NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN CÁC CƠ CHẾ PHÁ HOẠI TƯỜNG CHẮN LOẠI CỌC XI MĂNG - ĐẤT GIA CỐ HỐ ĐÀO SÂU

19 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CHO TƯỜNG CHẮN BẢO VỆ THÀNH HỐ ĐÀO BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH YẾU TỐ PHÁ HOẠI CHÍNH TƯỜNG CHẮN CỌC XIMĂNG - ĐẤT ĐỂ GIA CỐ HỐ Đ

NGUYỄN VĂN KIỆP

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN CÁC CƠ CHẾ PHÁ HOẠI TƯỜNG CHẮN LOẠI CỌC XI MĂNG - ĐẤT GIA CỐ HỐ

ĐÀO SÂU

Chuyên ngành: Cơ học vật thể rắn

Mã ngành: 60 44 21

LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠ HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS NGUYỄN THÀNH ĐẠT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2011

Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô Viện Cơ Học và Tin Học Ứng Dụng, Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, đã tận tình giảng dạy, giúp đỡ, tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian theo học tại trường cũng như trong thời gian thực hiện luận văn này

Đặc biệt, tôi hết lòng biết ơn ThầyTS Nguyễn Thành Đạt, người đã tận tình

hướng dẫn, giúp đỡ tôi về chuyên môn, kinh nghiệm để hoàn thành luận văn này một cách tốt nhất Tôi vô cùng tri ân tấm lòng tận tụy, làm việc, giúp đỡ hết mình của Thầy, dù công việc rất bề bộn nhưng Thầy vẫn quan tâm chỉ bảo và giúp tôi những lời khuyên vô cùng sâu sắc và bổ ích không những về chuyên môn mà còn

về chân lý đạo đức

Tôi cũng không quên gửi lời biết ơn đến bố mẹ, anh chị em cùng các đồng nghiệp đã luôn sẵn sàng giúp đỡ động viên và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn này đúng thời hạn quy định

Một lần nữa tôi xin cảm ơn Thầy TS Nguyễn Thành Đạt, các thầy cô

Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên đã hướng dẫn, chỉ bảo, động viên trong suốt thời gian của khóa học

Sau cùng vì kiến thức bản thân còn hạn chế nên luận văn khó tránh khỏi thiếu xót, tôi rất mong được sự chỉ bảo của quý Thầy, Cô và sự góp ý chân thành của các bạn bè đồng nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn

TP Hồ Chí Minh, tháng … năm 2011

Nguyễn Văn Kiệp

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC GIẢI PHÁP BẢO VỆ THÀNH HỐ ĐÀO

VÀ SỬ DỤNG CỌC XIMĂNG - ĐẤT TRONG CÔNG TÁC BẢO VỆ THÀNH

HỐ ĐÀO ……… 4

1.1 Sơ lược các giải pháp gia cố hố đào hiện nay thường dùng 4

1.2 Giới thiệu về cọc ximăng – đất bảo vệ thành hố đào, những sự cố xảy ra trong tính toán và thực tế 8

1.2.1 Khái niệm và sơ lược lịch sử hình thành cọc ximăng–đất 8

1.2.2 Phạm vi ứng dụng của cọc ximăng – đất 17

1.2.3 Cơ sở lý thuyết cho cọc ximăng - đất 19

1.2.3.1 Chất gia cố 19

1.2.3.2 Các phản ứng hóa học 20

1.2.3.3 Quá trình nén chặt cơ học 25

1.2.3.4 Quá trình cố kết thấm 26

1.2.3.5 Quá trình gia tăng cường độ của cọc gia cố và sức kháng cắt của đất nền 28

1.3 Ưu, nhược điểm và các giải pháp an toàn khi sử dụng cọc xi măng - đất bảo vệ thành hố đào 29

1.3.1 Ưu, nhược điểm khi sử dụng cọc ximăng - đất 29

1.3.2 Đề xuất phương án an toàn khi sử dụng cọc xi măng đất bảo vệ thành hố đào 30

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CHO TƯỜNG CHẮN BẢO VỆ THÀNH HỐ ĐÀO BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 31

2.1 Nội dung và phương pháp tính toán 31

2.2 Mô hình tính toán tường cọc ximăng – đất không hệ giằng chống (hố đào nông) 32

2.3 Mô hình tính toán tường cọc ximăng - đất có hệ giằng chống (hố đào sâu) 36

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH YẾU TỐ PHÁ HOẠI CHÍNH TƯỜNG CHẮN CỌC

XIMĂNG - ĐẤT ĐỂ GIA CỐ HỐ ĐÀO SÂU ……42

3.1 Sơ lược về công nghệ thi công cọc ximăng - đất để gia cố hố đào 42

3.2 Các bước thiết kế dãy cọc ximăng - đất để gia cố thành hố đào 46

3.2.1 Quy trình thiết kế chung 47

3.2.2 Thiết kế hố đào 50

3.3 Các yếu tố phá hoại tường gia cố hố đào cọc ximăng - đất 50

3.3.1 Tường bị phá hoại do chuyển vị ngang của khối đất xung quanh cọc trong quá trình thi công 50

3.3.2 Phá hoại do lớp đất dưới chân tường 57

3.3.3 Phá hoại do moment uốn và lực cắt lớn nhất 60

3.3.4 Phá hoại do trượt đáy chân tường 61

3.3.5 Phá hoại do hiện tượng trồi đất, trồi nước ở dưới đáy chân tường 66

3.3.6 Phá hoại do dòng thấm khi hạ mực nước ngầm để thi công 69

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH CÁC CƠ CHẾ PHÁ HOẠI TƯỜNG BẰNG PHẦN MỀM PLAXIS 2D 73

4.1 Giới thiệu chung về plaxis 2D 73

4.2 Bài toán ví dụ cụ thể 79

4.2.1 Các yếu tố nghiên cứu 83

Yếu tố 1: Khảo sát khả năng chịu lực của tường chắn đất theo hai hướng: có neo và không neo bằng phương pháp cổ điển, phần mềm Sap 2000 và plaxis 2D 83

Yếu tố 2: Khảo sát sự biến thiên ứng suất của đất nền, chuyển vị theo phương ngang Ux và moment uốn M của tường cọc ximăng - đất không neo khi thay đổi tải trọng ngoài 92

Yếu tố 4: Khảo sát sự biến thiên của chuyển vị ngang Ux và moment uốn M của

tường cọc ximăng - đất không neo khi thay đổi điều kiện địa chất theo các khu vực (thay đổi lực dính c và góc ma sát ϕ) bằng Plaxis 2D 113

Yếu tố 5: Khảo sát sự biến thiên chuyển vị ngang Ux và moment M của tường cọc ximăng - đất không neo khi thay đổi cao độ mực nước ngầm cho hố đào H=5.0m, tải trọng ngoài q=5kN/m2 118

Yếu tố 6: Khảo sát sự biến thiên chuyển vị ngang Ux và moment M của tường cọc xi măng - đất không neo khi thay đổi đường kính cọc từ d=0.4m đến d=1.2m 121

Yếu tố 7 : Khảo sát sự biến thiên chuyển vị ngang Ux và moment M của tường cọc xi măng - đất không neo khi thay đổi hàm lượng ximăng trong đất 125

Yếu tố 8: Kiểm tra ổn định trượt sâu 127

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 150

HỐ ĐÀO

Bảng 1.0 Tóm tắt các công trình sử dụng cọc ximăng - đất tại Việt Nam 19

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CHO TƯỜNG CHẮN BẢO VỆ THÀNH HỐ ĐÀO BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH YẾU TỐ PHÁ HOẠI CHÍNH TƯỜNG CHẮN CỌC XIMĂNG - ĐẤT ĐỂ GIA CỐ HỐ ĐÀO SÂU

