(LUẬN văn THẠC sĩ) nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu nén của vật liệu đất trộn xi măng trong xử lý nền đất yếu tại huyện tân phú đông – tỉnh tiền giang

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN NGUYỄN HOÀI DANH NGHIÊN CỨU YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA VẬT LIỆU ĐẤT TRỘN XI MĂNG TRONG GIA CỐ NỀN ĐƯỜN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN

NGUYỄN HOÀI DANH

NGHIÊN CỨU YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN

CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA VẬT LIỆU ĐẤT TRỘN

XI MĂNG TRONG GIA CỐ NỀN ĐƯỜNG ĐẤT YẾU TẠI HUYỆN TÂN PHÚ ĐÔNG – TỈNH TIỀN GIANG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG

LONG AN, NĂM 2019

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN

NGUYỄN HOÀI DANH

NGHIÊN CỨU YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN

CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA VẬT LIỆU ĐẤT TRỘN

XI MĂNG TRONG GIA CỐ NỀN ĐƯỜNG ĐẤT YẾU TẠI HUYỆN TÂN PHÚ ĐÔNG – TỈNH TIỀN GIANG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN NGỌC PHÚC

LONG AN, NĂM 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn này là trung thực và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu

đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định./

Tác giả

Nguyễn Hoài Danh

LỜI CÁM ƠN

Luận văn được sự hướng dẫn tận tâm của TS Nguyễn Ngọc Phúc và thầy cô Khoa Kỹ thuật công nghệ Xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An đã tạo mọi điều kiện cho tôi được học tập và nghiên cứu để hoàn thành luận văn này

Học viên xin chân thành ghi nhớ những công ơn này và sẽ cố gắng hơn nữa để nâng cao năng lực và trình độ để phục vụ tốt cho công việc

Tác giả

Nguyễn Hoài Danh

NỘI DUNG TÓM TẮT

Tân Phú Đông là huyện của tỉnh Tiền Giang, đồng bằng sông Cửu Long, Việt Nam được thành lập chính thức từ ngày 21 tháng 01 năm 2008 Vùng đất này trước đây thuộc tỉnh Gò Công, tuy nhiên cũng có thời kỳ thuộc huyện Gò Công, tỉnh Mỹ Tho

Nền đất ở khu vực này, đa phần là đất yếu nên nền đất không có khả năng tiếp nhận tải trọng công trình nếu không có các biện pháp gia cố hoặc xử lý thích hợp 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

Việc nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ trụ đất xi măng đóng vai trò quan trọng trong quyết định lựa chọn đặc tính kỹ thuật cũng như giá trị kinh tế của công trình Tính chất cơ học của đất trộn xi măng phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố khác nhau như đặc điểm của tác nhân xử lý, đặc điểm và điều kiện của đất, điều kiện trộn, điều kiện bảo dưỡng Trong các công trình gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng, việc xác định tính chất cơ học và vật lý của vật liệu đất trộn xi măng cần phải được thực hiện Tính chất cơ học của vật liệu đất trộn xi măng thường căn cứ kết quả thí nghiệm nén mẫu hỗn hợp đất, xi măng và nước

Luận văn nghiên cứu cường độ chịu nén của mẫu đất trộn xi măng với đề tài

“Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu nén của vật liệu đất trộn xi măng trong xử lý nền đất yếu tại huyện Tân Phú Đông – tỉnh Tiền Giang” để nâng cao hiệu quả gia cố nền đất yếu bằng bằng trụ đất xi măng phù hợp với các điều kiện cụ thể của địa phương

ABSTRACT

Tan Phu Dong is a district of Tien Giang province, the Mekong Delta, Vietnam was officially established on January 21, 2008 This land was formerly in Go Cong province, but there was a period in Go Cong district, My Tho province

The ground in this area, mostly weak soil, is not able to receive the work load if there are no reinforcement measures or proper treatment Therefore, geology under the foundation of residential buildings, factories, roads, dykes, dams and some other works here often poses a series of problems that need to be solved such as load capacity low background, large settlement

The study of the factors affecting the strength of cement pillars plays an important role in the decision to select the technical characteristics as well as the economic value of the project The mechanical properties of cement mixing soil depend on many different factors such as characteristics of processing agent, soil characteristics and conditions, mixing conditions and maintenance conditions In soft soil reinforcement works with cement pillars, the determination of mechanical and physical properties of cemented soil materials needs to be done The mechanical properties of cemented soil materials are often based on the results of compressive testing of soil, cement and water samples

Dissertation to study the solution of weak soil road reinforcement with the topic

