Bài giảng cao học: CHUYÊN ĐỀ CÔNG NGHỆ MỚI THI CÔNG ĐẤT ĐÁ BÀI 1: THI CÔNG CÁC CÔNG TRÌNH ĐẤT

Theo các nhà địa chất, đất là vật liệu hạt rời, được hình thành từ đá phong hoá, được phân bố cấu trúc biếnđổi theo địa tầng theo tuổi tạo thành và mức độ phong hoá.. Hình 1.6: Kết cấu k

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

Bộ môn Thi công

Bài giảng sau đại học

CHUYÊN ĐỀ CÔNG NGHỆ MỚI THI CÔNG ĐẤT ĐÁ

Bài 1

THI CÔNG CÁC CÔNG TRÌNH ĐẤT

TS Lê Xuân Roanh

Hà Nội tháng 4 năm 2004

LỜI NÓI ĐẦU

Công tác đất thường gặp hầu hết các công trình xây dựng và nó chiếm gíathành không nhỏ đối công trình khi sử dụng vật liệu địa phương là đất vào kếtcấu công trình Nội dung chuyên đề này nhằm giới thiệu công nghệ thi công vàkiểm tra chất lượng khối đắp Để học viên có hệ thống kiến thức, chương 1 giớithiệu sơ lược nguồn gốc đất, các khái niệm liên quan Chương 2 giới thiệu vềmáy thi công, phần này học viên đã học trong chương trình đại học Để nâng cao

và cập nhật các kiến thức về thi công đất, chương 3 giới thiệu về thi công đất cótính chất cơ lý đặc biệt, chương 4 giới thiệu quy trình và phương pháp kiểm trakhống chế chất lượng Bài giảng này làm cơ sở để học viên nghiên cứu thamkhảo Trong quá trình giảng sẽ có một số tiết thảo luận theo chuyên mục

Nội dung

Chương 1: NGUỒN GỐC VÀ PHÂN LOẠI ĐẤT

Chương 2: THI CÔNG ĐẤT

Chương 3: THI CÔNG ĐẤT CÓ TÍNH CHẤT CƠ LÝ ĐẶC BIỆT

VÙNG MIỀN TRUNG

Chương 4: KHỐNG CHẾ VÀ KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG

KHỐI ĐẮP

Chương 1 : NGUỒN GỐC VÀ PHÂN LOẠI ĐẤT

1.1 Chu kỳ đá và nguồn gốc của đất

1.1.1 Khái niệm chung về đất

Tuỳ thuộc vào đối tượng nghiên cứu đất, khaí niệm đất được được mang ý nghĩakhác nhau theo định nghĩa của các nhà chuyên môn Theo các nhà địa chất, đất

là vật liệu hạt rời, được hình thành từ đá phong hoá, được phân bố cấu trúc biếnđổi theo địa tầng theo tuổi tạo thành và mức độ phong hoá Theo quan điểm củacác nhà xây dựng, đất được nhìn nhận khá gần các nhà địa chất song tập trungchú ý về đặc trưng cơ lý, khả năng ổn định của nó khi xây dựng chính nó, đặtcông trình lên nó Theo quan điểm của các nhà thổ nhưỡng đất lại được nhìn ởgóc độ khác nó được khai thác trong canh tác, xử lý

Việc nghiên cứu nguồn gốc của đất ở đây không ngoài mục đích của các nhà kỹ

sư về khai thác và sử dụng đất vào trong công trình xây dựng Vì vậy cần nghiêncứu các tính chất quan trọng của nó như: Nguồn gốc tạo thành, phân bố hạt, đặctính thấm, sức bền nén, kháng cắt và nhiều đặc tính khác Cơ học đất là chinhánh của khoa học đất, nó nghiên cứu về tính chất vật lý của đất, trạng thái ứngsuất khi có lực tác dụng Kỹ thuật về đất lại đi sâu vào nghiên cứu ứng suất, biếndạng và một số đặc tính kỹ thuật khác trong sử dụng vật liệu này vào công trình