Bảng 3.0 Các thông số dữ liệu cho quá trình khoan phụt vữa điển hình 44

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH CÁC CƠ CHẾ PHÁ HOẠI TƯỜNG BẰNG PHẦN MỀM PLAXIS 2D

Bảng 4.1 Đặc trưng vật liệu của lớp đất 1 có chiều dày 16.7 (m) 79 Bảng 4.2 Đặc trưng vật liệu của lớp đất 2 dày 16 (m) 79 Bảng 4.3 Đặc trưng vật liệu của lớp đất 3 dày 16 (m) 80 Bảng 4.4 Đặc trưng vật liệu của tường chắn cọc ximăng - đất (kết quả thí nghiệm)

hàm lượng ximăng 220 kg/m3 81

Bảng 4.5 Kết quả tính toán giá trị moment cho hệ tường không neo theo lý thuyết 83 Bảng 4.6 Kết quả tính toán giá trị moment cho hệ tường có neo tính theo lý thuyết 83 Bảng 4.7 Giá trị hệ số nền theo độ sâu của hệ tường có neo tính theo lý thuyết

Bowles 84

Bảng 4.8 Giá trị moment theo của hệ tường không neo và có neo tính theo phần

mềm Sap 2000 85

Bảng 4 9 Kết quả tính toán ứng suất σ (kN/m2)

xx cho bài toán khi tải trọng thay đổi

từ q = 0 kN/m2 đến q = 30 kN/m2, chiều sâu hố đào H = -2.0 m, D = 9.0 m 95

Bảng 4.10 Kết quả tính toán ứng suất σ (kN/m2)

yy cho bài toán khi tải trọng thay đổi

từ q = 0 kN/m2 đến q = 30 kN/m2, chiều sâu hố đào H = -2.0 m, D = 9.0 m 98

ngoài, độ sâu hố đào H = -2.5 m, D = 9.0 m 101

Bảng 4.13 Kết quả tính toán ứng suất theo phương xx cho bài toán khi tải trọng q = 0 kN/m2 chiều sâu hố đào thay đổi H = -2.0 m đến -5.0 m, D = 9.0 m 107

Bảng 4.14 Kết quả tính toán ứng suất theo phương yy cho bài toán khi tải trọng q = 0 kN/m2 chiều sâu hố đào thay đổi H = -2.0 m đến -5.0 m, D = 9.0 m 108

Bảng 4.15 Kết quả tính toán ứng suất theo phương xy cho bài toán khi tải trọng q = 0 kN/m2 chiều sâu hố đào thay đổi H = -2.0 m đến -5.0 m, D = 9.0 m 108

Bảng 4.16 Kết quả tính toán chuyển vị ngang Ux cho bài toán khi độ sâu hố đào thay đổi, tải trọng q = 5 kN/m2, D = 9.0 m 110

Bảng 4.17 Đặc trưng số liệu địa chất lớp đất thứ 1 (dày 13.9 m) 113

Bảng 4.18 Đặc trưng số liệu địa chất lớp đất thứ 2 (dày 14.85 m) 113

Bảng 4.19 Đặc trưng số liệu địa chất lớp đất thứ 3 (dày 20 m) 114

Bảng 4.20 Đặc trưng vật liệu của tường chắn cọc ximăng - đất (kết quả thí nghiệm) hàm lượng ximăng 220kg/m3 115

Bảng 4.21 Lực dính, góc ma sát trong, mođun đàn hồi đất nền thuộc Tp.HCM và Tp.Cần Thơ 117

Bảng 4.22 Kết quả tính toán chuyển vị ngang Ux khi thay đổi cao độ mực nước ngầm 118

Bảng 4.23 Kết quả tính toán chuyển vị ngang Ux khi thay đổi đường kính cọc 120

Bảng 4.24 Kết quả tính toán chuyển vị ngang Ux khi thay đổi hàm lượng ximăng 123

Bảng 4.25 Kết quả tính toán hệ số ổn định trượt sâu tại tâm O1 126

Bảng 4.25 (tt) Kết quả tính toán hệ số ổn định trượt sâu tại tâm O1 127

Bảng 4.26 Kết quả tính toán hệ số ổn định trượt sâu tại tâm O2 128

Bảng 4.26 (tt) Kết quả tính toán hệ số ổn định trượt sâu tại tâm O2 129

Bảng 4.28 (tt) Kết quả tính toán hệ số ổn định trượt sâu tại tâm O4 133

Bảng 4.29 Kết quả tính toán hệ số ổn định trượt sâu tại tâm O5 134

Bảng 4.29 (tt) Kết quả tính toán hệ số ổn định trượt sâu tại tâm O5 134

Bảng 4.30 Kết quả tính toán hệ số ổn định trượt cắt qua thân tường tại tâm O1 135

Bảng 4.30 (tt) Kết quả tính toán hệ số ổn định trượt cắt qua thân tường tại tâm O1 136

Bảng 4.31 Kết quả tính toán hệ số ổn định trượt cắt qua thân tường tại tâm O2 138

Bảng 4.31 (tt) Kết quả tính toán hệ số ổn định trượt cắt qua thân tường tại tâm O2 139

Bảng 4.32 Kết quả tính toán hệ số ổn định trượt cắt qua thân tường tại tâm O3 140

Bảng 4.32 (tt) Kết quả tính toán hệ số ổn định trượt cắt qua thân tường tại tâm O3 141

Bảng 4.33 Kết quả tính toán hệ số ổn định trượt cắt qua thân tường tại tâm O4 142

Bảng 4.33 (tt) Kết quả tính toán hệ số ổn định trượt cắt qua thân tường tại tâm O4 142

Bảng 4.34 Kết quả tính toán hệ số ổn định trượt cắt qua thân tường tại tâm O5 143

Bảng 4.34 (tt) Kết quả tính toán hệ số ổn định trượt cắt qua thân tường tại tâm O5 144

Bảng 4.35 Bảng quả tính toán hệ số ổn định trượt Fs cho hai trương hợp: trượt sâu dưới chân tường và trượt cắt ngang thân tường 145 

HỐ ĐÀO

Hình 1.1 Gia công hố đào bằng cừ thép hình chữ U 5 

Hình 1.2 Chi tiết tường barrette tầng hầm công trình dân dụng 6 

Hình 1.3 Cọc hồi đơn 7 

Hình 1.4 Cọc nhồi tiếp xúc 7 

Hình 1.5 Cọc nhồi các tuyến 8

Hình 1.6 Cần khoan cọc đơn 11 

Hình 1.7 Cần khoan 11 

Hình 1.8 Thiết bị thi công cọc ximăng - đất 12 

Hình 1.9 Chi tiết cần và lưỡi khoan 12 

Hình 1.10 Tường vây cọc ximăng - đất công trình 145 Phan Chu Trinh Tp.Vũng Tàu 13 

Hình 1.11 Cọc tường vây công trình Sài Gòn Pearl Nguyễn Hữu Cảnh Tp.HCM 13 

Hình 1.12 Tường vây cọc ximăng - đất có gia cố thép hình 14 

Hình 1.13 Các dao trộn điển hình trong công nghệ trộn của Thụy Điển (thông tin công nghệ 1992) 14 