"Study the factors affecting the compressive strength of cement mix soil materials in the treatment of soft ground in Tan Phu Dong district - Tien Giang province "To improve the effectiveness of reinforcing weak soil base by using cement pillars in accordance with specific local conditions

MỤC LỤC

DANH MỤC ĐỒ THỊ VÀ HÌNH VẼ vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU ix

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT x

PHẦN MỞ ĐẦU 1

Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu 1

1.1 Mục đích nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

1.2 Phương pháp nghiên cứu 3

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

1.4 Cấu trúc của luận án 3

1.5 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU VÀ CÁC GIẢI PHÁP GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU 5

Tổng quan về đất yếu 5

1.1 Tổng quan các giải pháp gia cố nền đất yếu 6

1.2 Tổng quan về giải pháp gia cố nền đất yếu bằng công nghệ trụ đất xi măng 7 1.3 Kết luận chương 2 15

1.4 CHƯƠNG 2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CƯỜNG ĐỘ VẬT LIỆU ĐẤT TRỘN XI MĂNG 16

Một số tính chất đặc trưng của vật liệu đất trộn xi măng 16

2.1 2.1.1 Khối lượng riêng, t 16

2.1.2 Cường độ cắt không thoát nước, cu,col 17

2.1.3 Cường độ nén không nở hông, qu,col 17

2.1.4 Tính thấm, k (cm/s) 18

2.1.5 Modun đàn hồi, Ecol 19

2.1.6 Mô đun nén, Mcol 19

2.1.7 Hệ số Poisson của trụ đất xi măng, vcol 20

Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ vật liệu đất trộn xi măng 21

2.2 2.2.1 Ảnh hưởng của loại đất sét 21

2.2.2 Ảnh hưởng của hàm lượng nước (w) 22

2.2.3 Ảnh hưởng của hàm lượng xi măng (aw) 23

2.2.4 Ảnh hưởng của tỉ lệ nước/ xi măng (w/c) 25

Kết luận chương 3 26

2.3 CHƯƠNG 3 THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA VẬT LIỆU ĐẤT TRỘN XI MĂNG 27

Giới thiệu 27

3.1 Các định nghĩa và các mối quan hệ 27

3.2 Tính chất của đất tự nhiên, xi măng, nước 30

3.3 Phương pháp thí nghiệm 31

3.4 3.4.1 Chế tạo và bảo dưỡng mẫu đất trộn xi măng 31

3.4.2 Thí nghiệm nén mẫu đất trộn xi măng 38

Kết quả thí nghiệm 40

3.5 3.5.1 Kết quả thí nghiệm các mẫu trộn với nước tiêu chuẩn và bảo dưỡng trong môi trường không khí 40

3.5.2 Kết quả thí nghiệm các mẫu trộn với nước TPĐ và bảo dưỡng trong môi trường nước TPĐ 45

3.5.3 So sánh sự ảnh hưởng của điều kiện bảo dưỡng đến cường độ mẫu đất trộn xi măng, với thời gian bảo dưỡng 28 ngày 50

3.5.4 Kết quả chụp SEM 51

Phân tích và thảo luận 55

3.6 PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 57

1 Kết luận 57

2 Kiến nghị 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

DANH MỤC ĐỒ THỊ VÀ HÌNH VẼ

Hình 1.1 Bản đồ phân vùng đất yếu khu vực ĐBSCL 6

Hình 1.2 Dạng phá hoại của trụ đất xi măng 9

Hình 1.3 Bố trí trụ đất xi măng 10

Hình 1.4 Lún của nhóm trụ đất xi măng 12

Hình 1.5 Các dạng bố trí trụ đất xi măng 13

Hình 1.6 Máy thi công với si lô chất kết dính và máy nén khí 14

Hình 1.7 Mũi trộn 14

Hình 1.8 Trụ đất xi măng 15

Hình 2.1 Khối lượng riêng khi thay đổi làm lượng xi măng 17

Hình 2.2 Khối lượng riêng khi thay đổi làm lượng xi măng 19

Hình 2.3 Hệ số Poisson của đất trộn xi măng 20

Hình 2.4 Ảnh hưởng của các loại đất khác nhau 22

Hình 2.5 Mối quan hệ giữa cường độ nén và hàm lượng nước 23

Hình 2.6 Mối quan hệ giữa cường độ nén và hàm lượng xi măng 24

Hình 2.7 Mối quan hệ giữa cường độ nén và hàm lượng xi măng 25

Hình 2.8 Mối quan hệ giữa cường độ nén và tỉ lệ lượng N/X 26

Hình 3.1 Sơ đồ các pha của đất trộn xi măng 28

Hình 3.2 Phơi khô đất 32

Hình 3.3 Nghiền nhỏ đất 32

Hình 3.4 Loại bỏ tạp chất 33

Hình 3.5 Hộp tạo mẫu 33

Hình 3.6 Xác định diện tích mặt ngang mẫu 39

Hình 3.7 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và thời gian bảo dưỡng, với wT/c= 3 40

