Ứng dụng phương pháp số nghiên cứu sự phân phối tải trọng trong nền đất yếu gia cố bằng cọc xi măng đất,luận văn thạc sỹ xây dựng đường ô tô và đường thành phố

Trong phạm vi đề tài này ứng dụng phương pháp số thông qua phần mềm Plaxis để nghiên cứu sự phân phối tải trọng bên trong nền đất yếu gia cố bằng CXMĐ, cũng như có cái nhìn rộng hơn về s

TRẦN ĐÌNH HUY Y

ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP SỐ NGHIÊN CỨU

SỰ PHÂN PHỐI TẢI TRỌNG TRONG NỀN ĐẤT YẾU GIA CỐ BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT

CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ & ĐƯỜNG THÀNH PHỐ

MÃ SỐ: 60.58.30

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN VIỆT HƯNG

LỜI CẢM ƠN

Để có thể hoàn thành đề tài luận văn thạc sĩ này một cách hoàn chỉnh, bên cạnh

sự nổ lực, cố gắng của bản thân còn có sự hướng dẫn nhiệt tình của Quý Thầy Cô, cũng như sự động viên ủng hộ của gia đình và bạn bè trong suốt thời gian học tập nghiên cứu và thực hiện luận văn thạc sĩ

Tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến Thầy TS Nguyễn Việt Hưng - người Thầy đã tận tâm, nhiệt tình chỉ bảo, hướng dẫn tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn Xin gửi lời tri ân nhất của tôi đối với những điều mà Thầy đã dành cho tôi

Tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến toàn thể Quý Thầy Cô trong Bộ môn Đường Bộ, Ban đào tạo, Ban giám hiệu Trường Đại học Giao Thông Vận Tải đã quan tâm và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành khóa học

Tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, những người đã không ngừng động viên, hỗ trợ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn

Cuối cùng, tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến các anh chị và các bạn đồng nghiệp đã hổ trợ cho tôi rất nhiều trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh

Xin chân thành cảm ơn./

Tp HCM, ngày 31 tháng 05 năm 2013

Học viên thực hiện

Trần Đình Huy

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 5

PHẦN MỞ ĐẦU 7

Chương 1: Tổng Quan Về Gia Cố Nền Đất Yếu 1.1 Giới thiệu chung 13

1.2 Các giải pháp gia cố nền đất yếu hiện đang được áp dụng 13

1.2.1 Phương pháp đắp bệ phản áp 14

1.2.2 Phương pháp giếng cát kết hợp gia tải trước 15

1.2.3 Phương pháp bấc thấm kết hợp gia tải trước 17

1.2.4 Phương pháp cố kết chân không 18

1.2.5 Phương pháp sàn giảm tải 19

Chương 2: Tổng Quan Về Phương Pháp Gia Cố Nền Đất Yếu Bằng Cọc Xi Măng Đất 2.1 Giới thiệu chung 21

2.2 Lịch sử hình thành, phát triển và tình hình ứng dụng 22

2.2.1 Lịch sử hình thành và phát triển 22

2.2.2 Một số dự án tiêu biểu ứng dụng giải pháp CXMĐ trên thế giới 23

2.2.3 Tình hình ứng dụng CXMĐ ở Việt Nam 24

2.3 Nguyên lý hình thành cường độ của vật liệu đất xi măng 24

2.4 Nhân tố ảnh hưởng tới sự rắn hóa của đất xử lý xi măng 26

2.4.1 Loại và hàm lượng xi măng 26

2.4.2 Thời gian bảo dưỡng 28

2.4.3 Tính chất của đất nền 30

2.4.4 Ảnh hưởng việc thi công đến độ đồng đều của cọc 33

2.5 Các đặc tính kĩ thuật của đất nền sau khi gia cố xi măng 34

2.5.1 Đặc tính nén lún 34

2.5.2 Tính thấm 35

2.5.3 Quan hệ ứng xuất - biến dạng của đất nền sau khi xử lý 35

2.5.4 Áp lực nén lỗ rỗng 37

2.5.5 Mô dun đàn hồi của đất nền sau khi xử lý 38

2.5.6 Lực dính và góc nội ma sát, đường bao phá hoại 40

2.6 Giới hạn của phương pháp gia cố nền đất yếu bằng CXMĐ 45

Chương 3: Các Phương Pháp Đánh Giá Sự Phân Phối Tải Trọng Trong Nền Đất Yếu Gia Cố Bằng CXMĐ 3.1 Giới thiệu chung 47

3.2 Các mô hình tính toán 48

3.2.1 Mô hình tính toán theo tiêu chuẩn của Thụy Sỹ 48

3.2.2 Mô hình tính toán theo tiêu chuẩn của Nhật Bản 51

3.2.3 Nhận định về các mô hình tính toán 55

3.3 Các thông số diễn tả sự phân bố ứng suất lên cọc đất xi măng và đất 63

3.4 Nguyên Lý Sự Truyền Tải Trọng Thẳng Đứng Khi Nền Đất Sử Dụng CXMĐ Kết Hợp Vải Địa Kỹ Thuật 66

Chương 4: Ứng Dụng Phương Pháp Phần Tử Hữu Hạn Đánh Giá Sự Làm

Việc Của Nền Đất Yếu Gia Cố Bằng CXMĐ

4.1 Mở Đầu 71

4.2 Thông số địa chất nền đất yếu 72

4.3 Thông số tính toán, phân tích 76

4.4 Phân tích phần tử hữu hạn 78

4.5 Phân tích kết quả mô phỏng 80

4.5.1 Mô đun đàn hồi CXMĐ thay đổi 80

4.5.2 Tỷ lệ diện tích thay thế (As) thay đổi 85

4.5.3 Các cặp (d, D) thay đổi ứng với cùng một As 91

4.6 Phạm vi áp dụng và giới hạn của phương pháp nghiên cứu 96

Chương 5: Kết Luận Đề Tài Và Kiến Nghị Các Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo 5.1 Kết luận chung 99

5.2 Đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo 100

DMM: Deep mixing method

SMM: Shalow mixing method

3CaO.SiO2: Tri calcium silicat

2CaO.SiO2: Bi calcium silicat

4CaO.Al2O3.Fe2O3: Tetra-calcium-alumino-ferite

C3SHx, C2S2Hx: Hydrate calcium-silicate

C3AHx, C4AHx: Hydrate calcium-aluminates

Ca(OH)2: Vôi tôi

PC: Xi măng Pooc Lăng

cusoil: Lực kháng cắt không thoát nước của đất

cucol: Lực kháng cắt không thoát nước vật liệu cấu tạo nên

cọc

δcol: Áp lực gia tăng trong 1 CXMĐ

Esoil : Mô đun odemeter của đất

Ecol: Mô đun odemeter của vật liệu cấu tạo cọc

Etd: Mô đun đàn hồi của khối móng quy đổi

β: Hệ số xét đến độ tận dụng mô đun đàn hồi của CXMĐ

Hs: Chiều dày vùng gia cố

Hb: Chiều cao nền đắp

p: Tải trọng quy đổi từ tải trọng xe cộ

n: Số xe tối đa có thể xếp trên phạm vi nền đường

G: Trọng lượng 1 xe

B: Bề rộng phân bố ngang của xe

l: Phạm vi phân bố tỉa trọng xe theo hướng dọc

b: Khoảng cách bánh xe

d: Khoảng cách ngang tối thiểu của xe

e: Bề rộng lốp đôi hoặc vệt bánh xích

d1,d2,D: Khoảng cách giữa tim CXMĐ theo phương ngang, dọc

Msf: Hệ số an toàn đạt được của phần mềm Plaxis 2D

Ko: Áp lực ngang tĩnh

t: Bề dày dãi quy đổi của CXMĐ về mặt phẳng

De: Đường kính quy đổi tương đương

S: Khoảng cách giữa các cọc trong mô hình

d: Đường kính cọc

S: Độ lún lệch

ε: Biến dạng cắt

u: Áp lực nước lỗ rỗng

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Sự cần thiết của đề tài:

Gia cố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất (CXMĐ) là một giải pháp thân thiện với môi trường, có tiềm năng lớn và được ứng dụng rất phổ biến trên thế giới cũng như ở Việt Nam Đất nền sau khi gia cố cơ bản khắc phục các hiện tượng không ổn định, lún nhiều, kéo dài, tăng độ an toàn và êm thuận cho xe chạy Ngoài ra, phương pháp này còn tận dụng đất nền tại chỗ so với việc thay thế một phần hoặc toàn bộ như các phương pháp gia cố nền đất yếu hiện nay