Hình 1.14 Hình ảnh bánh xe trộn theo công nghệ Geomix 16 

Hình 1.15 Hình ảnh thi công tường ximăng - đất theo công nghệ Geomix 16 

Hình 1.16 Công trình tường ngăn thấm ở Phần Lan 16 

Hình 1.17 Công trình thi công kè và gia cố hố đào theo công nghệ Geomix ở Thụy Sĩ 17 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CHO TƯỜNG CHẮN BẢO VỆ THÀNH HỐ ĐÀO BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT

Hình 2.4 Mô hình làm việc của tường giằng chống nhiều tầng 38 

Hình 2.5 Sơ đồ tính toán dầm ngang 40

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH YẾU TỐ PHÁ HOẠI CHÍNH TƯỜNG CHẮN CỌC XIMĂNG - ĐẤT ĐỂ GIA CỐ HỐ ĐÀO SÂU Hình 3.1 Chi tiết mũi khoan CN S 42 

Hình 3.2 Chi tiết mũi khoan CN D 43 

Hình 3.3 Lưu đồ công nghệ T 44 

Hình 3.4 Biểu đồ biểu diễn độ cứng của cọc ximăng - đất 45 

Hình 3.5 Sơ đồ thi công cọc ximăng - đất theo công nghệ trộn ướt 45

Hình 3.6 Cọc cát tuyến (secant piles) 46 

Hình 3.7 Ô lưới cọc (Girds or lattices) 46 

Hình 3.8 Cọc khối hình chữ nhật 46

Hình 3.9 Cọc khối cho hố đào tròn 46

Hình 3.10 Tường cọc ximăng - đất có gia cường thép hình 46 

Hình 3.11 Mô hình tường chắn cọc ximăng - đất gia cố thành hố đào 47 

Hình 3.12 Các mô hình hoạt động của cần trộn cọc ximăng - đất 51 

Hình 3.13 Mô hình lực tác dụng khi thi công trộn cọc ximăng - đất 52 

Hình 3.14 Mô hình mô phỏng tính toán biến dạng dẻo theo L M Kachanôp 52 

Hình 3.15 Chi tiết các hàng cọc của tường chịu ảnh hưởng áp lực ngang do σp 53 

Hình 3.16 Chi tiết mô tả vùng chịu ảnh hưởng trong mô hình cọc cát tuyến hàng đơn 57 

Hình 3.19 Mô hình tính toán trường hợp phá hoại do Qmax, Mmax 60 

Hình 3.20 Kiểu trượt tịnh tiến 61 

Hình 3.21 Kiểu lật đổ 61 

Hình 3.22 Kiểu trượt nghiêng 61 

Hình 3.23 Kiểu trượt xoay 61 

Hình 3.24 Trượt mặt phẳng 62 

Hình 3.25 Trượt cung tròn 62 

Hình 3.26 Trượt không theo nguyên tắc 62 

Hình 3.27 Trượt hỗn hợp 62 

Hình 3.28 Mặt trượt cắt ngang thân tường 63 

Hình 3.29 Mặt trượt qua đáy chân tường 63 

Hình 3.30 Mô hình kiểm tra ổn định tổng thể tường chắn bằng cọc trộn dưới sâu 66  Hình 3.31 Hiện tượng đất bị trồi 67 

Hình 3.32 Mô hình tính toán trồi đất 67

Hình 3.33 Tính toán trồi nước 69

Hình 3.34 Sự cố công trình tòa nhà Pacific Nguyễn Thị Minh Khai Quận 1 70 

Hình 3.35 Sự cố công trình cao ốc văn phòng Sài Gòn Residences 71

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH CÁC CƠ CHẾ PHÁ HOẠI TƯỜNG BẰNG PHẦN MỀM PLAXIS 2D Hình 4.1 Mô hình bài toán phần tử hữu hạn trong Plaxis 72 

Hình 4.2 Mô hình chia lưới phần tử trong Plaxis 73 

Hình 4.3 Phần tử tam giác 6 nút 73 

Hình 4.7 Biểu đồ moment cho hệ tường có neo theo lý thuyết 84 

Hình 4.8 Biểu đồ phân phối moment cho tường không neo tính bằng Sap.2000 85 

Hình 4.9 Biểu đồ phân phối moment cho tường có neo Tính bằng Sap.2000 86 

Hình 4.10 Mô hình tường không neo 86 

Hình 4.11 Biểu đồ phân phối moment tường không neo 87 

Hình 4.12 Mô hình tường có neo q = 10 (kN/m2), D = 9.0(m) 87 

Hình 4.13 Biểu đồ phân phối moment tường có neo 88 

Hình 4.14 Moment tường không neo 88 

Hình 4.15 Moment tường có neo 88 

Hình 4.16 Đặc trưng vật liệu lớp đất thứ 1 90 

Hình 4.17 Đặc trưng vật liệu lớp đất thứ 2 91 

Hình 4.18 Đặc trưng vật liệu lớp đất thứ 3 91 

Hình 4.19 Đặc trưng vật liệu tường 92 

Hình 4.20 Cân bằng áp lực nước 92 

Hình 4.21 Thiết lập giá trị K0 92 

Hình 4.22 Tồng chuyển vị của tường 92 

Hình 4.23 Đồ thị biểu diễn quan hệ ứng suất σxxvà tải trọng ngoài P (kN/m2) 95 

Hình 4.24 Đồ thị biểu diễn quan hệ ứng suất σ và tải trọng ngoài P (kN/myy 2) 98 

Hình 4.25 Đồ thị biểu diễn quan hệ ứng suất σxyvà tải trọng ngoài P (kN/m2) 101 

Hình 4.26 Đồ thị biểu diễn sự biến thiên giữa chuyển vị ngang Ux và tải trọng ngoài P, H = -2.5 (m), D = 9.0 (m) 103 

đến 25 kN/m2, H = -2.5 m, D = 9.0 (m) 105 

Hình 4.29 Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa ứng suất σxxvà độ sâu hố đào H(m) 107 

Hình 4.30 Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa ứng suất σ và độ sâu hố đào H(m) 108yy  

Hình 4.31 Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa ứng suất σ và độ sâu hố đào H(m) 109xy  

Hình 4.32 Biểu đồ biểu diễn biến thiên giữa chuyển vị ngang Ux và độ sâu hố đào

H (m), q = 5 (kN/m2), D = 9.0 (m) 110 

Hình 4.33 Đồ thị biểu diễn sự biến thiên của chuyển vị ngang và moment uốn của

tường khi thay đổi độ sâu hố đào từ -2.0(m) đến -5.0(m) 111 

Hình 4.34 Đồ thị biểu diễn sự biến thiên của chuyển vị ngang và moment uốn của

tường khi thay điều kiện đại chất (Tp HCM và Tp.Cần Thơ), H = 3.0 m, q = 10 (kN/m2), D = 9.0 m 116 

Hình 4.35 Biểu đồ biến thiên của chuyển vị ngang Ux khi mực nước ngầm thay đổi 118 

Hình 4.36 Đồ thị biểu diễn sự biến thiên của chuyển vị ngang và moment uốn của

tường khi thay đổi độ sâu mực nước ngầm 119 

Hình 4.37 Đồ thị biểu diễn sự biến thiến của chuyển vị ngang lớn nhất Umaxx khi đường kính cọc thay đổi 121 

