Nghiên cứu lựa chọn thông số thiết kế cọc đất xi măng xử lý nền đường ở sóc trăng trà vinh ứng dụng cho đường vào cầu c16, khu kinh tế định an

- ĐXM là một trong những giải pháp xử lý nền đất yếu được áp dụng rộng rãi cho các công trình xây dựng giao thông, thuỷ lợi, sân bay, bến cảng…ĐXM có thể sử dụng làm tường chống thấm cho

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO B Ộ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

ỨNG DỤNG CHO ĐƯỜNG VÀO CẦU C16, KHU KINH TẾ ĐỊNH AN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS BÙI VĂN TRƯỜNG

i

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác gi ả luận văn

Hu ỳnh Văn Bằng

ii

Tôi xin cám ơn các thầy cô giảng dạy trong bộ môn, khoa công trình, Phòng Đào tạo Đại học và Sau đại học - Trường Đại học Thủy Lợi

Tôi xin chân thành cám ơn, PGS TS Bùi Văn Trường là người hướng dẫn khoa học

đã hết sức tận tâm nhiệt tình giúp tôi hoàn thành luận văn này

Tôi xin cám ơn sự quan tâm góp ý của các Giáo sư, Phó Giáo sư, Tiến sĩ trong trường Đại học Thủy Lợi

Tôi cũng xin cám ơn sự ủng hộ, động viên tinh thần nhiệt tình của lãnh đạo công ty, gia đình, bạn bè, đồng nghiệp trong suốt thời gian thực hiện luận văn Không có sự động viên của họ, tôi không thể đi đến đích cuối cùng của chương trình đào tạo thạc sĩ

iii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ v

DANH MỤC HÌNH VẼ viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU x

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CỌC XI MĂNG ĐẤT 4

1.1 Lịch sử hình thành và ứng dụng cọc đất xi măng 4

1.1.1 Lịch sử hình thành cọc đất xi măng 4

1.1.2 Tình hình ứng dụng cọc đất xi măng trên thế giới 5

1.1.3 Tình hình ứng dụng cọc đất xi măng ở Việt Nam 6

1.2 Đặc điểm tính chất của cọc xi măng đất 8

1.2.1 Vật liệu chế tạo cọc 8

1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành cường độ 8

1.3 Kết luận chương 1 13

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN THÔNG SỐ THIẾT KẾ CỌC XI MĂNG ĐẤT XỬ LÝ NỀN ĐƯỜNG Ở SÓC TRĂNG-TRÀ VINH 15

2.1 Cơ sở lý thuyết: 16

2.2 Cấu trúc, tính chất nền đất yếu ở Sóc Trăng – Trà Vinh 17

2.2.1 Đặc điểm, tính chất đất yếu đồng bằng Cửu Long [2] 17

2.2.2 Cấu trúc, tính chất nền đất yếu ở Sóc Trăng, Trà Vinh 26

2.2.3 Đặc điểm nước dưới đất 29

2.3 Nghiên cứu vật liệu tạo cọc đất xi măng trong phòng thí nghiệm 31

2.3.1 Thí nghiệm xác định hàm lượng xi măng và sự phát triển cường độ và tính chất của vật liệu tạo cọc ĐXM 31

2.3.2 Phân tích kết quả thí nghiệm 38

2.4 Nghiên cứu điều kiện làm việc của cọc đất xi măng tại hiện trường 39

2.4.1 Mục đích , nội dung nghiên cứu 39

2.4.2 Khoan lõi và nén kiểm tra cường độ vật liệu tạo cọc 39

2.4.3 Thử tải tĩnh cọc 42

2.4.4 Khảo sát kích thước và hình dạng cọc 47

2.4.5 Phân tích, đánh giá điều kiện làm việc của cọc 48

2.5 Đề xuất lựa chọn thông số thiết kế cọc đất xi măng 54

iv

2.5.1 Lựa chọn các thông số của vật liệu tạo cọc ĐXM 54

2.5.2 Lựa chọn các chỉ tiêu, tính chất của đất nền 55

2.5.3 Lựa chọn các thông số hình học của cọc 55

2.5.4 Các thông số kỹ thuật thi công cọc 59

2.5.5 Kiểm tra chất lượng cọc 60

2.6 Kết luận chương 2 62

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG THIẾT KẾ CỌC ĐẤT XI MĂNG DỰ ÁN ĐƯỜNG VÀO CẦU C16, KHU KINH TẾ ĐỊNH AN 63