Khi thiết kế phương án gia cố nền đất yếu bằng CXMĐ, việc xác định sự phân phối tải trọng bên dưới đất nền là yếu tố rất quan trọng Việc phân phối tải trọng thẳng đứng lên CXMĐ và đất nền xung quanh là do sự tương tác giữa ba nhân tố chính: hệ thống CXMĐ, đất nền xung quanh và nền đắp bên trên Sự tương tác giữa các nhân tố này trong thực tế diễn ra rất phức tạp Trong lý thuyết tính toán, một số tác giả đã sử dụng hiệu ứng vòm của đất đắp bên trên để mô hình hóa sự phân phối tải trọng lên nền đất và hệ thống CXMĐ Theo phương pháp này, sự phân bổ ứng suất trong nền đất, hệ thống CXMĐ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bao gồm môđul đàn hồi của vật liệu nền đường đắp, tỷ số độ cứng của CXMĐ và đất nền xung quanh cũng như tỷ lệ diện tích gia cố bằng CXMĐ trên mặt bằng

Hiểu rõ được cơ chế phân phối tải trọng lên CXMĐ và đất nền xung quanh giúp xác định phương án thiết kế có tính kinh tế - kỹ thuật Trên thế giới có nhiều nghiên cứu đề xuất các phương pháp đánh giá sự ảnh hưởng của các nhân tố kể trên đến cơ chế phân phối tải trọng như BS 8006 (1995), Low et al (1994), Kievo (1998) Tuy nhiên, trong các phương pháp đề xuất trên chỉ xét đến sự ảnh hưởng của một hoặc một vài nhân tố chính

Trong phạm vi đề tài, thực hiện việc nghiên cứu tổng quan các tài liệu về cơ chế làm việc của CXMĐ trong nền đất yếu, các nhân tố ảnh hưởng đến cơ chế làm việc

của CXMĐ, sự phân bố tải trọng trong nền đất yếu gia cố bằng CXMĐ, các mô hình đang áp dụng hiện nay, ưu nhược điểm và phạm vi áp dụng của mỗi mô hình Kết quả nghiên cứu tổng quan về cơ chế làm việc của CXMĐ và đất nền xung quanh khi chịu tác động của tải trọng bên ngoài nhận thấy sự phân phối tải trọng chịu sự ảnh hưởng của tổ hợp rất nhiều nhân tố Trong phạm vi đề tài này ứng dụng phương pháp số thông qua phần mềm Plaxis để nghiên cứu sự phân phối tải trọng bên trong nền đất yếu gia cố bằng CXMĐ, cũng như có cái nhìn rộng hơn về sự ảnh hưởng của tổng hợp các nhân tố kể trên đến sự phân bố tải trọng Qua đó, có thể góp phần nâng cao tính kinh tế kỹ thuật cho các phương án thiết kế gia cố nền đất yếu bằng CXMĐ

Ngoài ra, ứng dụng phương pháp số thông qua phần mềm Plaxis 2D version 8.2

để đánh giá mức độ hiệu quả của các phương án ứng dụng CXMĐ có kết hợp với các loại vật liệu khác để gia cố Từ đó, đề xuất phương án xử lý mới có tính kinh tế

kỹ thuật Các phương án ứng dụng CXMĐ kết hợp với các loại vật liệu khác như vải địa kỹ thuật, lớp cát gia cố xi măng bên trên được tính toán, so sánh và phân tích

về các chỉ tiêu kỹ thuật từ đó đề xuất phương án gia cố có ưu điểm nhất về mặt kỹ thuật phù hợp với điều kiện địa chất khu vực Kết quả nghiên cứu tổng quan của đề tài đề xuất mô hình sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn mô phỏng sự làm việc thực tế của CXMĐ và đất nền xung quanh để tính toán ước lượng độ ổn định qua đó xác định các thông số của CXMĐ phù hợp hơn, an toàn hơn

Bên cạnh đó, trong phạm vi đề tài thực hiện việc tổng hợp, hệ thống lại các nghiên cứu trước đây về cơ chế hình thành cường độ của CXMĐ, các nhân tố ảnh hưởng đến cơ chế này cũng như các đặc tính kỹ thuật của CXMĐ và hệ nền đường sau khi gia cố Qua đó, có thể hiểu rõ hơn về công nghệ CXMĐ, các ưu khuyết điểm, khả năng áp dụng trong từng điều kiện cụ thể góp phần tăng thêm các phương

án lựa chọn trong việc xử lý nền đất yếu ở nước ta hiện nay, ứng dụng phương pháp CXMĐ được phổ biến hơn và quan trọng là nâng cao tính kinh tế, kỹ thuật của một phương án thiết kế trong việc xử lý nền đất yếu

Việc ứng dụng mô hình sử dụng phương pháp PTHH trong điều kiện địa chất huyện Cần Giờ, thành phố Hồ Chí Minh cho phép mô phỏng gần hơn với cơ chế làm việc của CXMĐ trong thực tế Thông qua phần mềm Plaxis 2D version 8.2 đươc sử dụng trong phạm vi nghiên cứu này nhằm nghiên cứu cơ chế làm việc của CXMĐ cũng như các nhân tố ảnh hưởng đến cơ chế làm việc này thông qua việc thay thế các thông số đầu vào cho mô hình tính toán và so sánh phân tích kết quả tính toán Kết quả nghiên cứu đề xuất một phương án kinh tế kỹ thuật cao cho việc lựa chọn các thông số CXMĐ cho điều kiện địa chất khu vực nghiên cứu cũng như các khu vực có điều kiện địa chất tương đương

2 Mục tiêu nghiên cứu:

- Nghiên cứu tìm hiểu về biện pháp xử lý nền đất yếu nói chung và phương pháp gia cố nền đất yếu bằng CXMĐ nói riêng

- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của môđul đàn hồi của nền đường, độ cứng và độ cứng tương đối của CXMĐ và đất yếu xung quanh, cũng như tỷ lệ diện tích thay thế đến sự phân phối tải trọng lên CXMĐ và đất nền xung quanh

- Đánh giá mức độ hiệu quả giữa các phương án gia cố nền đất yếu bằng CXMĐ, cụ thể: sử dụng CXMĐ, việc kết hợp CXMĐ với vải địa kỹ thuật và sử dụng CXMĐ kết hợp với lớp cát gia cố xi măng phía trên để gia cố nền đất yếu Mức độ hiệu quả được đánh giá thông qua việc so sánh sự phân phối tải trọng trong

ba trường hợp trên

3 Đối tượng nghiên cứu:

- Sự phân phối tải trọng bên trong nền đất yếu gia cố CXMĐ, hệ số tập trung ứng suất (SRR) thay đổi như thế nào khi các nhân tố ảnh hưởng kể trên thay đổi

- Sự phân phối tải trọng bên trong nền đất yếu gia cố CXMĐ, hệ số tập trung ứng suất (SRR) thay đổi như thế nào trong các phương án nghiên cứu

5 Phương pháp nghiên cứu:

- Tìm hiểu lý thuyết về gia cố nền đất yếu nói chung và biện pháp CXMĐ nói riêng;

- Tìm hiểu cách vận dụng phương pháp số trong phần mềm Plaxis 2D version 8.2, cụ thể là phương thức mô hình hóa nền đất, hệ thống CXMĐ, vải địa kỹ thuật

và lớp cát GCXM;

- Xác định các thông số đầu vào khác nhau cho mô hình tính toán thể hiện thông qua phần mềm Plaxis Các giá trị thông số đầu vào thay đổi tương ứng với sự thay đổi môđul đàn hồi của vật liệu đắp, độ cứng của CXMĐ và đất nền xung quanh, tương quan độ cứng giữa CXMĐ và đất nền (ECXMD/Eđất), độ cao nền đường đắp và tỷ lệ diện tích thay thế Kết quả mô phỏng được nghiên cứu, đánh giá sự ảnh hưởng của các nhân tố kể trên đến sự phân phối tải trọng;

- Mô phỏng các mô hình tính toán: Chỉ sử dụng CXMĐ, kết hợp CXMĐ với vải địa kỹ thuật, kết hợp CXMĐ và một lớp cát gia cố xi măng để gia cố nền đất yếu

Phân tích kết quả mô phỏng để đánh giá mức độ hiệu quả thông qua chỉ tiêu về sự phân phối ứng xuất;

6 Ý nghĩa khoa học của đề tài:

