I. ĐẮP ĐẤT TRÊN LỚP ĐỆM – ĐẮP ĐẤT TRÊN BÈ:
2.2.2 Gia cường đất yếu bằng xi măng:
2.2.2.1 Khái niệm chung:
Phương pháp xi măng hố đất đá nhằm tăng cường khả năng chịu tải, làm giảm tính nén lún của đất nền đất dưới cơng trình; làm màn chống thấm trong cơng trình thủy cơng, xây dựng tuy-nen, metro, hầm áp lực, xây dựng đường và sân bay …
2.2.2.2 Xi măng và dung dịch xi măng: a. Xi măng: dùng xi măng porland, cĩ thành phần: • CaO = 60 – 70% • SiO2 = 60 – 70% • Al2O3 = 60 – 70% • Fe2O3 = 60 – 70% • MgO = 60 – 70% Clinke (xỉ cứng) là các hợp chất ở dạng oxýt:
• 3CaO. SiO2(C3S) = 40 – 60% (Silicát 3 canxi)
• 2CaO. SiO2(C2S) = 15 – 35% (silicát 2 canxi)
• 3CaO. Al2O3(C3A) = 6 – 15% (Alumơ canxi)
• 4CaO. Al2O3.Fe2O3(C4AF) = 10 – 18% (Alumơ ferit canxi)
Trong xi măng, chất (C3S) giữ vai trị chính, nĩ cĩ tính thủy hĩa nhanh, tạo vật chất hydrát cĩ độ bền cao; chất (C2S) hĩa cứng chậm và độ bền khơng lớn; chất (C3A) và (C4AF) – hĩa cứng nhanh nhưng lại cĩ độ bền thấp.
b. Dung dịch xi măng = xi măng + H2O:
Cĩ 2 loại dung dịch xi măng: đơn giản và phức hợp - Dung dịch xi măng đơn giản = xi măng + H2O;
- Dung dịch xi măng phức hợp = xi măng + H2O + các phụ gia;
c. Dung dịch sét – xi măng:
Việc trộn sét với dung dịch xi măng được xuất phát từ các tiền đề sau;
- Mức độ phân tán của sét cao, cho phép chúng thâm nhập sâu vào các khe nứt và lỗ rỗng kích thước rất nhỏ của đất cần được cải tạo.
- Dùng sét bentonit, ở trạng thái trương nở nĩ cĩ khả năng hấp thụ nước rất chậm chạp, hay hồn tồn khơng hấp thụ thêm nước. Do đĩ, dung dịch sét – xi măng kơng bị nước dưới đất làm lỗng ra.
- Dung dịch sét – xi măng cĩ tính xúc biến, nên chúng dễ dàng bị bơm hút ra bằng các máy bơm, đồng thời chúng cịn cĩ đới lan truyền xác định. Điều này đặc biệt quan trọng khi chúng tồn tại trong tầng nước ngầm cĩ diện tích lớn và tốc độ dịng ngầm cao.
- Việc sử dụng dung dịch sét – xi măng sẽ ngăn cản sự lắng đọng nhanh các hạt cứng của dung dịch xi măng, đồng thời việc sử dụng dung dịch sét sẽ tiết kiệm được xi
- Bơm phụt dung dịch sét – xi măng sẽ đạt sản lượng gia cố nền đất rất cao và giảm bớt được số lần bơm phụt lặp lại.
- Tính khơng thấm nước của dung dịch sét – xi măng cao hơn dung dịch xi măng đơn giản.
- Dung dịch sét – xi măng ổn định đối với tác dụng của nước cĩ tính xâm thực hơn so với dung dịch xi măng đơn giản.
