Nghiên cứu mô hình tính toán độ ổn định đường đầu cầu đắp cao trên nền đất yếu xử lý bằng cọc xi măng đất

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu, kiến nghị mô hình tính toán phù hợp với công trình trên nền đất yếu gia cố bằng CXMĐ và ứng dụng mô hình vừa kiến nghị để đánh giá sự làm việc của CXMĐ

Cán bộ hướng dẫn khoa học :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1

2

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA…………

Họ tên học viên: Phạm Nguyễn Linh Khánh MSHV:10010316

Ngày, tháng, năm sinh: 19/09/1986 Nơi sinh: Pleiku, Gia Lai Chuyên ngành: Xây Dựng Đường Ô tô và Đường Thành Phố Mã số : 605830

I TÊN ĐỀ TÀI:

Nghiên Cứu Mô Hình Tính Toán Độ Ổn Định Đường Đầu Cầu Đắp Cao Trên Nền Đất Yếu Xử Lý Bằng Cọc Xi Măng Đất

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Nghiên cứu, kiến nghị mô hình tính toán phù hợp với công trình trên nền đất yếu gia cố bằng CXMĐ và ứng dụng mô hình vừa kiến nghị để đánh giá sự làm việc của CXMĐ trong điều kiện địa chất huyện Cần Giờ, thành phố Hồ Chí Minh

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :(Ghi theo trong QĐ giao đề tài) 04/07/2011

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:(Ghi theo trong QĐ giao đề tài) 02/12/2011 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên):Tiến Sĩ Phùng Mạnh Tiến

Tp HCM, ngày tháng 12 năm 2011. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên và chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) TRƯỞNG KHOA….………

(Họ tên và chữ ký)

Ghi chú: Học viên phải đóng tờ nhiệm vụ này vào trang đầu tiên của tập thuyết minh LV

lòng biết ơn sâu sắc vì đã hướng dẫn em đầy chu đáo và nhiệt tình Thầy đã dẫn dắt, tạo cho em cách tư duy và làm việc một cách khoa học, hướng đến các đề tài khoa học mới mẽ và tiếp cận với các công nghệ hiện đại

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Kỹ thuật xây dựng - bộ môn Cầu Đường đã hết lòng dạy dỗ và truyền đạt những kiến thức quý báu

Con xin gởi đến ba mẹ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất Ba mẹ đã nuôi nấng, dạy dỗ con nên người và là chỗ dựa tinh thần vững chắc cho con trong suốt thời gian qua cũng như trong cuộc đời

Do kiến thức còn có hạn và chưa trải nghiệm thực tế nhiều nên chắc chắn trong quá trình thực hiện đề tài luận văn tốt nghiệp này em còn những thiếu sót Em rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cô và bạn bè để giúp em hoàn thiện hơn kiến thức cũng như vững bước trong quá trình làm việc sau này

Chân thành cảm ơn

Tp Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2011

Học viên

Phạm Nguyễn Linh Khánh

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Ngày nay, việc gia cố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất (CXMĐ) đã trở nên phổ biến ở nhiều nước trên thế giới như: Mỹ, Nhật, và các nước châu Âu Tại Việt Nam, công nghệ CXMĐ được đưa vào ứng dụng từ những năm 2002 Phương pháp thiết kế CXMĐ hiện đang được áp dụng chủ yếu theo mô hình tính toán độ ổn định của công trình trên mặt trượt cắt qua khối móng gia cố ở trạng thái cân bằng giới hạn Tuy nhiên, những nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết gần đây nhận thấy phương pháp thiết kế hiện tại tồn tại một số giới hạn khi chỉ xét đến dạng phá hoại cắt của các cọc Các nhà nghiên cứu đã nhận thấy sự tồn tại các dạng phá hoại uốn gãy và xoay có khả năng xảy ra cao hơn trong thực tế so với dạng phá hoại cắt Trong phạm vi đề tài này thực hiện việc nghiên cứu, so sánh mô hình tính toán độ