1.1.2 Chu kỳ hình thành đá

Trên cơ sở của nguồn gốc, đá có thể được chia ra thành ba loại cơ bản : Phúntrào, trầm tích và biến chất Chu kỳ hình thành và biến đổi của các loại đá đượcthể hiện qua sơ đồ sau

Đá phún trào

Đá phún trào có nguồn gốc từ vật liệu nóng chảy macma phun ra từ lòng đất vànguội lành ở phần vỏ trái đất Sự tổ hợp thành phần macma và cường độ làmlạnh đã tạo ra nhiều dạng đá phún trào khác nhau như một số nhà khoa học đãkết luận

Đá trầm tích

Sự lắng đọng của sỏi, cát, bột, sét do quá trình phong hoá, bị tác động của áp lực

và tác nhân gắn kết như ô xít sắt, can xi, quaz và dolomite tạo thành đá, vàchúng có tên là đá trầm tích hạt Đá trầm tích có nguồn gốc hình thành từ phảnứng hoá học có tên đá trầm tích hoá học

Đá biến chất được hình thành các loại đá đã tồn tại trước đó, bị biến đổi do quánóng hoặc áp lực quá cao mà tạo thành Trong quá trình biến chất một sốkhoáng vật mới hình thành.

Hình 1: Chu kỳ hình thành đá tự nhiên

1.2 Cấu tạo khoáng sét

1.2.1 Các dạng cấu trúc cơ bản khoáng sét

Cấu trúc hình thành nên khoáng sét có ba dạng khối cơ bản sau:

- Khối tứ diện nhân Silicat

- Khối bát diện nhân Nhôm ( Gibbsite)

- Khối bát diện nhân Ma nhê ( Brucite)

Sơ đồ các khối được thể hiện qua các hình sau.

Hình 1.3 : Khối tứ diện- nhân silicát

Hình 1.4 : Khối bát diện – nhân nhôm

Hình 1.5: Kết cấu khoáng sét montmorillnite

Hình 1.6: Kết cấu khoáng sét Kaolinite

Các khối cơ bản này liên kết với nhau thành các tấm liên kết, các tấm liên kết với nhau tạo thành khoáng sét Hiện nay người ta đã tìm ra nhiều loại liên kết của khoáng sét

1.2.2 Liên kết khoáng sét

Liên kết khoáng sét có hai loại cơ bản sau

(1) Liên kết cơ bản

Có ba loại liên kết cơ bản trong khoáng sét, đó là:

- Liên kết hoá trị: là liên kết giữa hai nguyên tử mà chúng cùng chia sẻ một hay

nhiều điện tích.

- Liên kết Iôn: là liên kết giữa các iôn trái dấu.

- Liên kết Kim loại Liên kết này ảnh hưởng ít đến cấu trúc liên kết của khoáng sét

(2) Liên kết cơ sở

- Liên kết Hydro Lực hút xảy ra giữa các cực có điện tích trái dấu, khi nguyên tử

hydro đóng vai trò điện cực dương tham gia liên kết với điện tích trái dấu.

- Liên kết Van- Đơ- Wa (Wander Waal) Các điện tích quay xung quanh hạt nhân

nguyên tử thì có thể có một phía mật độ điện tích nguyên tử nhiều hơn so với phía bên kia Chính điều này gây ra điện cực yếu bất ổn định, kéo theo lực tương tác nhỏ hơn Đây gọi là liên kết Van - Đơ- Wa.

+ Liên kết hydro với nước lưỡng cực: Mối liên kết này được thể hiện qua mô hình

sau.

Hình 1.7 : Liên kết Hyđrô trong cơ chế nước hút bám bề mặt hạt sét

+ Liên kết các iôn biến động Do đặc tính mang điện tích âm tại bề mặt của khoáng sét

nên nó hút các ion dương xung quanh nó Nhưng do đặc tính chuyển động mà các ion dương như Ca ++ , Na + , Al +++ , Mg ++ chuyển động gần sát bề mặt khoáng sét trong cấu trúc tấm và thay thế lẫn nhau, đẩy xa các iôn âm Sự thay thế đồng dạng này diễn ra thường xuyên

+ Liên kết ion dương giữa các lớp: Các ion dương như K+ , Mg ++ , Fe ++ chúng nằm xen

kẽ giữa các tấm có lực liên kết rất mạnh và cũng không bị ảnh hưởng khi có nước tham gia trong môi trường.