Đặc trưng của dung dịch sét – xi măng được giới thiệu trong bảng sau:
Tỷ lệ các thành phần theo trọng lượng Phụ gia CaCl, % theo trọng lượng Tỷ trọng dung dịch, G/m3 Thời gian ngưng kết Giới hạn bền khi nén, Kg/cm2 (N/m2) Xi măng Porland Mác 300
Sét Nước Bắt đầu Kết thúc Sau 1 ngày
đêm Sau 7 ngày đêm 1 1 0,95 0 1770 2h00 phút 15h00 phút 40 (39,24x105) 72 (70,63x105) 1 1 0,97 1 1740 2h00 phút 18h00 phút 30 (29,43x105) 82 (88,29x105) 1 1 0,90 2 1770 1h 30 phút 11h00 phút 15 (14,72x105) 106 (103,97x105) 1 1 1 0 1688 0 2h20 phút 10h00 phút 12 (11,77x105) 46 (46,00x105) 1 1 0,95 1 1660 2h40 phút 10h00 phút 18 (17,6x105) 60 (59,00x105) 1 1 0,98 2 1700 1h40 phút 10h00 phút 20 (19,16x105) 65 (64,00x105) 2.2.2.3 Quan điểm hiện đại về bản chất ngưng kết và hĩa cứng xi măng:
a. Lý thuyết keo: giải thích hiện tượng hĩa cứng của các vật chất dính vơ cơ như xi măng, là do sự nén chặt những thới keo trương nở.
b. Lý thuyết kết tinh: Le – Satelie chỉ ra rằng, thành phần xi măng thiếu nước (khơ) cĩ tính hịa tan mạnh hơn các hợp chất đã hydrát hĩa. Do đĩ, khi xi măng tác dụng với nước sẽ tạo ra dung dịch quá bão hịa, tứ đĩ hydrát sẽ được tách ra dưới dạng những tinh thể. Quá trình kết tinh sẽ xảy ra đến khi kết tinh hồn tồn khối dung dịch này.
c. Những quan điểm hiện đại về quá trình hĩa cứng dung dịch xi măng:
Dựa trên cơ sở “ cơ học hĩa – lý “ của P.A.Rêbinđer; quá trình hĩa cứng dung dịch xi măng gồm 2 giai đoạn:
- Hình thành kiến trúc: trước hết tạo ra kiến trúc keo tụ, sau đĩ làkiến trúc keo tụ – kết tinh với kiến trúc kết tinh là chủ yếu.
- Hĩa bền kiến trúc: đặc trưng bằng sự tăng độ bền của kiến trúc kết tinh – keo tụ, với kiến trúc kết tinh là chủ yếu, nguyên nhân là do biến đổi hĩahọc.
2.2.2.4 Các phụ gia ảnh hưởng đến quá trình ngưng kết và hĩa cứng của xi măng:
- Các chất như: CaCl2, NaCl, vơi sống mới ra lị, pơtas đều được xếp vào các phụ gia thúc đẩy nhanh quá trình ngưng kết của xi măng. Thực tế, CaCl2 được dùng nhiều hơn cả và được coi là chất làm tăng nhanh quá trình ngưng kết và hĩa cứng của dung dịch xi măng.
- Các phụ gia như: Thạch cao, dung dịch axít muối lỗng, sunfát sắt, … đều là các chất làm chậm quá trình ngưng kết của xi măng.
- Trong trường hợp, thể tích hang hốc (lỗ rỗng) của đất đá quá lớn, để giảm bớt lượng xi măng và nâng cao độ chặt của đất đá được xi măng hĩa, người ta thường sử dụng những chất lấp nhét – đĩ là các phụ gia trơ: cát, mạt cưa gỗ, cát nghiền từ tro núi lữa, và than bùn, ….
- Để điều tiết các quá trình lưu biến của bột xi măng, người ta thường dùng các phụ gia hoạt tính bề mặt như: phụ gia dẻo háo nước và kỹ thuật nước dưới đây:
Phụ gia dẻo háo nước, là: các chất cơ đặc bã rượu sunfit và kiềm xenlulơ sunfit. Phụ gia dẻo kỹ nước, là: xà phịng, axiđơl và axít CH(CH2)COOH.
- Thủy tinh lỏng (SiO2) là một phụ gia cĩ một hiệu quả tích cực khi tham gia trong dung dịch xi măng. Để tạo ra sản lượng đất đá cần gia cố bằng xi măng lớn nhất (90 – 100%), nên sử dụng lượng phụ gia SiO2 theo tỉ lệ H2O/xi măng như sau:
H2O/xi măng 1 : 0,5 1 : 1 1 : 2 1 : 3
% SiO2 1 5 - 10 10 – 20 15 – 30
Độ nhớt của dung dịch phụ thuộc vào tỷ lệ nước – xi măng, như chỉ ra trên hình dưới đây:
Do dậy, để xi măng hĩa đất đá đạt kết quá tốt, đầu tiên cần bơm phụt dung dịch xi măng cĩ nồng độ cao nhất (ví dụ: 25 – 30% xi măng trong nước) vào các khe nứt (lỗ rỗng) lớn nhất. Khi xi măng hĩa các khe đất đá cĩ khe nứt nhỏ, nên dùng dung dịch xi măng cĩ nồng độ dung dịch xi măng trong nước nhỏ hơn (từ 5 – 10%).