ổn định hiện đang được áp dụng và mô hình tính toán sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn cho một nền đường đắp cao trên nền đất yếu gia cố bằng CXMĐ trong phạm vi khu vực huyện Cần Giờ, thành phố Hồ Chí Minh Kết quả thu được cho thấy sự thống nhất quan điểm với các nhân định của các nghiên cứu trước đây về ưu điểm và sự phù hợp của mô hình tính toán sử dụng phương pháp số so với mô hình hiện nay Ngoài ra, đề tài còn thực hiện việc đánh giá sự làm việc của CXMĐ trong điều kiện địa chất khu vực nghiên cứu bằng mô hình vừa kiến nghị Qua đó, đề xuất phương án thiết kế CXMĐ cho khu vực địa chất nghiên cứu mang lại hiệu quả kinh

tế kỹ thuật cao

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung trong luận văn này là do chính tôi thực hiện, các

số liệu, hình ảnh và biểu đồ trong đề tài đều là chân thực không trùng lắp với bất kỳ công trình nghiên cứu nào trước đây Các biểu đồ, số liệu và tài liệu tham khảo đều được trích dẫn, chú thích nguồn thu thập chính xác và rõ ràng

Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2011

Phạm Nguyễn Linh Khánh

MỤC LỤC

Chương I: Tổng Quan Các Phương Pháp Thiết Kế Đường Đầu Cầu Trên Nền Đất

2 Các phương án thiết kế đường đầu cầu: 14 2.1 Phương pháp tiếp cận cầu của Nhật Bản: 15 2.2 Phương pháp phân tích cung trượt trụ tròn: 15 2.3 Phương pháp vận tốc xe: 16

3 Các giải pháp xử lý đất yếu đường đầu cầu hiện đang được áp dụng: 16 3.1 Phương pháp đắp bệ phản áp: 17 3.2 Phương pháp giếng cát kết hợp gia tải trước: 18 3.3 Phương pháp bấc thấm kết hợp gia tải trước: 20 3.4 Phương pháp cố kết chân không: 21 3.5 Phương pháp sàn giảm tải: 22

Chương II: Tổng Quan Phương Pháp Xử Lý Đất Yếu Bằng Cọc Xi Măng Đất 24

2 Lịch sử hình thành, phát triển và tình hình ứng dụng của phương pháp xử lý

2.1 Lịch sử hình thành và phát triển: 25 2.2 Một số dự án tiêu biểu ứng dụng giải pháp CXMĐ trên thế giới: 26 2.3 Tình hình ứng dụng CXMĐ ở Việt Nam: 27

3 Nguyên lý hình thành cường độ của vật liệu đất xi măng: 27

4 Nhân tố ảnh hưởng tới sự rắn hóa của đất xử lý xi măng: 29 4.1 Loại và hàm lượng xi măng: 29

4.4 Ảnh hưởng việc thi công đến độ đồng đều của cọc 36

5 Các đặc tính kĩ thuật của đất nền sau khi gia cố xi măng: 37

Chương IV:Ứng Dụng Các Mô Hình Tính Toán Độ Ổn Định Trong Điều Kiện Địa

Chất Khu Vực Huyện Cần Giờ, Thành Phố Hồ Chí Minh 65

3 Tính toán hệ số ổn định của nền đường đắp: 70 3.1 Tính toán tải trọng xe cộ: 70 3.2 Mô hình tính toán dựa trên phân tích độ ổn định ở trạng thái giới hạn cân

2 Thông số địa chất nền đất yếu: 85

3 Thông số tính toán, phân tích: 85

4 Phân tích phần tử hữu hạn 88

5 Phân tích kết quả mô phỏng: 90 5.1 Mô đun đàn hồi CXMĐ thay đổi: 90 5.2 Tỷ lệ diện tích thay thế (As) thay đổi: 92 5.3 Các cặp (d, D) thay đổi ứng với cùng một As: 94

KẾT LUẬN ĐỀ TÀI VÀ KIẾN NGHỊ CÁC HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 97

2 Đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo 98

HÌNH ẢNH VÀ BIỂU ĐỒ

Hình 1: Sơ đồ bố trí bệ phản áp 18Hình 2: Phương pháp xử lý nền đất yếu bằng giếng cát 18Hình 3: Phương pháp xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm 20Hình 4: Sơ đô bố trí công nghệ cố kết chân không 21Hình 5: Biểu đồ minh họa các nhân tố ảnh hưởng tới sự rắn hóa của vật liệu