Phương pháp gia cố nền đất yếu bằng CXMĐ được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi trên thế giới từ những năm 1980 Hiện nay, có rất nhiều nghiên cứu về cơ chế làm việc, nguyên lý hình thành cường độ và các nhân tố ảnh hưởng đến cơ chế làm việc của CXMĐ Ở Việt Nam, phương pháp này chỉ thực sự được ứng dụng từ những năm 2000, do đó việc nghiên cứu tổng quan, hệ thống hóa lại các kết quả nghiên cứu trên thế giới giúp hiểu rỏ hơn về giải pháp này là điều rất quan trọng, cần thiết và nâng cao mức độ phổ biến trong thiết kế và thực nghiệm của phương pháp này trong công tác xử lý nền đất yếu

Việc nghiên cứu áp dụng phương pháp số trong địa kỹ thuật hiện đang được sử dụng ngày càng rộng rãi và chứng tỏ nhiều ưu thế Đặc biệt, việc nghiên cứu cơ chế làm việc của CXMĐ bằng phương pháp thực nghiệm rất tốn kém và khó thực hiện

Do đó, trong nội dung nghiên cứu của luận văn này ứng dụng phương pháp PTHH

để nghiên cứu cơ chế làm việc của CXMĐ trong điều kiện thực tế có ý nghĩa rất quan trọng, góp phần chứng tỏ sự hiệu quả của việc ứng dụng phương pháp số như một công cụ nghiên cứu hiệu quả và có độ tin cậy cao

7 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài:

Luận văn nghiên cứu trong điều kiện địa chất cụ thể huyện Cần Giờ, thành phố

Hồ Chí Minh Kết quả nghiên cứu đã đề xuất được một phương án thiết kế CXMĐ với các thông số kỹ thuật cụ thể đáp ứng được các yêu cầu kinh tế kỹ thuật cho công trình Ngoài ra, đối với các công trình có điều kiện địa chất tương tự phương án đề xuất này có thể xem như tài liệu tham khảo để căn cứ cho việc lựa chọn các thông

số thiết kế đảm bảo độ an toàn và kinh tế

8 Kết cấu luận văn:

Ngoài phần mở đầu nêu tính cấp thiết, mục đích, đối tượng, phạm vi, phương pháp nghiên cứu, luận văn gồm các chương chính sau đây:

- Phần mở đầu: Giới thiệu về đề tài

- Chương 1: Tổng quan về gia cố nền đất yếu

- Chương 2: Tổng quan về gia cố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất

- Chương 3: Các phương pháp đánh giá sự phân phối tải trọng trong nền đất yếu

gia cố bằng cọc xi măng đất

- Chương 4: Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn đánh giá sự làm việc của

nền đất yếu gia cố bằng cọc xi măng đất

- Chương 5: Kết luận về đề tài và kiến nghị các bước nghiên cứu tiếp theo

Chương 1 Tổng Quan Về Gia Cố Nền Đất Yếu

1.1 Giới thiệu chung:

Mục đích của việc xử lý nền đất yếu là làm giảm độ rỗng, tăng cường độ, độ ổn định của đất yếu dưới tác dụng của tải trọng công trình bên trên Đất yếu sau khi được xử lý phải đáp ứng đầy đủ các yêu cầu thiết kế, không phát sinh các hiện tượng biến dạng và biến hình dẫn đến các hiện tượng mất ổn định, sạt lở

Các công trình trên nền đất yếu ở Việc Nam, đặc biệt là khu vực đồng bằng Sông Cửu Long chủ yếu áp dụng các phương pháp xử lý dựa trên nguyên lý gia tải,

cố kết và phương pháp sàn giảm tải để xử lý

Nội dung chương này trình bày tổng quan một số giải pháp xử lý nền đất yếu đang được áp dụng ở nước ta hiện nay Phần lớn các thông tin này được thu thập từ các hồ sơ thiết kế các công trình đường đầu cầu trong thực tế

Bố cục trong chương này được chia ra 3 phần chính bao gồm:

- Giới thiệu chung

- Sơ bộ các giải pháp xử lý nền đất hiện đang được áp dụng

1.2 Các giải pháp gia cố nền đất yếu hiện đang được áp dụng: [14]

Yêu cầu cơ bản của việc xử lý nền đất yếu là tăng cường độ ổn định, giảm độ lún trong phạm vi cho phép Nền đường sau khi xử lý đảm bảo đáp ứng được cường

độ, không xảy ra các hiện tượng lún kéo dài, lún trồi và lún lệch gây ảnh hưởng đến

sự làm việc của các công trình bên trên

Hiệp hội CDM, 1996 tổng hợp và phân loại các phương pháp xử lý nền đất yếu đang được áp dụng trên thế giới dựa trên nguyên lý làm việc Các phương pháp đó bao gồm: ổn định bề mặt, phương pháp thay thế, phương pháp sử dụng vật liệu đắp

nhẹ, phương pháp cố kết, phương pháp đầm chặt, phương pháp sử dụng chất phụ gia và các phương pháp cơ học khác (Bruce, 2000)

Hiện nay, các phương pháp xử lý cơ bản thực tế áp dụng tại Việt Nam đặc biệt ở các tỉnh đồng bằng Sông Cửu Long, có nền đất yếu dày, địa chất không đồng đều:

bệ phản áp, giếng cát, bấc thấm, bơm hút chân không và sàn giảm tải kết hợp cọc bê tông cốt thép Đây là các phương pháp xử lý chủ yếu dựa trên nguyên lý cố kết hoặc

sử dụng kết cấu có độ cứng lớn như sàn giảm tải và cọc BTCT để truyền tải trọng tác dụng xuống tầng đất tốt nằm sâu bên dưới

1.2.1 Phương pháp đắp bệ phản áp: [7]

Giải pháp này áp dụng khi công trình đắp trực tiếp lên nền đất yếu với tác dụng làm tăng độ ổn định chống trượt trồi cả trong quá trình khai thác và đưa vào sử dụng

Chiều rộng của bệ phản áp được thiết kế vượt ra ngoài phạm vi cung trượt nguy hiểm từ 1-3m Chiều cao bệ phản áp lựa chọn phù hợp không gây hiện tượng mất ổn định cho bản thân bệ phản áp, thông thường bằng 1/3-1/2 chiều cao nền đường đắp (22 TCN 262-2000)

Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, không khống chế tốc độ đắp qua đó rút ngắn thời gian thi công Tuy nhiên, phương pháp này không những làm tăng độ lún của nền đường mà đôi khi còn gây ảnh hưởng đến độ ổn định của hệ công trình Ngoài ra, khi áp dụng phương pháp này đòi hỏi một khối lượng đất đắp lớn và không khống chế diện tích thi công

Hình 1 1: Sơ đồ bố trí bệ phản áp 1.2.2 Phương pháp giếng cát kết hợp gia tải trước: [7]

Hình 1 2: Phương pháp xử lý nền đất yếu bằng giếng cát

Nguyên lý làm việc của phương pháp này dựa trên nguyên tắc giảm chiều dài đường thoát nước theo phương ngang và tăng khả năng thoát nước theo phương đứng bằng các cọc cát có hệ số thấm lớn Khi chịu tác dụng của tải trọng tạm trong đất nền xuất hiện ứng xuất lỗ rỗng thặng dư, qua đó có sự chênh áp giữa đất nền và trong giếng cát Do đó, nước trong đất nền được thoát ra theo phương thẳng đứng

thông qua giếng cát Kết quả là đẩy nhanh tốc độ lún cố kết của đất nền, giảm thời gian chờ lún

Phương pháp này thường được áp dụng khi chiều dày tầng đất yếu lớn, nền đắp cao (h>4m) Vì giá thành cao nền thường được áp dụng khi các giải pháp khác không đảm bảo được độ lún cố kết còn lại trong thời hạn thi công quy định (22 TCN 262-2000)

Khi sử dụng giếng cát cần bố trí thêm 1 tầng cát đệm bên trên để đảm bảo chức năng thoát nước ngang ra khỏi phạm vi nền đường Các giếng cát thông thường có đường kính 35-45 cm và được bố trí theo sơ đồ hoa mai với khoảng cách giữa các giếng cát 8-10 lần đường kính giếng (22 TCN 262-2000)

Việc sử dụng giếng cát để xử lý các vấn đề của đường đầu cầu trên nền đất yếu được áp dụng khá phổ biến ở miền Nam đặc biệt là khu vực đồng bằng sông Cửu Long Ưu điểm của phương pháp này là tốc độ thi công nhanh, có tính kinh tế Yêu cầu vật liệu cho giếng cát là cát hạt trung để đảm bảo chức năng thoát nước thẳng đứng của giếng cát Tuy nhiên hiện nay nguồn cát hạt trung là rất khó khăn, khan hiếm nên có thể không đảm bảo được các yêu cầu kỹ thuật khi thay đổi nguồn vật liệu hoặc không đảm bảo tính kinh tế khi chi phí vận chuyển tăng cao