Hình 3.8 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và thời gian bảo dưỡng, với wT/c= 4 41

Hình 3.9 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và thời gian bảo dưỡng, với wT/c= 5 41

Hình 3.10 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và tỉ lệ tổng lượng nước /xi măng, với thời gian bảo dưỡng 7 ngày 42

Hình 3.11 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và tỉ lệ tổng lượng nước /xi măng, với thời gian bảo dưỡng 14 ngày 42

Hình 3.12 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và tỉ lệ tổng lượng nước /xi măng, với thời gian bảo dưỡng 28 ngày 43

Hình 3.13 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và hàm lượng xi măng, với thời gian bảo dưỡng 7 ngày 43

Hình 3.14 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và hàm lượng xi măng, với thời gian bảo dưỡng 14 ngày 44

Hình 3.15 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và hàm lượng xi măng, với thời gian bảo dưỡng 28 ngày 44

Hình 3.17 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và thời gian bảo dưỡng, với wT/c= 4 45 Hình 3.18 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và thời gian bảo dưỡng, với wT/c= 5 46 Hình 3.19 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và tỉ lệ tổng lượng nước /xi măng, với

thời gian bảo dưỡng 7 ngày 46

Hình 3.20 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và tỉ lệ tổng lượng nước /xi măng, với thời gian bảo dưỡng 14 ngày 47

Hình 3.21 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và tỉ lệ tổng lượng nước /xi măng, với thời gian bảo dưỡng 28 ngày 47

Hình 3.22 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và hàm lượng xi măng, với thời gian bảo dưỡng 7 ngày 48

Hình 3.23 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và hàm lượng xi măng, với thời gian bảo dưỡng 14 ngày 48

Hình 3.24 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và hàm lượng xi măng, với thời gian bảo dưỡng 28 ngày 49

Hình 3.25 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và hàm lượng xi măng, với wT/c= 3 50 Hình 3.26 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và hàm lượng xi măng, với wT/c= 4 50 Hình 3.27 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và hàm lượng xi măng, với wT/c= 5 51 Hình 3.28 Ảnh SEM mẫu wT/c=3 52

Hình 3.29 Ảnh SEM mẫu wT/c=4 53

Hình 3.30 Ảnh SEM mẫu wT/c=5 53

Hình 3.31 Ảnh SEM mẫu wT/c=3 54

Hình 3.32 Ảnh SEM mẫu wT/c=4 54

Hình 3.33 Ảnh SEM mẫu wT/c=5 55

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Cường độ chịu nén trong các dự án Deep mixing method tại United States 18

Bảng 2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu nén của đất trộn xi măng 21

Bảng 3.1 Tính chất cơ bản của đất dùng thí nghiệm 30

Bảng 3.2 Tính chất của xi măng Nghi Sơn PCB40 30

Bảng 3.3 Thành phần hóa học của xi măng PCB 40 31

Bảng 3.4 Tính chất cơ bản của nước tiêu chuẩn dùng thí nghiệm 31

Bảng 3.5 Tính chất cơ bản của nước tại Tân Phú Đông 31

Bảng 3.6 Các trường hợp tạo mẫu thí nghiệm với nước tiêu chuẩn 34

Bảng 3.7 Các trường hợp tạo mẫu thí nghiệm với nước tại huyện Tân Phú Đông 35

Bảng 3.8 Khối lượng vật liệu cho mỗi lần trộn với nước tiêu chuẩn 36

Bảng 3.9 Khối lượng vật liệu cho mỗi lần trộn với nước tại huyện Tân Phú Đông 37

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT

CDM Cement Deep Mixing

DMM Deep Mixing Method

SPT Standard Penetration Test

SEM Scanning Electron Microscope

ĐBSCL Đồng bằng sông Cửu Long

TPĐ Tân Phú Đông

TPHCM Thành phố Hồ Chí Minh

XM Xi măng

Địa giới hành chính huyện Tân Phú Đông: Đông giáp biển Đông; Tây giáp huyện Chợ Gạo; Nam giáp tỉnh Bến Tre; Bắc giáp huyện Chợ Gạo, huyện Gò Công Tây và huyện Gò Công Đông Tân Phú Đông rộng 202,08 km² và có 42.926 dân Huyện có 6 xã: Phú Đông, Phú Tân, Phú Thạnh, Tân Phú, Tân Thạnh, Tân Thới