3.1 Tổng quan về công trình 63

3.1.1 Vị trí, hiện trạng, đặc điểm quy mô công trình 63

3.1.2 Hiện trạng công trình 64

3.1.3 Quy mô đường vào cầu 65

3.1.4 Điều kiện tự nhiên 69

3.1.5 Đặc điểm địa chất 71

3.2 Thiết kế cọc xi măng đất 71

3.2.1 Lựa chọn cường độ của cọc xi măng đất và xác định hàm lượng hợp lý 71

3.2.2 Xác định đường kính cọc, chiều dài và khoảng cách giữa các cọc 72

3.2.3 Tính toán nền gia cố bằng cọc xi măng đất 73

3.3 Kết luận chương 3 92

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 94

I Kết luận: 94

II Kiến nghị: 96

III Hướng nghiên cứu tiếp theo: 96

TÀI LIỆU THAM KHẢO 98

PHỤ LỤC TÍNH TOÁN 100

v

Acol : Diện tích của cọc xi măng đất

as : Diện tích tương đối của cọc xi măng đất

Asoil : Diện tích vùng đất yếu cần được gia cố xung quanh cọc xi măng

B, L, H : Chiều rộng, chiều dài và chiều cao của nhóm cọc xi măng đất

Ccol : Lực dính của cọc xi măng đất

Cci : Chỉ số nén lún

Cu.soil : Độ bền chống cắt không thoát nước

CĐXM : Cọc đất xi măng

cu : Lực dính của cọc xi măng – đất và đất nền khi đã gia cố

Cri : Chỉ số nén lún hồi phục ứng với quá trình dỡ tải

Csoil : Lực dính của vùng đất yếu cần được gia cố xung quanh cọc xi măng đất

Ctđ : Lực dính tương đương của nền đất yếu được gia cố

d : Đường kính cọc

DM : Công nghệ trộn sâu

ĐXM : Đất xi măng

Ecol : Mô đun đàn hồi của cọc xi măng đất

Esoil : Mô đun đàn hồi của vùng đất yếu cần được gia cố

Etđ : Mô đun đàn hồi tương đương của nền đất yếu được gia cố

E50 : Mô đun biến dạng

eoi : Hệ số rỗng của lớp đất

Fs : Là hệ số an toàn

H : Chiều cao nền đắp

φcol : Góc nội ma sát của cọc xi măng đất

φsoil : Góc nội ma sát của vùng đất yếu cần được gia cố xung quanh cọc

xi măng đất

φtđ : Góc nội ma sát tương đương của nền đất yếu được gia cố

hi : Bề dày lớp đất tính lún thứ i

σ’vo : Ứng suất do trọng lượng bản thân

Δσ’v : Gia tăng ứng suất thẳng đứng

σ’p : Ứng suất tiền cố kết

Qp : khả năng chịu tải mỗi cột trong nhóm cọc

ffs : Hệ số riêng phần đối với trọng lượng đất

fq : Hệ số riêng phần đối với tải trọng ngoài

q : Ngoại tải tác dụng

vii

xi : Cánh tay đòn của mảnh thứ I so với tâm quay

wi : Trọng lượng của mảnh thứ i

φi : Góc ma sát trong của lớp đất

Ltb : Độ sâu hạ cọc trong đất kể từ đáy đài

Q : Khối lượng đất ở trạng thái tự nhiên

t : Tỉ lệ xi măng dự kiến

viii

Hình 1.1 Ảnh hưởng của loại đất (KaKi và Yang, 1991) 9

Hình 1.2 Ảnh hưởng của loại xi măng đến cường độ nén 10

Hình 1.3 Ảnh hưởng của hàm lượng xi măng 10

Hình 1.4 Ảnh hưởng của lượng nước ban đầu 11

Hình 1.5 Ảnh hưởng của ngày tuổi 12

Hình 2.1 Cột địa tầng đặc trưng ở Sóc Trăng (Cầu Vĩnh Châu 2) 27

Hình 2.2 Mặt cắt địa chất đặc trưng ở Trà Vinh 28

Hình 2.3 Đúc mẫu ĐXM thí nghiệm 33

Hình 2.4 Quan hệ giữa tỉ lệ N/XM và cường độ nén nở hông ở 7 ngày 35

Hình 2.5 Quan hệ giữa hàm lượng xi măng và cường độ nén nở hông ở 7 ngày 35

Hình 2.6 Quan hệ giữa tỉ lệ N/XM và cường độ nén nở hông ở 14 ngày 36

Hình 2.7 Quan hệ giữa hàm lượng xi măng và cường độ nén nở hông ở 14 ngày 36

Hình 2.8 Quan hệ giữa tỉ lệ N/XM và cường độ nén nở hông ở 28 ngày 37

Hình 2.9 Quan hệ giữa hàm lượng xi măng và cường độ nén nở hông ở 28 ngày 37

Hình 2.10 Hình khoan lấy lõi cọc ĐXM 40

Hình 2.11 Cường độ mẫu khoan tại Mố A Cầu C16 42

Hình 2.12 thí nghiệm thử tải tĩnh cọc 43

Hình 2.13 Biểu đồ quan hệ tải trọng - độ lún cọc số 1 45

Hình 2.14 Biểu đồ quan hệ tải trọng - độ lún cọc số 93 46

Hình 2.15 Biểu đồ quan hệ tải trọng - độ lún cọc số 156 46

Hình 2.16 Đào để lộ đầu cọc ĐXM để kiểm tra số lượng và kích thước 47

Hình 2.17 Quan hệ giữa bán kính cọc và sức chịu tải của cọc 56

Hình 2.18 Quan hệ giữa bán kính cọc và độ lún của nền gia cố 56

Hình 2.19 Quan hệ giữa chiều dài cọc và sức chịu tải của cọc 57

Hình 2.20 Quan hệ giữa chiều dài cọc và độ lún của nền gia cố 57

Hình 2.21 Quan hệ giữa khoảng cách cọc và độ lún của nền gia cố 59

Hình 2.22 Sơ đồ quản lý chất lượng 61

Hình 2.23 Hệ thống theo dõi thi công 61

Hình 3.1 Vị trí dự án cầu C16 63

ix

Hình 3.2 Trắc ngang đại diện đoạn dẫn vào cầu tại mố A 66

Hình3.3 Trắc dọc đoạn dẫn vào cầu tại mố A 66

Hình 3.4 Mặt cắt địa chất công trình C16 71

Hình 3.5 Sơ đồ xác định Lp, Ls 75

Hình3.6 Mặt bằng bố trí cọc ĐXM 76

Hình 3.7 Sơ đồ tính lún 81

Hình 3.8 Sơ đồ mô phỏng trong phần mềm Plaxis 89

Hình 3.9: Phân bố ứng suất trong nền công trình 89

Hình 3.10: Phân bố áp lực nước lỗ rỗng trong nền đất 90

Hình 3.11 Lưới biến dạng của nền công trình 90

Hình 3.12 Chuyển vị đứng (lún) của công trình 91

Hình 3.13 Chuyển vị đứng (lún) của mặt cắt nền đường A-A 91

x

Bảng 2.1 Kết quả nghiên cứu các đặc trưng kháng cắt của đất ở Đồng Bằng Sông

Cửu Long theo 20

Bảng 2.2 Tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý của đất yếu amQII 2-3 vùng đồng bằng Cửu Long (1354 mẫu đất thí nghiệm) 21

Bảng 2.3 Tổng hợp các thông số cố kết của đất yếu amQII 2-3ở Đồng Bằng Sông Cửu Long 22

Bảng 2.4 Các chỉ tiêu cơ lý đất tại Sóc Trăng (Cầu Vĩnh Châu 2) 27

Bảng 2.5 Các chỉ tiêu cơ lý đất tại Trà Vinh (cầu C16 khu Kinh tế Định An ) 29

Bảng 2.6 Mẫu nước mặt ở độ sâu 1 mét 30

Bảng 2.7 Mẫu nước ngầm ở độ sâu 30 mét 30

Bảng 2.8 Cường độ chịu nén ở 7 ngày tuổi 35

Bảng 2.9 Cường độ chịu nén ở 14 ngày tuổi 36

Bảng 2.10 Cường độ chịu nén ở 28 ngày tuổi 37

Bảng 2.11 Cường độ chịu nén tại Mố A, Cầu C16 41

Bảng 2.12 Bảng số hiệu cọc-tải trọng thí nghiệm 43

Bảng 2.13 Bảng tổng hợp kết quả tải trọng - độ lún cọc số 1 44

Bảng 2.14 Bảng tổng hợp kết quả tải trọng - độ lún cọc số 93 44

Bảng 2.15 Bảng tổng hợp kết quả tải trọng - độ lún cọc số 156 45

Bảng 2.16 Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc 46

Bảng 2.17 Các chỉ tiêu kỹ thuật của xi măng đề nghị sử dụng để tạo cọc ĐXM 54

Bảng 2.18 Mẫu nước mặt ở độ sâu 1 mét 54

Bảng 2.19 Các chỉ tiêu cơ lý đất tại Trà Vinh 55

Bảng 2.20 Tính toán sức chịu tải và biến dạng của cọc khi bán kính r của cọc thay đổi 56

Bảng 2.21 Tính toán sức chịu tải và biến dạng của cọc khi chiều dài L của cọc thay đổi 57 Bảng 2.22 Tính toán biến dạng khi mật độ cọc thay đổi 58

Bảng 2.23 Các thông số kỹ thuật ứng với từng phương pháp phụt 59

Bảng 3.1 Tính lún của đất nền tự nhiên dưới mũi cột đất gia cố 84

Bảng 3.2 Các thông số mô hình 88

Bảng 3.3 Độ chênh lệch lún của đoạn 1 đường dẫn theo giải tích và mô phỏng bằng Plaxis 92

1

1 Tính c ấp thiết của Đề tài

- Khi xây dựng các công trình trên nền đất yếu cần phải có các biện pháp xử lý, nhất là những khu vực có tầng đất yếu khá dày như ở đồng bằng sông Cửu Long nói chung và đặc biệt là ở Sóc Trăng, Trà Vinh nói riêng

- ĐXM là một trong những giải pháp xử lý nền đất yếu được áp dụng rộng rãi cho các công trình xây dựng giao thông, thuỷ lợi, sân bay, bến cảng…ĐXM có thể sử dụng làm tường chống thấm cho đê đập, sửa chữa thấm mang cống và đáy cống, gia cố đất xung quanh đường hầm, ổn định tường chắn, chống trượt đất cho mái dốc, gia cố nền đường, mố cầu dẫn Điều đó cho thấy thực tế nhu cầu xử lý nền bằng cọc đất xi măng tương đối lớn Tuy nhiên do tính mới mẻ của công nghệ, sự hạn chế về nghiên cứu, kinh nghiệm của các đơn vị tham gia, sự phức tạp trong kiểm soát chất lượng và áp lực của tiến độ nên thiết kế thường chưa hợp lý, chưa phù hợp với điều kiện làm việc thực

tế của ĐXM dẫn đến những khó khăn trong quá trình triển khai và sự lãng phí về kinh

tế

- Để khắc phục vấn đề trên, việc nghiên cứu thí nghiệm trong phòng và nghiên cứu thực nghiệm khả năng làm việc của ĐXM tại hiện trường để lựa chọn thông số thiết kế hợp lý nhằm tăng tính khả thi và tăng hiệu quả kinh tế cho dự án tránh được những rắc rối và lãng phí không cần thiết đồng thời là gợi ý cho các dự án tương tự, làm sáng tỏ nhiều vấn đề bối rối trong công tác thiết kế cọc xi măng đất Vì vậy việc nghiêm cứu