Hình 4.38 Đồ thị biểu diễn chuyển vị ngang, moment uốn của tường khi thay đổi

Hình 4.44 Sơ đồ cung trượt cắt qua thân tường khi thay đổi tâm 145 

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong bối cảnh đất nước đang tiến lên con đường công nghiệp hóa, hiện đại hóa với tốc độ nhanh, không chỉ ở các thành phố lớn, các tỉnh đồng bằng sông Cửu Long ngày càng có nhiều dự án, công trình dân dụng và công nghiệp có quy mô được triển khai xây dựng Trong khi đó, Việt Nam được biết đến là một quốc gia có nhiều vùng đất yếu, đặc biệt lưu vực Sông Hồng và Sông Mêkông Nhiều thành phố và thị trấn quan trọng được hình thành và phát triển trên nền đất yếu với những điều kiện hết sức phức tạp Thực tế này đòi hỏi con người phải tìm ra và phát triển các công nghệ thích hợp để xử lý nền đất yếu

Xử lý nền đất yếu nhằm mục đích làm tăng sức chịu tải của đất nền, cải thiện một số tính chất cơ lý của nền đất yếu như: Giảm hệ số rỗng, giảm tính nén lún, tăng

độ chặt, trị số mođun biến dạng, tăng cường độ chống cắt của đất…

Cho tới thời điểm hiện nay, đã có nhiều phương pháp gia cố nền đất yếu, đặc biệt

là ở những vùng đất yếu Nam Bộ của nước ta, nơi có lớp đất bùn sâu vài chục mét như: dùng đệm cát, cọc cát, trụ vật liệu rời thoát nước thẳng đứng, cọc xi măng-đất, đất - vôi, cát - xi măng, bấc thấm, bản nhựa

Trong đó, công nghệ cọc ximăng - đất đã được ứng dụng tại Việt Nam từ năm 1981và được áp dụng hàng loạt cho các công trình nhà ở và công nghiệp ở Việt Nam mang lại hiệu quả kinh tế cao

Song song với giải pháp sử dụng cọc ximăng - đất để gia cố nền đất yếu, thì vấn

đề giải quyết bài toán sử dụng cọc ximăng - đất để gia cố thành hố đào trong quá trình thi công các hạng mục ngầm của các công trình dân dụng, giao thông, công trình thủy như: nhà ở chung cư, cao ốc văn phòng, bãi đậu xe ngầm, đường cầu chui…là một vấn

đề phức tạp cần phải giải quyết như thế nào để đạt kết quả an toàn, không ô nhiễm môi trường và kinh tế nhất

Do cơ chế làm việc của loại tường chắn đất gia cố hố đào sâu nói chung tường

cọc ximăng - đất nói riêng diễn biến rất phức tạp Chính vì vậy, vấn đề “nghiên cứu

tính toán các cơ chế phá hoại tường chắn loại cọc ximăng - đất để gia cố hố đào sâu” cần được nghiên cứu, giải quyết

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Tìm hiểu nguyên nhân và tính toán các cơ chế phá hoại tường chắn loại cọc ximăng - đất gia công hố đào sâu

Sử dụng phần mềm plaxis để mô phỏng và phân vùng ứng suất biến dạng cho từng trường hợp bài toán

3 Phương pháp nghiên cứu

Dựa trên phương pháp đồ giải H.Blum và phương pháp cân bằng giới hạn Coulumb để tính nội lực của tường

Thu thập thống kê số liệu các công trình đã có để làm cở sở dữ liệu cho các phương án tính toán

Tính toán, phân tích dựa trên các phương pháp tính, các phần mềm chuyên dùng Phân tích, chọn lựa phương án và tiến hành tính toán theo phương án đã lựa chọn

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Phân tích các cơ chế phá hoại tường cọc ximăng - đất để gia cố hố đào sâu cho các vùng đất yếu thuộc hai khu vực thành phố Hồ Chí Minh và thành phố Cần Thơ trên

cơ sở tìm hiểu và quan trắc các công trình đã có để tìm hiểu nguyên nhân

Thiết lập nguên lý thiết kế gia cố và đề ra quy trình kỹ thuật thi công cho công

để giảm, tránh sự cố có thể xảy ra

5 Nội dung luận án

Nội dung của luận văn là đề xuất giải pháp thiết kế và nguyên lý tính toán tường vây loại cọc ximăng - đất bảo vệ hố đào sâu để tránh phá hoại

Với các nội dung chính sau:

Chương 1: Tổng quan về các giải pháp bảo vệ thành hố đào và sử dụng cọc

ximăng - đất trong công tác bảo vệ thành hố đào

Chương 2: Mô hình và phương pháp tính toán cho tường bảo vệ thành hố đào

bằng cọc ximăng - đất

Chương 3: Phân tích yếu tố phá hoại chính tường chắn cọc ximăng - đất để

gia cố hố đào sâu

Chương 4: Mô phỏng và phân tích các yếu tố phá hoại tường chắn bằng

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC GIẢI PHÁP BẢO VỆ THÀNH HỐ ĐÀO

VÀ SỬ DỤNG CỌC XIMĂNG - ĐẤT TRONG CÔNG TÁC BẢO VỆ THÀNH

HỐ ĐÀO

1.1 Sơ lược các giải pháp gia cố hố đào hiện nay thường dùng

Các giải pháp chống đỡ thành hố đào thường được áp dụng là: Tường cừ thép (steel sheet pile), tường barrette (tường bê tông cốt thép trong đất), tường vây cọc nhồi đường kính nhỏ, tường cừ cọc ximăng – đất

Tường cừ thép

Ngày nay, trong lĩnh vực xây dựng tường cừ thép có tên gọi khác là cừ Larsen được sử dụng ngày càng phổ biến trong lĩnh vực xây dựng, cầu, cảng, hầm và các công trình giao thông và công trình công nghiệp khác

Cừ thép không chỉ được sử dụng trong các công trình tạm thời mà cũng có thể xem như là một loại vật liệu xây dựng, với những đặc tính riêng biệt, thích dụng với một số bộ phận chịu lực trong công trình xây dựng

Cừ thép được sử dụng với nhiều hình dạng và kích thước khác nhau với những đặc tính và khả năng chịu lực ngày càng được cải thiện Ngoài cừ có hình dạng mặt cắt ngang chữ U, Z thông thường mà còn có các loại có mặt cắt ngang Omega (W), dạng tấm phẳng cho các kết cấu tường chắn tròn khép kín, dạng hộp được nối thành bởi hai cọc U hoặc 4 cọc chữ Z hàn với nhau Ngoài ra đối với các công trình có tải trọng lớn phải dùng các loại cừ cọc thép ống hoặc cọc thép hình

Về kích thước bề rộng cừ thép có bề rộng thay đổi từ 400mm đến 750mm Đối với các loại cừ có bề rộng bản lớn thường có hiệu quả kinh tế hơn trong quá trình sử dụng

Chiều dài cừ có thể được chế tạo lên tới 30m tại xưởng Tuy nhiên chiều dài thực tế của cừ thép thường được quyết định vận chuyển (thông thường từ 9m đến 15m) Riêng dạng cừ gia công tại công trường có thể lên tới 72 m

Ưu điểm: Có khả năng chịu lực lớn trong khi đó trọng lượng khá bé

Cừ này có thể nối dễ dàng bằng mối hàn hoặc bulông nhằm nâng cao chiều dài của cừ

Hình 1.1 Gia công hố đào bằng cừ thép hình chữ U

Có thể sử dụng nhiều lần và tính hiệu quả kinh tế cao

Chất lượng, khả năng chịu tải, tiêu chuẩn an toàn được thiết kế trong nhà xưởng

Thi công nhanh, thuận tiện và đơn giản trong điều kiện đất yếu

Khả năng ngăn nước tốt

Tùy theo yêu cầu ta có thể bố trí cừ hợp lý

Tường cọc barrette (tường cừ trong đất)

