Ứng dụng trụ đất xi măng vôi xử lý nền nhà máy bột mì đại phong

Vì vậy để tăng sức chịu tải của nền đất, cải thiện một số tính chất cơ lý của nền đất yếu như: Giảm hệ số rỗng, giảm tính nén lún, tăng độ chặt, tăng trị số module biến dạng, tăng cường

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

1 GS TSKH NGUYỄN VĂN THƠ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Huỳnh Văn Lê Mã số học viên: 1570674

Ngày, tháng, năm sinh: 19-08-1986

Ngành: KTXD Công trình Ngầm

Nơi sinh: Sóc Trăng

Chuyên ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình ngầm

MN: 60 58 02 04

I- TÊN ĐỀ TÀI: Ứng dụng trụ đất xi măng - vôi xử lý nền nhà máy bột mì Đại Phong II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG ĐỀ TÀI

Nhiệm vụ: Xác định hàm lượng thích hợp và hiệu quả kinh tế hổn hợp đất xi măng kết

hợp với vôi để xử lý nền đất yếu ở khu vực Cần Thơ Ứng dụng kết quả thí nghiệm vào bài toán cụ thể và mô phỏng bằng phần mềm Plaxis

Nội dung:

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan về ứng dụng trụ đất xi măng - vôi để xử lý nền đất yếu

Chương 2: Cơ sở lý thuyết về trụ đất xi măng - vôi để xử lý nền đất yếu

Chương 3: Thí nghiệm trong phòng xác định các hàm lượng thích hợp và các đặc

trưng của đất trộn vôi và xi măng

Chương 4: Ứng dụng tính toán cho trụ đất xi măng - vôi để xử lý nền nhà máy bột mì

Đại Phong

Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 04/07/2016

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 04/12/2016

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên cho học viên gửi đến quý Thầy Cô trong Bộ môn Địa Cơ Nền Móng lòng biết ơn sâu sắc vì sự tận tình mà quý Thầy Cô đã hướng dẫn và truyền đạt cho học viên những kiến thức quý báu trong các học kỳ vừa qua Học viên xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành

Học viên xin chân thành cám ơn Thầy PGs Ts Võ Phán, người Thầy đã hết lòng giúp

đỡ và hướng dẫn học viên trong thời gian học tập tại trường, Thầy đã hỗ trợ học viên rất nhiều về việc bổ sung kiến thức chuyên môn, nguồn tài liệu và những lời động viên quý báu trong quá trình học viên học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn này

Học viên xin chân thành cám ơn các Thầy PGs.Ts Châu Ngọc Ẩn, Ts Lê Bá Vinh,

PGs.Ts Bùi Trường Sơn, Ts Nguyễn Minh Tâm, Ts Lê Trọng Nghĩa, Ts Đỗ Thanh Hải, Ts Trần Tuấn Anh đầy nhiệt huyết và lòng yêu nghề, tạo điều kiện tốt

nhất cho học viên học tập và nghiên cứu, luôn tận tâm giảng dạy và cung cấp cho học viên nhiều tư liệu quan trọng và cần thiết, giúp học viên giảm bớt rất nhiều khó khăn trong thời gian thực hiện luận văn

Học viên xin chân thành cám ơn quý Thầy, Cô, Anh Chị nhân viên của Phòng Đào tạo

Sau Đại học và bạn bè, gia đình đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho học viên

trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn

TP Hồ Chí Minh, ngày 04 tháng 12 năm 2016

Học viên thực hiện

Huỳnh Văn Lê

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn trình bài nghiên cứu thí nghiệm của mẫu đất trộn xi măng vôi xác định hàm lượng tối ưu và biến dạng đối với địa chất ở khu vực Trà Nóc, Thành Phố Cần Thơ Ứng dụng trụ đất xi măng vôi vào xử lý nền tính toán theo 2 quan điểm nền tương đương và quan điểm nền hỗn hợp của viện kỹ thuật Châu Á AIT, tính toán xác định chiều dài, đường kính cọc và khoảng cách cọc thích hợp đối với đất nền Thành Phố Cần Thơ Phương pháp phần tử hữu hạn được thực hiện trong nghiên cứu này thông qua việc mô phỏng công trình bằng phần mềm plaxis 2D với mô hình Mohr-Coulomb và Hardening Soil nhằm xác định độ lún so sánh với phương pháp giải tích Kết quả cho thấy tính toán theo phương pháp giải tích cho ra độ lún lớn hơn nhiều so với phương pháp phần tử hữu hạn

ABSTRACT

The thesis presents the experiment research of soil sample mixing lime and cement, determines the optimal content and geologic deformation in Tra Noc area, Can Tho City Applying the lime-cement soil pillar to process ground base, calculating as 2 viewpoints: equivalent ground base andimmix ground base of Asian Institute of Technology (AIT), calculating to determine length, pile diameter and appropriate pile distance for ground base in Can Tho City Finite element method is performed in this study through works simulation by 2D plaxis software with Mohr-Coulomb and the Hardening Soil model to determine subsidence compared with analytic method Results show that calculation by the analytic method gives larger subsidence than the finite element method

KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN

 (o) : Góc ma sát trong

υcol (o) : Góc ma sát trong trụ đất vôi

υsoil (o) : Góc ma sát trong của đất yếu được gia cố

υtđ (o) : Góc ma sát trong của nền tương đương

τ (kPa) : Sức chống cắt của đất

ταν (kPa) : Ứng suất cắt trung bình dọc theo chu vi của khối trụ đất vôi

ν : Hệ số Poisson

col (kN/m3) : Trọng lượng riêng của trụ đất vôi

soil (kN/m3) : Trọng lượng riêng của đất yếu được gia cố

tđ (kN/m3) : Trọng lượng riêng của nền tương đương

Δσ’v (kN/m2) : Gia tăng ứng suất thẳng đứng

σ (kN/m2) : Áp lực thẳng đứng

σ’p (kN/m2) : Ứng suất tiền cố kết

σbt (kN/m3) : Ứng suất thẳng đứng do trọng lượng bản thân các lớp đất

ng (kN/m2) : Ứng suất do tải trọng ngoài

σh (kN/m2) : Áp lực theo phương ngang tác dung ở tiết diện nguy hiểm

as (m2) : Diện tích tương đối của trụ đất vôi

Acol (m2) : Diện tích trụ đất vôi

Asoil (m2) : Diện tích của đất yếu được gia cố

b (m) : Bề rộng diện chịu tải trọng cục bộ

B (m) : Bề rộng của đáy nền

Bcol (m) : Bề rộng khối trụ đất vôi

c (kN/m2) : Lực dính của đất

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

Cci : Chỉ số nén lún hay độ dốc của đoạn đường cong nén lún

Ccol (kN/m2) : Lực dính trụ đất vôi

Csoil (kN/m2) : Lực dính của đất yếu được gia cố

Ctđ (kN/m2) : Lực dính của nền tương đương

Cu (kN/m2) : Sức chống cắt trung bình của đất xung quanh trụ

Cαν (kN/m2) : Sức chống cắt trung bình dọc theo mặt trượt

Cu.col (kN/m2) : Sức chống cắt trung bình của trụ đất vôi

Ecol (kN/m2) : Module biến dạng trụ đất vôi

Esoil (kN/m2) : Module biến dạng của đất yếu được gia cố

Etđ (kN/m2) : Module biến dạng của nền tương đương

ffs : hệ số riêng phần đối với trọng lượng đất

fq : hệ số riêng phần đối với tải trọng ngoài

l (m) : Chiều dài của diện chịu tải trọng cục bộ

Lcol (m) : Chiều dài khối trụ đất vôi

Msoil (kN/m2) : Mô đun nén của đất nền xung quanh trụ đất vôi

Mcol (kN/m2) : Mô đun nén của trụ đất vôi

Mg (kN.m) : Môment chống trượt

Mt (kN.m) : Môment gây trượt

q (kN) : Áp lực đáy móng

qu (kPa) : Cường độ kháng nén đơn

Qult.soil (kN) : Khả năng chịu tải trọng tới hạn theo đất nền của trụ đất vôi

Qult.group (kN) : Khả năng chịu tải trọng tới hạn theo cơ chế phá hoại khối

Qult (kN) : Khả năng chịu tải trọng tới hạn theo cơ chế phá hoại cục bộ

Qcreep.col (kN) : Khả năng chịu tải có kể đến từ biến

Q (kN) : Khả năng chịu tải mỗi trụ trong nhóm trụ

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1-1 Sự thay đổi độ ẩm của hổn hợp xi măng - vôi trước và sau khi thí nghiệm 5

