – vơi với mư`c độ nén chặt được giới thiệu trên hình dưới.
Thời điểm bắt đầu nén chặt sau khi cho vơi vào đất là yếu tố rất quan trọng làm tăng độ bền của hỗn hợp đất – vơi. Đồ thị quan hệ độ bền của hỗn hợp đất – vơi vào khoảng thời gian cho CaO, Ca(OH)2, MgO vào đất với quá trình nén chặt như chỉ ra trên hình dưới.
Độ bền nén một trục của đất dính được gia cường bằng vơi sống thay đổi trong khoảng 5 – 7Kg/cm2
(49,0 x 106 – 68,6 x 106 N/m2), cĩ mơđun biến dạng là 600 – 900Kg/cm2 (58,9 x 106 – 88,3 x 106 N/m2).
Cịn khi dùng MgO tương ứng là: 10 – 20 và 1000 – 1300Kg/cm2 (9,81 x 104 – 196,2 x 104 và 9,81 x 107 – 127,5 x 106 N/m2).
Chú ý: khi trong đất cĩ chứa hỗn hợp chất hữ cơ cấn tăng thêm hàm lượng vơi theo tính tốn: cứ mỗi % hợp chất hữu cơ (đến 10%) thì cần 0,5% vơi.
2.2.1.2 Phương pháp gia cường sâu nền sét yếu bằng cọc đất – vơi: a.Phương pháp trộn khơ (Dry Jet Mixing Method – DJM):
Trong trường hợp này, bột vơi sống (xi măng) được khí nén bơm vào trong đất ở dưới sâu qua ống cĩ lỗ phun. Phương pháp DJM khơng bổ sung thêm nước vào hỗn hợp đất – vơi, nên hiệu quả cải tạo nền sét yếu sẽ cao hơn phương pháp trộn phun ướt (trộn vữa). Mặt khác, dùng vơi sống quá trình hydrat hố tạo ra lượng nhiệt làm khơ đất xung
Tại Nhật Bản, để thiết kế mĩng đê trên nền đất sét yếu Ariake đã được cải tạo bằng phương pháp DJM, người ta đã đưa ra một tiêu chuẩn tạm thời: độ bền nén một trục nở ngang tự do của hỗn hợp đất vơi phải lớn hơn 400 Kpa sau 28 ngày đêm bảo dưỡng (Miura, …, 1986).
b. Phương pháp trộn phun ướt (Wet Jet Mixing Method – WJM):
Thực chất đây là phương pháp trộn phun vữa, trong đĩ vữa vơi (hay xi măng) được phun vào đất sét dưới áp suất 20Mpa từ một ống phun vừa xoay (Chida, 1982). Thiết bị dùng trong phương pháp này tương đối nhẹ và dễ di chuyển đến nơi thi cơng. Ưu điểm của phương pháp là đường kính của cọc đất – vơi (xi măng) sẽ thay đổi theo độ sâu tuỳ thuộc vào biến đổi về độ bền kháng cắt của đất nền.
2.2.1.3 Phương pháp tính tốn cọc đất – vơi: a. Khả năng chịu tải giới hạn của cọc đơn:
Khả năng chịu tải của cọc đơn đất – vơi được quyết định bởi sức kháng cắt của đất sét xung quanh cọc và sức kháng của đất dưới mũi cọc hay sức bền của vật liệu cọc. Khả năng chịu tải giới hạn tức thời của cọc đơn trong đất sét yếu được tính theo cơng thức sau: ( 2 ) * * 2, 25* * * ghd coc u Q = π d H + π d C (2.2.3) Trong đĩ: d – đường kính cọc, cm (m) Hcọc – chiều dài cọc, cm (m)
Cu – độ bền kháng cắt khơng thốt nước của đất sét yếu bao quanh cọc đất – vơi (được xác định bằng thí nghiệm tại hiện trường, như cắt cánh,xuyên tĩnh hình cơn, . . .).
Giả thiết, cường độ ma sát của đất sét bao quanh cọc đất – cọc cĩ trị số fs = Cu và sức kháng của đất dưới mũi cọc là qc = 9 * Cu (với Cu ≤ 30 Kpa). Nếu Cu > 30 thì fs = 0,5 * Cu và qc = 9 * Cu; song cũng khơng được lấy qc lớn hơn sức bền vật liệu của cọc đất – vơi (Qghcọc).
Độ bền giới hạn tức thời của vật liệu cọc đất – vơi được xác định theo cơng thức sau: (3, 5* 3* ) ghd coc coc u Q =A C + σ (2.2.4) Trong đĩ:
Acọc – diện tích tiết diện ngang của cọc, cm2 (m2); Ccọc – lực dính của vật liệu cọc đất – vơi, Kg/cm2 (mPa);
σn – tổng áp lực pháp tuyến tác dụng lên tiết diện ngang của cọc, Kg/cm2 (mPa);
Nếu ϕghcọc = 300 , thì: σn =σp+5*Cu (2.2.5) Ở đây: σp – tổng tải trọng của các tầng đất phủ trên;
Cu – độ bền kháng cắt khơng thốt nước của đất sét yếu quanh cọc. Độ bền lâu dài của cọc cĩ thể lấy: Qrãocọc = (65 – 85)% * Qghcọc
Giả thiết quan hệ biến dạng và tải trọng ngồi là tuyến tính cho tới khi vật liệu cọc bị rão, thì ứng suất rão σrãocọc và mơđun nén lúncủa vật liệu đất – vơi được xác định trên đoạn đồ thị dốc OA.