1.2.3 Phương pháp bấc thấm kết hợp gia tải trước:

Hình 1 3: Phương pháp xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm

Nguyên lý áp dụng bấc thấm để xử lý các công trình đường đắp cao trên nền đất yếu cũng tương tự như phương pháp bấc thấm với thiết bị thoát nước thẳng đứng lúc này là bấc thấm Bấc thấm được cấu tạo từ các miếng nhựa dẻo có các rãnh và vải bọc bên ngoài Chức năng chính của bấc thấm là tạo sự chênh áp giữa bên ngoài

và bên trong bấc thấm khi đất nền được gia tải

Ưu điểm của phương pháp này là khả năng thi công nhanh, khả năng thoát nước của bấc thấm gần như vô hạn

Tuy nhiên, khi sử dụng bấc thấm cần lưu ý một số vấn đề quan trọng để đảm bảo khả năng thoát nước của bấc thấm Khi chiều dày đất yếu lớn thì khả năng thoát nước của bấc thấm giảm đáng kể Với thời gian kéo dài vì đặc điểm cấu tạo của bấc thấm có tấm vải bọc bên ngoài đễ dẫn tới các hiện tượng mắc kẹt các hạt đất làm giảm khả năng thoát nước Hoặc khi chịu biến dạng lớn làm các đường thoát nước thẳng đứng bên trong cũng biến dạng theo dẫn đến khả năng thoát nước giảm đáng

kể

Ngoài ra, trong thực tế việc xác định phạm vi ảnh hưởng cũng như khoảng xáo trộn xung quanh bấc thấm khi thi công cũng đang được nghiên cứu nhằm xác định một phương pháp thiết kế phù hợp nhất với từng điều kiện thực tế công trình

1.2.4 Phương pháp cố kết chân không:

Hình 1 4: Sơ đồ bố trí công nghệ cố kết chân không

Trong đó:

1 Các thiết bị thoát nước thẳng đứng (giếng cát hoặc bấc thấm)

2 Thiết bị thoát nước ngang

7 Hệ thống bơm hút chân không và bơm hút nước

Nguyên lý làm việc của phương pháp bơm hút chân không này thực hiện tương

tự như phương pháp giếng cát và phương pháp bấc thấm Tuy nhiên, trong phương pháp này sử dụng các máy bơm tạo sự chênh áp giữa các thiết bị thoát nước thẳng đứng thay thế cho việc gia tải như các phương pháp bấc thấm và giếng cát

Ưu điểm của phương pháp này là thi công nhanh, không đòi hỏi mặt bằng thi công lớn Tuy nhiên, công nghệ thi công rất phức tạp, giá thành cao Ngoài ra, khi

sử dụng với áp lực 80-85kpa có thể xuất hiện các vết lún nứt bề mặt do sự co theo phương ngang khi cố kết đẳng hướng

1.2.5 Phương pháp sàn giảm tải:

Việc áp dụng các phương pháp xử lý dựa trên nguyên lý cố kết có ưu điểm cơ bản là tốc độ thi công nhanh, giá thành tương đối rẻ Nhược điểm lớn của các phương pháp này là đòi hỏi phải tạo ra áp lực nước lỗ rỗng thặng dư bên trong nền đắp công trình Các biện pháp tạo áp lực hiện nay chủ yếu là gia tải hoặc dùng phương pháp chân không Tuy nhiên, khi điều kiện địa chất công trình có tầng đất yếu dày, đất có sức chống cắt thấp có thể dẫn tới các sự cố mất ổn định, sạt lở trong quá trình gia tải

Khi công trình nằm trên nền đất yếu dày, trong thực tế hiện nay ở có thể sử dụng sàn bê tông cốt thép kết hợp với các cọc bê tông cốt thép, truyền các áp lực xuống tầng đất tốt giảm thiểu độ lún của nền đường Qua đó khắc phục được hiện tượng lún lệch, lún kéo dài gây mất an toàn và độ êm thuận cho xe chạy

Ưu điểm của phương pháp xử lý này là thời gian thi công rất nhanh, sau khi xử

lý công trình đạt được hệ số an toàn cao Tuy nhiên, phương pháp này có giá thành rất cao đặc biệt đối với các tầng đất tốt nằm sâu

Hiện nay, các giải pháp xử lý nền đất yếu đa phần dựa trên nguyên lý cố kết, gia tải và giải pháp sàn giảm tải kết hợp cọc bê tông cốt thép đối với một số trường hợp tầng đất yếu dày, chiều cao đắp lớn Ưu điểm cơ bản của các phương pháp này là việc thi công tiến hành nhanh, khắc phục hiện tượng lún kéo dài đặc biệt phương pháp sàn giảm tải có thể giảm thiểu tối đa hiện tượng biến dạng nền đường Tuy nhiên, trong một số trường hợp khi tầng địa chất dày, biến đổi phức tạp không áp dụng được phương pháp bấc thấm hoặc với điều kiện hiện nay nguồn cát hạt trung rất khan hiếm nên việc áp dụng giếng cát có giá thành rất cao Ngoài ra, phương pháp sàn giảm tải kết hợp cọc bê tông có giá thành rất cao thông thường tăng từ 30-50% tổng chi phí

Việc nghiên cứu ứng dụng một phương pháp xử lý mới có một ý nghĩa rất quan trọng, bổ sung thêm các chọn lựa cho phép xác định một phương pháp phù hợp với thực tế hơn Qua đó góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế kỹ thuật, đảm bảo công trình có chất lượng, an toàn cũng như giảm chi phí xử lý nền

Chương 2 Tổng Quan Về Phương Pháp Gia Cố Nền Đất Yếu Bằng

Cọc Xi Măng Đất

2.1 Giới thiệu chung: [14]

Công nghệ gia cố nền đất yếu bằng CXMĐ được xếp vào nhóm phương pháp

sử dụng chất phụ gia để gia cố đất yếu (Bruce, 2000) CXMĐ được tạo thành bằng cách trộn đất tại chổ với một hàm lượng xi măng dạng khô hoặc ướt bằng các cần trộn và lỗ phun Mục đích chính của việc dùng xi măng làm chất xử lý là để tăng cường đặc tính kỹ thuật của đất nền thông qua tương tác hóa học giữa các thành phần trong hỗn hợp đất - xi măng Cơ chế hình thành cường độ của vật liệu đất xi măng là kết quả của chuỗi nhiều phản ứng hóa học phức tạp xảy ra giữa các chất trong hỗn hợp Do đó, có rất nhiều nhân tố ảnh hưởng đến quá trình tương tác này, cũng như ảnh hưởng đến sự hóa rắn của vật liệu đất xử lý xi măng

Việc nắm rõ mức độ ảnh hưởng của những nhân tố này có ý nghĩa rất quan trọng Ngoài ra, việc hiểu được các tính chất vật lý, đặc tính kỹ thuật của vật liệu đất trộn xi măng giúp cho việc dự đoán được khả năng làm việc của đất nền sau khi

xử lý

Nội dung của chương này là tổng quan về công nghệ CXMĐ, tóm lược lịch sử hình thành, phát triển và tình hình ứng dụng của phương pháp CXMĐ Các lý thuyết, kết quả nghiên cứu trước đây về công nghệ CXMĐ bao gồm: Cơ chế hình thành cường độ, nhân tố ảnh hưởng tới sự hóa rắn của đất xử lý xi măng, tính chất

cơ lý và các đặc tính kỹ thuật của đất sau khi xử lý xi măng Các tài liệu phục vụ cho phần tổng quan này được tham khảo trong các bài báo khoa học ở trong và ngoài nước

Bố cục chương này bao gồm các nội dung:

- Lịch sử hình thành, phát triển và tình hình ứng dụng của phương pháp gia

cố nền đất yếu bằng CXMĐ

- Nguyên lý hình thành cường độ vật liệu đất xi măng

- Nhân tố ảnh hưởng tới sự rắn hóa của đất xử lý xi măng

- Các đặc tính kỹ thuật của đất nền sau khi gia cố CXMĐ

Phần cuối của chương này rút ra các kết luận cần thiết cho nghiên cứu của đề tài

từ những kết quả nghiên cứu trước đây

2.2 Lịch sử hình thành, phát triển và tình hình ứng dụng:

2.2.1 Lịch sử hình thành và phát triển: [20], [27], [29], [32], [37], [46]

Ý tưởng dùng xi măng làm chất gia cường được phát minh vào năm 1954 tại Mỹ (Poraha, 1998) Tuy nhiên, sau đó ý tưởng này tiếp tục được nghiên cứu và phát triển ứng dụng rộng hơn, chuyên sâu hơn để đi vào ứng dụng tại Nhật và Thụy Sỹ vào những năm 1970 Những báo cáo chính thức về việc áp dụng thành công công nghệ CXMĐ vào năm 1980 và 1982 : DJM research group, 1984; Chida, 1982; Minura et al, 1986 (Bergado et al, 1996)