Bảng 3.1 Các chỉ tiêu cơ lý của đất tự nhiên khi làm thí nghiệm 31

Bảng 3.2: Các chỉ tiêu cơ lý của xi măng 32

Bảng 3.4: Các chỉ tiêu của vôi 33

Bảng 3.4: Chế bị mẩu đất trộn xi măng và vôi theo hàm lượng ở tuổi 7, 14, 28 ngày 35

Bảng 3.5: Kết quả thí nghiệm mẫu đất trộn vôi và đất trộn xi măng 36

Bảng 3.6: Kết quả thí nghiệm mẫu đất trộn xi măng - vôi 37

Bảng 3.7: Kết quả thí nghiệm hổn hợp mẫu đất trộn vôi và xi măng theo tỉ lệ 8-4, 43

Bảng 3.8: Kết quả thí nghiệm hổn hợp mẫu đất trộn vôi và xi măng theo tỉ lệ 10-4, 10-8, 10-10, 10-12 và 10-14 theo thời gian 7, 14, 28 ngày tuổi 44

Bảng 3.9: Kết quả thí nghiệm hổn hợp mẫu đất trộn xi măng và vôi theo tỉ lệ 12-4, 12-8, 12-10, 12-12 và 12-14 theo thời gian 7, 14, 28 ngày tuổi 45

Bảng 3.10: Kết quả thí nghiệm hổn hợp mẫu đất trộn vôi và xi măng theo tỉ lệ 14-4, 14-8, 14-10, 14-12 và 14-14 theo thời gian 7, 14, 28 ngày tuổi 46

Bảng 3.11: Tổng hợp kết quả thí nghiệm ở thời điểm 28 ngày của hổn hợp đất – xi măng – vôi 46

Bảng 3.12: Tổng hợp kết quả theo hướng gia tăng cường độ chịu nén của hổn hợp đất xi măng - vôi ở tuổi 28 ngày 49

Bảng 4.1 Các chỉ tiêu cơ lý chủ yếu của các lớp đất 52

Bảng 4.2: Chỉ tiêu cơ học của đất xi măng - vôi 53

Bảng 4.3 Các chỉ tiêu của nền với khoảng cách bố trí cọc khác nhau 54

Bảng 4.4: Tính toán khả năng chịu lực của trụ đất xi măng - vôi theo vật liệu (đơn vị kN) 57

Bảng 4.5: Bảng tính sức chịu tải theo khoảng cách cọc 59

Bảng 4.6: Kết quả tính toán ổn định 60

Bảng 4.7: Tính lún trong khối gia cố theo khoản cách cọc 61

Bảng 4.8: Tính lún của đất nền tự nhiên dưới mũi trụ đất gia cố 62

Bảng 4.9: Tính toán khả năng chịu lực của trụ đất xi măng - vôi theo vật liệu (đơn vị kN) 64

Bảng 4.10: Bảng tính sức chịu tải theo khoảng cách cọc 66

Bảng 4.11: Kết quả tính toán ổn định 67

Bảng 4.12: Tính lún trong khối gia cố theo khoản cách cọc 68

Bảng 4.13: Tính lún của đất nền tự nhiên dưới mũi trụ đất gia cố 69

Bảng 4.14: Các thông số vật liệu của mô hình Plaxis 70

Bảng 4.15: Độ chênh lệch lún của nền nhà máy theo giải tích và mô phỏng 77

Bảng 4.16: So sánh độ lún giữa giải tích và mô phỏng 78

HÌNH ẢNH VÀ BIỂU ĐỒ

Hình 1-1: Quan hệ cường độ của hỗn hợp đất – vôi theo tỷ lệ vôi 6

Hình 1-2: Quan hệ cường độ của đất xi măng phụ thuộc vào hàm lượng xi măng 7

Hình 1-3: Cường độ đất xi măng - vôi tăng dần theo thời gian 8

Hình 1-4: Ảnh hưởng xi măng, xi măng - vôi (75:25) ở thời gian 14 ngày sau 9

Hình 1-5: Ảnh hưởng của sức kháng cắt cho 3 loại đất khác nhau với các hàm lượng 9

Hình 1-6: Quicklime (CaO) và Hydrated lime (Ca(OH)2) 9

Hình 1-7: Cường độ tăng theo thời gian của 2 loại xi măng 10

Hình 1-8: Cường độ tăng theo thời gian với tỉ lệ xi măng - vôi (25:75) 11

Hình 1-9: Cường độ tăng theo thời gian với tỉ lệ xi măng - vôi (50:50) 11

Hình 1-10: Cường độ theo thời gian của vôi – xi măng với hàm lượng 200kg/m3 12

Hình 1-11: Quan hệ ứng suất – biến dạng của đất trộn xi măng – vôi 13

Hình 2.1 Tải trọng tác dụng tương đối nhỏ và trụ chưa bị rão 25

Hình 2.2 Tải trọng tương đối cao và tải trọng dọc trục tương ứng với giới hạn rão 26

Hình 3.1 Ống lấy mẫu 30

Hình 3.2 Thùng trộn đất xi măng – vôi 30

Hình 3.3 Khuôn tạo mẫu 30

Hình 3.4 Kích thủy lực 31

Hình 3.5 Nén đơn 1 trục không hạn chế nở hông 31

Hình 3.6 Hộp thiếc dùng để xác định độ ẩm trước khi trộn, sau khi trộn và khi thí nghiệm 34

Hình 3.7: Quan hệ giữa cường độ nén đơn và biến dạng đất trộn vôi và đất trộn xi măng ở tuổi 28 ngày 40

Hình 3.8: Quan hệ giữa Cường độ nén đơn và thời gian của đất trộn xi măng 41

Hình 3.9: Quan hệ giữa Cường độ nén đơn và thời gian của đất trộn vôi 41

Hình 3.10: Quan hệ giữa Cường độ nén đơn theo hàm lượng của đất trộn vôi và đất trộn xi măng ở tuổi 7 ngày 42

Hình 3.11:Quan hệ giữa Cường độ nén đơn theo hàm lượng của đất trộn vôi và đất trộn xi măng ở tuổi 28 ngày 42

Hình 3.12: Quan hệ giữa Cường độ nén đơn theo thời gian của đất trộn 8% vôi kết hợp xi măng 43

Hình 3.13: Quan hệ giữa Cường độ nén đơn theo thời gian của đất trộn 10% vôi kết hợp xi măng 44

Hình 3.14: Quan hệ giữa Cường độ nén đơn theo thời gian của đất trộn 12% vôi kết hợp xi

măng 45

Hình 3.15: Quan hệ giữa Cường độ nén đơn theo thời gian của đất trộn 14%vôi 46

Hình 3.16: Quan hệ giữa cường độ nén đơn theo hàm lượng vôi ở tuổi 28 ngày 47

Hình 3.17: Tổng hợp các hàm lượng lân cận hàm lượng 10% xi măng - 8% vôi 48

Hình 4.1: Mặt bằng tổng thể công trình 51

Hình 4.2: Mô hình sức chịu tải của nhóm cọc theo đất nền 57

Hình 4.3: Mô hình tính lún 60

Hình 4.4: Mô hình sức chịu tải của nhóm cọc theo đất nền 64

Hình 4.5: Mô hình tính lún 67

Hình 4.6: Mô phỏng bài toán trong Plaxis 2D 71

Hình 4.7: Chia lưới mô hình 2D 71

Hình 4.8: Phân bố điểm dẻo trong nền 72

Hình 4.9: Tổng độ lún của nền 72

Hình 4.10: Tổng độ lún theo phương đứng 73

Hình 4.11: Mô phỏng bài toán trong Plaxis 2D 74

Hình 4.12: Chia lưới mô hình 2D 74

Hình 4.13: Phân bố điểm dẻo trong nền 75

Hình 4.14: Tổng độ lún của nền 75

Hình 4.15: Tổng độ lún theo phương đứng 75

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài: 1

2 Mục tiêu nghiên cứu: 2

3 Phương pháp nghiên cứu : 2

4 Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài: 2

5 Giới hạn của đề tài: 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG TRỤ ĐẤT XI MĂNG - VÔI ĐỂ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU 8