b. Khả năng chịu tải giới hạn của nhĩm cọc:
Khả năng chịu tải giới hạn của nhĩm cọc đất – vơi phụ thuộc chủ yếu vào độ bền kháng cắt của đất sét yếu nằm giữa các cọc và độ bền cắt của vật liệu hỗn hợp đất – vơi lam cọc. Sự phá hoại nhĩm cọc này cĩ thể xảy ra một trong hai trường hợp sau đây:
• Phá hoại tồn khối:
Nếu xảy ra sự phá hoại tồn khối, thì khả năng chịu tải giới hạn của nhĩm cọc đất – vơi là:
ghnhóm
Q = 2 * Cu * H * ( B + L ) + ( 6I9 ) * Cu * B * L (2.2.6)
Trong đĩ: B, L và H – chiều rộng, chiều dài và chiều cao của nhĩm cọc; số 6 dùng cho mĩng hình chữ nhật khi L >> B; cịn số 9 dùng cho mĩng hình vuơng (hay hình chữ nhật lớn cĩ L = B). O A B cọc 1 ε σrão cọc Ư Ùng s ua át cu ûa c ọ c, ra õo co ïc σ
• Phá hoại cục bộ:
Giả sử phá hoại cục bộ nhĩm cọc cĩ dạng cung trịn, khả năng chịu tải giới hạn của nhĩm cọc được tính: 5, 5* * 1 0, 2 * gh tb b q C l = + (2.2.7) Trong đĩ:
b và 1 – chiều rộng và chiều dài của vùng bị phá hoại cục bộ;
Ctb – độ bền kháng cắt trung bình ban đầu của đất cọc theo bề mặt phá hoại; Ctb = Cu * (1 – a) * a * Qcọc (2.2.8)
Ở đây: Qcọc = độ bền trung bình của vật liệu cọc, Kg/cm2 (mPa) a – diện tích tương đối của cọc: *
* coc a A a B L = Trong đĩ: n – số lượng cọc
Đề nghị, nên dùng hệ số an tồn là 2,5 khi tính tốn thiết kế.
c. Tính tốn tổng độ lún của nền đất gia cường bằng cọc đất – vơi:
Tổng độ lún của cơng trình xây dựng trên nền đất gia cường bằng cọc đất – vơi như chỉ ra dưới đây. Tổng độ lún lớn nhất lấy bằng tổng độ lún cục bộ của tồn khối nền được gia cường (Dh1) và độ lún cục bộ của tầng đất nằm dưới đáy khối đất được gia cường phía trên (Dh2).
Tức là: Dh = Dh1+ Dh2 (2.2.9)
Sét
Mặt phá hoại Cọc đất - vôi
Trong đĩ: Dh1 – độ lún cục bộ của khối đất nền sau khi đã được gia cường; Dh2 – độ lún cục bộ của tầng đất nằm dưới mũi cọc;
• Tải trọng ngồi tác dụng tương đối nhỏ và cọc chưa bị rão:
Nếu độ lún dọc trục các cọc tương ứng với độ lún của phần đất sét yếu xung quanh chúng, thì sự phân bố tải trọng ngồi sẽ phụ thuộc vào độ cứng tương đối của vật liệu cọc. Chừng nào ứng suất dọc trục cọc (σcọc) cịn nhỏ hơn độ bền giới hạn rão của nĩ (σrão cọc), thì sự phân bố tải trọng dọc trục cọc sẽ phụ thuộc vào mơđun lún của vật liệu cọc và của đất đã gia cường, được tính theo cơng thức sau:
( ) * 1 coc coc coc d coc Q q A M a a M σ = = + − (2.2.10)
Trong đĩ: q – tải trọng đơn vị, Kg/cm2 (mPa);
a – diện tích tương đối cọc;
Md và Mcọc – mơđun lún của đất nền xung quanh và của vật liệu cọc ( = ∆σ
∆
M
e ; Dσ - số gia ứng suất truyền lên đất hay cọc và De - số gia hệ số rỗng của đất
nền hay vật liệu cọc).
Tải trọng phân bố đều q (do cơng trình hay nền đất đắp bên trên truyền xuống), một phần truyền cho cọc q1, phần khác truyền cho đất q2. Nếu cọc và đất xung quanh cĩ cùng trị số chuyển vị tương đối, cĩ thể dùng quan hệ sau:
1* * 2* *
* coc* coc ( *( )* coc)* d
q B L q B L
n A M = B L n A− M (2.2.11)
Sau khi đơn giản biểu thức (2.2.11), ta nhận được:
1 2
1
* coc ( )* d
q q
a M = −a M (2.2.12)
Độ lún cục bộ của khối đất sau khi được gia cường bằng cọc đất – vơi là:
*
q H h