Thậm chí, nồng độ dung dịch xi măng bơm phụt trong cùng một hố khoan cũng luơn luơn thay đổi. Giai đoạn đầu dùng dung dịch nồng độ cao, cuối giai đoạn giảm dần nồng độ dung dịch đĩ, đồng thời phải bơm phụt dung dịch dưới áp lực lớn hơn một chút.
2.2.2.5 Các yếu tố chính quyết định hiệu quả của phương pháp xi măng hĩa
đất đá:
Các yếu tốảnh hưởng đến tính chất và độ bền của đất – xi măng: a. Thành phần cấp phối hạt:
Ở Anh, người ta địi hỏi nghiêm ngặt thành phần cấp phối hạt của đất cần được gia cường theo chỉ tiêu khơng đồng nhất của chúng. Đất được xem là thích hợp nhất cho việc xử lí bằng xi măng, phải cĩ hệ số khơng đồng nhất:
60 10 10 d d η= ≥
Trong đĩ: d60 – đường kính hạt, nhỏ hơn nĩ trong đất chiếm 60%; d10 – đường kính hạt, nhỏ hơn nĩ trong đất chiếm 10%;
V. M. Bezruk và A. S. Elenovitr (1969) phân ra bốn nhĩm đất theo mức độ thuận lợi cho việc gia cố bằng xi măng như:
- Nhĩm I: Thuận lợi nhất – đĩ là hỗn hợp cát – sạn sỏi; đá dăm – cát hay cát – sét thành phần tối ưu.
- Nhĩm II: Thuận lợi – đĩ là cát cĩ thành phần cấp phối hạt khác nhau, cát pha và sét pha cĩ Ip≤ 17.
- Nhĩm III: Ít thuận lợi – đĩ là sét pha và sét bụi. - Nhĩm IV: Khơng thuận lợi – đĩ là sét cĩ Ip > 27.
b. Thành phần khống vật:
Các nhà khoa học Nga V. G. Salơilov (1945 – 1950), V. M. Bezruk và T. IU. Liubimơva (1956 – 1959) đã phân ra 4 nhĩm sau:
- Nhĩ thuận lợi nhất, đĩ là: Nhĩm các khống vật sét kaolinit, thạch anh, hàm lượng hạt sét trong khoảng 10 – 15%.
- Nhĩm thuận lợi: chủ yếu là sét kaolinit, cĩ thêm canxi và hyđrơmica với hàm lượng khơng lớn.
- Nhĩm ít thuận lợi: sét montmorilonit và hyđrơmica chiếm ưu thế (Σsét = 30 – 40%).
- Nhĩm khơng thuận lợi: Σsét > 40% và chủ yếu là montmorilonit và hyđrơmica …
c. Các chất mùn:
Các chất mùn axít luơn luơn gây ảnh hưởng xấu đến sự tạo thành kiến trúc của đất gia cố.
d. Thành phần và hàm lượng các chất dễ hịa tan:
Các nhà khoa học Nga: T. G. Samơilov; V. M. Bezruk, … đã chỉ ra rằng:
- Các muối clorua (NaCl, CaCl2, MgCl2) trong đất chiếm hàm lượng < 5% thường cĩ ảnh hưởng tốt; 5 – 10% sẽ làm giảm một ít độ bền đất – xi măng, nhưng độ bền này vẫn đủ cao. Do vậy, xi măng hĩa đất chứa tới 8% các muối clorua hồn tồn chấp nhận được.
- Muối cacbonát natri (Na2CO3) = 0.5 – 1% khơng gây ảnh hưởng xấu đến việc xi măng hĩa đất đá.