Nguyên lý làm việc cơ bản của phương pháp này tận dụng các tương tác hóa học giữa xi măng và đất tại chổ nhằm tăng cường các đặc tính cơ lý của đất nền, đảm bảo sau khi gia cố đất nền có các đặc tính kỹ thuật tốt hơn Gần như toàn bộ lượng đất yếu tại công trường được tận dụng lại hoàn toàn nên đây được xem là một phương pháp xử lý thân thiện với môi trường (Kulantari và Huat, 2009)

Trong phương pháp dùng xi măng làm chất gia cường, tùy thuộc vào chiều sâu

xử lý, loại máy móc thi công mà phương pháp này được chia ra thành: Phương pháp trộn sâu (Deep mixing method: DMM) và phương pháp trộn nông (Shalow mixing method: SMM)

SMM được sử dụng để xử lý nền có chiều dày tầng đất yếu nhỏ Nguyên lý làm việc của phương pháp SMM là dùng các gầu trộn hoặc cần trộn có đường kính lớn trộn lẫn đất tại chổ với một hàm lượng vữa hoặc chất dính kết ở trạng thái khô để

đảm bảo độ ổn định thể tích của khối gia cố Do đó, SMM còn có thể được gọi là phương pháp ổn định khối (mass stabilization) Chiều sâu tối đa có thể áp dụng phương pháp SMM là 12m (Moseley và Kirsch, 2004)

DMM được sử dụng phổ biến hơn và cho hiệu quả cao hơn so với phương pháp SMM Độ sâu tối thiểu có thể áp dụng phương pháp này là 3m và tối đa có thể áp dụng là 50m (Moseley và Kirsch, 2004)

DMM sử dụng xi măng làm chất gia cố, có thể áp dụng hầu hết cho nhiều loại đất khác nhau bao gồm: đất bùn có hàm lượng hữu cơ cao (Huat et al, 2011; Tang, Bakar và Chang, 2011; Ali et al, 2010; Islam và Hashim, 2010; Kazemian và Huat, 2009; Kulantari và Huat, 2009; Duaraisamy, 2008; Cortehazzo và Cola, 1999), đất ven biển (Mathew, Selvi và Velliangiri, 2009) và một số loại đất yếu khác Trong phương pháp trộn sâu, tùy theo trạng thái của xi măng khi sử dụng mà có thể chia ra làm 2 phương pháp: Trộn ướt (CDM) và trộn khô (DJM) (CDIT, Japan 2002) Nhờ có các đặc tính cơ lý tốt, thân thiện với môi trường và có tính kinh tế tương đối cao của phương pháp DMM với chất gia cố là xi măng nên CXMĐ được ứng dụng rộng rãi trong thực tế với nhiều mục đích khác nhau tùy theo cách bố trí: cọc đơn lẽ, tường hoặc tấm, lưới hoặc các lớp, block (Yang, 1997) Các ứng dụng thông thường của CXMĐ:

- Tường ngăn nước (Japan, U.S)

- Ổn định vách hố đào (Japan, China, U.S)

- Xử lý nền đất yếu (Japan, China, U.S)

- Chống hóa loãng đất nền do chấn động (Japan, U.S)

- Gia cường tại chổ và tường trọng lực (Sweden, Finland, France)

- Bảo vệ môi trường tại các bãi rác (U.S), (Bruce, 2000)

2.2.2 Một số dự án tiêu biểu ứng dụng giải pháp CXMĐ trên thế giới:

Việc áp dụng CXMĐ ở Mỹ chủ yếu tập trung vào các công trình tường ngăn nước chống thấm để nâng cấp các đập chắn nước hiện hữu Các tường ngăn nước

được thiết kế thường có chiều dày 0.6m, dài 51-61m và sâu 43m với hàm lượng xi măng sử dụng là 350-550kg/m3

Ở các quốc gia khác trên thế giới như Thụy Sỹ, Phần Lan công nghệ CXMĐ được áp dụng trong sửa chữa, khắc phục hậu quả của các hiện tượng sạt lở ở các công trình đường đắp trên các triền dốc, hoặc nơi có lượng mưa lớn

2.2.3 Tình hình ứng dụng CXMĐ ở Việt Nam:

Công nghệ CXMĐ để xử lý nền đất yếu tại Việt Nam bắt đầu được áp dụng trong khoảng từ năm 2002 Đến nay Bộ Xây dựng đã ban hành bộ TCXDVN 385:2006 Gia cố nền đất yếu bằng CXMĐ, trong đó quy định các vấn đề có liên quan đến công tác thiết kế, thi công công nghệ CXMĐ

Cũng từ năm 2002, một số dự án đã bước đầu áp dụng công nghệ CXMĐ như

dự án Ba Ngòi (Khánh Hòa) sử dụng 4000 CXMĐ có đường kính 0.6m thi công bằng công nghệ trộn khô, dự án kéo dài đường hạ cất cánh sân bay Cần Thơ, dự án đường Liên Cảng Cái Mép và một số dự án khác được áp dụng tại tp Hồ Chí Minh như đường cao tốc Sài Gòn Trung Lương, dự án Đại Lộ Đông Tây

2.3 Nguyên lý hình thành cường độ của vật liệu đất xi măng: [12], [45]

Nguyên lý của việc sử dụng xi măng làm chất gia cố nền đất yếu là dựa vào tương tác hóa học giữa các thành phần, các pha trong hỗn hợp đất xi măng làm tăng khả năng làm việc và các đặc tính kỹ thuật của đất nền

Trong xi măng có bốn thành phần cơ bản: Tri-calcium silicat (3CaO.SiO2), calcium silicat (2CaO.SiO2), tetra-calcium-alumino-ferite (4CaO.Al2O3 Fe2O3) và tri-calcium-aluminate (3CaO.Al2O3) (ACI Education Bulletin E3-01 2001) Khi gặp

bi-nước lỗ rỗng xảy ra phản ứng hydration ngay lập tức, tạo ra sản phẩm chính: hydrate calcium-silicate (C3SHx, C3S2Hx); hydrate calcium-aluminates (C3AHx,

C4AHx) và vôi tôi (Ca(OH)2) Hydrate calcium-silicate với tính xi măng cao dính kết các hạt xi măng, cốt liệu lại với nhau tạo thành kết cấu khung có cường độ bao bọc các hạt đất chưa bị thay thế

Vôi tôi là sản phẩm của phản ứng hydration, trong dung môi nước lổ rỗng phân chia ra các ion Ca2+ và (OH)- làm tăng chỉ số pH của môi trường xung quanh Trong môi trường kiềm, ở nhiệt độ bình thường xảy ra các phản ứng giữa Ca2+

và puzolan (SiO2 và Al2O3) có trong khoáng chất bề mặt hạt sét hoặc vật liệu vô định hình Phản ứng này được gọi là phản ứng puzolanic, sản phẩm tạo thành sẽ hóa rắn theo thời gian bảo dưởng, tăng cường độ và độ ổn định đất yếu

Sự tương tác hóa học giữa các thành phần trong hỗn hợp xi măng đất có thể được mô tả sơ bộ như sau:

C3S + H2O C3S2Hx (hydrate gel) + Ca(OH)2 (2.1) Ca(OH)2 Ca2+ + 2 (OH)- (2.2)

Ca2+ + 2 (OH)- + {

{ (2.3) Khi PH<12,6 thì xảy ra phản ứng:

C3S2Hx Ca(OH)2 (2.4) Mức độ tương tác hóa học giữa các thành phần trong hỗn hợp phụ thuộc vào tỷ

lệ tạp chất, mức độ tinh thể và kích thước cỡ hạt Cường độ của C3S2Hx hình thành sớm và có giá trị cao hơn so với , nên đây là nhân tố chính quyết định đến cường độ của hỗn hợp sau khi gia cố (Supaki, Sanupong và Thakou, 2005; Bergado

et al, 1996) Tuy nhiên, khi phản ứng puzalonic xảy ra độ PH của môi trường phản ứng giảm dẫn tới sự chuyển hóa C3S2Hx thành CSH Sự hình thành CSH thực sự có lợi nếu là kết quả của phản ứng puzolanic nhưng sẽ làm giảm cường độ của hợp chất nếu được phân tán từ C3S2Hx