1.1 Một số nghiên cứu ở Việt Nam 4

1.2 Một số nghiên cứu trên thế giới 8

1.3 Nhận xét chương 1: 12

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TRỤ ĐẤT XI MĂNG - VÔI ĐỂ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU 14

2.1 Các điều kiện áp dụng 14

2.2 Cơ sở để cải tạo đất bằng phương pháp trộn vôi 15

2.3 Cơ sở để cải tạo đất bằng phương pháp trộn xi măng 17

2.4 Loại đất được xử lý bằng xi măng - vôi 20

2.4.1 Loại đất 20

2.4.2 Thành phần khoáng 20

2.4.3 Độ pH của đất 21

2.5 Bản chất độ bền của đất 21

2.5.1 Tiêu chuẩn và thông số độ bền của đất : 22

2.6 Các phương pháp tính toán trụ đất xi măng - vôi 23

2.6.1 Phương pháp tính toán theo quan điểm trụ đất xi măng - vôi làm việc như trụ 23

2.6.2 Phương pháp tính toán theo quan điểm như nền tương đương 23

2.6.3 Phương pháp tính toán theo quan điểm của Viện Kỹ Thuật Châu Á 25

2.6.4 Tính toán biến dạng 25

2.7 Nhận xét chương 2 28

CHƯƠNG 3: THÍ NGHIỆM TRONG PHÒNG XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG XI MĂNG VÀ VÔI THÍCH HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG CỦA ĐẤT TRỘN XI MĂNG VÔI 29

3.1Quy trình chế bị mẫu thí nghiệm 29

3.1.1 Thí nghiệm xác định đặc trưng cơ lý của đất nền 31

3.1.2 Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý xi măng 32

3.1.3 Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu của nước 32

3.1.4 Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu vôi 33

3.2 Chế bị mẫu 34

3.3 Xác định tỷ lệ xi măng và vôi: 34

3.3.1 Đúc mẫu 35

3.3.2 Chế độ dưỡng hộ 36

3.3.3 Trình tự thí nghiệm 36

3.4.4 Tiến hành thí nghiệm nén đơn trục 36

3.3.5 Kết quả thí nghiệm 36

3.4 Phân tích kết quả thí nghiệm 39

3.4.1 Kết quả thí nghiệm đất trộn vôi, đất trộn xi măng 40

3.4.2 Kết quả thí nghiệm hổn hợp đất trộn vôi kết hợp xi măng 42

3.5 Nhận xét 48

3.6 Kết luận chương: 50

CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN CHO TRỤ ĐẤT XI MĂNG - VÔI ĐỂ XỬ LÝ NỀN NHÀ MÁY BỘT MÌ ĐẠI PHONG 51

4.1 Giới thiệu công trình 51

4.1.1 Địa điểm, quy mô công trình 51

4.1.2 Điều kiện địa chất, thủy văn công trình 52

4.2 Tính toán thiết kế 53

4.2.1 Tính toán sức chịu tải 53

4.2.1.1 Thiết kế cọc với đường kính D=600mm 53

4.2.1.2 Thiết kế trụ với đường kính D=400mm 63

4.3 Ứng dụng kết quả thí nghiệm vào bài toán mô phỏng bằng Plaxis 70

4.4 Kết luận chương 77

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79

I KẾT LUẬN 79

I KIẾN NGHỊ 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài:

Ngày nay, cùng với xu hướng Công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước nên góp phần thúc đẩy ngành xây dựng cũng phát triển với tốc độ cao, các công trình có giá trị đầu tư lớn xuất hiện ngày càng nhiều như: nhà cao tầng khu công nghiệp, sân bay, bến cảng, đường cao tốc, cầu Cần Thơ, Tuy nhiên, Đồng bằng sông cửu Long nói chung

và Cần Thơ nói riêng với vị trí địa lý sông ngòi chằng chịt, đất nền chủ yếu do phù sa bồi lắng tạo thành, địa chất phức tạp, tầng đất yếu rất dầy (có nơi dày hơn 40m) Vì vậy để tăng sức chịu tải của nền đất, cải thiện một số tính chất cơ lý của nền đất yếu như: Giảm hệ số rỗng, giảm tính nén lún, tăng độ chặt, tăng trị số module biến dạng, tăng cường độ chống cắt của đất, giảm tính thấm của đất, đảm bảo ổn định cho khối đất đắp người ta sử dụng rất nhiều giải pháp: sử dụng trụ đóng, trụ ép, trụ khoan nhồi, trụ vật liệu rời, gia tải trước, phun xịt xi măng, bất thấm, bơm hút chân không, vải địa

kỹ thuật, … các phương pháp này thường có chi phí tương đối cao Để khắc phục nhược điểm trên nhiều nước trên thế giới đã áp dụng phương pháp trộn đất với vôi, đất với xi măng, đất kết hợp với cả xi măng và vôi xử lý tại chỗ cho loại đất này

Công nghệ gia cố nền bằng trụ đất trộn xi măng kết hợp với vôi đã được áp dụng nhiều trên thế giới bắt đầu từ nhiều năm trước đây Đã có rất nhiều công trình trên thế giới sử dụng công nghệ này để gia tăng sức chịu tải và giảm biến dạng cho nền công trình Việc ứng dụng trụ đất trộn xi măng kết hợp với vôi vào xây dựng nền móng công trình đã mang lại nhiều kết quả rất khả quan Mặc dù giải pháp trụ đất trộn xi măng là một trong những biện pháp gia cố nền đất yếu đã được nhiều nước trên thế giới áp dụng rộng rãi vào thập niên 1970 của thế kỷ trước, tuy nhiên đối với Việt Nam

dù đã có nhiều nghiên cứu, song phương pháp này vẫn còn chưa được ứng dụng nhiều, đặc biệt là vùng đồng bằng sông Cửu Long nói chung và Cần Thơ nói riêng Vì thế,

được sự đồng ý của Thầy hướng dẫn, tác giả đã mạnh dạn đề xuất đề tài: “Ứng dụng

trụ đất xi măng - vôi xử lý nền Nhà máy bột mì Đại Phong” nói riêng và Việt Nam

nói chung trong điều kiện đất yếu là một nhiệm vụ quan trọng và cấp bách nhằm góp phần nâng cao hiệu quả đầu tư xây dựng và nghiên cứu này trở thành một trong những

2.Mục tiêu nghiên cứu:

Mục tiêu của luận văn tập trung vào các vấn đề trên, bao gồm các nhiệm vụ chủ yếu sau đây:

- Đánh giá sự thay đổi về cường độ, module biến dạng của hổn hợp đất trộn xi măng kết hợp với vôi theo các hàm lượng xi măng - vôi khác nhau theo thời gian thông qua thí nghiệm nén nở hông

- Với điều kiện đất nền cụ thể, sử dụng kết quả thí nghiệm trên để tính toán xử lý nền Nhà máy bột mì đại phong

3.Phương pháp nghiên cứu :

Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận văn:

- Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu tổng quan về sử dụng đất trộn xi măng - vôi để gia cố nền đất yếu trên thế giới và ở Việt Nam Nghiên cứu các phương pháp thí nghiệm trong phòng và hiện trường để xác định các tính chất cơ lý của đất nền và đất gia cố

- Nghiên cứu thực nghiệm: Chế bị mẫu thử và thử nghiệm tìm ra kết quả tối ưu theo hàm lượng xi măng - vôi theo thời gian Phân tích và đánh giá kết quả thử nghiệm đồng thời ứng dụng kết quả vào tính toán ổn định của nền đất được gia cố