đề tài này là hết sức cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn, đáp ứng yêu cầu kinh

tế - xã hội đối với các công trình sắp triển khai trên địa bàn tỉnh Sóc Trăng, Trà Vinh

2 M ục đích nghiên cứu

- Lựa chọn các thông số thiết kế ĐXM phù hợp với đặc điểm cấu trúc, tính chất của nền đất yếu ở Sóc Trăng - Trà Vinh trong xử lý nền đường đảm bảo hiệu quả kinh tế -

kỹ thuật

2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Thông số thiết kế cọc đất xi măng xử lý nền đường ở Sóc Trăng – Trà Vinh

4 N ội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, phương pháp tính toán, lựa chọn các thông số thiết kế cọc ĐXM xử lý nền đường;

- Nghiên cứu hàm lượng xi măng và sự phát triển về cường độ của vật liệu tạo cọc ĐXM trong phòng thí nghiệm;

- Nghiên cứu thực nghiệm khả năng làm việc của cọc ĐXM tại hiện trường, từ đó so sánh, kiến nghị lựa chọn các thông số thiết kế phù hợp với cấu trúc, tính chất của nền đất yếu, nhằm tăng tính khả thi và hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của CĐXM trong xử lý nền đường;

- Ứng dụng thiết kế cho công trình thực tế: Đường vào Cầu C16, khu kinh tế Định An

5 Cách ti ếp cận và phương pháp nghiên cứu

Đề tài được nghiên cứu theo phương pháp lý thuyết, thực nghiệm và phương pháp mô

hình số

- Phương pháp phân tích, tính toán lý thuyết để phân tích, xử lý và lựa chọn thông số thiết kế ĐXM từ các kết quả thí nghiệm trong phòng và hiện trường; cách tính mô đun đàn hồi của cọc đất; phương pháp tính lún; những căn cứ và kinh nghiệm lựa chọn các thông số về đường kinh, khoảng cách, cường độ và chiều dài cọc,

- Phương pháp thực nghiệm để nghiên cứu sự phát triển về cường độ của vật liệu và khả năng làm việc của ĐXM tại hiện trường;

- Phương pháp mô hình số: Sử dụng phần mềm Plaxis để mô phỏng, tính toán, thiết kế ĐXM và so sánh các phương án với các thông số thiết kế khác nhau đã được phân tích lựa chọn từ bước nghiên cứu lý thuyết và hiện trường

6 K ết quả đạt được

- Hiểu được cơ sở lý thuyết, phương pháp tính toán, lựa chọn các thông số thiết kế cọc (ĐXM);

3

- Xác định được ảnh hưởng của hàm lượng xi măng đến chỉ tiêu chất lượng (cường độ, biến dạng, ) và sự phát triển cường độ của vật liệu tạo cọc ĐXM;

- Làm rõ khả năng làm việc thực tế, tính khả thi của cọc ĐXM trong điều kiện nền đất

yếu ở khu vực nghiên cứu qua kết quả thí nghiệm tại hiện trường;

- Đề xuất lựa chọn các thông số thiết kế phù hợp với cấu trúc, tính chất của nền đất yếu đảm bảo hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của cọc ĐXM trong xử lý nền đường ở Sóc

Trăng - Trà Vinh;

- Ứng dụng thiết kế cọc ĐXM công trình thực tế: Đường vào Cầu C16, khu kinh tế Định An, để minh chứng cụ thể cho kết quả nghiên cứu

m Nhưng cho đến 1996 cọc đất gia cố xi măng với mục đích thương mại mới được sử dụng với số lượng lớn [1]

- Sự phát triển của công nghệ trộn sâu bắt đầu từ Thụy Điển và Nhật Bản từ những năm 1960 Trộn khô dùng vôi hạt (vôi sống) làm chất gia cố đã được đưa vào thực tế ở Nhật vào giữa những năm 1970 Cũng khoảng thời gian đó trộn khô ở Thụy Điển dùng vôi bột trộn vào để cải tạo các đặc tính lún của đất sét dẻo mềm, mềm yếu Trộn ướt dùng vữa xi măng làm chất gia cố cũng được áp dụng trong thực tế ở Nhật từ giữa những năm 1970

- Năm 1967, Viện nghiên cứu hải cảng và bến tàu thuộc Bộ giao thông vận tải Nhật Bản bắt đầu các thí nghiệm trong phòng sử dụng vôi cục hoặc vôi bột để xử lý đất biển bằng phương pháp trộn vôi dưới sâu Công việc nghiên cứu bởi Okumura, Terashi và những người khác suốt những năm đầu của thập niên 70

- Năm 1974, Viện nghiên cứu hải cảng và bến tàu báo cáo phương pháp trộn vôi dưới sâu đã được bắt đầu ứng dụng toàn diện tại Nhật Bản

- Năm 1976, viện nghiên cứu công chánh thuộc Bộ xây dựng Nhật Bản hợp tác với Viện nghiên cứu máy xây dựng Nhật Bản bắt đầu nghiên cứu phương pháp trộn phun khô dưới sâu bằng bột xi măng, bước thử nghiệm đầu tiên hoàn thành vào cuối năm

1980

- Năm 1977, Nhật Bản lần đầu tiên phương pháp trộn xi măng dưới sâu áp dụng trên

5

thực tế

1.1.2 Tình hình ứng dụng cọc đất xi măng trên thế giới

- Những nước ứng dụng công nghệ DM nhiều nhất là Nhật Bản Theo thống kê của hiệp hội ĐXM (Nhật Bản), tính chung trong giai đoạn 1980-1996 có 2345 dự án, sử dụng 26 triệu m3 đất gia cố xi măng Riêng từ 1977-1993, lượng đất gia cố bằng DM ở Nhật vào khoảng 23,6 triệu m3 cho các dự án ngoài biển và trong đất liền, với khoảng

300 dự án Hiện nay hàng năm thi công khoảng 2 triệu m3 [1]

- Tại Trung Quốc, công tác nghiên cứu bắt đầu từ năm 1970, mặc dù ngay từ cuối những năm 1960, các kỹ sư Trung Quốc đã học hỏi phương pháp trộn vôi dưới sâu và ĐXM ở Nhật Bản Thiết bị DM dùng trên đất liền xuất hiện năm 1978 và ngay lập tức được sử dụng để xử lý nền các khu công nghiệp ở Thượng Hải Tổng khối lượng xử lý bằng DM ở Trung Quốc cho đến nay vào khoảng trên 1 triệu m3 Từ năm 1987 đến

1990, công nghệ DM đã được sử dụng, tổng cộng 513.000m3đất được gia cố, bao gồm các móng kè, móng của các tường chắn phía sau bến cập tàu

- Đến năm 1992, một hợp tác giữa Nhật và Trung Quốc đã tạo ra sự thúc đẩy cho những bước đầu tiên của công nghệ ĐXM ở Trung Quốc, công trình hợp tác đầu tiên

là cảng Yantai Trong dự án này 60.000m3 xử lý ngoài biển đã được thiết kế và thi công bởi chính các kỹ sư Trung Quốc

- Tại Châu Âu, nghiên cứu và ứng dụng bắt đầu ở Thụy Điển và Phần Lan Trong năm

1967, Viện Địa chất Thụy Điển đã nghiên cứu các cột vôi theo đề xuất của Jo Kjeld Páue sử dụng thiết bị theo thiết kế của Linden - Alimak AB (Rathmayer, 1997) Thử nghiệm đầu tiên tại sân bay Ska Edeby với các cột vôi có đường kính 0,5m và chiều sâu tối đa 15m đã cho những kinh nghiệm mới về các cột vôi cứng hoá (Assarson, 1974) Năm 1974, một đê đất thử nghiệm (cao 6m, dài 8m) đã được xây dựng ở Phần Lan sử dụng cột vôi đất, nhằm mục đích phân tích hiệu quả của hình dạng và chiều dài cột về mặt khả năng chịu tải

- Từ những năm 1970 và đến những năm 1980, các công trình nghiên cứu và ứng dụng tập trung chủ yếu vào việc tạo ra vật liệu gia cố, tối ưu hoá hỗn hợp ứng với các loại đất khác nhau