Định hướng phát triển: Đến năm 2020, trên địa bàn có 1 đô thị loại 5 (thị trấn Tân Phú Đông) và 2 thị tứ (Tân Thới, Cồn Cống); tổng diện tích đất đô thị là 410 ha, dân số đô thị 8.813 người, mật độ 2.152 người/km2, tỉ lệ đô thị hóa 15%

Đặc điểm địa chất: Qua các nghiên cứu về địa chất tại huyện Tân Phú Đông cho thấy địa tầng của khu vực từ dưới lên cao như sau:

- Trầm tích thống Pleistocen: Các trầm tích này không phân chia, được phân bố khắp khu vực, chúng phủ trực tiếp lên bề mặt phong hóa của các trầm tích Pliocen Thành phần trầm tích Pleistocen là cát chứa sạn sỏi, xen kẹp các trầm tích hạt mịn thường có cấu tạo phân lớp mỏng Chiều sâu trung bình 120m

- Trầm tích trẻ, hiện đại thống Holocen, phủ kín toàn bộ bề mặt khu vực có chiều dày 10m đến 15m bao gồm các thành tạo có nguồn gốc sông, sông biển, sông đầm lầy

và đầm lầy hỗn hợp cấu thành từ bột, sét và các di tích động thực vật phân hủy và bán phân hủy

Nền đất ở khu vực này, đa phần là đất yếu nên nền đất không có khả năng tiếp nhận tải trọng công trình nếu không có các biện pháp xử lý hoặc gia cố thích hợp Do

nền Tân Phú Đông 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

Có nhiều phương pháp xử lý và gia cố nền đất yếu, Han-Georg Kempfert (2006)

đã phân loại phương pháp xử lý và gia cố nền đất yếu theo ba nhóm chính là cố kết, thay thế đất và các phần tử dạng trụ 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 Hiện nay, ngày càng có nhiều công trình sử dụng trụ đất xi măng để gia cố nền đất yếu

và đã được đánh giá khả năng ứng dụng vào thiết kế móng của các công trình Giải pháp này cũng được áp dụng cho các dự án đường sân bay, đường cao tốc để tăng sức chịu tải của nền đất yếu

Việc nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ trụ đất xi măng đóng vai trò quan trọng trong quyết định lựa chọn đặc tính kỹ thuật cũng như giá trị kinh tế của công trình Terashi, M (1997), tính chất cơ học của đất trộn xi măng phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố khác nhau như đặc điểm của tác nhân gia cố, đặc điểm và điều kiện của đất, điều kiện trộn, điều kiện bảo dưỡng Trong các công trình gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng, việc xác định tính chất cơ học và vật lý của vật liệu đất trộn xi măng cần phải được thực hiện Tính chất cơ học của vật liệu đất trộn xi măng thường căn cứ kết quả thí nghiệm nén mẫu hỗn hợp đất, xi măng và nước Điều này giúp cho người

kỹ sư thiết kế biết rõ các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ của trụ đất xi măng và đề xuất hàm lượng xi măng sử dụng cho gia cố trụ đất xi măng hợp lý Đó là lý do học viên thực hiên đề tài nghiên cứu này

Mục đích nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

1.2.

Tìm ra sự tương quan giữa cường độ chịu nén của mẫu đất xi măng với mẫu đất trộn xi măng có hàm lượng nước, loại nước, thời gian bảo dưỡng và điều kiện bảo dưỡng mẫu khác nhau Đánh giá nguyên nhân ảnh hưởng đến cường độ chịu nén vật liệu đất trộn xi măng

Đề xuất hàm lượng xi măng thích hợp cho việc gia cố nền đường đất yếu tại huyện Tân Phú Đông để nâng cao hiệu quả gia cố nền đường đất yếu bằng bằng trụ đất

xi măng phù hợp với các điều kiện địa chất cụ thể của địa phương

Phương pháp nghiên cứu

1.3.

Phương pháp nghiên cứu được dùng trong luận văn là thực hiện tạo và thí nghiệm nén trên mẫu trong phòng thí nghiệm kết hợp với phương pháp chụp SEM các mẫu đất trộn xi măng trước khi nén để giải thích nguyên nhân ảnh hưởng đến cường

độ của vật liệt đất trộn xi măng

Đề tài sử dụng phương pháp tổng hợp, thống kê mô tả và phân tích định lượng các yếu tố giúp tìm ra các giải pháp nâng cao hiệu quả gia cố nền đường đất yếu cho huyện Tân Phú Đông – tỉnh Tiền Giang

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.4.