- Nghiên cứu mô phỏng: Ứng dụng phần mềm Plaxis để mô phỏng tính toán

4.Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài:

Đề tài làm rõ hơn ảnh hưởng của hàm lượng xi măng - vôi đến cường độ và module biến dạng của đất nhằm đánh giá thực trạng của việc xử lý nền đất yếu bằng phương pháp đất trộn xi măng kết hợp với vôi

Với việc xác định sự thay đổi tính chất cơ lý của đất nền, đánh giá cường độ tối ưu theo hàm lượng xi măng - vôi sao cho đạt hiệu quả về kỹ thuật và kinh tế trong điều kiện đất nền tại tại Cần Thơ, đề tài đưa ra các thông số kỹ thuật để cho các kỹ sư tham khảo trong việc tính toán thiết kế trụ đất trộn xi măng kết hợp vôi, đồng thời sử dụng phương pháp này giải quyết được bài toán gia cố nền đất yếu ở Cần Thơ nói riêng và ở Đồng Bằng Sông Cửu Long nói chung

5.Giới hạn của đề tài:

Do hạn chế về thời gian cũng như khả năng nên tác giả chỉ nghiên cứu hàm lượng

xi măng - vôi đối với đất nền ở Cần Thơ mà chưa nghiên cứu hết khu vực Đồng Bằng Sông Cửu Long để đưa ra kết luận có tính tổng quát và thuyết phục hơn

Đề tài tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của sự thay đổi hàm lượng xi măng - vôi đến cường độ, sức chống cắt của hổn hợp đất xi măng - vôi, đồng thời sử dụng kết quả thí nghiệm để tính toán ổn định ở một loại đất cụ thể cho đất nền

Do ở Cần Thơ chưa có công trình sử dụng trụ đất trộn xi măng kết hợp với vôi, vì vậy việc ứng dụng phần mềm Plaxis để mô phỏng tính toán trong điều kiện các thông

số có được trong phòng thí nghiệm

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG TRỤ ĐẤT XI MĂNG - VÔI ĐỂ

XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU

Đất yếu là bùn sét và bùn á sét có độ thấm kém khả năng ứng dụng cọc vật liệu rời không hiệu quả vì đất không nén chặt được trong quá trình thi công, vì nước trong

lỗ rỗng của bùn rất khó thoát đi để lỗ rỗng có thể giảm nhỏ lại Mặt khác, vật liệu rời

có thể chìm dần trong bùn nên không giữ được hình dạng cọc sau khi thi công Việc dùng xi măng - vôi để cải thiện ổn định nền đất yếu bằng các trụ đất xi măng - vôi, trong đó đất xi măng trộn với vôi tại chỗ để tạo ra trụ gia cố nền đất được sử dụng từ lâu Thụy Điển, Nhật và một số quốc gia khác đã nghiên cứu phương pháp này trong khoảng thời gian dài cho thấy trụ đất gia cố xi măng - vôi rất hữu hiệu trong việc gia tăng sức chịu tải và giảm độ lún của nền đất Công nghệ này đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ, nhưng là một giải pháp chưa được ứng dụng nhiều tại Việt Nam

Một số kết quả nghiên cứu sử dụng trụ đất xi măng - vôi:

1.1 Một số nghiên cứu ở Việt Nam

Theo [7] “Ứng dụng giải pháp trụ đất xi măng - vôi để gia cố nền đất yếu” nêu rõ: Trong điều kiện nền đất yếu có chiều dày lớn, đã có nhiều giải pháp hữu hiệu để xử

lý, gia cố nền đất yếu, và giải pháp trụ đất vôi ximăng là một trong số các giải pháp đó Trên thế giới, giải pháp này đã được ứng dụng khá lâu ở nhiều nước như Thụy Điển, Pháp, Nhật, Mỹ,… và đã thu được nhiều kết quả khả quan Ở nước ta, giải pháp này đã được ứng dụng nhiều trong vòng 5 năm gần đây ở nhiều loại công trình như: khu thương mại Vĩnh Trung Plaza ở Đà Nẵng, đại lộ Đông - Tây ở Tp Hồ Chí Minh, kho xăng dầu Nhà Bè, sân bay Cần Thơ,… Từ thực tế các công trình này cho thấy giải pháp trụ đất xi măng bước đầu có thể ứng dụng tốt và là giải pháp hợp lý cho nền móng của nhiều loại công trình ở nước ta

Phương pháp trộn có thể tạo ra trụ đất xi măng - vôi có tiết diện ngang thay đổi theo chiều sâu phù hợp với điều kiện cụ thể của đất

Đất sau khi được trộn với xi măng - vôi để tạo nên các trụ hỗn hợp đất xi măng - vôi đem lại sự tăng cao sức chống cắt cho nền và làm giảm tính biến dạng của nền Sự tăng cao sức chống cắt trong nền chủ yếu xãy ra trong các trụ đất vôi ximăng: là nơi xãy ra các phản ứng hoá học (xi măng - vôi)

Ngoài ra sự tăng sức chống cắt cũng xãy ra trong đất nền xung quanh các trụ đất xi măng - vôi do một lượng nước mất đi do sự thủy hóa vôi tạo ra nhiệt lượng lớn làm bốc hơi nước trong đất yếu

Theo [8] kết quả cho thấy:

Về độ ẩm: Kết quả thí nghiệm cho thấy mức giảm độ ẩm của đất tương ứng với mức tăng của tổng hàm lượng chất kết dính Hàm lượng chất kết dính càng cao, mức giảm độ ẩm của đất càng lớn (Bảng 1-1) Thống kê kết quả phân tích độ ẩm của 16 mẫu đất xi măng - vôi đất sau 28 ngày bảo dưỡng cho thấy độ giảm trung bình của độ

ẩm so với độ ẩm ban đầu là 16,1% Độ giảm độ ẩm lớn nhất của mẫu M00-20-0 là 24,6% và nhỏ nhất là của mẫu M08-04-0 tương ứng là 9,5%

Bảng 1-1 Sự thay đổi độ ẩm của hổn hợp xi măng - vôi trước và sau khi thí nghiệm [8]

Bảo dưỡng, ngày

gia, %

Độ ẩm ban đầu, %

Độ ẩm sau 28 ngày

16 M08-12-8 28 12 8 8 95 80 15,8

Khi trộn riêng đất vơi với tỷ lệ 4, 8, 12 và 20%, kết quả nghiên cứu cho thấy cường độ của hỗn hợp đất vơi tăng dần theo tỷ lệ vơi, tuy nhiên, độ tăng cường độ của hỗn hợp tương đối nhỏ Các mẫu cĩ tỷ lệ vơi 4% như mẫu M04-00-0, M08-00-0, giá trị cường độ nén đơn rất nhỏ, hầu như khơng xác định được Khi hàm lượng vơi tăng lên đến 20%, mẫu M20-00-0, cường độ nén đơn của mẫu cũng rất thấp, chỉ đạt giá trị

là 1,16 kG/cm2 sau 28 ngày bảo dưỡng (Hình 1-1)

ĐẤ T - VÔ I

Thờ i gian, ngà y

M04-00-0 M12-00-0

M08-00-0 M20-00-0

1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0

Hình 1-1: Quan hệ cường độ của hỗn hợp đất – vơi theo tỷ lệ vơi [8]

Từ kết quả nghiên cứu (Hình 1-1) cho thấy cường độ hỗn hợp đất – vơi chỉ hiệu quả kinh tế đối với những cơng trình cĩ tải trọng nhỏ nhưng đối với những cơng trình

cĩ tải trọng lớn thì giải pháp trụ đất xi măng là lựa chọn ưu tiên, cho nên việc lựa chọn hỗn hợp đất – vơi là khơng phù hợp

Trường hợp trộn riêng đất với măng, kết quả nghiên cứu cho thấy, cường độ nén đơn của hỗn hợp đất xi măng phụ thuộc vào hàm lượng xi măng, tuy nhiên, nếu

hàm lượng xi măng nhỏ hơn 12% thì sự gia tăng cường độ của đất cũng rất nhỏ, chỉ đạt tới 0,92 kG/cm2 (mẫu M00-12-0) Khi hàm lượng xi măng tăng lên đến 20% thì cường