Tường cọc barrette là loại tường bêtông cốt thép trong đất thường có chiều dày

từ 600mm đến 800mm để chắn, ổn định hố móng sâu trong quá trình thi công Tường

có tiết diện chữ nhật thường có chiều rộng thay đổi từ 2,6m đến 5,0m Tùy theo chiều sâu tầng hầm, điều kiện địa chất công trình mà ta có thể tính toán và thiết kế chiều sâu

tường hợp lý và chiều sâu tường có thể lên tới 40m

Tường cọc barrette được sử dụng cho các hố móng sâu trên 10m Chúng kết hợp

hệ neo, giằng chống tạo thành bức tường khép kín ngăn chặn áp lực đất, áp lực nước ngầm, ngăn thấm và các điều kiện bất lợi khác làm ảnh hưởng tới kết cấu bên trong tầng hầm

Hình 1.2 Chi tiết tường cọc barrette tầng hầm công trình dân dụng

Ưu điểm: Tường cọc barrette có ưu điểm là có độ cứng cao, tính biến dạng

tương đối ít, tính chống thấm tốt và đặc biệt là nó có khả năng chịu được áp lực cao

Nhược điểm: Do công nghệ thi công còn phức tạp, khối lượng vật liệu lớn Đòi

hỏi máy móc hiện đại và đội ngũ công nhân có tay nghề cao Hiện nay, loại tường này được sử dụng phổ biến ở Việt Nam và các nước trên thế giới trong các lĩnh vực xây dựng, giao thông và cả thủy lợi

Tường cọc khoan nhồi (tường vây cọc nhồi đường kính nhỏ)

Đây là phương pháp khoan tạo lỗ đồng thời kết hợp với việc bơm dung dịch bentonite có khả năng giữ thành vách hố đào không cho sạt lỡ Sau đó làm sạch cặn lắng và đất bùn rơi xuống dưới đáy lỗ, tiến hành hạ lồng thép và cho đổ bêtông cọc (theo phương pháp đổ bêtông dưới nước) Khi bêtông cọc đã ninh kết, đông rắn và đạt được cường độ nhất định ta tiến hành đào hở đầu cọc, đập vỡ đầu cọc và thi công dầm giằng đỉnh cọc tường vây

Các phương pháp tạo lỗ:

Tạo lỗ cọc bằng đào thủ công

Tạo lỗ cọc bằng thiết bị khoan guồng xoắn và hệ guồng xoắn (tạo hệ thống tường vây Diaphragm wall)

Tạo lỗ cọc bằng thiết bị khoan thùng đào

Tạo lỗ bằng thiết bị gầu dẹt cơ cấu thủy lực

Tạo lỗ cọc bằng máy khoan cọc nhồi kiểu bơm phản tuần hoàn

Tạo lỗ bằng phương pháp sói nước bơm phản tuần hoàn

Vị trí cọc được bố trí tùy theo điều kiện chịu tải, điều kiện địa chất và qui mô công trình mà ta có thể bố trí cọc liên tục hoặc cách khoảng

Có thể xuyên qua các tầng sét cứng, cát chặt ở giữa nền đất để xuống các độ sâu lớn

Hình 1.3 Cọc nhồi đơn Hình 1.4 Cọc nhồi tiếp xúc

Khó kiểm tra khuyết tật và chất lượng cọc sau khi thi công

Các cọc khoan nhồi thường gặp trong thi công tường vây

1.2 Giới thiệu về cọc ximăng – đất bảo vệ thành hố đào, những sự cố xảy ra trong tính toán và thực tế

1.2.1 Khái niệm và sơ lược lịch sử hình thành cọc ximăng–đất

Cọc ximăng - đất sử dụng cốt liệu chính là đất tại chỗ, gia cố với một hàm lượng ximăng, phụ gia nhất định tùy thuộc vào loại và các tính chất cơ – lý – hóa của đất nền tại khu vực đặt công trình thi công Mục đích chính của việc sử dụng công nghệ cọc ximăng – đất là nhằm cải thiện để tăng cường độ, giảm tính thấm và tăng sức bền dựa trên các phản ứng của ba thành phần chính là đất, ximăng và nước để tạo nên một loại

vật liệu mới có cường độ tốt hơn, môđun biến dạng tăng … Nhìn chung, cho đến thời

điểm hiện nay thì trên thế giới đã cho ra đời các công nghệ thi công mới áp dụng cho cọc ximăng - đất như sau:

Năm 1954: Công ty Repakt của Mỹ cho ra đời công nghệ MIP (Mixing in Place) Đây là công nghệ khoan đơn chỉ áp dụng ở Mỹ

Năm 1960 công nghệ DLM (Deep Lime Mixing) được Trung Quốc báo cáo và nền tảng dựa trên công nghệ CDM (Ciment Deep Mixing) Nhưng đến năm 1970 thì quá trình nghiên cứu được bắt đầu

Năm 1961 người Nhật đã áp dụng công nghệ MIP để thi công hơn 300,000m cọc ximăng – đất gia cố hố đào và ngăn thấm nước ngầm Đến 1970 công ty Seiko Kogyo của Nhật đã áp dụng thành công tường chắn bằng công nghệ DMM (Deep Mixing Method) và SMW (Soil Mixing Wall)

Năm 1972 công ty Seiko Kogyo của Nhật tiếp tục duy trì và phát triển công nghệ SMW trong thi công tường chắn

Năm 1974 công nghệ DLM (Deep Lime Mixing) đã được hoàn thiện và áp dụng tại Nhật Bản Cũng trong năm này Thụy Điển đã thử nghiệm cọc có chiều sâu 12m và đường kính 0,5m

Năm 1975 PHRI đã phát triển vượt bậc công nghệ CDM (Cement Deep Mixing)

và áp dụng cho các dự án lớn

Năm 1976 PWRI (Public Works Research Institute) đã đầu tư nghiên cứu công nghệ DJM

Các công nghệ này luôn dược cải tiến và ứng dụng rộng rãi từ năm 1976 đến nay

và phần lớn vấn đề nghiên cứu được xuất phát từ người Nhật Bản

Hiện nay, việc sử dụng cọc ximăng – đất để gia cố hố đào được áp dụng rộng rãi nhất ở Việt Nam là công nghệ DMM (SMW) của Nhật Bản và công nghệ Geomix, công ty Soletanche Bachy, nước Pháp

nền tại chỗ, hỗn hợp vật liệu là sự kết hợp của 3 thành phần chính đất tại chỗ, ximăng,

nước và một lượng nhất định phụ gia cần thiết

Mô phỏng sơ lược thiết bị và quy trình thi công tường cọc ximăng - đất theo công nghệ CDM và SMW:

Cement Deep Mixing

Công nghệ SMW Soil Mixing Wall

Hình ảnh máy trộn

Mô phỏng trạng thái

làm việc

Các cần quay làm đất di chuyển và bị cắt trộn đều tạo ra hỗn hợp đất

Các mũi khoan, các cần khoan quay tạo ra hỗn hợp đất tại chỗ, kết hợp với ximăng tạo nên bức tường ximăng - đất liên tục

phụ gia cần thiết khác

rời

Bùn sét mềm cho tới cứng, cát, sỏi sạn, sỏi cuội đá tảng

Phạm vi ứng dụng Phần lớn áp dụng cho các

công trình kè chắn sóng vùng biển và bờ sông

Gia cố hố đào, ngăn dòng mực nước ngầm

Hình 1.8 Thiết bị thi công cọc ximăng - đất

Hình 1.9 Chi tiết cần và lưỡi khoan

Hình 1.10 Tường vây cọc ximăng - đất công trình 145 Phan Chu Trinh tp Vũng Tàu

Hình 1.11 Cọc tường vây công trình Sài Gòn Pearl Nguyễn Hữu Cảnh Tp.HCM

phần chính là đất tại chỗ, ximăng và một hàm lượng phụ gia nhất định, không có cốt thép Nhưng trong điều kiện cần thiết như: gia công hố đào quá sâu cần phải giằng chống do áp lực ngang của đất và nước ngầm quá lớn, người ta có thể tăng cường khả

năng chịu uốn của cọc này bằng cách gia cường các thanh thép hình vào cọc khi vừa trộn xong Số lượng và vị trí cọc được gia công thép hình tùy theo điều kiện địa chất khu vực và độ sâu hố đào