Đối tượng nghiên cứu của luận văn là cường độ chịu nén của vật liệu đất trộn xi măng khi thay đổi hàm lượng xi măng, hàm lượng nước và thời gian bảo dưỡng Giới hạn phạm vi nghiên cứu: Luận văn thực hiện nghiên cứu với đất thu thập tại huyện Tân Phú Đông và giải pháp này dùng để gia cố nền đường đất yếu tại huyện Tân Phú Đông – tỉnh Tiền Giang

Cấu trúc của luận án

Chương 1 Tổng quan đất yếu và các giải pháp gia cố nền đất yếu: Nghiên cứu

tổng quan về đất yếu, nền đất tại huyện Tân Phú Đông thông qua các báo cáo khảo sát địa chất Các phương pháp gia cố đất yếu và phương pháp gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng

Chương 2 Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ vật liệu đất trộn xi măng:

Tổng kết các nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước về một số tính chất đặc trưng của vật liệu đất trộn xi măng và các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ vật liệu đất trộn xi măng

Chương 3 Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của vật liệu đất trộn xi măng: Tạo mẫu đất trộn xi măng và thực hiện thí nghiệm nén để tìm ra sự tương quan

giữa cường độ chịu nén của mẫu đất xi măng với mẫu đất trộn xi măng có hàm lượng nước, loại nước, thời gian bảo dưỡng và điều kiện bảo dưỡng mẫu khác nhau Phân tích kết quả thí nghiệm để tìm ra hàm lượng xi măng thích hợp cho việc gia cố nền đường đất yếu tại huyện Tân Phú Đông – tỉnh Tiền Giang

Phần Kết luận và kiến nghị: Các kết quả của nghiên cứu của Luận văn và kiến

nghị được trình bày ở chương này

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU VÀ CÁC GIẢI

Các loại đất yếu thường gặp ở ĐBSCL 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 và TCXD 245: 2000, 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 Sự phân

bố đất yếu ở ĐBSCL theo Nguyễn Văn Thơ và Trần Thị Thanh (2002) như bản đồ Hình 1.1

Tổng quan các giải pháp gia cố nền đất yếu

1.2.

Đất yếu là đất có khả năng chịu tải thấp, biến dạng lớn nên cần phải có các biện pháp gia cố trước khi xây dựng công trình bên trên Thực tế này đòi hỏi phải hình thành và phát triển các công nghệ thích hợp và tiên tiến để gia cố nền đất yếu Việc gia

Hình 1.1 Bản đồ phân vùng đất yếu khu vực ĐBSCL

cố nền đất yếu nhằm mục đích làm tăng sức chịu tải của nền đất, cải thiện một số tính chất cơ lý của nền đất yếu như: giảm hệ số rỗng, giảm tính nén lún, tăng độ chặt, tăng trị số mo đun biến dạng, tăng cường độ chống cắt của đất … đảm bảo điều kiện khái thác bình thường cho công trình Đối với công trình đường ở Việt Nam hiện nay, các biện pháp gia cố được phân chia làm 2 nhóm chính

Các biện pháp gia cường thường được áp dụng như: vải địa kỹ thuật, lưới địa kỹ thuật, đất trộn vôi, đất trộn ximăng, Silicat hóa Trong trường hợp này, đất nền và đất trong khối đắp sau khi được gia cường có khả năng chịu tải cao hơn, tính biến dạng giảm, từ đó độ ổn định của công trình được gia tăng và đảm bảo điều kiện làm việc của công trình Trong điều kiện thực tế ở Việt Nam, các biện pháp vải địa kỹ thuật, đất trộn ximăng thường được sử dụng nhiều

Các biện pháp gia cố nền thường được áp dụng như cọc cát, giếng cát, bấc thấm kết hợp gia tải trước hoặc bơm hút chân không Trường hợp này, thời gian cố kết đất nền được rút ngắn, đất nền nhanh đạt độ lún ổn định để có thể đưa công trình vào sử dụng Ngoài ra, việc lựa chọn chiều cao đắp hay bố trí kích thước công trình hợp lý cũng có tác dụng làm thay đổi trạng thái ứng suất của đất nền, đảm bảo điều kiện làm việc ổn định Các biện pháp thường được sử dụng trong trường hợp này là: đệm cát, bệ phản áp

Tổng quan về giải pháp gia cố nền đất yếu bằng công nghệ trụ đất xi măng 1.3.