(4) Tương tác giữa nước và khoáng sét

Khoáng sét và nước luôn có sự tương tác lẫn nhau và xảy ra tự nhiên Ví dụ khi khô, khoáng sét có thể hút nước từ không khí mà ta quen gọi hút ẩm Đất sét sẽ trương

nở khi nó được bổ sung thêm nước Ngược lại nước có thể thoát khỏi khối đất khi ta tăng nhiệt độ lên 100 o C Như vậy rõ ràng có sự tương tác tự nhiên giữa nước và đất Vấn đề quan trọng ở đây là ta nghiên cứu nước có tham gia gì vào sự liên kết giữa các khoáng sét? Nước ảnh hưởng thế nào tới lực liên kết giữa các khoáng sét với nhau?

Nước là phân tử lưỡng cực, mô hình liên kết phân tử giữa nguyên tử ô xy và hai nguyên tử Hydro được thể hiện qua hình 1.9 sau.

Hình 1.8 : Ảnh chụp kết cấu đất sét biển và đất sét hồ

Hình 1.9 : Mô hình cấu trúc liên kết phân tử nước lưỡng cực

Với cấu trúc trên các phân tử nước bị ảnh hưởng của lực tương tác điện tích âm tại

bề mặt khoáng sét và chính phân tử nước cũng tạo nên tương tác điện tích giống như

từ trường Dưới tác động của điện tích âm mà cac iôn dương và phân tử lưỡng cực được hút dần về phía bề mặt khoáng sét Trật tự sắp xếp ion cân bằng giữa các hạt sét mang điện âm, ion dương và nước lưỡng cực được thể hiện qua mô hình

H

O

105 0

H

Hình 1.10: Phân bố iôn dương, iôn âm quanh bề mặt hạt sét

Khi nghiên cứu khoáng sét cho thấy với nhóm cấu trúc dạng montorillonite hoặc smectite có sự thay thế đồng dạng rất lớn, tạo nên bề mặt mang điện tích âm mạnh Mặt khác ngay chính những khoáng sét này có cấu trúc tấm mỏng, diện tích bề mặt lớn Do vậy nó có khả năng hút nước mạnh hơn so các loại khoáng sét khác Để đặc trưng cho tính chất này, người ta đưa ra chỉ số diện tích riêng để so sánh Chỉ số này được xác định như sau.

Ss = Diện tích bề mặt/ Khối lượng Bảng sau đây chỉ ra một số khoáng sét với các đăc trưng vật lý của chúng

Bảng1.1 : Đặc trưng vật lý của một số khoáng sét thông thường

Loại khoáng sét Chiều dày

tấm (nm)

Đường kính tấm (nm)

Chỉ số diện tích (Km 2 /Kg)

Montmorillonite 3 100-1000 0,8

Illite 30 10.000 0,08

Clatorite 30 10.000 0,08

Kaolinite 50-2000 300-400 0,015

Ghi chú : đơn vị nm trong cột 2 và 3 là Na-nô- mét - 10 -6 mm

Từ bảng trên cho thấy loại đất sét có nguồn gốc từ nhóm mintmorillonite có kích thước tấm rất mỏng, đường kính rất nhỏ và đồng thời diện tích bề mặt cực lớn Đây chính là loại đất sét có khả năng dễ bị trương nở khi gặp nước và dịch chuyển khi

có tác động của áp lực thấm.