- Muối sunfat natri (Na2SO4) < 1% sẽ làm tăng nhanh các quá trình hydrát hĩa xi măng. Khi [ Na2SO4 ] = 1 – 3% xuất hiện tính chất xấu của nĩ, nhưng độ bền đất – xi măng vẫn đủ cao. Vì vậy, xi măng hĩa đất trong các điều kiện này hồn tồn được. Khi [ Na2SO4 ] > 3%, thì việc xi măng hĩa đất khơng cĩ hiệu quả.
- Các muối cacbonat dưới bất kì hàm lượng nào cũng đều cĩ ảnh hưởng tốt đến xi măng hĩa đất. Sự cĩ mặt của cacbonat trong đất sẽ làm giảm đáng kể tác dụng xấu của các muối dễ hịa tan, đặc biệt là Na2SO4.
Thạch cao [ Ca2SO42H2O ] < 5% cĩ ảnh hưởng đến xi măng hĩa đất, nếu [ Ca2SO42H2O ] > 5% sẽ xuất hiện tính xấu do sự tăng thể tích của chúng khi hydrat hĩa.
Thật vậy, bất kể như thế nào, việc xi măng hĩa đất sét chứa muối, thì các muối dễ dàng hịa tan sẽ loại bỏ được tính thấm nước của đất – xi măng.
e. Ảnh hưởng của trị số PH mơi trường:
- Nhiều nghiên cứu cho thấy, trị số PH < 7 luơn cĩ ảnh hưởng xấu đến sự ngưng kết và hĩa cứng của đất – xi măng.
- Đất cacbonat cĩ PH > 7, sẽ làm tăng quá trình hình thành tạo các liên kết kiến trúc thuận nghịch ổn định, tạo lực dính và tạo kiến trúc trong hỗn hợp đất – xi măng.
V. M. Bezruk (1971) sau khi nghiên cứu đất gia cố xi măng ở Anh, ơng chỉ ra rằng, trị số PH < 12,1 cĩ ảnh hưởng xấu đến quá trình hĩa cứng bình thường của đất – xi măng. Bằng nghiên cứu thực nghiệm ở Thuỵ Sỹ, đã xác định được mối quan hệ giữa độ bền của đất – xi măng với trị số PH gần như tuyến tính.
2.2.2.6 Bản chất của phương pháp xi măng hĩa sâu và phạm vi ứng dụng nĩ: a. Bản chất của phương pháp:
Là bơm phụt dung dịch xi măng lấy đầy các lỗ rỗng, khe nứt của đất đá dưới áp lực nhất định thơng qua các lỗ koan hay giếng đứng, nhằm tăng cường khả năng chịu tải, ổn định về mơi trường, là giảm tính thấm nước của đất đá ở dưới sâu cách mặt đất.
b. Phạm vi ứng dụng của phương pháp:
Phương pháp xi măng hĩa sâu hiệu quả nhất trong nền đá macma, đá biến chất và đá trầm tích cứng nứt nẻ. Đồng thời cĩ thể sử dụng phương pháp này để gia cường các trầm tích cuội, sỏi và đất hạt thơ, nhưng nĩ thực tế hồn tồn khơng cĩ lợi cho đất sét và thậm chí cho cả đất cát hạt trung hạt nhỏ.
- Trong vùng phát triển carstơ cĩ những hang động lớn, địi hỏi chi phí một lượng rất lớn dung dịch xi măng. Đồng thời, do tính khơng đồng đều của sự phân bố các hang động carstơ, điều này thường giảm khả năng tác dụng qua lại giữa các hố khoan bơm phụt dung dịch xi măng.
- Trong vùng nước ngầm chứa nồng độ muối cao (vùng muối nhỏ), cần chọn xi măng đặc biệt. Tầng chứa nước ngầm cĩ tốc độ vận động cao, cũng khơng nên áp dụng phương pháp xi măng hĩa, hoặc xi măng hĩa khơng đạt kết quả theo yêu cầu, vì nước ngầm sẽ lơi kéo xi măng đi nơi khác:
• Tốc độ vận động tới hạn của dịng ngầm (Vth), ở đĩ cĩ khả năng xi măng hĩa bình thường được, là: Vth < 200 m/ngđêm;
• Khi Vth >200 m/ngđêm, nên sử dụng xi măng hĩa đất sẽ được giải quyết bằng các điều kiện kỹ thuật riêng.
• Khi Vth >600 m/ngđêm, việc sử dụng ximăng hố đất sẽ được giải quyết bằng các điều kiện kỹ thuật riêng.