Có nhiều phương pháp xử lý và gia cố nền đất yếu, Han-Georg Kempfert (2006)

đã phân loại phương pháp xử lý và gia cố nền đất yếu theo ba nhóm chính là cố kết, thay thế đất và các phần tử dạng trụ 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 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

Một số cụm từ khác đôi khi cũng được dùng như “mixed – in – place piles”, “in situ soil mixing” và “soil cement columns” 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 trụ 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

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 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 gia cố cũng như cường độ cắt của đất không được gia cố 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 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 gia cố nền đất yếu Trong gia cố 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 a) Phá hoại phình nén b) Phá hoại cắt c) Phá hoại xuyên

Hình 1.2 Dạng phá hoại của trụ đất xi măng

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

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

max soil ult, col Q

col col col q A

col eq

.qA

ult s max

1, 0,95a σ

h u,col ult 3,5c 3σ

soil u, v

Qcol: Tải tác dụng lên đầu trụ đất xi măng;

Qult,soil: Khả năng chịu tải của trụ đất xi măng được xác định theo điều kiện đất nền;

Qult,col: Khả năng chịu tải của trụ đất xi măng được xác định theo điều kiện vật liệu;

Eeq: Mô đun đàn hồi tương đương của đất và trụ đất xi măng;

Ecol: Mô đun đàn hồi của trụ đất xi măng;

Esoil: Mô đun đàn hồi của lớp đất yếu;

q: Tải trên đường;

Acol: Diện tích mặt cắt ngang trụ đất xi măng;

as: Hệ số diện tích xử lý;

Lc: Chiều dài trụ đất xi măng;

d: Đường kính trụ đất xi măng;

s: Khoảng cách các trụ đất xi măng;

cucol: Sức kháng cắt không thoát nước của trụ đất xi măng;

c : Sức kháng cắt không thoát nước của đất xung quanh trụ đất xi măng;

FS: Hệ số an toàn;

ult: Khả năng chịu tải giới hạn của trụ đất xi măng đơn;

h: Áp lực ngang giữa đất và trụ đất xi măng;

v: Áp lực đất;

’: Dung trọng đẩy nổi

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 (Hình 1.4), được tính toán như công thức 2.13, 2.14, 2.15

2

1 Δh Δh

col s

c 1

Ea1E

a

qLΔh

σ

qσlogCe1

h

Trong đó:

Hình 1.4 Lún của nhóm trụ đất xi măng

h1: Độ lún của nền đất được xử lý;

h2: Độ lún của nền đất bên dưới trụ đất xi măng;

qu: ứng suất của lớp đất đắp gây ra tại giữa lớp đất bên dưới vùng xử lý 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 trụ đất xi măng để gia cố đất cho các dự án ở biển và đất liền (Hình 1.5)

Dạng tường Dạng lưới Dạng khối Dạng diện

Dạng khối Dạng tường Dạng lưới Dạng trụ

Dạng trụ 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

Hình 1.6 Máy thi công với si lô chất kết dính và máy nén khí

Hình 1.7 Mũi trộn

Kết luận chương 2

1.4.

Đồng bằng sông Cửu Long có kiến tạo địa chất trẻ, trên 90% diện tích đất mặt là yếu Sự phát triển kinh tế vùng trong những năm gần đây đã thúc đẩy sự hội nhập công nghệ xây dựng để đáp ứng nhu cầu kinh tế Với Chủ trương phát triển cơ sở hạ tầng cho khu vực nhiều công trình giao thông, đê đặp, kho xưởng được xây dựng Tuy nhiên việc xây dựng công trình trên nền đất yếu thường phải đối mặt với nhiều vấn đề như lún và ổn định cho công trình Để giải quyết vấn đề này thông thường thay thế đất yếu và bù lún Hiện nay, ngày càng có nhiều công trình sử dụng trụ đất xi măng để gia

cố nền đất yếu và đã được đánh giá khả năng ứng dụng vào thiết kế móng của các công trình Giải pháp này cũng được áp dụng cho các dự án đường sân bay, đường cao tốc để tăng sức chịu tải của nền đất yếu