đất xi măng của Kezdi, 1979 (CIDT, Japan 2002) 29Hình 6: Quan hệ giữa cường độ nén nở hông với hàm lượng xi măng và thời

gian bảo dưỡng (Uddin et al 1997) 32Hình 7: Tác động cở hạt với cường độ nén nở hông (Taki và Yang, 1991) 33Hình 8: Ảnh hưởng của hàm lượng nước với cường độ (Tan et al, 2002) 34Hình 9: Mối quan hệ giữa cường đố nở hông ở 28 ngày tuổi (kPa) với tỷ số

N/XM của mẫu đất xử lý xi măng (Jacobson et al, 2002) 35Hình 10: Quan hệ giữa cường độ nén nở hông, hàm lượng xi măng và thời

gian bảo dưỡng (Bergado et al, 1996) 40Hình 11: Quan hệ giữa biến dạng cắt và áp lực nước lỗ rỗng (Uddin et al,

Hình 12: Quan hệ giữa mô đun đàn hồi và cường độ nén nở hông (Nguyễn

Minh Tâm, Hui-Joon Kim và Du-Hwoe Jung 2005) 43Hình 13: Lực dính hữu hiệu và hàm lượng xi măng (Michell,1976) 44Hình 14: Đường bao phá hoại Mohr Colomb (Azman et al, 1995) 46Hình 15: Biểu đồ biểu diễn đường bao phá hoại Morh mẫu đất cát xử lý xi

măng (Shibuya và Ozawa, 1996) 46Hình 16: Quan hệ trạng thái ứng xuất đỉnh và biến dạng dư của mẫu đất xử

lý xi măng ( Deep Mixing Association of Japan 1994) 47Hình 17: Quan hệ giữa biến dạng cắt và ứng xuất (Kivelo, 1998) 50Hình 18: Các kiểu bố trí CXMĐ trên mặt bằng (CDIT, Japan 2002) 51Hình 19: Quan hệ giữa biến dạng và ứng xuất (Kivelo et al, 1998) 52Hình 20: Sơ đồ thiết kế của biện pháp gia cố bằng nhóm cọc của Public

works research centrer, 1999 (CDIT, Japan 2002) 54Hình 21: Các dạng phá hoại trong phương pháp thiết kế hiện nay (Kitazume

Hình 22: Kivelo và Broms đề xuất các dạng phá hoại của CXMĐ (Navin và

Hình 23: Mô hình thí nghiệm của Kitazume et al, 2002 (CDIT, Japan 2002) 59Hình 24: Cọc bị phá hoại xoay và bị uốn gãy quan sát được từ mô hình của

Kitazume et al, 2002 (CDIT, Japan 2002) 59Hình 25: Đường bao phá hoại của phân tích cung trượt trụ trong kết hợp với

dạng phá hoại chịu uốn và không kết hợp thu được theo mô hình thí

nghiệm của Kitazume et al, 2002 (CDIT, Japan 2002) 60Hình 26: Mô hình mô phỏng thí nghiệm hộp cắt với 12 cọc đơn lẻ (Charbit,

Hình 27: So sánh vị trí các chốt dẻo thu được từ mô hình mô phỏng của

Charbit, 2009 với thực nghiệm của Kivelo, 1998 và Larson, 1999

Hình 28: Bình đồ vị trí lỗ khoan khu vực nghiên cứu 67Hình 29: Mặt cắt địa chất khu vực nghiên cứu 68Hình 30: Thông số hình học nền đường đắp 69Hình 31: Mô hình kết cấu nền đường đắp bằng phần mềm Geo-Slope 73Hình 32: Kết quả tính toán hệ số ổn định bằng phần mềm Geo-Slope 73Hình 33: Mô hình kết cấu nền đường đắp xử lý CXMĐ, phát sinh lưới bằng