độ nén đơn của mẫu tăng lên đáng kể, đạt giá trị 3,8 kG/cm2 (mẫu M00-20-0) Các kết quả thí nghiệm được thể hiện trên (Hình 1-10)

7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0

ĐẤ T - XI MĂ NG

Thờ i gian, ngà y

M00-04-0 M00-12-0

M00-08-0 M00-20-0

Hình 1-2: Quan hệ cường độ của đất xi măng phụ thuộc vào hàm lượng xi măng [8]

Từ kế quả nghiên (Hình 1.2) cho thấy cường độ hỗn hợp đất – xi măng khơng hiệu quả kinh tế đối với những cơng trình cĩ tải trọng khơng quá lớn, chỉ thích hợp với những cơng trình cĩ tải trọng địi hỏi lớn hơn

Cho nên giải pháp đất xi măng – vơi là giải pháp hiệu quả kinh tế hơn cho những cơng trình cĩ tải trọng khơng quá lớn

Trong trường hợp trộn đất xi măng - vơi, kết quả nghiên cứu cho thấy, cường độ nén đơn của hỗn hợp tăng theo tỷ lệ tăng của các chất kết dính Tuy nhiên, giá trị cường độ nén đơn của mẫu cũng khơng cao, với tỷ lệ xi măng - vơi là 12%: 8% (M08-12-0) cường độ nén đơn của mẫu sau 28 ngày bảo dưỡng chỉ đạt 1,46 kG/cm2 (Hình 1-3) Như vậy, sự kết hợp xi măng và vơi để gia cố đất yếu khu vực này vẫn chưa đạt hiệu quả cao

1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0

ĐẤ T - VÔ I - XI MĂ NG

Thờ i gian, ngà y

M08-04-0 M08-12-0

Hình 1-3: Cường độ đất xi măng - vơi tăng dần theo thời gian [8]

1.2 Một số nghiên cứu trên thế giới

Theo ơng Ahnberg cùng các cộng sự năm 1994, kết quả thử nghiệm trong phịng bằng cơng nghệ của Thụy Điển cho con đường ở I-95/Route 1 Interchange in Alexandria, Virginia, 1 tiểu bang ở Mỹ cho thấy đất sét quickclays và clayey silts dễ dàng xử lý bằng xi măng - vơi, trong khi đĩ sét hữu cơ organic clays và bùn sét (peat) rất khĩ xử

lý Hình 1 cho thấy xử lý cường độ của 1 số loại đất sau khi ổn định 14 ngày với 100kg/m3 phụ gia Đất cố kết thường và đất yếu cĩ sức kháng cắt khơng thốt nước từ

5 đến 30kPa [18]

Hình 1-4: Ảnh hưởng xi măng, xi măng - vôi (75:25) ở thời gian 14 ngày sau

khi ổn định của các loại đất khác nhau trong phòng thí nghiệm.[18]

và lượng gia tăng cường độ thể hiện ở (Hình 1-5)

Hình 1-5: Ảnh hưởng của sức kháng cắt cho 3 loại đất khác nhau với các hàm lượng khác nhau [18]

Theo [18], sự gia tăng cường độ theo thời gian cho 2 loại vôi quicklime và hydrated lime không có sự khác biệt lớn (Hình 1-6)

Hình 1-6: Quicklime (CaO) và Hydrated lime (Ca(OH)2) [18]

Tuy nhiên sự thay đổi cường độ theo thời gian cho 2 loại xi măng khác nhau có

sự khác biệt (Hình 1-7)

Cure Time (days)

Hình 1-7: Cường độ tăng theo thời gian của 2 loại xi măng [18]

Ảnh hưởng cường độ theo thời gian với hàm lượng xi măng - vôi (25:75) (Hình1-8)

Hình 1-8: Cường độ tăng theo thời gian với tỉ lệ xi măng - vôi (25:75) [18]

Ảnh hưởng cường độ và thời gian theo hàm lượng xi măng - vôi (50:50) (Hình 1-9)

Cure Time (days)

Cure Time (days)

Hình 1-9: Cường độ tăng theo thời gian với tỉ lệ xi măng - vôi (50:50) [18]

Cường độ theo thời gian của vôi – xi măng với hàm lượng 200kg/m3

(Hình 1-10)

Hình 1-10: Cường độ theo thời gian của vôi – xi măng với hàm lượng 200kg/m3( [18]

Cure Time (days)

Cure Time (days)

Mối quan hệ ứng suất – biến dạng giữa đất trộn xi măng - vôi trong thí nghiệm nén 3 trục của Kivelo (1996) với hàm lượng xi măng - vôi là 12%, biến dạng từ 1 – 1.5% ( Hình 1-11), biến dạng dọc trục của vật liệu đất xi măng - vôi khi ứng suất đạt cực đỉnh thấp hơn so với biến dạng của đất xung quanh, sau khi đạt ứng suất cực đỉnh, biến dạng dọc trục của vật liệu đất xi măng - vôi sẽ giảm dần đến một giá trị gần như không đổi đến khi ứng suất cắt của đất nền xung quanh đạt cực đỉnh.[18]

Hình 1-11: Quan hệ ứng suất – biến dạng của đất trộn xi măng - vôi [19]

4.Cường độ của đất gia cố chỉ bắt đầu gia tăng khi hàm lượng xi măng >12%, hoặc khi hàm lượng xi măng - vôi đạt khoảng 20% Mức độ tăng nhanh của cường độ

ở 28 ngày và tốc độ tăng này sẽ giảm dần theo thời gian

5 Sức chống cắt không thoát nước sau khi xử lý đất nền thay đổi đáng kể theo chiều hướng tăng hàm lượng xi măng - vôi và thời gian bảo dưỡng Đất gia cố bằng xi măng - vôi thể hiện tính dòn, tính dòn của đất tăng theo thời gian bão dưỡng và hàm lượng chất kết dính và sức chống cắt có hướng giảm khi khi hàm lượng xi măng

>15%, hoặc khi hàm lượng xi măng - vôi > 20%

6 Trụ đất vôi, đất xi măng nên được dùng rộng rãi để gia cố đất nền Ðây là giải pháp hữu ích, không cần thời gian chất tải, tăng cường độ ổn định của nền

7 Đất yếu vùng đồng bằng sông Cửu Long, có độ ẩm cao, nhiều chất hữu cơ, nên cường độ sức chống cắt thấp, tính nén lún cao Một số vùng đất còn bị nhiễm phèn, mặn ( đất acid)

8 Vôi có hai công dụng chính là cung cấp chất Calcium và sửa chữa độ chua của đất cho thích hợp với từng lọai cây trồng Loai đá vôi, loại Dolomite lime và hydrate lime dùng để cải thiên đất phèn, đất chua [đất acid] Đặc biệt, vôi hút nước trong đất sét yếu ở đồng bằng sông Cửu Long nói chung và ở Cần Thơ nói riêng

9 Xi măng được chọn là phụ gia để tăng nhanh quá trình đông kết và giúp cho sự phân tán các hạt được tốt hơn

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TRỤ ĐẤT XI MĂNG - VÔI ĐỂ XỬ

LÝ NỀN ĐẤT YẾU

Trụ đất xi măng - vôi và đất xung quanh cùng tương tác làm việc như một khối gọi là khối gia cố với nguyên lý cùng biến dạng như nhau dưới tác dụng của tải trọng ngoài

2.1 Các điều kiện áp dụng

Bài toán gia cố đất xi măng - vôi có 3 điều kiện cần thỏa mãn:

Điều kiện về cường độ: lực dính và góc nội ma sát tương đương của khối nền được gia cố phải thỏa mãn điều kiện sức chịu tải dưới tác dụng của tải trọng công trình

Điều kiện về biến dạng: mô đun biến dạng của khối nền được gia cố phải thỏa mãn điều kiện lún của công trình

Điều kiện thoát nước: Áp lực nước lỗ rổng dư trong đất cần được tiêu tán càng nhanh càng tốt