Phản ứng hydration và puzolanic có thể kéo dài vài tháng hoặc thậm chí vài năm sau khi trộn vì thế cường độ của đất xử lý xi măng tăng theo thời gian (CIDT, Japan 2002; Bergado et al, 1996)

2.4 Nhân tố ảnh hưởng tới sự rắn hóa của đất xử lý xi măng:

Như đã biết, sự rắn hóa hình thành cường độ của vật liệu đất xi măng là kết quả của chuỗi các tương tác hóa học, lý học và cơ học phức tạp Do đó, có rất nhiều các nhân tố tác động, ảnh hưởng đến mức độ tương tác giữa các thành phần trong hỗn hợp đất xi măng Sự thay đổi một thành phần trong hỗn hợp sẽ tác động đến kết quả sau cùng của chuỗi tương tác Kezdi, 1979 đã tổng hợp, phân loại và đưa ra một sơ

đồ minh họa các nhân tố như sau:

Hình 2 1: Các nhân tố ảnh hưởng tới sự rắn hóa Kezdi, 1979 (CIDT, Japan

2002) 2.4.1 Loại và hàm lượng xi măng: [4], [10], [12], [17], [46], [47]

Nhiều nghiên cứu trên thế giới nhận thấy việc sử dụng xi măng port land (PC) làm chất gia cường mang lại hiệu quả cao hơn so với việc sử dụng vôi, tro bay trong hầu hết các điều kiện khác nhau (Janz & Johansson, 2002)

Bergado et al, 1996 nhận thấy việc sử dụng xi măng PC loại 3 cho được kết quả tốt hơn so với các trường hợp khác Tuy nhiên, vì tính thông dụng hơn và giá thành

rẻ hơn nên xi măng PC loại 1 vẫn được sử dụng phổ biến nhất Những nghiên cứu của Ahnberg et al, 1994 cũng rút ra các kết luận tương tự

Trên thế giới, có rất nhiều nghiên cứu mối tương quan giữa hàm lượng xi măng

và sự cải thiện các đặc tính cơ lý của đất nền như cường độ, đặc tính nén lún, độ ổn định thể tích và tính thấm

Bằng các thí nghiệm trong phòng với nhiều hàm lượng xi măng khác nhau và các thí nghiệm thực địa Huat et al, 2011 đã quan sát được sự biến đổi các đặc tính

cơ lý của đất mùn hữu cơ Với hàm lượng xi măng cao, tỷ diện tích thay thế lớn được dùng để xử lý cải tạo đất nền thì các đặc tính cơ lý được cải thiện tốt hơn Cường độ nén không nở hông các mẫu đất xi măng tăng nhanh khi hàm lượng

xi măng tăng (Tang, Bakar và Chang, 2011; Ali et al, 2010; Xiao và Lee, 2009; Nguyên Minh Tâm, Kun và Jung, 2005; Cortehazzo và Cola, 1999)

Tuy nhiên, quan sát các kết quả thí nghiệm nén trong phòng và thực nghiệm cũng nhận thấy khi hàm lượng xi măng vượt quá một hàm hượng nhất định thì hiệu quả mang lại không cao

Bergado et al, 1996 rút ra kết luận: Khi hàm lượng xi măng vượt qua 20% thì mức độ gia tăng cường độ nén không nở hông không nhiều

Muhunthan và Sariosseiri, 2008 thực hiện thí nghiệm ba trục không thoát nước với các mẫu đất trộn hàm lượng xi măng lần lượt là 5%, 10% khối lượng Quan sát kết quả thí nghiệm nhận thấy mối tương quan giữa hàm lượng xi măng với cường

độ nén không nở hông và ứng xử của mẫu đất sau khi trộn Với hàm lượng xi măng 10%, áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tăng cao đến áp lực buồng, ứng suất có hiệu gần như không tồn tại dẫn đến xuất hiện vết nứt thẳng đứng

Do đó, việc gia tăng cường độ của vật liệu đất xi măng có thể đạt được bằng xử

lý xi măng với hàm lượng lớn nhưng cần đặc biệt lưu ý trong áp dụng

2.4.2 Thời gian bảo dưỡng: [22], [48]

Tác động của thời gian bảo dưỡng (t) đến việc tăng cường độ khi xử lý đất yếu bằng xi măng đã được nghiên cứu kĩ và tương đối đầy đủ (Uddin, 1997; Bergado et

al, 1996) Các kết luận từ những nghiên cứu trước đây cho thấy nguyên nhân tác động của thời gian bảo dưởng đến sự gia tăng cường độ là do tốc độ của phản ứng puzolanic chậm, kéo dài nên cường độ của đất nền được gia tăng theo thời gian Michell et al, 1974 nhận thấy cường độ nén không nở hông là một hàm tương quan với hàm lượng xi măng và thời gian bảo dưởng

qu (t)=qu (t0) + K log (t/t0) (2.5) Trong đó:

qu (t): Cường độ nén nở hông ở t ngày, kPa

qu (t0): Cường độ nén nở hông ở t0 ngày, kPa

K= 480C với đất rời và 70C với đất mịn

C: Hàm lượng xi măng, % thể tích

Esrig, 1999 nghiên cứu và nhận thấy hầu hết cường độ đạt được trong vòng 28 ngày sau khi trộn và tiếp tục gia tăng nhưng với tốc độ chậm hơn Những nghiên cứu của Porbaha et al, 2000, cũng có các kết luận tương tự và nhận thấy sự giảm tốc độ gia tăng phụ thuộc vào hàm lượng xi măng sử dụng

Quan sát biểu đồ quan hệ giữa hàm lượng xi măng, cường độ nén nở hông và thời gian bảo dưỡng được Uddin et al, 1997 xây dựng dựa trên các thí ngiệm nén nở hông cho thấy, khi thời gian bảo dưỡng vượt quá 4 tháng độ tăng cường độ nén nở hông là không đáng kể

Hình 2 2: Quan hệ giữa q u với A s và t (Uddin et al 1997)

Cường độ nén nở hông của mẫu đất xử lý xi măng đạt được kết quả tối ưu với hàm lượng xi măng từ 15% đến 20% và thời gian bảo dưởng từ 1 đến 2 tháng (Bergado et al 1996)

Sự tương quan giữa hàm lượng xi măng và thời gian bảo dưởng với cường độ nén không nở hông cũng được Kawasaki et al, 1981 nhận thấy trong các nghiên cứu trên mẫu đất sét vịnh Tokyo:

qu60 = 1.17 qu28 (2.6) Trong đó:

qu60 , qu28 : Là cường độ nén nở hông ở 60 ngày và 28 ngày, kPA Với cùng một mẫu đất sét, khi xử lý xi măng hàm lượng thấp yếu tố thời gian bảo dưởng trở nên không rõ ràng Giá trị của hàm lượng xi măng trong mẫu thử nghiệm hoạt tính hơn so với thời gian bảo dưỡng (Meei-Hoan Ho và Chee-Ming Chang, 2011)

Hình 2 3: Tác động cở hạt với cường độ nén nở hông (Taki và Yang, 1991)

Bergado et al, (1996) nhận thấy độ tăng cường độ của mẫu đất xử lý giảm khi hàm lượng sét và chỉ số dẻo tăng Khi độ hoạt tính của đất cao, mức độ tăng cường

độ của đất đã xử lý thấp

Nước lỗ rỗng đóng vai trò là chất tham gia phản ứng hydration hình thành cường độ sau khi xử lý và đồng thời là dung môi cho phản ứng puzolanic để tăng

cường độ theo thời gian Vì vậy, để cường độ của hỗn hợp được phát triển tốt đòi hỏi hàm lượng nước trong hỗn hợp đất xi măng phải lớn hơn một giá trị tối thiểu Miura et al, 2002 đề xuất khi sử dụng xi măng làm chất gia cố cần quan tâm đặc biệt đến hàm lượng nước, vì đây là một nhân tố đóng vai trò đặc biệt

Hàm lượng nước cao ảnh hưởng đến sự hình thành cường độ của hỗn hợp đất xi măng Dựa trên các số liệu thu được từ thực tế và thí nghiệm trong phòng với các mẫu đất sét tại Singapore được xử lý với hàm lượng xi măng lần lượt 10%, 20% và 30% Tan et al, 2002 xây dựng biểu đồ thể hiện sự ảnh hưởng của hàm lượng nước đến cường độ nén nở hông Kết quả cho thấy khi lượng nước gia tăng gây trì hoãn, giảm việc gia tăng cường độ nén nở hông