Hình 34: Kết quả tính toán bằng Plaxis 2D 76Hình 35: Mô hình kết cấu nền đường đắp, phát sinh lưới bằng Plaxis 3DT 78Hình 36: Kết quả tính toán bằng Plaxis 3DT 79Hình 37: Biểu đồ so sánh hệ số an toàn giữa các phương pháp tính 80Hình 38: Biểu đồ chuyển vị của vai đường 81Hình 39: Biểu đồ chuyển vị của chân taluy 82Hình 40: Mô hình giả định và mô hình phát sinh lưới sự làm việc của

Hình 41: Biểu đồ mối quan hệ giữa E và ΔS 91Hình 43: Biểu đồ mối quan hệ giữa E và ΔS (Nguyễn Minh Tâm et al, 2005) 92Hình 43: Biểu đồ mối quan hệ giữa As và ΔS 93Hình 44: Biểu đồ mối quan hệ giữa As và ΔS (Nguyễn Minh Tâm et al,

Hình 45: Biểu đồ mối quan hệ giữa các cặp (d, D) và ΔS 95

BẢNG BIỂU:

Bảng 1: Tính khoảng cách đường đầu cầu bằng vận tốc xe (Lê Bá Vinh và

Bảng 2: Bảng quan hệ mô đun đàn hồi và ứng xuất nén nở hông (Tan et al, 2002) 42 Bảng 3: Thông số đầu vào cho mô hình tính toán của các lớp địa chất phía dưới và

Bảng 4: Thông số địa chất các lớp vật liệu trước và sau khi quy đổi 72 Bảng 5: So sánh hệ số an toàn đạt được giữa các phương án tính 80 Bảng 6: Thông số địa chất khu vực chọn tính toán 88 Bảng 7: Thông số CXMĐ đầu vào cho mô hình tính toán 88 Bảng 8: Bảng thống kê các trường hợp (d, D) 94

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT:

CXMĐ: Cọc xi măng đất

Lo: Chiều dài vùng tiếp cận cầu

Sd: Độ lún đất nền

i: Độ dốc dọc đường dẫn vào cầu

DMM: Deep mixing method

SMM: Shalow mixing method

3CaO.SiO2: Tri calcium silicat

2CaO.SiO2: Bi calcium silicat

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

C3SHx, C2S2Hx: Hydrate calcium-silicate

C3AHx, C4AHx: Hydrate calcium-aluminates

Ca(OH)2: Vôi tôi

PC: Xi măng Pooc Lăng

qu60, qu28: Cường độ nén không nở hông ở 60 ngày, ở 28 ngày t: Thời gian bảo dưỡng

C: Hàm lượng xi măng

E50: Mô đun đàn hồi của vật liệu

PTHH: Phần tử hửu hạn

cu: Lực khắng cắt không thoát nước

cusoil: Lực kháng cắt không thoát nước của đất

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

δcol: Áp lực gia tăng trong 1 CXMĐ

Esoil : Mô đun odemeter của đất

Ecol: Mô đun odemeter của vật liệu cấu tạo cọc

Etd: Mô đun đàn hồi của khối móng quy đổi

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

Hs: Chiều dày vùng gia cố

Hb: Chiều cao nền đắp

p: Tải trọng quy đổi từ tải trọng xe cộ

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

G: Trọng lượng 1 xe

B: Bề rộng phân bố ngang của xe

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

b: Khoảng cách bánh xe

d: Khoảng cách ngang tối thiểu của xe

e: Bề rộng lốp đôi hoặc vệt bánh xích

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

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

Ko: Áp lực ngang tĩnh

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

De: Đường kính quy đổi tương đương

S: Khoảng cách giữa các cọc trong mô hình

d: Đường kính cọc

S: Độ lún lệch

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề:

Gia cố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất (CXMĐ) là một giải pháp có tiềm năng rất lớn và thân thiện với môi trường Đất nền sau khi xử lý cơ bản khắc phục được các hiện tượng mất ổn định, lún nhiều, kéo dài và lún lệch qua đó tăng độ an toàn và chất lượng phục vụ cho hệ công trình Công nghệ này tận dụng gần như hoàn toàn đất tại công trình thay vì đào bỏ đi hoặc thay thế một phần như những công nghệ xử