- Trong vùng đất cát, xi măng hĩa khơng đạt mục đích yêu cầu. Tuy nhiên, trong thực tế chúng ta luơn tiếp xúc với loại nền đất cát cĩ thành phần cấp phối hạt khác nhau, và độ chặt của chúng cũng khác nhau. Mặt khác, kích thước các hạt xi măng trong dung dịch khác xa so với chúng ở trạng thái khơ. Do đĩ, cĩ thể sử dụng hệ số hấp thụ nước đơn vị để làm tiêu chuẩn giải quyết khả năng xi măng hĩa đất cát là thích hợp nhất.
- Những nghiên cứu hĩa – lý của A. A. Baikov và A. M. Smirnơva (1956), … chỉ ra rằng, để ngưng kết và hĩa cứng dung dịch huyền phù xi măng, thì vận động của nước trong đất đá phải tuân theo chế độ chảy tầng cĩ sự chuyển tiếp sang trạng thái tĩnh. Trong các khe nứt và lỗ rỗng đất đá nước vận động chảy rối, thì khơng nên dùng phương pháp xi măng hĩa chậm, thậm chí khơng dùng được vì khơng cĩ hiệu quả.
đơn vị, l/phút
1 < 0,001 Thực tế khơng thấm nước Khơng xi măng hĩa được 2 0,001 – 0,01 Thấm nước yếu Khơng xi măng hĩa được 3 0,01 – 0,1 Thấm nước Ít thuận lợi cho xi măng hĩa 4 0,1 – 1,0 Thấm nước trung bình Thuận lợi cho xi măng hĩa 5 1,0 – 10,0 Thấm nước cao Thuận lơi cho xi măng hĩa 6 10,0 – 100,0 Thấm nước rất cao Xi măng hĩa khơng hợp lí 7 > 100 Thấm nước vơ cùng cao Sét hĩa
2.2.2.7 Sơđồ kỹ thuật cơ bản của xi măng hĩa sâu:
Các cơ sở để chọn sơ đồ kỹ thuật:
- Tùy thuộc điều kiện địa lí kỹ thuật trong khu vực cần gia cố xi măng hĩa là đơn giản hay phức tạp mà chọn giải pháp thi cơng thích hợp.
- Chọn máy khoan để lỗ khoan tạo lỗ: thường dùng máy khoan khí nén hay khoan xoay, khoan đập, …đường kính lỗ khoan φ50 – φ300 mm (nên chọn khoan đường kính nhỏ để khoan nhanh, giá thành hạ), độ sâu khoan giao động trong khoản từ 15 – 20 m).
- Thiết bị bơm phụt dung dịch xi măng gồm: máy bơm, máy trộn vữa, các ống dẫn, đồng hồ đo áp suất, bộ phận cân đong, sàng lọc xi măng và những ống phụt.
Tất cả các sơ đồ xi măng hĩa hiện hành cĩ thể phân thành 2 nhĩm chính tùy thuộc vị trí tiến hành thi cơng:
- Nhĩm I: Sơ đồ bơm phụt dung dịch xi măng được thực hiện qua các hố khoan từ mặt đất. Hạn chế của sơ đồ này khi tầng đất đá cĩ các khe nứt thẳng đứng.
- Nhĩm II: Sơ đồ bơm phụt xi măng được thực hiện qua các hố khoan khoan từ các hố giếng đứng lớn. Ưu điểm của sơ đồ này là đạt được chiều sâu xi măng hĩa lớn và áp dụng được cả cho các tầng đất đá cĩ hệ thống khe nứt thẳng đứng.
Theo phương pháp bơm phụt dung dịch xi măng, người ta phân 3 sơ đồ chính như sau:
a. Sơđồ bơm phụt 1 lần:
Khoan một lần đến hết chiều sâu thiết kế, rồi tiến hành bơm phụt dung dịch xi măng một đợt suốt chiều sâu hố khoan. Sơ đồ này áp dụng cho chiều sâu hố khoan > 10 – 15 m, nền đá cứng nứt nẻ ít, độ hấp thu nước đơn vị nhỏ. Nhược điểm ở chổ, nĩ khơng thể dựa vào độ lớn của các khe nứt khác nhau để bơm phụt dung dịch xi măng