Hình 2 4: Ảnh hưởng của hàm lượng nước với cường độ (Tan et al, 2002)

Tương tự, Jacobson et al, 2002 thực hiện các thí nghiệm nén nở hông trên 3 mẫu đất bằng phương pháp trộn khô Những kết quả thí nghiệm được so sánh với các kết quả thí nghiệm thực nghiệm mẫu đất sét khu vực Hong Kong được trộn bằng phương pháp trộn ướt bởi Miura et al, 2002 Các nhà nghiên cứu trên nhận thấy khi tỷ số w/c tăng dẫn tới cường độ nén nở hông giảm

Hình 2 5: Mối quan hệ giữa q u28 với N/XM (Jacobson et al, 2002)

Huat et al, 2011 nghiên cứu đặc tính nén lún của đất mùn được gia cố xi măng theo phương pháp trộn sâu Các mẫu đất mùn được phân chia thành 3 loại theo ASTM 2002 Cùng xử lý với một hàm lượng xi măng, quan sát thấy tác động đối với đất mùn sapric thu được kết quả cao hơn Nguyên nhân của hiện tượng này là do khả năng trao đổi ion, diện tích bề mặt và độ PH của đất mùn sapric cao hơn so với các loại đất còn lại Nghiên cứu cũng chỉ ra lượng xi măng sử dụng để tạo CXMĐ

và đường kính của cọc có ảnh hưởng đến đặc tính làm việc của đất nền sau xử lý Kazemian và Huat, 2009; Duraisany et al, 2008 nhận thấy sự ổn định, gia tăng cường độ của đất mùn, đất có hàm lượng hữu cơ cao đòi hỏi một hàm lượng xi măng lớn hơn so với các loại còn lại Hiện tượng này có thể được giải thích rõ ràng thông qua các các phản ứng hóa học của xi măng và thành phần axit hữu cơ trong đất mùn

Những nghiên cứu của Michell và Soga, 2005 nhận thấy điều kiện để puzolan

có thể tham gia các phản ứng khi nồng độ pH trong nước lỗ rỗng lớn hơn 5 Tương

tự, theo ACI 230.1R-90 1990 việc xử lý đất yếu bằng xi măng có thể được áp dụng

ở hầu hết mọi loại đất trừ những loại đất có hàm lượng hữu cơ lớn hơn 2% hoặc chỉ

số PH<5.3

Mặt khác, có một số những quan điểm không thống nhất về vấn đề này Ali et

al, 2010 nghiên cứu đặc tính làm việc của đất mùn fibrous có hàm lượng axit hữu cơ cao, xử lý bằng xi măng cho thấy với một hàm lượng xi măng đủ lớn tương tác hết với các axit hữu cơ dẫn tới độ pH mẫu đất lớn hơn 9 và không cản trở việc phát triển cường độ của hỗn hợp

2.4.4 Ảnh hưởng việc thi công đến độ đồng đều của cọc: [35]

Trong thực tế, địa chất bên dưới nền đường luôn có sự biến động với các lớp khác nhau Tùy khu vực nghiên cứu mà biên độ sai khác giữa các thông số của các tầng địa chất là khác nhau Do đó ứng với cùng một hàm lượng xi măng, khi chiều dài thiết kế cọc lớn thì hiện tượng không đồng đều về cường độ của cọc là điều dễ xảy ra Do đó, dễ dẫn tới các hư hỏng cục bộ ảnh hưởng tới độ ổn định của hệ công trình

Yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến sự đồng đều trong suốt chiều dài cọc là thiết bị thi công và kỹ thuật thi công

S Larrson et al, 2005 tiến hành các thí nghiệm tại hiện trường vùng Haby, Thụy

Sỹ nghiên cứu tác động của thiết bị thi công và kỹ thuật thi công đến độ đồng đều cũng như khả năng làm việc của cọc Kết quả nghiên cứu nhận thấy sự ảnh hưởng của hàng loạt các nhân tố trong quá trình thi công bao gồm:

- Độ lên xuống cần khoan, bơm vữa

- Số lượng lưỡi trộn

- Tốc độ quay

- Áp lực khí nén trong bồn chữa

- Đường kính lỗ phun vữa, x măng

Các CXMĐ sau khi được thi công và bảo dưỡng được đào lên đến 1 độ sâu nhất định và kiểm tra độ đồng đều dựa trên các thí nghiệm penetrometer bằng tay Kết quả nhận thấy yếu tố tác động chính là độ lên xuống của cần khoan khi thi công, áp lực phun vữa và số lượng cánh trộn Trong khi đó các yếu tố còn lại có ảnh hưỡng không rõ rệt

Vì độ đồng đều cường độ CXMĐ là một yếu tố rất quan trọng nên tùy thuộc vào mức độ biến đổi địa chất mà lựa chọn thiết bị hợp lý Việc thi công CXMĐ đòi hỏi hệ thống máy móc và thiết bị kiểm soát đồng bộ Trong quá trình thi công để đảm bảo chất lượng đồng đều của cọc cần theo dỏi, quản lý lượng vữa phun, áp lực phun của thiết bị phù hợp

2.5 Các đặc tính kĩ thuật của đất nền sau khi gia cố xi măng:

2.5.1 Đặc tính nén lún: [20], [26]

Hầu hết các loại đất yếu có tính nén lún lớn sau khi xử lý xi măng đều có sự thay đổi đáng kể Các thông số đặc trưng, ứng xử cố kết của đất cũng được cải thiện tùy thuộc vào hàm lượng xi măng sử dụng để gia cố và thời gian bảo dưỡng

Huat et al, 2011 thực hiện thí nghiệm Row cell nghiên cứu đặc tính nén lún của các mẫu chế bị trong phòng thí nghiệm Các mẫu được tạo thành đất nền tự nhiên gia cố thêm CXMĐ Vật liệu đất xi măng được chế tạo từ đất mùn trộn với các hàm lượng xi măng khác nhau, bảo dưỡng ở 28 ngày tuổi Quan sát kết quả thí nghiệm nhận thấy, khi hàm lượng xi măng gia tăng hệ số đặc trưng cho tính nén lún giảm Nguyên nhân của sự thay đổi này là sự rắn hóa của hỗn hợp đất xi măng Đặc tính nén lún của mẫu có thể được tăng cường nếu có sự gia tăng tỷ lệ diện tích cọc Duraisamy et al, 2008 qua các nghiên cứu nhận thấy mẫu thí nghiệm với các CXMĐ được bảo dưỡng ở 28 ngày có độ lún cuối cùng giảm rõ nhất Nghiên cứu đưa ra đề xuất chọn đường kính cọc lớn hoặc tỷ lệ diện tích thay thế của CXMĐ cao thì độ lún của đất nền sau khi xử lý giảm nhiều hơn Quan sát kết quả thí nghiệm nhận thấy độ lún của mẫu chế bị giảm 65% với nhóm 4 cọc và 90% với nhóm 9 cọc,

do vậy số lượng cọc càng tăng thì độ lún càng giảm Bên cạnh đó tỷ số giữa chiều dài và đường kính cọc, hàm lượng xi măng cũng là một nhân tố ảnh hưởng đến sự giảm độ lún của mẫu thí nghiệm

Kamaluddin, 1995 tiến hành các thí nghiệm thực địa ở BangKok, nghiên cứu đặc tính cường độ, biến dạng của đất sét xử lý xi măng với nhiều mô hình thí nghiệm khác nhau Mục đích của nghiên cứu nhằm xác định ảnh hưởng của các yếu

tố như hàm lượng xi măng, áp lực tiền cố kết, điều kiện áp xuất trong quá trình thí nghiệm, điều kiện thoát nước và thời gian bảo dưỡng Kết quả nghiên cứu nhận thấy tác động chính của việc xử lý xi măng là thay đổi ứng xử của đất sét từ trạng thái cố kết thường sang trạng thái tiền cố kết Đất nền sau khi gia cố có các đặc tính kỹ thuật như cường độ cao hơn, độ lún sau cùng giảm