Do đó, quá trình thiết kế là quá trình bố trí hệ nền trụ đất xi măng - vôi trong diện tích chịu tải và kiểm tra lại cường độ của trụ đất xi măng - vôi sao cho ứng suất tác dụng lên trụ và đất xung quanh không vượt quá cường độ của trụ và đất nền

Để thiết kế trụ đất xi măng - vôi, ta lần lượt xác định các thông số của đất nền, xác định hàm lượng tối ưu của xi măng - vôi mà mẫu đạt cường độ lớn nhất thông qua thí nghiệm nén không hạn chế nở hông và thí nghiệm cắt trực tiếp, từ đó ứng dụng các thông số tìm được tính toán ổn định của nền đất đắp, đồng thời dùng phần mềm Plaxis mô phỏng lại các bài toán trên để tìm ra giải pháp tốt nhất cho việc xử lý nền đất yếu hiện nay nghiên cứu này trở thành một trong những giải pháp nền móng hợp lý cho các loại công trình

2.2 Cơ sở để cải tạo đất bằng phương pháp trộn vôi [2]

Việc gia cố bùn sét hữu cơ, bùn sét pha, sét pha bằng vôi được giải thích là do

tác dụng tương hỗ hoạt tính hoá học và hoá lý của phần nhôm silicat của đất với

vôi Do đó hoạt tính hoá học, lý học của phần phân tán mịn của đất được xem như

một dự trữ tiềm năng để nâng cao cường độ đất gia cố Nếu sử dụng đúng và khéo

léo tiềm năng này thì có thể đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật cao và chỉ tốn một

lượng tương đối nhỏ chất liên kết

Để gia cố đất thường dùng vôi bột, vôi tôi hoặc loại vôi chưa tôi kỵ nước

Đối với vôi tôi hiệu quả lớn nhất khi trộn nó vào sét sỏi, còn vôi bột có hiệu quả khi

trộn vào đất quá ẩm Có thể sử dụng vôi như một chất liên kết độc lập hoặc như một

chất phụ gia hoạt tính khi gia cố đất quá ẩm bằng xi măng Giáo sư Vuutx đã tiến

hành nghiên cứu nhiều mặt về hiệu quả của vôi đối với việc gia cố đất và thấy rằng

tính dẻo của hầu hết các loại đất bị giảm xuống hoặc bị mất, lực dính tăng 1,5 - 3

lần

Nếu trộn vôi bột chưa tôi vào đất thì đầu tiên có phản ứng vôi tôi:

CaO + H2O = Ca(OH)2 + 15,3 Kcal (2.1)

Nhờ nhiệt lượng toả ra do phản ứng mà nước trong đất bốc hơi làm giảm độ ẩm của

đất Nhờ có phản ứng trên mà vôi bột được sử dụng để cải tạo các loại đất sét bão

hoà nước và than bùn Hydrôxit canxi được tạo ra sẽ tham gia vào các quá trình hoá

lý và hoá học trong hỗn hợp đất – vôi

Đầu tiên hydrôxit canxi tham gia vào phản ứng thuỷ hoá với thành phần SiO có

trong khoáng vật của đất sét, phương trình phản ứng như sau:

Ca(OH)2+SiO2+n.H2O = CaO.SiO2.(n+1).H2O (2.2) Ca(OH)2 + Al2O3 2SiO2 + m.H2O = CaO Al2O3 2SiO2.(m+1).H2O (2.3) Quá trình trên diễn ra liên tục và lâu dài tạo ra cấu trúc kết tinh Đặc điểm

của cấu trúc kết tinh là cường độ cao và ổn định với nước Trong hai phương trình

H2O

trên thì phương trình (2.2) quan trọng hơn bởi vì trong nhóm khoáng sét chủ yếu có hàm lượng SiO2, còn hàm lượng Al2O3.2SiO2 rất nhỏ Nếu làm tăng độ hoà tan các thành phần SiO2, Al2O3.2SiO2 trong đất thì sẽ làm tăng đáng kể độ bền của đất gia

Cùng với các quá trình trên, sự cacbonat hoá vôi cũng góp phần làm tăng độ bền của đất gia cố

Một phần hydrôxit canxi được tạo thành tác dụng với CO2 có trong pha khí của đất tạo ra CaCO3, CaCO3 cũng gắn kết các thành phần của pha rắn lại với nhau Phương trình phản ứng như sau:

Ca(OH)2 + CO2= CaCO3 + H2O (2.5)

Như vậy các quá trình hoá lý học xảy ra giữa đất và vôi có tác dụng tương hỗ lẫn nhau hình thành nên độ bền của đất gia cố Đóng vai trò quan trọng nhất của các quá trình trên là hydrôsilicatcanxi

Nền móng của các công trình xây dựng nhà ở, đường sá, đập chắn nước và một số công trình khác trên nền đất yếu thường đặt ra hàng loạt các vấn đề phải giải

quyết như sức chịu tải của nền thấp, độ lún lớn và độ ổn định của cả diện tích lớn Đồng bằng sông cửu long được biết đến là nơi có nhiều đất yếu, nhiều công trình quan trọng được hình thành và phát triển trên nền đất yếu với những điều kiện hết sức phức tạp của đất nền, thực tế này đã đòi hỏi phải hình thành và phát triển các công nghệ thích hợp và tiên tiến để xử lý nền đất yếu

2.3 Cơ sở để cải tạo đất bằng phương pháp trộn xi măng [2][8]

Hạt xi măng Portland là một hợp chất bao gồm Tricalcium Silicate (C3S), Dicalcium Silicate ( C2S), Tricalcium Aluminate (C3A) và các chất rắn hòa tan như Tetracalcium Alumino-Ferrit (C4A) Bốn phần tử chính này tạo nên sản phẩm hỗn hợp tạo độ bền chủ yếu

Khi nước lỗ rỗng của đất gặp xi măng, thủy hóa xi măng xảy ra nhanh chóng

và sản phẩm của sự thủy hóa chính yếu ban đầu này là Hydrated Calcium Silicate (C3SHX, C3S2HX), Hydrated Calcium Aluminate (C3SAX, C3S2AX) và Hidrocid vôi Ca(OH)2 Hai sản phẩm kết dính xi măng chính được hình thành và thủy hóa vôi được sử dụng như pha tinh thể rắn tách biệt

Những phần tử xi măng này kết hợp các hạt xi măng nằm kế bên với nhau trong suốt quá trình hóa cứng để tạo thành hỗn hợp bộ khung bao quanh các hạt đất nguyên vẹn Các pha Silicate và Aluminate được kết hợp nội tại, do đó hầu như không có pha nào kết tinh hoàn toàn Một phần của Ca(OH)2 cũng có thể kết hợp với các pha Hydrate khác, chỉ có một phần được kết tinh Hơn nữa thủy hóa xi măng dẫn đến gia tăng độ pH của nước lỗ rỗng gây ra bởi sự phân ly của vôi Hydrate Các bazơ mạnh hòa tan Silicate và Aluminate từ cả khoáng vật sét và các chất vô định hình khác trên những mặt của các hạt sét, theo cách tương tự như phản ứng acid yếu và bazơ mạnh Các Silica và Alumina ngậm nước sau đó sẽ từ từ phản ứng với các ion Calcium tự do từ sự thủy phân xi măng để tạo thành hợp chất không hòa tan Phản ứng thứ yếu này được gọi là phản ứng puzzola Hợp chất thủy hóa xi măng thì vẫn chưa được xác định rõ ràng bởi các công thức hóa học, vì thế quan

tâm đến các biến thể là khả thi Các hợp chất trong xi măng Portland được biến thể khi có nước như sau:

2(3CaO.SiO2) + 6H2O = 3CaO.SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2 (2.6) 2(2CaO.SiO2) + 4H2O = 3CaO.SiO2.3H2 + Ca(OH)2 (2.7) 4CaO.Al2O3.Fe2O3 + 10H2O + 2Ca (OH)2 = 6CaO.Al2O3.Fe2O3.12H2O (2.8) 3CaO.Al2O3 + 12H2O+ 2Ca(OH)2 = 6CaO.Al2O3.Ca(OH)2.12H2O (2.9) 3CaO.Al2O3 + 10H2O + Ca SO4.2H2O = 3CaO.Al2O3.CaSO4.12H2O (2.10) Hai phản ứng (2-6) và (2-7), những chất của chúng hợp thành từ 75% xi măng Portland, chỉ ra rằng sự thủy hóa của hai loại Calcium Silicate tạo ra các hợp chất mới: vôi và tobermorite gel, sau đó đóng vai trò quan trọng liên quan đến cường độ và thể tích chủ yếu được quyết định bởi vôi và tobermorite gel Những phản ứng diễn ra trong gia cố xi măng đất có thể được trình bày trong những phương trình được đưa ra sau đây:

CaS + H2O  C3S2Hx ( hydrated gel) + Ca(OH)2 (2.11)

Ca(OH)2 Ca ++

+ 2(OH)- (2.12)

Ca++ + 2(OH) - CSH (2.13)

Ca++ + 2(OH)- + AL2O3CAH (2.14) Khi độ pH < 12.6 thì phản ứng sau xảy ra:

C3S2Hx + H2O  C2S2Hx + Ca(OH)2 (2.15)

Để có thêm các lực liên kết được tạo ra trong hỗn hợp xi măng sét, thành phần silicate và aluminate trong vật liệu phải hòa tan được Tính tan được của các khoáng vật sét thì chịu ảnh hưởng như nhau bởi sự hiện diện của những tạp chất, bởi mức độ kết tinh của các vật liệu liên quan, bởi cỡ hạt v.v… Trong những phương trình trên, lực dính kết của những sản phẩm làm cứng bề mặt chủ yếu mạnh hơn nhiều so với sản phẩm thứ yếu Với độ pH < 12.6, phản ứng tạo C3S2Hx (2-15)

có thể xãy ra Tuy nhiên, độ pH hạ xuống trong suốt phản ứng puzzolan và giảm

pH có khuynh hướng thúc đẩy sự thủy phân để tạo thành CSH Sự hình thành của CSH chỉ có ích khi nó được hình thành bởi phản ứng puzzolan của vôi và silica

trong đất (2-11), nhưng nó sẽ bất lợi khi CSH được tạo thành từ sự tiêu hủy C3S2Hx Những đặc tính độ bền phát sinh của C3S2Hx thì ưu việt hơn CSH Sự thủy hóa xi măng và phản ứng puzzolan có thể kéo dài hàng tháng, hoặc thậm chí 1 năm sau khi trộn, và vì thế độ bền của đất được gia cố xi măng sẽ tăng theo thời gian Điều này

có nghĩa trong xi măng đất bao gồm những hạt sét mịn, những hợp chất hóa cứng chủ yếu và thứ yếu được tạo thành Những sản phẩm chủ yếu hóa rắn thành những phụ gia cường độ cao và nó khác xi măng thông thường trong bê tông Các quá trình thứ yếu làm gia tăng cường độ và tính bền vững của xi măng đất bởi việc sản sinh ra thêm những hóa chất cứng khác để nâng cao độ bền liên kết

Quá trình phản ứng lý hóa của việc cải tạo đất bằng xi măng khác với nguyên lý đóng rắn của bê tông Đóng rắn của bê tông chủ yếu là xi măng thực hiện tác dụng thủy giải và thủy hóa trong cốt liệu thô và cốt liệu nhỏ, do đó tốc độ đóng rắn khá nhanh Khi dùng xi măng gia cố đất, do lượng xi măng trộn vào trong đất rất ít (chỉ chiếm từ 7 – 15% trọng lượng đất gia cố), phản ứng thủy giải và thủy hóa của xi măng hoàn toàn thực hiện trong môi trường có hoạt tính nhất định – sự khuây kín của đất, do đó tốc độ đóng rắn chậm và tác dụng phức tạp cho nên quá trình tăng trưởng cường độ của xi măng gia cố đất cũng chậm hơn bê tông

Nguyên lý cơ bản của việc gia cố xi măng đất: xi măng sau khi trộn với đất

sẽ sinh ra một loạt các phản ứng hóa học rồi dần đóng rắn lại Các phản ứng chủ yếu của chúng là:

· Phản ứng thủy giải và thủy hóa của xi măng

· Tác dụng của các hạt đất với các chất thủy hóa của xi măng

nhau thì không có xi măng mà ở xung quanh thì lại khá nhiều Chỉ có qua một thời gian tương đối dài, các hạt đất ở trong cục xi măng dưới tác dụng thẩm thấu của các chất thủy giải của xi măng mới dần dần cải biến được tính chất của nó Do đó trong

xi măng – đất sẽ không tránh khỏi tình trạng có những vùng đất cục có cường độ thấp hơn Hai loại này xen kẽ nhau trong không gian, hình thành một dạng xi măng đất đặc biệt Có thể nói một cách định tính là việc trộn cưỡng bức giữa xi măng và đất càng kỹ thì đất bị đập vỡ càng nhỏ, xi măng phân bố vào trong đất càng nhiều thì tính ly tán về cường độ xi măng đất càng nhỏ, cường độ tổng thể trên phạm vi rộng rãi sẽ càng cao

2.4 Loại đất được xử lý bằng xi măng - vôi [2]

2.4.1 Loại đất

Hiệu quả của việc xử lý nền bằng xi măng - vôi sẽ kém khi độ ẩm và hàm lượng hữu cơ gia tăng Chỉ số dẻo của đất càng lớn khi khả năng cải tạo nền càng kém Cải tạo đất hữu cơ bằng xi măng sẽ hiệu quả hơn cải tạo bằng vôi (Miura, 1986)

Hiệu quả của xi măng - vôi giảm dần khi hàm lượng sét và chỉ số dẻo gia tăng Một cách tổng quát, khi độ linh hoạt của sét càng lớn thì cường độ của đất xử

lý bằng xi măng càng thấp Tuy nhiên, điều này thì ngược lại với vôi vì cường độ của đất trộn vôi chủ yếu phụ thuộc vào sự tham gia của hạt sét trong phản ứng pozzolan Đối với đất trộn với xi măng thì cường độ này phụ thuộc chủ yếu vào sự

xi măng hóa trong quá trình thủy phân Sự gia tăng cường độ do hạt sét kết đám thường tương đối nhỏ đối với trầm tích biển vì đất thuộc loại trầm tích này đã có sẵn cấu trúc bông (Broms, 1984)

2.4.2 Thành phần khoáng

Trong trường hợp đất có hoạt tính pozzolan cao thì đặc trưng cường độ của đất trộn xi măng phụ thuộc chủ yếu vào sự ứng xử về cường độ của những hạt xi măng đông cứng Trong trường hợp đất có hoạt tính pozzolan kém thì đặc trưng

cường độ của đất trộn xi măng phụ thuộc chủ yếu vào sự ứng xử về cường độ của những hạt đất đông cứng (Saitoh, 1985) cho nên nếu điều kiện cải tạo đất nền như nhau thì loại đất có hoạt tính pozzolan cao hơn cho cường độ lớn hơn Hilt và Davidson (1960) quan sát thấy rằng các loại đất sét monmorilonit và kaolinit là những hoạt chất pozzolan có hiệu quả so với các loại đất sét chứa khoáng illite, chlorite hoặc vermiculite Wissa và những người khác (1965) cũng giải thích rằng

số lượng xi măng thứ cấp sinh ra trong phản ứng pozzolan giữa hạt sét và vôi tôi phụ thuộc vào số lượng và thành phần khoáng của sét cũng như silica và alumina có trong đất

2.4.3 Độ pH của đất

Những phản ứng pozzolan lâu dài sẽ thuận lợi khi độ pH lớn vì phản ứng sẽ được thúc đẩy nhanh nhờ độ hòa tan của silicate và aluminate trong hạt sét gia tăng Khi độ pH của đất nhỏ hơn 12.6 thì phản ứng (2.15) xảy ra Chất C3S2Hx lại phản ứng tiếp để tạo ra CSH và vôi tôi Ca(OH)2 Phản ứng tiếp theo ở trên làm giảm cường độ của đất trộn ximăng vì chất C3S2Hx có khả năng tăng độ bền cho đất tốt hơn CSH