6

- Năm 1993, Hiệp hội DJM (Deep jet mixing -phun trộn khô dưới sâu) của Nhật Bản xuất bản sách hướng dẫn những thông tin mới nhất thiết kế và thi công cọc đất xi măng

- Năm 1996, hơn 5 triệu m3 cọc vôi và vôi xi măng đã được thi công tại Thụy Điển kể

từ năm 1975 Sản phẩm từng năm tại Thụy Điển và Phần Lan lúc bấy giờ là cùng sản lượng như nhau

- Vào tháng 11 năm 1999 một hội nghị quốc tế về phương pháp trộn khô được tổ chức tại Stokholm, Thụy Điển

- Tại Mỹ, việc xử lý và nâng cấp các đập đất nhằm đáp ứng mục tiêu an toàn trong vận hành và ngăn ngừa hiện tượng thấm rất được quan tâm CĐXM đã được ứng dụng

để nâng cấp các đập đất hiện có, tạo ra các tường chống thấm

- Tại Bungari, nền đường sắt thường được xây dựng bằng sét vì khó kiếm ra đất tốt Loại đất này là rất khó đầm nén do đó nền đường thường bị lún nghiêm trọng Người

ta đã sử dụng các cột ĐXM đường kính 0,25m cách nhau 2,5m để gia cố, kết quả sau

xử lý cho thấy không có dấu hiệu lún mặc dù tốc độ tàu chạy 100 ~ 120 km/h

- Tại Đông Nam Á, cọc đất – vôi hay xi măng chưa được thông dụng vì lý do chủ yếu

là các máy móc thi công, chi phí khai thác vôi sống tinh khiết cao

- Xu hướng phát triển của công nghệ ĐXM trên Thế giới hiện nay hướng vào việc khai thác mặt mạnh của ĐXM Khi mới phát minh, yêu cầu đối với ĐXM ban đầu chỉ là nhằm đạt được cường độ cao và chi phí thấp; nhưng gần đây do những nan giải trong xây dựng đã đặt ra những yêu cầu cao hơn về sự tin cậy và hoàn chỉnh của công nghệ

Xu thế quan trọng của công nghệ này là ở chỗ nó cho phép xử lý tại chỗ và cô lập các chất ô nhiễm trong đất, hứa hẹn cho những nghiên cứu tiếp tục Trong lĩnh vực chống động đất, người ta đang tiếp tục nghiên cứu ứng dụng ĐXM nhằm ngăn chặn sự hoá lỏng đất, tìm ra những phương án có hiệu quả kinh tế, sử dụng vật liệu có sợi để chịu được uốn khi có động đất

1.1.3 Tình hình ứng dụng cọc đất xi măng ở Việt Nam

- Năm 1969 Thụy Điển đã viện trợ máy thi công theo công nghệ này cho chính quyền

7

Sài Gòn và được ứng dụng ở một số công trình đường Tại Miền Bắc đầu những năm

1970 Thụy Điển cũng viện trợ cho Viện Khoa học Công nghệ xây dựng một máy tương tự và đã thi công thí nghiệm cho một số công trình nhà ở Hà Nội Do trong hoàn cảnh khi đó giá thành xi măng cao, công nghệ xử lý tốn kém so với công nghệ gia cố thông thường, nhu cầu xử lý nền đất yếu còn thấp, nên công nghệ này không được ứng dụng

- Vào năm 2000 do yêu cầu thực tế, phương pháp này được áp dụng trở lại, khi công trình chấp nhận một giá trị độ lún cao hơn bình thường tuy nhiên có hiệu quả kinh tế cao Đơn vị đưa trở lại phương pháp này ban đầu là COFEC và nay là E&C Consultants

- Năm 2002 đã có một số dự án bắt đầu ứng dụng ĐXM vào xây dựng các công trình trên nền đất yếu ở Việt nam Cụ thể như: Dự án Cảng Ba Ngòi (Khánh hoà) đã sử dụng 4000m cọc đất xi măng có đường kính 600mm thi công bằng trộn khô; Năm

2003, một Việt kiều ở Nhật đã thành lập công ty xử lý nền móng tại TP Hồ Chí Minh, ứng dụng thiết bị trộn khô để tạo cọc đất xi măng lồng ống thép

- Năm 2004 CĐXM được sử dụng để gia cố nền móng cho nhà máy nước ở huyện Vụ Bản, tỉnh Nam Định, xử lý móng cho bồn chứa xăng dầu ở Đình vũ (Hải Phòng) Các

dự án trên đều sử dụng công nghệ trộn khô, độ sâu xử lý trong khoảng 20m Tháng 5 năm 2004, các nhà thầu Nhật bản đã sử dụng Jet-Grouting để sửa chữa khuyết tật cho các cọc nhồi của cầu Thanh trì (Hà nội)

- Ở nước ta, giải pháp này được sử dụng để gia cố nền nhà, công trình xây dựng thủy lợi, công trình xây dựng giao thông Trong vài năm gần đây công nghệ này đã được

áp dụng tại công trình kè chống xói lở bờ sông khu đô thị mới An Phú Thịnh - Tp Qui Nhơn, tỉnh Bình Định, nhà máy nước huyện Vụ Bản (Hà Nam), Cảng dầu khí Vũng

Tàu, sửa chữa chống thấm cho Cống Trại (Nghệ An), cống D10 (Hà Nam), Cống Rạch

C (Long An), bệ bình chứa dầu của Tổng kho xăng dầu Cần Thơ, dự án đường cao tốc

TP Hồ Chí Minh đi Trung Lương, đại lộ Đông Tây-TP Hồ Chí Minh, Đường cao tốc Thành phố Hồ Chí Minh–Long Thành–Dầu Giây, nâng cấp đường hạ cất cánh, đường lăn và sân đỗ máy bay cảng hàng không Cần Thơ, Cao tốc Bến Lức-Long Thành, Dự

8

án đường Liên cảng Cái Mép-Thị Vải, đường Láng - Hòa Lạc và đặc biệt là các cảng nằm ở khu vực Bà Rịa–Vũng Tàu như SP-PSA, SITV Ngoài việc gia cố nền đất yếu, cọc đất xi măng còn được ứng dụng trong các lĩnh vực như: xây dựng tường

chống thấm, chống đỡ thành hố móng, giảm nhẹ và ngăn chặn sự hóa lỏng

- Khi áp dụng giải pháp này cần có những điều tra, nghiên cứu về hàm lượng hữu cơ, thành phần khoáng hóa của đất yếu vì nếu đất có hàm lượng hữu cơ lớn hoặc có độ pH nhỏ thì cường độ của cọc đất xi măng sẽ tăng không nhiều Với ưu điểm là thời gian thi công nhanh, sử dụng được vật liệu địa phương, giá thành tương đối thấp, công nghệ này đang dần được các nhà quản lý, thiết kế và thi công quan tâm khi gặp đất yếu

1.2 Đặc điểm tính chất của cọc xi măng đất

1.2.1 V ật liệu chế tạo cọc

1.2.1.1 Xi măng

- Xi măng dùng thi công cọc ĐXM phải được lựa chọn để đảm bảo cường độ yêu cầu

và khả năng thi công Một số loại xi măng tiêu chuẩn có thể dùng trong thi công cọc đất xi măng như sau:

+ Xi măng lò cao;

+ Xi măng Poóc lăng thông thường

+ Xi măng đã được xác nhận là đảm bảo điều kiện cường độ yêu cầu thông qua thí nghiệm trộn thử được tiến hành trước khi thi công

1.2.1.2 Nước

- Nước để trộn vữa gia cố nên dùng nước ngầm khai thác tại chỗ là phù hợp nhất Nguồn nước yêu cầu phải sạch, không lẫn váng dầu mỡ công nghiệp, muối acid, các

tạp chất hữu cơ và phải thõa mãn yêu cầu của TCVN 4506-2012

1.2.2 Các y ếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành cường độ

1.2.2.1 Ảnh hưởng của độ ẩm của đất

- Độ ẩm trong đất ảnh hưởng đến cường độ của mẫu ĐXM, ảnh hưởng của loại đất khác nhau