2.5.2 Tính thấm: [10], [43]

Tương tác hóa học giữa các thành phần trong hỗn hợp đất làm thay đổi cấu trúc,

hệ số rỗng và cỡ hạt, qua đó hệ số thấm cũng có những thay đổi nhất định Sự thay đổi cấu trúc, cở hạt trong hỗn hợp đất xi măng là kết quả của chuỗi các tương tác hóa học xảy ra rất phức tạp bao gồm phản ứng hydration, puzlolanic, trao đổi ion và kết tủa Tùy thuộc từng điều kiện cụ thể mà quá trình phản ứng xảy ra khác nhau Kết quả của các nghiên cứu trước đây cho thấy sự không thống nhất về kết luận sự thay đổi hệ số thấm của đất sau khi xử lý

Ali et al, 2010 thực hiện các nghiên cứu với các mẫu chế bị theo Eurosoilstab

2002 Kết quả nghiên cứu cho thấy, cùng một mẫu đất trộn, một loại xi măng và điều kiện bảo dưỡng như nhau, hệ số thấm của mẫu giảm dần khi áp lực nén gia tăng Mức độ giảm rõ rệt so với mẫu khi nguyên dạng

Porbaha et al, 2002 đề nghị những nơi có tồn tại mực nước ngầm, các công trình ngăn nước cần có các yêu cầu quan trọng với hệ số thấm của mẫu đất xử lý xi măng

Sự phân phối lại kích thước lỗ rỗng trong hỗn hợp đất xi măng ảnh hưởng đến hệ số thấm của mẫu

Tuy nhiên, khi ứng dụng CXMĐ vào các công trình thực tế ở một số nước châu

Âu vẫn kể đến khả năng thoát nước của cọc

2.5.3 Quan hệ ứng xuất - biến dạng của đất nền sau khi xử lý: [12], [47]

Cường độ nén nở hông, nén không thoát nước và ứng xử của đất nền sau khi xử

lý xi măng có sự thay đổi đáng kể Việc hình thành cấu trúc mới và các tương tác với đất nền xung quanh là nguyên nhân cơ bản của sự thay đổi này

Đã có rất nhiều nghiên cứu về sự biến đổi cường độ của đất nền sau khi xử lý Các nghiên cứu được thực hiện dựa trên lý thuyết kết hợp với các thực nghiệm nghiên cứu đã chứng tỏ được tính đúng đắn, phù hợp và tương đối đồng nhất

Kamaluddin, 1995 thực hiện thí nghiệm nén nở hông các mẫu chế bị từ đất sét ở Bangkok chuẩn bị với hàm lượng xi măng và thời gian bảo dưỡng khác nhau Đất sau khi xử lý có sự gia tăng về cường độ và mô đun biến dạng rõ rệt Ngoài ra, ứng

xử của vật liệu sau khi xử lý đều chuyển sang vật liệu dòn và nửa dòn

Trong biểu đồ biểu thị sự tương quan giữa biến dạng, ứng xuất của vật liệu đất

xi măng với hàm lượng xi măng, giá trị biến dạng tại vị trí ứng xuất cực đỉnh giảm

rỏ rệt khi hàm lượng xi măng sử dụng nằm trong khoảng 20% Khi hàm lượng xi măng vượt quá giá trị trên, mức độ giảm của biến dạng không đáng kể Bên cạnh

đó, độ biến dạng khi ứng xuất cực đỉnh giảm rất lớn với thời gian bảo dưỡng lên đến 8 tuần, và khi vượt qua 16 tuần mức độ giảm gần như đạt giá trị tiệm cận Bergado et al, 1996 nhận xét với hàm lượng xi măng và thời gian bảo dưỡng càng lớn, độ cứng và dòn của đất sét xử lý càng tăng Trong đó thời gian bảo dưỡng

ít ảnh hưởng đến trạng thái phái hoại và độ dòn hơn so với tác động của hàm lượng

xi măng

Hình 2 6: Quan hệ giữa q u , C và t (Bergado et al, 1996)

Xiao và Lee, 2009 thực hiện các thí nghiệm nén nở hông và thí nghiệm 3 trục nghiên cứu tác động của thời gian bảo dưỡng đến cường độ và quan hệ ứng xuất - biến dạng của mẫu đất xử lý xi măng Kết quả nghiên cứu cho thấy thời gian bảo dưỡng ảnh hưởng rõ rệt đến cường độ nén nở hông, ứng xử nén đẳng hướng và quan hệ ứng xuất biến dạng Tác động của thời gian bảo dưởng đến quan hệ ứng xuất và biến dạng trong điều kiện tác dụng của tải trọng 3 trục phụ thuộc vào ứng xuất cố kết và hàm lượng xi măng Với những mẫu thí nghiệm có ứng xuất nén cố kết thấp hơn ứng suất nén đẳng hướng chính, ứng xuất tại đỉnh trong thí nghiệm CIU tăng lên trong khi chỉ số nén trong thí nghiệm CID giảm khi thời gian bảo dưỡng ít hơn 28 ngày Cường độ nén đỉnh tiếp tục tăng và chỉ số nén giảm sau thời gian 28 ngày, nhưng sự thay đổi không nhiều Trong thí nghiệm CID, khi thời gian bảo dưỡng dài biến dạng tại cường độ đỉnh giảm và cường độ đỉnh tăng lên đáng kể với cùng một mẫu có các tỷ lệ như nhau Với những thí nghiệm các mẫu chế bị có ứng xuất cố kết lớn hơn ứng xuất nén đẳng hướng chính, tác động của thời gian bảo dưởng phụ thuộc bởi ứng xuất nén cố kết và lượng xi măng

2.5.4 Áp lực nén lỗ rỗng: [4], [48]

Uddin et al, 1997 thực hiện các thí nghiệm CIU với các các mẫu thử được trộn

xi măng với những tỷ lệ và thời gian bảo dưỡng khác nhau Kết quả thí nghiệm xây

dựng biểu đồ quan hệ giữa áp lực nước lỗ rỗng thặng dư và biến dạng Quan sát biểu đồ nhận thấy, khi áp lực nén không nở hông thấp (50-100kpa) mẫu đất xử lý xi măng xuất hiện áp lực nước lỗ rỗng thặng dư nhỏ, nhưng sau đó giảm dần đến một giá trị có thể bỏ qua được khi biến dạng lớn hơn Khi áp lực nén không nở hông lớn,

áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tăng nhanh đến giá trị cực đỉnh sau đó giảm dần về giá trị thấp hơn Khi hàm lượng xi măng lớn, giá trị biến dạng tại ứng xuất đỉnh nhỏ Thời gian bảo dưởng kéo dài ảnh hưởng đến giá trị áp lực nước lỗ rỗng thặng dư khi chịu nén không nở hông

Hình 2 7: Quan hệ giữa ε và u (Uddin et al, 1997) 2.5.5 Mô dun đàn hồi của đất nền sau khi xử lý: [4], [26]

Hầu hết các nghiên cứu trước đây đều thể hiện kết quả nghiên cứu dựa trên cường độ vì đây là yếu tố quan trọng trong việc thiết kế, tính toán ổn định Tuy nhiên, trong một số trường hợp cụ thể nếu chuyển vị của đất nền là một yếu tố quyết định để thiết kế thì mối quan hệ giữa biến dạng và ứng xuất là yếu tố quan trọng không kém Sự biến thiên của độ cứng và biến dạng của các tầng địa chất bên dưới

và vật liệu gia cố có ảnh hưởng đến quyết định thiết kế xử lý nền đường

Nhiều nghiên cứu trên thế giới nhận thấy được mối quan hệ tương quan giữa cường độ nén nở hông và mô đun biến dạng đàn hồi (E50) Tùy thuộc vào hàm lượng xi măng, loại đất và phương pháp trộn là khô hay ướt mà có độ biến thiên trong mối quan hệ trên là rất lớn

Tan et al, 2002 thống kê một số kết quả nghiên cứu trước đây về mối tương quan giữa mô đun biến dạng đàn hồi của vật liệu đất xi măng và cường độ nén nở hông

Hình 2 8: Mối quan hệ giữa E và q u (Tan et al, 2002)

Nguyễn Minh Tâm, Hui-Joon Kim và Du-Hwoe Jung, 2005 tiến hành thí nghiệm với các mẫu chế bị có tỷ lệ trộn và phương pháp trộn khác nhau Kết quả nghiên cứu nhận thấy mô đun đàn hồi tỷ lệ thuận với sự gia tăng cường độ nén nở hông, trong khi biến dạng phá hoại có xu hướng giảm Mẫu chế bị theo phương pháp trộn ướt cho thấy giá trị mô đun đàn hồi cao hơn so với mẫu chế bị theo phương pháp trộn khô nhưng mẫu chế bị theo phương pháp trộn khô lại có có giá trị biến dạng phá hoại cao hơn