Việc sử dụng ưu điểm tối đa của vật liệu hỗn hợp ximăng - đất và công nghệ áp dụng cho loại vật liệu này để gia cố đất nền và vách hố đào ngày càng được áp dụng rộng rãi trên thế giới Đồng thời hiện nay công nghệ này cũng ngày càng phổ biến ở Việt Nam Điển hình như một số dự án lớn ở Việt Nam đã thực hiện công nghệ này: đường băng sân bay Cần Thơ, công trình Sài Gòn Pearl Nguyễn Hữu Cảnh….thêm vào một số công trình trọng điểm khác

Nhật Bản thì hiện nay một số công trình ở Việt Nam đang sử dụng loại vật liệu này để gia cố thành hố đào dưới dạng bản tường (tấm panel) đó là công nghệ Geomix, công ty Soletanche Bachy thi công

Geomix cũng là một công nghệ dựa trên quy trình sử dụng cốt liệu chính là đất tại chỗ, gia cố với một hàm lượng ximăng và phụ gia nhất định tùy thuộc vào loại và các tính chất cơ – lý – hóa của đất nền tại khu vực đặt công trình thi công để tạo nên những bức tường liên hoàn dùng trong việc gia cố thành hố đào, ngăn thấm rất tốt và rất thân thiện với môi trường

phương pháp thi công và hình dạng sản phẩm sau khi thi công

Về thiết bị thi công: Loại dao dùng để cắt đất cho công nghệ này là loại dao CSM (cutter soil Mixing) Loại dao này gồm các motor thủy lực phía trên và hai dao cắt và trộn đất hình bánh xe tròn được định vị cố định Khi bánh xe quay đất sẽ bị cắt

và trộn đều với ximăng Thiết bị trên phù hợp với thi công tường panel ximăng - đất

Về phương pháp thi công cũng như công nghệ DMM nhưng nó chỉ khác ở chỗ: chúng dùng bánh xe quay nhờ vào các motor thủy lực cắt đất, đất sau khi bị cắt sẽ được xáo trộn với ximăng theo vòng quay của dao, dao trộn sẽ được di chuyển lên xuống nhằm bảo đảm sự đồng đều của đất và ximăng

Hình 1.14 Hình ảnh bánh xe trộn theo công nghệ Geomix

Hình 1.15 Hình ảnh thi công tường ximăng - đất theo công nghệ Geomix

Với công nghệ Geomix sản phẩm sau khi thi công là tấm panel ximăng - đất liên tục Phần lớn các sản phẩm thi công theo công nghệ này có tác dụng ngăn thấm, ngăn

sự xâm thực của nguồn nước ô nhiểm, bờ kè và gia công vách hố đào nhưng ít phổ biến

do khả năng chịu uốn thấp hơn so với công nghệ DMM của Nhật Bản

Hình 1.16 Công trình tường ngăn thấm ở Phần Lan

Xét về phạm vi vùng lãnh thổ: hiện nay trên thế giới quốc gia sử dụng công nghệ DMM nhiều nhất là Nhật Bản và các nước vùng Scandinaver Theo thống kê của hiệp hội CDM của Nhật Bản tính chung từ năm 1980-1986 có tổng cộng 2345 dự án sử dụng khoản 26 triệu m3 hỗn hợp vữa ximăng - đất Riêng tính từ năm 1977 đến 1993 lượng đất được gia cố bằng công nghệ DMM ở Nhật lên tới 23,6 triệu m3 cho các dự án ngoài biển và trong đất liền Hiện nay, hằng năm nước này thi công DMM khoản 2 triệu m3

Ở Trung Quốc mặc dù công nghệ này đã được báo cáo vào năm 1960, nhưng đến năm 1978 mới áp dụng, tổng khối lượng xử lý bằng công nghệ DMM cho đến nay khoản hơn 1 triệu m3

Tại Châu Âu nghiên cứu và ứng dụng bắt đầu ở Thủy Điển và Phần Lan trên phương diện nghiên cứu cọc với theo công nghệ SLC Dự án đươc áp dụng là sân bay Ska Edeby cọc vôi đường kính 0,5 m, sâu dưới 15 m

Tại Việt Nam, phương pháp này được đưa vào nghiên cứu của những thập niên

80 với sự giúp đỡ cửa viện địa kỹ thuật Thụy Điển (SGI) một thiết bị thi công do tiến sĩ Trần Chấp chủ trì

trong lĩnh vực xăng dầu, khi công trình chấp nhận một độ lún cao hơn bình thường tuy nhiên lại có hiệu quả kinh tế cao Trong thời gian này, song song với việc áp dụng nhiều thí nghiệm tại hiện trường được thực hiện Nhưng đây là những thí nghiệm mang tính nghiên cứu

Từ năm 2002 đã có một dự án bắt đầu sử dụng cọc ximăng - đất trên nền đất yếu như dự án cảng Ba Ngòi (Khánh Hòa) với lượng cọc ximăng - đất là 4000m, cọc có đường kính là 0.6m thi công bằng công nghệ trộn khô; Xử lý nền cho bồn chứa xăng dầu tại Cần Thơ với đường kính bồn 21m, cao 9m Năm 2004 cọc ximăng - đất được

sử dụng gia cố nền cho nhà máy nước huyện Vụ Bản (Hà Nam), xử lý móng cho bồn chứa xăng dầu Đình Vũ (Hải Phòng) và các dự án này đều được thực hiện theo công nghệ trộn khô

Năm 2004 Viện Khoa Học Thủy Lợi Việt Nam tiếp nhận chuyển giao công nghệ khoan phụt cao áp (Jet-grouting) của Nhật Bản Đề tài đã ứng dụng công nghệ và thiết

bị này trong nghiên cứu sức chịu tải của cọc đơn và nhóm cọc, khả năng chịu lực ngang, ảnh hưởng của hàm lượng ximăng đến tính chất của cọc ximăng - đất Nhằm ứng dụng cọc ximăng - đất vào xử lý nền đất yếu, chống thấm cho các công trình thủy lợi: dự án được thực hiện là sửa chữa chống thấm cho cống trại Nghệ An, cống D10 (Hà Nam) cống Rạch C Long An

Tại Đà Nẵng cọc ximăng - đất được áp dụng cho dự án Plaza Vĩnh Trung dưới 2 hình thức: làm tường trong đất và thay thế cọc nhồi

Tại TP Hồ Chí Minh một số dự án đã sử dụng cọc ximăng - đất như: ĐL Đông Tây, Tòa nhà Sài Gòn Time Square, tường chắn đất Sài Gòn Pearl đường Nguyễn Hữu Cảnh, Quận 2, chống mất ổn định công trình Hồ Bán Nguyệt Phú Mỹ Hưng Quận 7…

Tại Quảng Ninh công trình nhà máy nhiệt điện Quảng Ninh đã áp dụng công nghệ phun ướt