Ở Việt Nam, hiện nay các phương pháp xử lý nền đất yếu cho đường đầu cầu chủ yếu dựa trên nguyên lý cố kết hoặc sử dụng sàn giảm tải kết hợp cọc bê tông cốt thép Đây là các phương pháp có hệ số an toàn không cao hoặc có chi phí xây dựng rất lớn Vì vậy, việc nghiên cứu ứng dụng phương pháp CXMĐ vào việc xử lý nền đường đầu cầu là rất cần thiết và quan trọng

Khả năng làm việc của CXMĐ chịu ảnh hưởng của các nhân tố tác động như: vật liệu, điều kiện làm việc và các thông số hình học Tùy từng điều kiện công trình cần xử lý khác nhau, phương án thiết kế CXMĐ khác nhau mà khả năng làm việc của CXMĐ cũng có sự thay đổi rõ rệt

Hiện nay, triết lý thiết kế CXMĐ chủ yếu là dựa trên việc phân tích độ ổn định của công trình Nguyên lý cơ bản là dựa trên giả thiết CXMĐ và hệ đất nền xung quanh biến dạng đồng đều Đất nền sau khi gia cố được quy đổi về một lớp tương đương Việc phân tích độ ổn định của hệ công trình lúc này được thực hiện trên các

mặt trượt cắt qua lớp vật liệu quy đổi ở trạng thái cân bằng giới hạn, mặt trượt được giả thiết là cung trượt tròn Các tài liệu hướng dẫn việc thiết kế CXMĐ được tổng hợp và trình bày rất chi tiết trong CIDT, Japan 2002; Eurosoilstab, 2002 Ở Việt Nam, Bộ xây dựng cũng đã ban hành TCXD VN 385-2006 quy định các vấn đề liên quan đến công nghệ xử lý nền đất yếu bằng CXMĐ

Tuy nhiên, trong những nghiên cứu gần đây dựa trên các mô hình thực nghiệm (Kitazume et al, 2006-2009), phương pháp tính (Adam et al, 2009; Han et al, 2005) cũng như các nghiên cứu lý thuyết (Kivelo, 1998) đã chỉ ra các nhược điểm của triết

lý thiết kế hiện nay Các nhà nghiên cứu nhận thấy việc đánh giá độ ổn định của hệ công trình trên nền đất yếu gia cố bằng CXMĐ mà chỉ xét đến dạng phá hoại cắt ở trạng thái giới hạn cân bằng là chưa đầy đủ Trong thực tế làm việc CXMĐ còn có thể bị phá hoại bởi nhiều nguyên nhân khác như uốn gãy hoặc chuyển vị xoay, là những dạng phá hoại có khả năng xảy ra lớn hơn

Như vậy, việc xác định được một mô hình tính toán cho công trình trên nền đất yếu gia cố bằng CXMĐ trong đó xét đầy đủ các dạng phá hoại có khả năng xảy ra trong thực tế là rất quan trọng Việc áp dụng mô hình tính toán đúng đắn trong công tác thiết kế góp phần nâng cao độ an toàn của công trình, giảm thiểu các dạng phá hoại có thể xảy ra trong thực tế, cũng như chọn lựa được phương án hiệu quả nhất

có thể Qua đó nâng cao được hiệu quả sử dụng và độ tin cậy của phương án xử lý nền đất yếu bằng CXMĐ

Bên cạnh đó, việc xác định được mô hình có khả năng mô tả đầy đủ sự làm việc thực tế của CXMĐ bao gồm các dạng phá hoại có thể xảy ra còn có một ý nghĩa quan trọng rất lớn cho công tác nghiên cứu Đó sẽ là một công cụ hữu ích phục vụ cho việc nghiên cứu xác định sự ảnh hưởng của các yếu tố tố hình học, thông số vật liệu của CXMĐ đến khả năng chịu lực của nền đường gia cố CXMĐ Kết quả nghiên cứu theo phương pháp này vừa có độ tin cậy cao vừa có chi phí thực hiện thấp hơn so với việc tiến hành các các thí nghiệm thực tế