Hình 1.8 Trụ đất xi măng

Cho rằng tất cả các yếu tố trên ảnh hưởng đến cường độ của đất được gia cố, Coastal Development Institute of Technology (CDIT, 2002) nhận định hiện tại không thể so sánh chính xác cường độ của mẫu đất trộn xi măng trong phòng thí nghiệm so với đất được gia cố ngoài hiện trường Điều đó chứng tỏ rằng ngay cả sự khác nhau tương đối khiêm tốn trong vật liệu chất kết dính nhưng kết quả khác nhau rất lớn trong tính chất của đất trộn xi măng Hơn nữa, cường độ của đất trộn xi măng phụ thuộc rất nhiều vào thời gian, dù cho phản ứng hóa học xảy ra trong thời gian dài khi trộn với đất sét

Trong tất cả các công trình gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng, thí nghiệm xác định tính chất cơ học của trụ đất xi măng phải được thực hiện Tính chất của trụ đất xi măng thường được xác định bằng hỗn hợp trộn, điều đó rất quan trọng cho người thiết kế hiểu rõ các yếu tố thay đổi cường độ của đất trộn xi măng

2.1.1 Khối lượng riêng, t

Khối lượng riêng xi măng ướt và khô lớn hơn nhau không nhiều so với đất tự nhiên Vì vậy sự thay đổi khối lượng riêng của trụ đất xi măng thường nhỏ Japan Cement Association (1994) thí nghiệm với các hàm lượng xi măng khác nhau và các điều kiện trộn khác nhau Kết quả thí nghiệm trong Hình 2.1, khi hàm lượng xi măng tới 250 kg/m3, khối lượng riêng của mẫu đất trộn xi măng chỉ tăng khoảng 15% so với đất tự nhiên

2.1.2 Cường độ cắt không thoát nước, c u,col

Cường độ cắt của đất được gia cố trong trụ đất xi măng thì không đồng nhất ngay

cả khi trộn chất kết dính với đất sét một cách cẩn thận Bởi sự đo lường phụ thuộc vào phương pháp thí nghiệm và kích cỡ của mẫu thí nghiệm Theo SGF Report 4:95E (1997), cường độ cắt lớn nhất của mẫu đất trộn xi măng không vượt quá 150 kPa dù thí nghiệm trong phòng hay ngoài hiện trường

2.1.3 Cường độ nén không nở hông, q u,col

Cường độ nén không nở hông của mẫu đất trộn xi măng khoảng từ 50 kPa đến 4.000 kPa, tăng từ 50 đến 100 lần so với đất chưa được gia cố

Cho các giá trị rộng của loại đất và loại chất kết dính, cường độ nén của mẫu đất trộn xi măng ở tuổi 28 ngày được thực hiện bằng phương pháp trộn ướt từ 140 đến 27.000 kPa Còn cường độ nén của mẫu đất trộn xi măng ở tuối 28 ngày được thực hiện bằng phương pháp trộn khô chỉ từ 14 đến 2.700 kPa Một ví dụ về cường độ trụ đất xi măng trong các dự án xây dựng (Bảng 2.1)

Hình 2.1 Khối lượng riêng khi thay đổi làm lượng xi măng

2.1.4 Tính thấm, k (cm/s)

Tính thấm của đất được gia cố thường được xác định trong phòng thí nghiệm bởi hằng số, thí nghiệm tính thấm của cột nước rơi, thí nghiệm ba trục và thí nghiệm oedometer Các thí nghiệm trong phòng mang về trên các mẫu nhỏ tương đối từ các trụ đất xi măng thực hoặc với các mẫu tạo trong phòng Tính thấm được xác định trong phòng có giá trị quá thấp khi so sánh với tính thấm được đo từ hiện trường

Theo Terashi et al (1983), tính thấm của trụ đất xi măng thì thấp (Hình 2.2), bị ảnh hưởng bởi hàm lượng xi măng và hàm lượng nước Trong một vài trường hợp, tính thấm nhỏ hơn tính thấm của đất chưa được gia cố Do có tính thấm nhỏ nên trụ đất

xi măng không có chức năng như vật thoát nước

Bảng 2.1 Cường độ chịu nén trong các dự án Deep mixing method tại United States

Hàm lượng xi măng: 300 kg/m3,

Tỉ lệ khối lượng nước /xi măng: w/c=1

Trung bình qu ≥ 1,100 kPa khoảng 1,517 kPa

Trung bình qu ≥ 1,035 kPa Nhỏ nhất qu ≥ 690 kPa

2.1.5 Modun đàn hồi, E col

Mô đun đàn hồi của mẫu đất trộn xi măng được xác định bằng thí nghiệm nén không nở hông trên mẫu được tạo trong phòng thí nghiệm, thông thường có giá trị cao hơn mô đun đàn hồi của lõi khoan từ trụ đất xi măng ở hiện trường Sự khác nhau này

có thể có nguyên nhân từ các vết nứt và khe nứt trong việc khoan, bảo dưỡng lõi và điều kiện thi công Ektrom (1994) đề nghị Ecol không nên xác định từ mẫu trong phòng thí nghiệm