Bản chất vật lý độ bền của đất được xác định bằng các lực tương tác giữa các thành phần cấu trúc – tinh thể, hạt, mảnh vụn …tức là phụ thuộc vào dạng và đặc điểm liên kết cấu trúc

2.5.1 Tiêu chuẩn và thông số độ bền của đất :

Độ bền của đất được xác định khi có ứng suất cơ học tới hạn tác dụng lên chúng làm phá hoại mẫu đất Các dạng ứng suất tác dụng lên mẫu đất thí nghiệm có thể khác nhau (ứng suất pháp, tiếp, thể tích hay tổ hợp của chúng) Giá trị độ bền của đất có thể được chọn lựa căn cứ vào dạng ứng suất tới hạn khác nhau hoặc quan

hệ của chúng Ngoài ra, điều kiện gia tải lên mẫu có thể khác nhau (với vận tốc khác nhau, chu kỳ khác nhau,…) Vì vậy, để đánh giá độ bền của đất thường sử dụng lý thuyết trạng thái giới hạn (các giả thiết cơ bản của lý thuyết cân bằng giới hạn là các công trình nghiên cứu của Coulomb (1773), Rankine (1857), Mohr, Prandlt (1920) Theo các lý thuyết này, người ta xác định các thông số giá trị tới hạn (giới hạn) nào đó của ứng suất mà nó không gây phá hoại mẫu đất Các giá trị giới hạn của ứng suất đó tương ứng với các loại hình trạng thái ứng suất khác nhau diễn ra trong đất và đặc trưng bởi các giá trị ứng suất chính 1, 2, 3 Hình thức thể hiện trạng thái ứng suất thường được xét trong các bài toán Địa kỹ thuật có thể là: nén một trục (1> 0, 2 = 3 = 0), kéo một trục (1< 0, 2 = 3 = 0), trượt phẳng (> 0, τ > 0) và nén ba trục (1 ≠ 2 = 3)

Khi nén một trục, độ bền của đất được đánh giá thông qua giá trị sức chịu nén đơn (qu) xác định theo biểu thức sau:

A

P

q u  c

Với:Pc – tải trọng giới hạn nén một trục lên đất

A – diện tích tiết diện ngang mẫu đất

Độ bền nén đơn qu tương ứng với tiêu chuẩn bền Galilée (lý thuyết đầu tiên về

độ bền)

Mẫu đất trộn xi măng - vôi và sau khi bảo dưỡng tồn tại độ bền cấu trúc do các

(2.16)

liên kết xi măng - vôi cứng Trong thực tế, khi biến dạng của mẫu đạt giá trị nào đó các liên kết này bị phá hoại và độ bền của mẫu giảm rất nhanh Việc xác định các đặc trưng độ bền của mẫu đất trộn xi măng - vôi thường được thực hiện bằng thí nghiệm nén đơn trục không hạn chế nở hông

2.6 Các phương pháp tính toán trụ đất xi măng - vôi [5]

2.6.1 Phương pháp tính toán theo quan điểm trụ đất xi măng - vôi làm việc như trụ

2.6.1.1 Đánh giá ổn định trụ đất xi măng - vôi theo trạng thái giới hạn1

Để móng trụ đảm bảo an toàn cần thỏa mãn các điều kiện sau: Nội lực lớn nhất trong một trụ: Nmax <

Moment lớn nhất trong một trụ:

Mmax< [M] của vật liệu làm trụ Chuyển vị của khối móng: Δy < [Δy]

Trong đó:

Qult.col = Acol (3.5Cu.col + 3σh)

- Sức chịu tải giới hạn của trụ đất xi măng - vôi [5]

[M] - Moment giới hạn của trụ đất vôi- xi măng Fs - Hệ số an toàn

2.6.1.2 Đánh giá ổn định trụ đất xi măng - vôi theo trạng thái giới hạn thứ 2

Tính toán theo trạng thái giới hạn 2, đảm bảo cho móng trụ không phát sinh biến dạng và lún quá lớn: ΣSi< [S]

2.6.2 Phương pháp tính toán theo quan điểm như nền tương đương [5]

Nền trụ và đất dưới đáy móng được xem như nền đồng nhất với các số liệu cường

độ υtđ, Ctđ, Etđ được nâng cao Gọi as là tỉ lệ giữa diện tích trụ đất xi măng - vôi

a =

f

c

A A

n en c

td

n en c

td

n en c

td

E a E

a E

S a S

a S

C a C

a C

a a

a a

)1(

)1(

)1(

)1(

)1(

, ,

,

, ,

a là tỷ diện thay thế của trụ đất gia cố xi măng

: Diện tích trụ đất gia cố xi măng

Af = s2 : Diện tích vùng xử lý, s – khoảng cách bố trí trụ đất (hình vuông)

2.6.3 Phương pháp tính toán theo quan điểm của Viện Kỹ Thuật Châu Á [5]

2.6.3.1 Khả năng chịu tải của trụ đơn

Khả năng chịu tải giới hạn ngắn hạn của trụ đơn trong đất sét yếu được quyết định bởi sức kháng của đất sét yếu bao quanh (đất phá hoại) hay sức kháng cắt của vật liệu trụ (trụ phá hoại), theo tài liệu của D.T.Bergado:

Qult.soil = (πdLcol + 2.25πd2) Cu.soil (2.25) Trong đó:

d: đường kính trụ

Lcol: chiều sâu chôn trụ đất xi măng - vôi

Cu.soil: độ bền cắt không thoát nước trung bình của đất sét bao quanh, được xác định bằng thí nghiệm ngoài trời như thí nghiệm cắt cánh hoặc thí nghiệm xuyên côn

Khả năng chịu tải giới hạn ngắn ngày do trụ bị phá hoại ở độ sâu z, theo D.T

Bergado (sức kháng cắt theo vật liệu):

Qult.col = Acol (3.5Cu.col + Kbσh) (2.26) Trong đó:

Kb: hệ số áp lực bị động; Kb = tg2(450+υ/2); Kb = 3 khi υult.col = 30o

σh : Áp lực ngang tổng cộng tác động lên trụ đất xi măng - vôi tại mặt cắt giới hạn

2.6.3.2 Khả năng chịu tải giới hạn của nhóm trụ

Khả năng chịu tải giới hạn của nhóm trụ đất xi măng - vôi được tính theo công thức:

Qult.group = 2Cu.soil.H (B + L) + k.Cu.soil.B.L (2.27) Trong đó:

B, L, H - chiều rộng, chiều dài và chiều cao của nhóm trụ đất xi măng - vôi

k = 6 khi móng hình chữ nhật k = 9 khi móng hình vuông, tròn

Trong tính toán thiết kế, kiến nghị hệ số an toàn là 2.50 (theo D.T.Bergado)

2.6.4 Tính toán biến dạng [10]

Độ lún tổng cộng của gồm 2 thành phần là độ lún cục bộ của khối được gia cố (Δh1) và độ lún của đất không ổn định nằm dưới khối gia cố (Δh2) Có 2 trường hợp

xảy ra:

Trường hợp a: tải trọng tác dụng tương đối nhỏ và trụ chưa bị rão

Trường hợp b: tải trọng tương đối cao và tải trọng dọc trục tương ứng với giới hạn rão của trụ

♦ Trường hợp a:

Hình 2.2 Tải trọng tác dụng tương đối nhỏ và trụ chưa bị rão

Độ lún cục bộ phần trụ xi măng - vôi Δh1 được xác định theo giả thiết độ tăng ứng suất q không đổi suốt chiều cao khối và tải trọng trong khối không giảm:

1

. col (1 ) soil

h q h

eoi - hệ số rỗng của lớp đất I ở trạng thái tự nhiên ban đầu

Cri - chỉ số nén lún hồi phục ứng với quá trình dỡ tải

Ccr - chỉ số nén lún hay độ dốc của đoạn đường cong nén lún

σ’vo - ứng suất nén thẳng đứng do trọng lượng bản thân các lớp đất tự nhiên