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu tổng quan về công nghệ xử lý nền đường đầu cầu hiện nay, công nghệ CXMĐ và các mô hình tính toán hiện nay Áp dụng mô hình tính toán hiện đang được áp dụng và mô hình tính toán sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích độ ổn định của một công trình thực tế trên nền đất yếu được gia cố bằng CXMĐ Kết quả đạt được từ 2 mô hình được phân tích, so sánh với các kết quả của những nghiên cứu trước nhằm chọn ra được mô hình tính toán phù hợp hơn

Sau đó, áp dụng mô hình vừa xác định được nghiên cứu sự ảnh hưởng của các yếu tố hình học, thông số vật liệu đất xi măng đến sự làm việc của hệ công trình thực tế

2 Phương pháp nghiên cứu:

Phần nghiên cứu tổng quan được thực hiện dựa trên việc tham khảo, nghiên cứu

và tổng hợp các tài liệu về các phương pháp thiết kế, xử lý nền đường đầu cầu trên nền đất yếu hiện nay, công nghệ CXMĐ cũng như các mô hình tính toán độ ổn định của hệ công trình Các tài liệu này được lấy hầu hết trong các bài báo khoa học tại các tạp chí chuyên ngành cũng như các kết quả nghiên cứu của các tác giả trước đây

ở trong và ngoài nước

Phần nghiên cứu mô hình tính toán được thực hiện thông qua việc phân tích độ

ổn định của một nền đường đắp trên nền đất yếu trong thực tế bằng các mô hình khác nhau Các mô hình tính toán được áp dụng trong nghiên cứu bao gồm: mô hình hiện đang áp dụng, thực hiện việc phân tích ổn định trên mặt trượt cắt qua khối móng gia cố ở trạng thái cân bằng giới hạn và mô hình sử dụng phương pháp phần

tử hữu hạn để phân tích, tính toán Việc mô phỏng nền đường đắp trong thực tế và tính toán, phân tích độ ổn định theo các mô hình được thực hiện thông qua các phần mềm Slope studio 2004 cho mô hình tính toán hiện tại và phần mềm Plaxis 2D, version 8.2 và Plaxis 3DT, version 1.2 cho mô hình sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn Kết quả đạt được từ các mô hình được phân tích, so sánh với nhau và với các kết quả nghiên cứu trước đây để xác định được mô hình tính toán phù hợp

Phần nghiên cứu mức độ ảnh hưởng của các thông số hình học và vật liệu của CXMĐ đến sự làm việc của hệ công trình được thực hiện dựa trên mô hình vừa xác định Việc nghiên cứu được thực hiện thông qua việc thay đổi các thông số đầu vào cho mô hình tính toán Kết quả tính toán được thống kê, phân tích nhằm lựa chọn phương án thiết kế CXMĐ thỏa mãn được các yêu cầu kỹ thuật và kinh tế cho hệ công trình, cũng như cho các công trình có điều kiện địa chất tương tự

Các số liệu địa chất, thông số tính toán được lấy trong báo cáo địa chất phục vụ cho công tác xử lý kỹ thuật đoạn 5 (Km23.00 -:- Km28.00), đoạn đắp qua sông Hào

Võ, thuộc dự án nâng cấp mở rộng đường Rừng Sác, huyện Cần Giờ, thành phố Hồ Chí Minh

Chương I: Tổng Quan Các Phương Pháp Thiết Kế

Đường Đầu Cầu Trên Nền Đất Yếu.

1 Giới thiệu chung:

Đường đầu cầu là vị trí chuyển tiếp giữa đường và cầu có vai trò rất quan trọng, ảnh hưởng đến chất lượng phục vụ của tuyến đường Đây chính là vị trí dễ hư hỏng nhất, đặc biệt đối với các công trình nằm trên khu vực có địa chất không tốt Chi phí cho việc xử lý nền chiếm một khoảng đáng kể trong tổng chi phí xây dựng

Với chức năng chuyển tiếp độ cứng, tạo sự êm thuận cho xe khi vào cầu nên yêu cầu đường đầu cầu là đảm bảo khả năng chịu lực, không xảy ra các hiện tượng mất