Cấu trúc lớp nước quanh hạt sét

Bề mặt hạt sét mang điện tích âm, nó hút các điện tích trái dấu (điện tích dương) Trong môi trường có phân tử nước lưỡng cực thì nó hút các phân tử nước tạo thành màng mỏng, lớp này có tên kỹ thuật là lớp khuyếch tán đôi “Diffuse Double Layer” [44] Lực tương tác giữa các hạt sét phụ thuộc rất lớn vào lớp khuyếch tán đôi này Nếu chiều dày lớp này nhỏ thì kết cấu khoáng sét rất bền vững Ngược lại khi lớp khuyếch tán đôi tăng lên thì lực hút giữ chúng với nhau giảm đi rất lớn Lớp khuyếch tán đôi bao quanh khoáng sét được thể hiện qua hình 1.11.

Trong môi trường đất-nước, xung quanh hạt sét có rất nhiều các iôn, phổ biến là

Ca ++ , Na + , Mg ++ , Al +++ , Li + Các iôn luôn chuyển động và gây ra lực tương tác thay đổi giữa các khoáng sét khi chính các iôn này làm nhân cho kết cấu tấm của khoáng sét Ta biết rằng sự thay thế các iôn giữa các tấm của khoáng sét là phổ biến và sự thay thế trên xảy ra phụ thuộc vào các yếu tố sau.

- Hoá trị: Nguyên tử có hoá trị cao hơn thay thế cho nguyên tử hoá trị thấp hơn.

Hình 1.11: Cấu tạo lớp khuyếch tán đôi quanh hạt sét

- Mật độ các iôn: Trong môi trường giầu một loại iôn.

- Độ mạnh của iôn : Các iôn có điện tích cao sẽ thay thế iôn có điện tích thấp hơn Người ta đã tìm ra trật tự thay thế cac iôn như sau:

Na + < Li + < K + < Mg ++ < Ca ++ < Al +++ < Fe +++

Nhưng trong trường hợp cá biệt, qua kết quả nghiên cứu cho thấy khi mật độ các iôn Na + lớn thì iôn Na + có thể thay thế ion Ca ++ Đây là mấu chốt của vấn đề để người ta có thể sử dụng trật tự thay thế này để thay đổi môi trường iôn quanh hạt sét Điều này cũng có nghĩa là có thể can thiệp vào chiều dày của lớp khuyếch tán đôi Phân tích thành phần khoáng vật của một số mẫu đất khu vực miền Trung Thí nghiệm được thực hiện qua máy phân tích tại Viện Khoa học Thuỷ lợi miền Nam (xem trang bên).

Bảng 1 – 2 Kết quả thí nghiệm thành phầp khoáng vật của một số mẫu đất ở Khánh Hoà, Bình Thuận, Long An, Bạc Liệu

Hiện nay có nhiều hệ thống phân loại đất, mỗi hệ thống đều chú trọng về mặtchủ yếu của nó để thể hiện Bài giảng này xin cung cấp bảng phân loại đất thôngdụng mà được nhiều quốc gia sử dụng.

Bảng1.3: Một số hệ thống phân loại đất theo đường kính hạt (Mỹ)

Nếu đem so sánh trên cùng một hệ trục ta thấy khoảng phân cấp cỡ hạt của cácloại đất phân theo các hệ thống trên như sau

Hình 1.12 : Giới hạn phân cấp đất theo đường kính hạt

Bộ nông nghiệp Mỹ xây dựng biểu đồ phân cấp đất và thể hiện trên hình sau.

Hình 1.13: Biểu đồ tam giác phân loại đất – Bộ nông nghiệp Mỹ biên soạn

1.3.2 Thuật ngữ đất xây dựng

Đá

Nguồn gốc macma , trầm tích hay biến chất chiếm phần đáng kể vỏ quả dất, cóliên kết cứng chắc Theo các nhà địa chất, thuật ngữ đã chỉ vật liệu của vỏ tráiđất có gắn kết cứng, có tuổi tạo thành trên 1 triệu năm Các vật liệu mềm yếu

như đất sét, đá phiến, cát được họ gọi là Đá, trong khi đó các kỹ sư gọi là Đất

Đất

Đó là bất kỳ vật liệu rời hay dễ đào nào mà ta sẽ tiến hành xây dựng ở trên hay

bên trong nó hoặc dùng nó để xây dựng Lớp đâí mặt thường không nằm trong

thuật ngữ phổ cập ”đất xây dựng ", mặc dù cần bóc bỏ và thay thế trong quá

trình xây dựng Tầng đất gốc là thuật ngữ chủ yếu của nông nghiệp dùng gọi

lớp đất trơ nằm giữa lớp đất mặt và đá nền, nên tránh sử dụng thuật ngữ nàytrong xây dựng