9

- Bản chất hóa lý của đất (như đường cong thành phần hạt, hàm lượng ngậm nước, giới hạn Silicat và nhôm, pH của nước lổ rỗng và hàm lượng mùn hữu cơ) ảnh đến tính chất của khối xi măng-đất

Hình 1.1 Ảnh hưởng của loại đất (KaKi và Yang, 1991)

- Cần đặc biệt chú ý trường hợp đất có hàm lượng hữu cơ cao, và những nơi mà hàm lượng muối trong đất lớn, đặc biệt là muối Sunfat, chúng có thể ngăn cản quá trình Hydrat hóa của xi măng Một số công trình gặp khó khăn khi xử lý đất có hàm lượng muối lớn (như các dải đất ngập mặn ven biển) thì có thể khắc phục bằng cách tăng hàm lượng xi măng Bởi vì nhiều công trình nghiên cứu đã chỉ ra rằng các khoáng chất Mônmôrilônit phản ứng dễ dàng hơn muối Illite do tinh thể cấu tạo đơn giản và các đất

có chứa Mônmôrilônit và Kaolanh ảnh hưởng đến phản ứng Puzzolan mạnh hơn đất có chứa muối Illite

10

1.2.2.2 Ảnh hưởng của loại xi măng

200 220 240 260 280 300

Biểu đồ: Quan hệ giữa hàm lượng xi măng -loại xi măng và cường độ nén nở

hông ở 28 ngày tuổi

Xi măng Holcim stable soil

Xi măng Tây Đô

Xi măng Nghi Sơn

Hình 1.2 Ảnh hưởng của loại xi măng đến cường độ nén

- Loại, chất lượng và số lượng xi măng ảnh hưởng đến sự phát triển cường độ đối với mọi loại đất

1.2.2.3 Ảnh hưởng của hàm lượng xi măng

Hình 1.3 Ảnh hưởng của hàm lượng xi măng

- Ảnh hưởng của hàm lượng xi măng (sử dụng với khối lượng lớn) theo phân bố thành phần hạt được trình bày ở hình 1.3 (Kaki và Yang, 1991) Nói chung nếu hàm lượng sét tăng thì số lượng xi măng yêu cầu cũng tăng; có thể đó là do với các hạt nhỏ thì diện tích bề mặt lớn và lượng tiếp xúc giữa xi măng và các hạt đất sẽ tăng

- Khi lượng xi măng tăng thì cường độ của xi măng đất cũng tăng, phụ thuộc vào loại đất và tính chất của xi măng

11

1.2.2.4 Ảnh hưởng của hàm lượng nước

- Việc tăng lượng nước trong đất sẽ làm giảm cường độ khối xi măng đất Hình 1.4 (Endo, 1976) cho thấy ảnh hưởng của hàm lượng nước thay đổi từ 60 đến 120% trên mẫu thí nghiệm cho một loại đất biển xử lý với 5 đến 20% xi măng, sau 60 ngày ninh kết Kết quả cho thấy cường độ giảm cho mọi hàm lượng xi măng

Hình 1.4 Ảnh hưởng của lượng nước ban đầu

1.2.2.6 Ảnh hưởng của độ rỗng

- Các kết quả thí nghiệm cho thấy rằng hệ số rỗng e0 có ảnh hưởng không lớn đến cường độ nén nở hông của mẫu ĐXM Tuy nhiên, biểu đồ trên cũng chứng minh rằng,

có một xu hế ảnh hưởng: độ rỗng càng lớn thì cường độ mẫu ĐXM càng cao

- Độ rỗng trong đất càng lớn thì khi trộn xi măng vào đất, khả năng lắp đầy của xi măng vào các lỗ rỗng trong đất càng cao, tạo nên khả năng gia cố nền đất yếu là rất lớn

12

1.2.2.7 Ảnh hưởng của điều kiện trộn và điều kiện đóng rắn

- Tỷ lệ nước/xi măng ảnh hưởng trực tiếp đến cường độ cọc ĐXM, việc tăng lượng nước sẽ làm giảm cường độ ĐXM Ngoài ra thời gian trộn, thời gian ninh kết, nhiệt độ ninh kết cũng ảnh hưởng đến cường độ của cọc đất gia cố xi măng

1.2.2.8 S ự thay đổi cường độ cọc đất xi măng theo thời gian

- Cường độ của xi măng - đất tăng lên theo thời gian, tương tự như bê tông Hình 1.5 (Endo, 1976) đã chỉ ra ảnh hưởng của tuổi từ 2-2000 ngày đối với đất sét biển gia cố bởi xi măng Porland

Hình 1.5 Ảnh hưởng của ngày tuổi Kawasaki (1981) đã xây dựng quan hệ dựa trên phân tích tương quan hiệu chỉnh cường độ nén nở hông cho đất sét biển vùng vịnh Tokyo trộn với xi măng Porland 0,26qu28 < qu3 < 0,63qu28

0,49qu28 - 64 < qu7 < 0,71qu28 + 5%

Cu60 = l,17qu28

Ở đây, qu28 là cường độ 28 ngày tuổi tính theo KPa Hiệp hội CDMA (Cement Deep Mixing Association of Japan) của Nhật Bản (1994) đã hiệu chỉnh quan hệ trên thành: qu28 = (1,49 ~ 1,56)qu7

qu91= (1,85 ~ 1,97)qu7

qu91 = (1,2 ~ 1,33)qu28

13

Ở đây, qu7, qu28 và qu91 là cường độ nén nở hông của ĐXM sau xử lý 7 ngày, 28 ngày và 91 ngày tuổi

Nagarai (1997) đã đề nghị một quan hệ nhằm đề xuất cường độ ĐXM trên quan điểm

vi cấu trúc và định luật Abram (nghĩa là sự phân bố lực hút giữa đất và vữa) sử dụng phân tích tương quan đa chiều như sau:

có thể nội suy, ngoại suy các kết quả cần dự đoán dựa vào mối tương quan này Dự đoán mối trương quan này có ý nghĩa rất lớn trong vấn đề rút ngắn tiến độ đáng kể cho các dự án

- Cọc ĐXM được thi công tạo thành theo phương pháp khoan trộn sâu

- Thi công nhanh, kỹ thuật thi công không phức tạp, không có yếu tố rủi ro cao Tiết kiệm thời gian thi công do không phải chờ đúc cọc và đạt đủ cường độ

- Hiệu quả kinh tế cao, giá thành hạ hơn nhiều so với phương án cọc đóng

- Dễ dàng điều chỉnh cường độ bằng cách điều chỉnh hàm lượng xi măng khi thi công

- Dễ quản lý chất lượng thi công

- Hạn chế ô nhiểm môi trường

- Bản chất hóa lý của CĐXM: hàm lượng hữu cơ, đặc biệt là muối sunphat trong đất cao có thể ngăn cản quá trình hydrat hóa (Nguyễn Quốc Dũng và nnk, 2005); trong phạm vi pH=5,0÷6,3 khi pH tăng thì cường độ của CXMĐ tăng, khi pH=6,3÷6,9 sẽ có xu hướng ngược lại

Chương 1 đã trình bày tổng quan về ĐXM, đặc điểm tính chất cọc ĐXM, các phương pháp tính toán Trong chương này NCS cũng đã rút ra được những vấn đề còn tồn tại liên quan đến yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng ĐXM nói chung và trong gia cố nền đắp trên đất yếu nói riêng ở nước ta Đây là những nội dung mà các nhà tư vấn thiết

kế, tư vấn giám sát ở Việt Nam cần lưu ý để quản lý chất lượng cọc tại hiện trường hợp lý với điều kiện thực tế Việt Nam

15

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN THÔNG SỐ THIẾT KẾ CỌC

XI MĂNG ĐẤT XỬ LÝ NỀN ĐƯỜNG Ở SÓC TRĂNG-TRÀ VINH

- Hiện nay việc tính toán, thiết kế cọc ĐXM thường được thực hiện theo trình tự như sau:

1 Sơ bộ chọn cường độ cột đất sau xử lý Với thông số đã chọn, kết hợp với biểu đồ kinh nghiệm để hiệu chỉnh lượng ximăng, sau đó xác định lượng ximăng trên một m3đất phải xử lý Nếu là vữa khác chứ không phải là vữa ximăng thì phải căn cứ vào kết quả thí nghiệm trong phòng

2 Chọn đường kính cột đất sẽ tạo ra và tính toán lượng ximăng sẽ dùng

3 Chọn cấp phối vữa, các thông số cơ bản của vữa phải phù hợp với bơm Trong trường hợp hỗn hợp chỉ là nước và ximăng, tỉ lệ này sẽ ảnh hưởng đến khả năng bơm cũng như cường độ cột đất gia cố Tỉ lệ N/X càng cao thì càng dễ bơm nhưng cường

độ đạt được lại thấp Khi chọn cấp phối vữa cần quan tấm đến các yếu tố: điều kiện tự nhiên của đất; cấp phối hạt; khả năng thấm và hàm lượng nước

+ Trong vùng đất có tính thấm lớn, nước trong vữa có thể thoát ra khỏi vùng xử lý, tỉ

lệ N/X cần chọn tăng lên

+ Với đất dính, độ thấm nước nhỏ thì chọn tỉ lệ N/X nhỏ để đạt cường độ cao hơn + Với đất có độ thấm cao, mà yêu cầu về cường độ không cao lắm, có thể pha thêm Bentonite vào vữa để giảm mất nước

+ Tỉ lệ N/X thông thường chọn từ 1 đến 1,5

4 Từ (1), (2), (3) tính toán lượng vữa cần bơm cho một cột đất cần tạo ra

5 Chọn áp suất phun (thường từ 40 đến 50 atm) Lý tưởng nhất là xác định bằng kinh nghiệm kết hợp với thí nghiệm hiện trường Thông số này đồng thời cũng là hàm số giữa năng lực của bơm áp lực cao và điều kiện thực tế của đất áp suất bơm vữa càng cao, năng lực của tia phụt ra càng lớn và kết quả là hiệu quả phá đất càng cao, đường

7 Từ (4) và (6) tính toán thời gian bơm vữa cho một mét cột đất cần tạo ra

8 Chọn tốc độ rút cần khoan lên (thường 3 đến 8cm/phút) và tính toán thời gian cần thiết để bơm một lượng vữa cần thiết cho mỗi đoạn

9 Chọn tốc độ quay của cần khoan khi rút lên, ít nhất là 1 đến 2 vòng cho mỗi đoạn Sau khi thiết lập xong các thông số cần thiết, tiến hành đào kiểm tra cột đất để xem lại đường kính của nó, thí nghiệm kiểm tra cường độ, hệ số thấm Nếu cột đất nằm quá sâu, có thể khoan lấy mẫu để thí nghiệm

- Việc lựa chọn các thông số thiết kế chủ yếu của cọc ĐXM như hàm lượng XM, tỷ lệ trộn, bán kính, chiều dài, mật độ cọc,… phụ thuộc quan trọng vào đặc điểm, tính chất nền đất yếu Trong chương này, tác giả tập trung vào nghiên cứu các nội dung đó ở trong phòng thí nghiệm, kết hợp với nghiên cứu tại hiện trường về điều kiện làm việc thực tế của cọc ĐXM để có được những định hướng hiệu quả khi xử lý đất yếu ở Sóc Trăng, Trà Vình bằng cọc ĐXM

2.1 Cơ sở lý thuyết:

Xi măng sau khi trộn với đất sẽ xảy ra một loạt các quá trình hoá lý gây đông cứng, đóng rắn khối đất:

- Ban đầu là quá trình thủy hoá tạo các chất kết dính và Ca(OH)2:

3CaO.SiO2 + nH2O = Ca(OH)2 + 2CaO.SiO2(n-1)H2O

2CaO.SiO2 + mH2O = CaO.SiO2mH2O

3CaO.Al2O3 + 6H2O = 3CaO.Al2O3.6H2O

4CaO.Al2O3Fe2O3 + nH2O =3CaO.Al2O3.6H2O

+ CaO.Fe2O3.mH2O

17

Các chất kết dính có tác dụng gắn kết các thành phần của hỗn hợp, làm chặt cấu trúc hỗn hợp Kết quả là cường độ hỗn hợp tăng

Quá trình trao đổi cation: Ca(OH)2 sinh ra làm tăng độ kiềm của hỗn hợp, hiện tượng trao đổi cation xảy ra dẫn đến giảm thể tích cấu trúc sét, mất dần tính dẻo, kéo theo hiện tượng keo tụ, gắn kết thành các hạt kích thước lớn hơn, rắn chắc hơn làm tăng cường độ hỗn hợp XMĐ

Các phản ứng puzolan: Đồng thời, Ca(OH)2 sinh ra do thủy hóa tác dụng với Al và Si trong cấu trúc sét bị phân hủy trong môi trường kiềm lại tạo nên các chất kết dính mới dạng C-S-H cũng đóng góp làm tăng cường độ hỗn hợp XMĐ

Cacbonat hoá: trong điều kiện tiếp xúc với không khí Ca(OH)2 có thể kết tủa tạo thành Cacbonat canxi rắn chắc

Đó là các quá trình chủ yếu hình thành cường độ của CXMĐ, điều cần lưu ý là: hàm lượng hữu cơ, đặc biệt là muối sunphat trong đất cao có thể ngăn cản quá trình hydrat hóa (Nguyễn Quốc Dũng và nnk, 2005); trong phạm vi pH=5,0÷6,3 khi pH tăng thì cường độ của XMĐ tăng, khi pH=6,3÷6,9 sẽ có xu hướng ngược lại Trong điều kiện bình thường, một số công trình gặp khó khăn khi xử lý đất muối có thể khắc phục bằng cách tăng hàm lượng xi măng (Smith 1962) Song với đất yếu nhiễm phèn, pH giảm cùng với sự tập trung FeSO4, Al2(SO4)3, H2SO4 với hàm hượng cao; Mặt khác, thành phần khoáng đất phèn lại chủ yếu là Illite và kaolinite (Lê Huy Bá, 2003) Tổ hợp các tác nhân đó làm cho quá trình hoá lý của CXMĐ có diễn biến phức tạp hơn nhiều, ảnh đến quá trình hình thành cường độ XMĐ, cần có những nghiên cứu thực nghiệm

2.2 C ấu trúc, tính chất nền đất yếu ở Sóc Trăng – Trà Vinh

2.2.1 Đặc điểm, tính chất đất yếu đồng bằng Cửu Long [2]

2.2.1.1 Đặc điểm

- Đất yếu thuộc trầm tích amQII2-3 phân bố trên đồng bằng Cửu Long từ vùng Tân An

- Mỹ Tho, Bến Tre, Vĩnh Long, Sóc Trăng, Trà Vinh, Bạc Liêu, Cà Mau tới Long Mỹ, Kiên Giang Ở vùng Bến Tre, Trà Vinh, Sóc Trăng, trầm tích amQII2-3 tạo nên các

18

vùng hơi nhô cao trên bề mặt đồng bằng Từ thượng lưu đến biển dọc hai bờ sông Tiền Giang và Hậu Giang, trầm tích có xu hướng trải rộng ra Bề dày thay đổi từ vài mét đến khoảng 20 m Ở vùng ven biển và vào sâu trong nội địa, bề dày trầm tích thường

bị vát mỏng chỉ còn khoảng 2-5 m, còn ở vùng gần cửa sông hiện tại bề dày lớn hơn Thành phần trầm tích từ dưới lên khá đồng nhất gồm bột sét chứa cát màu xám nâu, xám đen, chứa ít vỏ sò, đôi chỗ mặt cắt là cát mịn Các loại đất chính ở đây chủ yếu là đất loại sét yếu, gồm bùn sét, bùn sét pha lẫn cát, màu xám đen; sét, sét pha trạng thái dẻo chảy đến chảy; có chỗ là cát pha, màu xám đen, trạng thái dẻo Tại một số vùng ở