Tại Hà Nội có dự án hầm đường bộ Kim Liên, đường Láng Hòa Lạc nối liền khu công nghệ cao Hòa Lạc

Tại Cần Thơ có đường băng sân bay Cần Thơ

Bảng 1.0 Tóm tắt các công trình sử dụng cọc ximăng - đất tại Việt Nam

cọc (m)

Tổng chiều dài (m) đã thi công

Công nghệ thi công

với Đại Lộ Đông Tây

Ximăng được sử dụng làm chất gia cố phải đảm bảo các yêu cầu sau:

Ximăng Porland chuẩn

1.2.3.2 Các phản ứng hóa học

Phản ứng ximăng hóa (phản ứng Pozzolanic)

Ở trong đất luôn luôn có một hàm lượng nhất định Si2O (Ôxít Silic) và Al2O3

(Alumin hoạt tính) Chúng dễ dàng phản ứng với Ca(OH)2

gồm:

Hydro Silicat Canxit ở 2 dạng: CHS và C2SH2

Hydro Aluminat Canxit 3: CaOAl2O3.6H2O

Hydro ferat Aluminat canxit 3: CaOAl2O3 3CaSO4.31H2O

Hydroxit Canxi: Ca (OH)2

Theo nghiên cứu P.A Rebinder cho rằng: Sự hình thành nên cường độ của ximăng đông cứng chia làm 2 giai đoạn:

Giai đoạn thứ nhất bắt đầu từ chuyển dịch của ion tinh thể các khoáng vật trong ximăng khi chúng tác dụng với môi trường nước và hydrat chúng trong môi trường này Tiếp theo là sự kết tinh hóa của khoáng vật mới, ổn định vừa tách ra từ dung dịch bão hòa của những sản phẩm hydrat nói trên Đây chính là mầm kết tinh, là yếu tố để hình thành một pha mới Trong giai đoạn đầu tiên của quá trình đông cứng từ những hạt nguyên sinh của chất kết dính và những mầm kết tinh nảy sinh cấu trúc ngưng tụ Cấu trúc ngưng tụ là một mạng không gian được tạo nên bằng con đường kết dính chưa

có một mạng nhất định từ những hạt nhỏ nhất của pha rắn phân tán trong môi trường phân tán Trong cấu trúc ngưng tụ, lực dính kết là lực hóa học và lực phân tử, do cấu trúc này cố độ bền yếu và có tính xúc biến Do vậy, hỗn hợp giữa ximăng và đất được cải tạo có cường độ chưa đáng kể

Ở giai đoạn thứ 2 tiếp theo, sự đông cứng tạo nên cấu trúc kết tinh, cấu trúc này

có độ bền cao gấp 10 lần, 100 lần so với cấu trúc ngưng tụ Sự phát triển cấu trúc kết tinh xảy ra qua 2 thời kì:

Đầu tiên là xuất hiện khung cấu trúc kết tinh cùng với sự phát triển mối tiếp xúc cộng sinh giữa các tinh thể của những thành phần tạo mới được hình thành

Tiếp theo quá trình tạo khung là quá trình ghép các khung vừa được hình thành, tạo nên mối liên kết cấu trúc kết tinh có cường độ cao, không có tính chất xúc biến, từ

đó tạo nên cường độ của ximăng đông cứng

Nhiều công trình nghiên cứu đã được công bố khẳng định rằng: CSH (Hydro Silicat Canxit) đóng vai trò quan trọng trong sự hình thành độ bền của ximăng đông cứng, là yếu tố tạo nên khung tinh thể Chính những tinh thể CSH (Hydro Silicat Canxit) hình thành nên những tinh thể riêng biệt bằng cách trùng hợp tạo nên các cao phân tử (Hidrosilicat polime - Canxi), chúng được nối liền với mối liên kết tĩnh điện bền vững có kể đến vai trò của các cation cũng như mối liên kết tĩnh điện trùng hợp với

những cao phân tử CHS tạo nên các tinh thể có kích thước tới 1mm Một số công trình khoa học đã nhận xét rằng: Bên cạnh CSH , Hydrôxít không chỉ là yếu tố tạo môi trường thủy phân hợp chất clinke mà là một trong những yếu tố tham gia cấu trúc của khung kết tinh trong ximăng đông cứng Ngoài ra, sự tách ra trong pha rắn một khối lượng đáng kể Hydrosunfat Aluminat Canxit và Hydro Aluminat Canxit đã góp phần tạo nên cấu tạo cấu trúc ngưng tụ và gây nên sự đông cứng của ximăng

Theo A.A Baicốp, quá trình nhào trộn ximăng có thể chia làm ba giai đoạn

Giai đoạn hòa tan

Khi nhào trộn ximăng với đất giữa chúng sẽ xảy ra các tác dụng vật lý và hóa học Đầu tiên cùng với sự phân bố trên bề mặt hạt ximăng, các quá trình hòa tan các khoáng và thủy hóa được bắt đầu, trước hết các khoáng hoạt tính cao nhất thủy hóa như: C3A, C3S và do sự hòa tan của chúng nhỏ, sự bão hòa pha lỏng với các sản phẩm thủy hóa bắt đầu Giai đoạn này tương đối ngắn của quá trình rắn chắc

Giai đoạn hóa keo

Thời kì này tương đối tiến triển mạnh mẽ Quá trình cơ bản của thủy hóa các khoáng clinke là sự hòa hợp trực tiếp của nước và pha rắn không có sự hòa tan trung tạo nên những hợp chất hydrat mới có tính ổn định cao hơn khoáng tạo nên nó và do tác dụng tương hỗ với nước, các sản phẩm hóa có độ mịn khá lớn và gần như dạng keo

Do đó A.A Baicốp gọi giai đoạn này là giai đoạn hóa keo Các sản phẩm thủy hóa (và một phần thủy phân) cơ bản của các khoáng ximăng là hydro silicat canxi với số lượng chiếm từ 75% - 80% khối lượng clinke Các chất này trong giai đoạn đầu có độ phân tán cao gần với thể keo (trong phạm vi từ 5-20, có khi lênh tới 100-200 Micro) dần dần chuyển hóa thành gen và cũng tạo mầm kết tinh Ngoài các hydro silicat canxit, do kết quả thủy phân của khoáng còn tạo nên nhóm thứ hai là các hydrat mới tạo thành các cấu trúc có tinh thể thô hơn, khác với tinh thể gen đó là hydrat của ôxít canxi [Ca(OH)2] tạo ra khi thủy phân C3S hydro aluminat canxi 3CaO.Al2O3 6H2O (sản

phẩm thủy phân của C4AF) cũng như Hydro sunfua Aluminat canxi 3CaO.Al2O3.3CaSO4.31H2O tạo nên do thêm chất phụ gia vào ximăng

giảm thể tích tuyệt đối sản phẩm mới tạo thành so với thể tích tuyệt đối của các thành phần ban đầu Nhưng do thể tích ngoài của đá ximăng không đổi dẫn đến hình thành những lỗ rỗng kín, nâng cao độ đặc chắc trong pha rắn