Đất hữu cơ

Đó là hỗn hợp giữa các hạt khoáng vật và vật chất hữu cơ, chủ yến có nguồngốc thực vật, ở các giai đoạn phân hủy khác nhau Nhiều loại đất hữu cơ cónguồn gốc hồ, vùng vịnh, cửa sông, cảng biển, hồ chứa nước Vật liệu hữu cơlàm cho đất sờ trơn hơn, có màu sẫm và có mùi dễ cảm nhận

Than bùn

Than bùn thực sự chỉ tạo bởi toàn là vật chất hữu cơ, nó rất xốp, ép co mạnh, cókhả năng đốt cháy cao, sinh nhiệt Các khoáng vật vô cơ cũng có thể có mặt vàkhi hàm lượng tăng lên, nó chuyển thành đất hữu cơ Theo quan điểm của cácnhà xây dựng, than bùn có nhiều vấn đề do có hệ số rỗng, độ ẩm lớn, khả năng

ép co cao, một số trường hợp có tính axít

Đất tàn tích

Đó là tàn dư của đá bị phong hóa chưa bị di chuyển Thường là cát hay cuội,hàm lượng oxit cao là do quá trình rửa đất xảy ra, như đất laterit, boxit, đất sétlàm đồ sứ

Đất bồi tích (aluvi)

Đó là các vật liệu như cát, cuội được trầm đọng từ lòng sông, suối Đặc ưng của đất bồi là tuyển lựa (cỡ hạt) tốt nhưng chúng cũng thường hình thànhcác tầng không liên tục và bất thường

3- Khai thác bằng máy chuyên dùng

4- Vận chuyển đất và đổ san (có thể sử dụng độ ẩm tự nhiên của đất) 5- Đầm chặt

6- Tu sửa hoàn chỉnh

7- Kiểm tra chất lượng khối đắp, mái khối đào

2.2 Phân loại đất trong đào đất

Phân loại đất ra các loại khác nhau nhằm mục đích để chọn được phương

án thi công hợp lý, trên cơ sở đó giúp cho tính toán tiến độ, dự toán giá thành,chỉ tiêu định mức thi công được chính xác hợp lý

Dựa trên đặc tính cơ lý của đất, mức độ đào đất khó dễ khá nhau mà người

ta phân ra các cấp đất Dựa vào cấp đất đó để xác định phương án thi công.Ngoài bảng phân cấp đất chung ra, người ta còn phân loại đất cho từngloại máy đào đất khác nhau Ví dụ đối với máy ủi thì thường phân cấp khác vớimáy đào 1 gầu

Bảng phân cấp đất đá theo mức độ khó dễ cho từng loại máy thi công

(trích phụ lục số 2: TCVN 4447-1987)

a Phân cấp đát đá cho máy đào

Đất cấp 1 : Đất có cây cỏ mọc, không lẫn rễ cây to,và đá tảng, có lẫn đá dăm.

Cát khô, cát có độ ẩm tự nhiên không lẫn đá dăm Đất cát pha, đất bùn dàydưới 20 cm không có rễ cây Sỏi sạn khô có lẫn đá to đường kính 30 cm Đấtđồng bằng lớp trên dày 80 cm trở lại Đất vun đổ đống bị nén chặt

Đất cấp 2 : Sỏi sạn có lẫn đá to Đất sét ướt mềm không lẫn đá dăm Đất pha

sét nhẹ , đất pha sét nặng lẫn đất bùn dày dưới 30 cm lẫn rễ cây Đá dăm đấtđồng bằng lớp dưới từ 0,8 m đến 2,0 m Đất có lẫn sỏi cuội từ 10% trở lại

b Phân cấp đất cho máy ủi

Đất cấp 1 : Đất có cây cỏ mọc, không lẫn rễ và đá dăm Á sét nhẹ Đất bùn

Đất cấp 2 : Sỏi sạn không lẫn đá to Đất sét ướt mềm không lẫn đá dăm.