An Giang, Đồng Tháp phần trên trầm tích là các loại đất sét, sét pha, trạng thái dẻo cứng đến dẻo mềm Như vậy, đất bùn sét và bùn sét pha có diện phân bố rộng, là các loại đất yếu, liên quan đến nhiều đối tượng xây dựng

- Trên cơ sở các đặc điểm về địa chất như trên, đất yếu ở khu vực nghiên cứu có các đặc điểm sau:

+ Là đất loại sét có lẫn hữu cơ

+ Hàm lượng nước cao và trọng lượng thể tích nhỏ

+ Độ thấm nước rất nhỏ

+ Cường độ chống cắt nhỏ và khả năng nén lún lớn

- Ngoài ra đất yếu ở Sóc Trăng-Trà Vinh còn có đặc điểm đất nhiễm phèn

- Đất nhiễm phèn có màu đen hoặc nâu ở tầng đất mặt Đất có mùi đặc trưng của lưu huỳnh và H2S Nếu để đất đen đó hong khô ngoài không khí sẽ xuất hiện màu vàng và bốc mùi của chất lưu huỳnh đó chính là chất phèn gồm hỗn hợp của sunfat nhôm và sunfat sắt

- Đất phèn ngoài có những đặc điểm của đất sét mềm và bùn còn có những đất điểm sau:

+ Hàm lượng SO3 cao thường từ 1,5÷3% tổng số trong đất khô

+ Độ PH thấp từ 4÷6,5

19

+ Hàm lượng hữu cơ cao từ 2÷8%

+ Tính trương co của đất phèn rất lớn do thành phần khoáng sét cao và do tỉ lệ hữu cơ lớn Khi khoáng sét mất nước sẽ co lại do khoảng cách giữa các lớp alumin silicat bị thu hẹp lại Mặt khác, khi xác thực vật (hữu cơ) mất nước cũng teo lại, đã làm cho tỉ lệ

co của đất này lớn

+ Nhiệt độ đất có liên quan đến độ ẩm đất, đến độ hòa tan của không khí, đến hoạt động hệ sinh vật và liên quan đến đặc tính phèn trong đất Nghĩa là nhiệt độ đất có liên quan đến quá trình hóa lý, hóa sinh học của đất nói chung và đất phèn nói riêng Ví dụ:

vi sinh vật cần một nhiệt độ đất thích hợp là 25÷30°c để sống và hoạt động Mỗi loại đất có một sự biến động nhiệt độ khác nhau Sự chênh lệch nhệt độ ở tầng mặt lớn hơn nhiều so với tầng 20cm sự chênh lệch nhiệt độ làm bốc phèn, bốc mặn lên mặt đất, làm đất hóa phèn nhanh chóng

+ Tỷ trọng đất phèn là trọng lượng tính bằng g/cm3 đất khô kiệt, mà các hạt đất xếp sít vào nhau, không có khe hở Tỷ trọng đất phèn có liên quan đến thành phần sét, cát và chất hữu cơ trong đất Trong thực tế tỷ trọng thường từ 2,5÷2,66g/cm3 được xếp vào loại trung bình

+ Ngoài ra đất phèn còn có một số đặc điểm khác như độ chặt, độ ẩm đất

+ Độ chặt: phụ thuộc vào thành phần cơ giới và độ ẩm, có thể từ 3÷8 kg/cm2 Độ chặt còn phụ thuộc vào loại địa hình Do thành phần cơ giới của đất phèn là sét, khi ngập nước lại bị nhiễm mặn nên có Na+ xâm nhập, với màng thủy hóa của nó, đã làm độ chặt giảm nhiều khi ngập nước lợ Điều đó chứng tỏ đất phèn là đất không có nền, khi khô tầng trên rất cứng nghĩa là độ chặt cao, khi ngập tầng trên độ chặt giảm mạnh và thấp hơn nhiều so với tầng dưới

+ Độ ẩm đất: về mùa khô độ ẩm thường giảm thấp trên đất thấp

+ Tầng trên 0÷20cm rất khô, nhưng tầng dưới 40÷50cm vẫn ẩm ướt Bởi vì mạch nước phèn thường xuất hiện gần mặt đất (60÷70cm) Sự biến động của độ ẩm phụ thuộc nhiều đến thời kỳ, tầng đất, mạch nước ngầm và địa hình Biên độ biến động độ ẩm trong tầng 0÷10cm rất lớn, vì vậy cần theo dõi sát độ ẩm đất để định ra thời kỳ

20

- Đất yếu ở Sóc Trăng–Trà Vinh chiều dày các lớp đất này có giá trị tương đối lớn, ở Sóc Trăng đến 19,4m, ở Trà Vinh đến 18,8m Để xây dựng công trình trên các vùng đất như vậy, sử dụng các biện pháp xử lý móng sẽ gặp rất nhiều khó khăn và tốn kém Hợp lý hơn cả trong những trường hợp nền đất yếu là tìm giải pháp xử lý nền hoặc kết hợp xử lý nền với móng, trong đó giải pháp xử lý nền thường đóng vai trò chủ đạo

2.1.1.2 Tính ch ất đất yếu

Bảng 2.1 Kết quả nghiên cứu các đặc trưng kháng cắt của đất ở Đồng Bằng Sông

Cửu Long theo

Phương pháp xác định Chỉ tiêu Đất bùn sét Đất bùn sét pha

Nén ba trục UU C (kPa) 16,2 22,8 10 12,6 16,1 9,2

Φ (độ) 0016’ 1058’ 0000’ 3026’ 4044’ 1013’

Nén ba trục CU

đo áp lực nước lỗ rỗng

C (kPa) 13,0 15,0 11,0 6,2 10,1 3,2 Φ(độ) 14004’ 15040’ 12000’ 13031’ 16056’ 10045’ C’(kPa) 18,0 23,0 13,0 5,4 9,3 2,4 Φ’ (độ) 24052’ 27044’ 19029’ 21034’ 24059’ 18048’ Nén đơn trục C (kPa) 12,9 15,2 4,8 20,3 22,2 15,6 Cắt cánh τ (kPa) 18,5 31,2 14,5 16,4 19,0 13,0

Bảng 2.2 Tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý của đất yếu amQII2-3 vùng đồng bằng Cửu Long (1354 mẫu đất thí nghiệm)

Thành phần hạt,% Độ

ẩm

tự nhiê

n, W,%

Khối lượng thể tích, γ g/cm 3

Khối lượng thể tích khô,

γ c ,g/c

m 3

Khối lượng riêng, Δ,g/cm

3

Hệ số rỗng,

e o

Độ

lỗ rỗng, n,%

Độ bão hòa, G,%

Giới hạn chảy,

W L ,

%

Giới hạn dẻo,

W p ,

%

Chỉ số dẻo, I p

Độ sệt,

I s

Sức chống cắt Hệ số

nén lún,a 1-2

, cm 2

/kg

Áp lực tính toán quy ước,

R 0 ,kg/cm

2

Mô đun tổng biển dạng,

E 0 ,kg/cm

2

Loại đất

Nhóm hạt cát (2- 0,05)

mm

Nhóm hạt bụi (0,05- 0,002 mm)

Nhóm hạt sét (<

0,002 mm)

Lực dính,

C u , kg/cm 2

Góc ma sát trong

Bảng 2.3 Tổng hợp các thông số cố kết của đất yếu amQII2-3ở Đồng Bằng Sông Cửu Long

Các đặc trưng vật lý và cố kết

Địa điểm nghiên cứu Long

Phú, Sóc Trăng

Liêu, T.Bạc Liêu

Trà Vinh, T.Trà Vinh

Dân, Bạc Liêu

Gò Công,

Tân

Mỹ An, Đồng Tháp

Mỹ Tho,

trung bình các chỉ tiêu

cơ lý

Trà Vinh, T.Trà Vinh

Long

tỉnh Vĩnh Long

Mỹ Tho,

Giang

trung bình các chỉ tiêu

24

- Bảng 2.1, 2.2, 2.3 ta có nhận xét là sức kháng cắt không thoát nước của đất bùn sét, bùn sét pha nhỏ So sánh các kết quả thí nghiệm cho thấy, đối với đất bùn sét sức kháng cắt không thoát nước có giá trị lớn nhất ở thí nghiệm cắt cánh (τ=C=18,5 kPa), sau đó đến thí nghiệm nén ba trục UU (C = 16,2 kPa) Bùn sét pha cũng có giá trị tương tự thí nghiệm cắt cánh C = 16,4 kPa) sau đó đến thí nghiệm nén ba trục UU (C = 12,6 kPa) Khi đất đã cố kết thì sức kháng cắt tăng lên đáng kể, thể hiện trong sơ đồ