Giai đoạn kết tinh

Cùng với sự phát triển của quá trình thủy hóa và sự tăng lên của sản phẩm thủy hóa lượng nước tự do trong hệ không ngừng giảm xuống, nước còn lại được phân bố lại trong hệ xuất hiện những dạng liên kết phức tạp của nước với pha rắn Do sự giảm lượng nước tự do, hệ dần dần sệt lại cho đến khi mất hoàn toàn tính linh động Thời kì này gọi là thời kì ninh kết, là thời kì quan trọng của quá trính hình thành cấu trúc đá ximăng Kết cấu keo tụ được hình thành trong thời gian này có đặc tính là có một cường độ dẻo nào đó khác với cường độ cơ học ở chỗ có khả năng phục hồi xúc biến (hóa lỏng và phục hồi kết cấu) Sau đó là thời kỳ rắn chắc tương đối dài với sự phát triển không ngừng cường độ cơ học do cấu trúc đá ximăng không ngừng được lèn chặt

và quá trình kết tinh phát triển Tác dụng lèn chặt này sinh ra do sự phát triển của quá trình thủy hóa và sự tăng thể tích của pha rắn (thể tích các hydrat luôn luôn lớn hơn thể tích pha rắn ban đầu) Sự phát triển của tinh thể do hiện tượng tái kết tinh làm thay đổi trạng thái tiếp xúc trong nội bộ đá ximăng, từ chỗ tiếp xúc giữa các màng nước biến thành tiếp xúc tinh thể

Khi quan sát dưới kính hiển vi điện tử cho thấy, thành phần của ximăng đông cứng bao gồm những tinh thể, những hạt keo và vi tinh thể, những hợp chất hydrat tàn

dư của ximăng, không khí và nước tự do

Quá trình đông rắn của ximăng và tạo thành cấu trúc mới trong hỗn hợp đất và ximăng xảy ra phức tạp hơn nhiều so với trong bêtông hay hỗn hợp ximăng với nước.Và đặc biệt là trong đất có độ phân tán cao, vì trong trường hợp này ngoài các

quá trình thủy phân và đông rắn của ximăng như trên, còn xảy ra các tương tác hóa học giữa đất với các sản phẩm của ximăng Bề mặt rất lớn của đất với ximăng, đồng thời môi trường kiềm mạnh do ximăng bị thủy phân sinh ra, là những điều kiện thuận lợi cho các phản ứng trao đổi hóa học và hóa lý xảy ra một cách mạnh mẽ Đất sẽ hấp thụ lượng ion Ca2+ đáng kể làm phá vỡ quá trình đông rắn bình thường của ximăng Do đó quá trình đông rắn xảy ra trong hỗn hợp đất và ximăng chậm hơn và cường độ thấp hơn

so với hỗn hợp bêtông hay hỗn hợp ximăng - nước

Những phân tích trên đã cho thấy, các loại đất gia cố ximăng khác nhau đều thấy nồng độ Ca2+ thấp hơn nồng độ bão hòa Và điều kiện xấu nhất đối với quá trình đông rắn của ximăng trong hỗn hợp đất – ximăng là nồng độ của ion Ca2+ nhỏ hơn 2mol/l trong suốt một thời gian Ở điều kiện này, khả năng thành tạo cấu trúc tinh thể và sự phát triển của nó thành bộ xương vững chắc trong hỗn hợp đất ximăng giảm xuống rất mạnh, dẫn đến giảm tính chất đặc trưng cho độ bền của nó Những điều kiện bất lợi như vậy gặp phải khi gia cố ximăng cho các loại đất sét pha nặng, đất sét và đặc biệt là các loại đất có mùn, hữu cơ và các loại đất có độ pH <6

Tóm lại, theo Bezruk và nhiều người khác cho thấy, những yếu tố đặc trưng của đất có ảnh hưởng mạnh đến tính chất của đất –ximăng: thành phần khoáng hóa, bản chất hóa keo (dung lượng trao đổi, thành phần ion bị hấp thụ), hàm lượng của các chất mùn hữu cơ, hàm lượng của các chất muối dễ hòa tan, hàm lượng các cacbonat canxi

và thạch cao

Để trừ bỏ hoặc giảm bớt những quá trình có hại đến quá trình đông rắn và tạo thành cấu trúc mới trong hỗn hợp đất – ximăng, người ta thường sử dụng một số phụ gia hóa học, hóa lý phối hợp cùng với ximăng Chúng có những tác dụng chủ yếu sau: Tăng cường và rút ngắn quá trình tạo thành cấu trúc mới của hỗn hợp đất – ximăng, đảm bảo cho nó có cường độ và bền lâu

Cho phép có thể tiến hành gia cố ximăng mang lại hiệu quả cho các loại đất không thuận lợi hoặc ít thuận lợi khi tiến hành chỉ riêng đối với ximăng

Các loại phụ gia thường dùng là các chất kiềm CaCl2, NaCl, NaOH, thạch cao (CaSO4.nH2O) và hàng loạt các chất hoạt động bề mặt như: Polycrylamid, Abiotyl, xà phòng Naptalic…

V = + (1) Sau khi gia cố thể khối đất sẽ là V, thế tích hạt rắn Vh, thể tích lỗ rỗng Vr:

r

VV

V = h + (2) Như vậy sự thay đổi thể tích của đất sẽ là :

)V(V)V(VVV

ΔV= 0 − = h0 + r0 − h + r (3) Thể tích các hạt rắn coi như không đổi trong quá trình gia cố, nghĩa là Vh0=Vh, do đó

r r0 VV

ΔV= − hay ΔV=ΔVr (4) Biểu thức (4) cho thấy: sự thay đổi thể tích khối đất khi gia cố chính là sự thay đổi thể tích lỗ rỗng trong đất

Như vậy, khi gia cố nền bằng cọc ximăng - đất thì quá trình nén chặt sẽ xảy ra tức thời Hiệu quả nén chặt phụ thuộc vào thể tích vật liệu đưa vào nền, nghĩa là phụ thuộc vào số lượng, đường kính cũng như khoảng cách giữa các cọc, hình dạng bố trí cọc Việc xác định đường kính cọc, khoảng cách giữa các cọc, sơ đồ bố trí cọc hoàn toàn có thể xác định như đối với cọc cát Còn chiều sâu gia cố phụ thuộc vào chiều sâu vùng hoạt động nén ép dưới đáy móng công trình, nghĩa là tại độ sâu mà ở đó thỏa mãn một trong các điều kiện sau đây:

Ứng suất nén ép (σz) nhỏ hơn hoặc bằng 0,1 ứng suất bản thân (σbt) của đất Ứng suất nén ép (σz) nhỏ hơn hoặc bằng áp lực bắt đầu cố kết thấm của đất Ứng suất nén ép (σz) ≤20−30kPa

Việc kiểm tra đánh giá định lượng tác dụng nén chặt đất khi gia cố nền bằng cọc ximăng - đất có thể thực hiện được bằng nhiều phương pháp như: khoan lấy mẫu trong phạm vi giữa các cọc để xác định hệ số rỗng cũng như khối lượng thể tích của khối đất sau khi gia cố hoặc dùng thí nghiệm xuyên tĩnh hay nén tĩnh nền

sẽ hút nước trong đất nền để tạo ra vữa ximăng, sau đó biến thành đá ximăng Quá trình tạo vữa ximăng làm mất một lượng lớn nước trong lỗ hổng của đất, nghĩa là làm tăng nhanh quá trình cố kết của đất nền

Quá trình này xảy ra ngay sau khi bắt đầu gia cố và kéo dài cho đến khi đất nền được gia cố xong, toàn bộ cọc ximăng - đất trở thành một loại bêtông Đây là quá trình biến đổi lý hóa phức tạp chia làm hai thời kì: thời kì ninh kết và thời kì rắn chắc

Mặt khác nếu tỉ lệ pha trộn giữa ximăng, cát và vôi cũng như thành phần hạt của các hợp lý của cọc ximăng – đất sau khi đông cứng có thể cho thoát nước qua và làm việc tương tự như một giếng thu nước thẳng đứng, giống như cọc cát Dưới tác dụng