Đất pha sét nặng Đất đồng bằng dày 0,6 đến 1,2 m

Đất cấp 3 : Đất sét vỡ từng mảng Đất sét lẫn sỏi sạn, đá dăm, cát khô Đất

lẫn đá tảng Đất đá được nổ phá tơi rồi

c Phân cấp đất cho máy cạp

Đất cấp 1 : Đất có cỏ mọc, không lẫn rễ và đá Đất đắp đã bị nén.

Đất cấp 2 : Đất sét ướt mềm, không lẫn đá dăm Á cát nặng Đất đồng bằng

lớp trên dày 1,0 m trở lại

2.3 Thi công bằng cơ giới

2 3.1 Nguyên tắc khi thi công cơ giới

- Một máy làm được nhiều việc khác nhau

- Phát huy hết năng xuất của máy, ưu tiên máy chủ đạo

- Sự phối hợp xe máy là tốt nhất

2.3.2 Các loại máy công tác

- Đào đất: Dùng máy đào , máy ủi, máy cạp v.v…

- Vận chuyển đất: cạp, ô tô, máy kéo, toa tàu…

- Đổ, san Đổ tại chỗ, san dùng máy san hoặc máy ủi để san

- Đầm đất: dùng các loại máy đầm: lăm ép, xung kích, chấn động

2.3.3 Các phương pháp thi công đặc biệt

Dựa vào tính chất khi đào đất người ta phân ra các phương pháp đào sau:

1 Đào đất bằng thủ công

2 Đào đất bằng máy

3 Đào đất bằng nổ mìn

4 Đào đất bằng máy thuỷ lực

Căn cứ vào khối lượng và cường độ thi công, loại đất, cự ly vận chuyển,điều kiện địa hình tính chất thuỷ văn và địa chất thuỷ văn… mà chọn phương

án đào đất tốt nhất, nhằm đẩy nhanh tiến độ thi công và giảm giá thành xâydựng

2.4.1 Lý luận về đào cắt đất, các nhân tố ảnh hưởng tới lực kháng cắt của

đất

Lượng ngậm nước

Đất có lượng ngậm nước khác nhau thì mức độ cấu kết giữa các hạt cũngkhau, do đó trợ lực khi cắt đất cũng khác nhau Đất sét khô thì cứng, khó làm.Ngược lại ẩm quá thì sẽ dính vào công cụ làm, gây giảm năng suất thi công.Đất thịt khô quá cũng khó làm

Cấu tạo hạt

Đất có cấu tạo hạt khác nhau thì độ chặt cũng khác nhau Đất cát hạt thôrời, lực dính C = 0,  nhỏ dễ đào Đất sét lực dính lớn hơn, khó đào hơn Đấtlắm sạn, sỏi đào thủ công rất khó Sự ổn định tự nhiên của mẫu đất cũng ảnhhưởng tới năng suất của máy thi công Đất rời có thể đào chiều cao khối đàocao hơn so đất dính khi sử dụng máy đào gầu ngửa, năng xuất cao hơn

Cấu tạo dao cắt đất

Thực tế cho thấy rằng: độ dày lưỡi dao h, góc cắt đất  và độ vát của lưỡidao  càng lớn thì lực cắt đất càng lớn Do vậy để giảm trở lực khi cắt đất,người ta chế tạo những dao cứng và mỏng để đào đất

Ngoài ra góc cắt của phương chuyển động dao cắt cũng ảnh hưởng tới trởlực  càng lớn thì trở lực càng lớn Đất mềm để  = 900, đất cứng cho  < 900

để đào