CU, các giá trị góc ma sát trong hữu hiệu đạt từ 18 đến 250

- Các kết quả nghiên cứu đặc trưng cố kết của đất ở ST-TV được trình bày ở Bảng 2.3 cho thấy:

+ Đối với đất bùn sét, các đặc trưng cố kết biến đổi như sau:

Hệ số cố kết Cv1-2 biến đổi từ 0,27*10-3đến 0,46*10-3 cm2/s

Chỉ số lún Cc biến đổi từ 0,515 đến 0,971

Áp lực tiền cố kết biến đổi từ 0,30 đến 0,510 kg/cm2

Hệ số nén lún av1-2 biến đổi từ 0,159 đến 0,297 cm2/ kg

25

xấp xỉ khoảng 10m, một số nơi có thể đạt đến 20m, nằm gần mặt đất, hầu như chưa được nén chặt, mới ở giai đoạn đầu của quá trình hình thành đá trầm tích Vì vậy, rất khó khăn cho công tác xây dựng đường

2/ Đất có thành phần hạt rất mịn, hàm lượng các nhóm hạt bụi và sét khá cao đồng thời cũng có mặt các khoáng vật có tính phân tán cao như montmorillonit và illit, không thuận lợi cho các giải pháp sử dụng xử lý nền đất yếu bằng các chất kết dính

3/ Các kết quả nghiên cứu về độ pH, khả năng trao đổi cho thấy, độ pH của đất thấp, nhỏ hơn 7, dao động từ 3 đến xấp xỉ 6 Khả năng trao đổi hấp thụ không cao, dung lượng hấp thụ chỉ dao động từ 19,6÷27,25 me/100 g đất khô nên thuận lợi cho việc cải tạo đất bằng các biện pháp thông thường nên dùng các biện pháp bằng các chất kết dính và cả các giải pháp làm chặt đất

4/ Tại các địa điểm nghiên cứu ta thấy trong đất có chứa muối dễ hòa tan Đất được xếp vào loại nhiễm muối ít thường từ 1÷2%, đất thuộc loại nhiễm muối ít Loại muối trong đất là chlorua natri Như vậy, sự có mặt của muối dễ hòa tan sẽ gây ảnh hưởng xấu đến việc cải tạo đất bằng các chất kết dính vô cơ Tuy nhiên, với mức nhiễm muối này, vẫn có thể cải tạo được bằng các chất kết dính vô cơ

5/ Hầu hết các mẫu nghiên cứu cho thấy, đất đều chứa chất hữu cơ, hàm lượng hữu cơ trong đất không cao, đại đa số các mẫu nghiên cứu cho hàm lượng hữu cơ dao động trung bình từ 3÷4% Hàm lượng hữu cơ đã gây ảnh hưởng tới các đặc trưng cơ lý, cũng như chất lượng cải tạo đất bằng xi măng

6/ Đất nghiên cứu là loại đất yếu, chưa được nén chặt, có chứa muối và chất hữu cơ Mức độ nén lún mạnh, hệ số nén lún và chỉ số lún ở tất cả các mẫu đều lớn hơn 0,1; áp lực tiền cố kết nhỏ, dao động trung bình từ xấp xỉ 0,3÷0,5 kg/cm2 Sức kháng cắt không thoát nước từ thí nghiệm cắt cánh hiện trường và thí nghiệm 3 trục trong phòng cho thấy đất nghiên cứu không thuận lợi cho việc xây dựng đường, các thông số nghiên cứu có thể phục vụ kiểm toán ổn định nền đường trong lúc thi công cũng như trong quá trình cải tạo bằng các giải pháp khác nhau

7/ Ngoài ra chúng ta cũng nên nghiên cứu về độ nhiễm phèn của đất để đưa ra thông số

26

cọc XMĐ cho phù hợp, lựa chọn loại xi măng phù hợp (xi măng có khả năng giải quyết vấn đề hàm lượng hữu cơ, độ nhiểm phèn của đất)

2.2.2 C ấu trúc, tính chất nền đất yếu ở Sóc Trăng, Trà Vinh

Cấu trúc, tính chất đất nền tại Sóc Trăng, Trà Vinh mang những nét rất đặc trưng của đồng bằng Sông Cửu Long Nền đất yếu tại vị trí Cầu Vĩnh Châu 2 phường 1, thị xã Vĩnh Châu, tỉnh Sóc Trăng và tại cầu C16 trong khu Kinh tế Định An, Trà Vinh là những ví dụ điển hình với cấu trúc nền đất yếu như sau:

a/ Cấu trúc nền đất yếu tại Sóc Trăng (Cầu Vĩnh Châu 2) gồm các lớp đất sắp xếp từ

độ sâu 0m xuống đến độ sâu 40.0m như sau (hình 2.1):

Lớp 1 Bùn sét pha, chảy Ở độ sâu từ 0 đến 19,4m.Bề dày của lớp này quan sát được là 19,4m.Thành phần chủ yếu là bùn sét pha màu xám xanh, xám nâu Nguồn gốc trầm tích sông, biển hỗn hợp và sinh vật (ambQIV3)

Lớp 2 Sét pha, dẻo cứng Ở độ sâu từ 19,4m đến 24,4m Bề dày của lớp này quan sát được là 5m Thành phần chủ yếu là sét pha màu xám xanh, xám vàng, nâu vàng, nâu Nguồn gốc trầm tích sông, biển hỗn hợp và sinh vật (ambQIV3)

Lớp 3 Sét, dẻo mềm Ở độ sâu từ 24,4m đến 39,5m.Bề dày của lớp này quan sát được

là 15,1m Thành phần chủ yếu là sét xám xanh Nguồn gốc trầm tích sông, biển hỗn hợp (ambQIV2)

Lớp 4 Cát mịn lẫn vỏ sò, chặt vừa, ướt Ở độ sâu từ 39,5m đến kết thúc hố khoan ở độ sâu 40,0m mà vẫn chưa gặp đáy lớp Bề dày của lớp này quan sát được là 0,5m Thành phần chủ yếu là cát mịn lẫn vỏ sò màu xám xanh Nguồn gốc trầm tích sông, biển hỗn hợp (amQIV2)

27

Hình 2.1 Cột địa tầng đặc trưng ở Sóc Trăng (Cầu Vĩnh Châu 2)

Bảng 2.4 Các chỉ tiêu cơ lý đất tại Sóc Trăng (Cầu Vĩnh Châu 2)

28

b/ Cấu trúc nền đất yếu tại Trà Vinh (hình 2.2):

Tại cầu C16 trong khu Kinh tế Định An có các lớp đất sắp xếp từ độ sâu 0m xuống đến độ sâu 40m như sau:

Lớp 1 Bùn sét, chảy Ở độ sâu từ 0 đến 11m Bề dày của lớp này quan sát được là

11m.Thành phần chủ yếu là bùn sét pha màu xám xanh Nguồn gốc trầm tích sông, biển hỗn hợp và sinh vật (ambQIV3)

Lớp 2 Sét pha, chảy đến dẻo chảy Ở độ sâu từ 11m đến 18m Bề dày của lớp này quan sát được là 7m Thành phần chủ yếu là sét pha màu xám xanh, nâu vàng Nguồn gốc trầm tích sông, biển hỗn hợp và sinh vật (ambQIV3)

Lớp 3 Sét, nửa cứng Ở độ sâu từ 18m đến 41,2m.Bề dày của lớp này quan sát được là 23,2m Thành phần chủ yếu là sét xám xanh Nguồn gốc trầm tích sông, biển hỗn hợp (ambQIV2)

Hình 2.2 Mặt cắt địa chất đặc trưng ở Trà Vinh