Hệ số Ecol/qu,col của trụ đất xi măng có thể từ 250 tới 300

2.1.6 Mô đun nén, M col

Mô đun nén được xác định từ thí nghiệm oedometer có giá trị thấp hơn mô đun nén của đất được gia cố Giá trị tại hiện trường cao hơn 5 lần giá trị từ thí nghiệm oedometer

Hình 2.2 Khối lượng riêng khi thay đổi làm lượng xi măng

Hệ số Mcol/qu,col tăng với việc tăng cường độ cắt của đất được gia cố Trong trụ đất xi măng giá trị Mcol từ 50 tới 250cu,col Điều này cũng có ý nghĩa rằng Mcol sẽ tăng với việc tăng thời gian sau khi thi công trụ đất xi măng mặc dù tăng cường độ cắt của đất được gia cố

Mô đun nén Mcol có thể ước lượng từ mô đun đàn hồi Ecol và hệ số Poisson col:

 col col

col col

col

v v

v E

M

2 1 1

) 1 (

2.1.7 Hệ số Poisson của trụ đất xi măng, v col

Niina (1977) làm thí nghiện nén không nở hông với mẫu đất trộn xi măng có đường kính 5 cm, trong khi Hirade (1995) làm với mẫu có đường kính 10 cm Kết quả thí nghiệm (Hình 2.3) cho thấy hệ số Poisson của đất được gia cố bằng trụ đất xi măng đều nằm trong khoảng 0,25 đến 0,45

Hình 2.3 Hệ số Poisson của đất trộn xi măng

co

Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ vật liệu đất trộn xi măng

2.2.

Cường độ của trụ đất xi măng bị ảnh hưởng bởi sự kết bông và sự gắn kết do phản ứng hóa học của xi măng Tuy nhiên, cường độ chống cắt cũng bị ảnh hưởng bởi trạng thái ứng suất của đất ở hiện trường, điều kiện thoát nước, thời gian, nhiệt độ, tốc

độ gia tải, thành phần cấu tạo đất…Tính chất của đất hiện trường và tác nhân ổn định đều ảnh hưởng mạnh đến cường độ của đất được gia cố (Terashi, 1997) được thể hiện trong Bảng 2.2

2.2.1 Ảnh hưởng của loại đất sét

Sức chống cắt không thoát nước của trụ đất xi măng thay đổi đáng kể với các loại đất sét khác nhau, hàm lượng xi măng, độ ẩm và thời gian dưỡng hộ Tan (2002) làm thí nghiệm với ba loai đất: Đất sét Eunos, City Hall và SAC, kết quả chỉ ra rằng cường

độ kháng cắt khác nhau rất lớn với loại đất khác nhau (Hình 2.4) Mỗi loại sét có thành phần khoáng với tính chất vật lý và cơ học khác nhau, và mỗi loại tính chất có thể ảnh hưởng đến việc cải thiện cường độ

Bảng 2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu nén của đất trộn xi măng

I Các đặt điểm của tác nhân gia cố 1 Loại tác nhân gia cố

2 Chất lượng

3 Nước trộn và các chất thêm vào

II Các đặt điểm và các điều kiện của

đất (đặc biệt quan trọng cho các loại

đất sét)

1 Tính chất vật lý, hóa học và khoáng vật học của đất

2 Hàm lượng hữu cơ

3 pH của nước lỗ rỗng

4 Hàm lượng nước III Các điều kiện trộn 1 Nhiệt độ trộn

2 Thời gian trộn

3 Khối lượng của tác nhân gia cố

IV Các điều kiện bảo dưỡng 1 Nhiệt độ

2 Thời gian bảo dưỡng

3 Độ ẩm

4 Ướt và khô/ đóng băng và tan băng

2.2.2 Ảnh hưởng của hàm lượng nước (w)

Cường độ nén nở hông của mẫu đất xi măng giảm khi tăng lượng nước Tan (2002) công bố mối quan hệ giữa cường độ nén của mẫu đất xi măng và hàm lượng nước khi trộn như Hình 2.5 Khi hàm lượng nước tăng thì cường độ của mẫu giảm cho mọi hàm lượng xi măng

Hình 2.4 Ảnh hưởng của các loại đất khác nhau

Hình 2.5 Mối quan hệ giữa cường độ nén và hàm lượng nước

aw(%)

aw= 30%

aw= 20%

aw= 10%