ổn định gây ảnh hưởng đến mố cầu, không xảy ra hiện tượng lún lệch gây mất êm thuận Độ lún cố kết cho phép còn lại của nền đường sau khi hoàn thành tại vị trí sau mố ≤10cm (22 TCN 262-2000) Nếu độ lún còn lại không đạt điều kiện trên thì cần có biện pháp xử lý cho nền đường trong phạm vi chuyển tiếp

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

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

 Lựa chọn các phương án thiết kế đường đầu cầu

 Sơ bộ các giải pháp xử lý đường đầu cầu hiện đang được áp dụng

 Kết luận

2 Các phương án thiết kế đường đầu cầu:

Việc thiết kế đường đầu cầu là lựa chọn chiều cao đắp, chiều dài đường đầu cầu phù hợp với các điều kiện thực tế công trình

Chiều cao đất đắp đường đầu cầu được xác định dựa trên các căn cứ: cao độ thiết kế áo đường luôn được thiết kế cao hơn 50cm mực nước lũ dâng hàng năm Tại vị trí nền đắp cao ngang bản mố cầu nên lấy mức tối đa 6.0m (Lê Bá Vinh và

Nguyễn Văn Thơ, 2007) Việc đắp cao nền đường cần căn cứ vào các điều kiện lòng sông vượt, mức cấp độ cầu và khả năng thông thuyền tàu bè mà tiến hành cân nhắc với phương án lựa chọn việc kéo dài nhịp Vì khi đắp cao đặc biệt đối với các công trình nằm trên nền đất yếu đòi hỏi chi phí xử lý nền lớn tốn kém chi phí và đôi khi công trình có hệ số an toàn không cao

Các tác giả Lê Bá Vinh và Nguyễn Văn Thơ, 2007 đề nghị việc xác định khoảng dài vùng tiếp cận cầu L0 để dựa trên các phương pháp cơ bản như: phương pháp tiếp cận cầu của Nhật Bản, phương pháp phân tích cung trượt trụ tròn và phương pháp vận tốc xe

2.1 Phương pháp tiếp cận cầu của Nhật Bản:

Căn cứ vào các cấp đường và cấp cầu, xác định một độ dốc dọc tối đa phù hợp với các điều kiện xe chạy Theo hướng dẫn thiết kế kết cấu đường JRA, 1983 căn cứ vào tốc độ thiết kế có thể xác định được độ dốc dọc lớn nhất của đường đầu cầu nên nhỏ hơn

Sau khi xác định được độ dốc dọc của cầu việc tính toán giá trị đoạn đường tiếp giáp mố cầu được tính toán theo công thức:

L0 = 100

i

S d

(2-1) Trong đó: Sd : là độ lún của đất nền, cm

i: độ dốc dọc đường dẫn vào cầu, %

Khi độ lún của nền Sd >100cm thì L0 trở nên rất lớn trong khi độ lún đất nền chỉ

ở mức Sd <10cm, thì giá trị L0 trở nên cực nhỏ Trong điều kiện đường đắp cao trên nền đất sét yếu dày dày hz > 10m khi độ lún Sd > 100cm như ở khu vực Đồng bằng sông Cửu Long việc áp dụng phương pháp trên cho thấy không hiệu quả (Lê Bá Vinh và Nguyễn Văn Thơ 2007)

2.2 Phương pháp phân tích cung trượt trụ tròn:

Đối với các công trình trên nền đất yếu, việc xác định phạm vi đường đầu cầu còn phải thỏa mãn yêu cầu về mặt ổn định, đảm bảo không gây ảnh hưởng đến sự

làm việc của mố cầu Phạm vi chuyển tiếp được thực hiện dựa trên phân tích độ ổn định nền đắp ở trạng thái giới hạn, xác định các cung trượt trụ tròn theo các mặt cắt ngang và cắt dọc của cầu Từ kết quả cung trượt trụ tròn xác định được chiều dài vùng tiếp cận cầu phải nằm vượt ra ngoài phạm vi trụ tròn Căn cứ vào chiều cao đất đắp sau mố, độ dốc dọc lớn nhất của đường đầu cầu và kết quả cung trượt trụ tròn từ đó xác định được một giá trị phù hợp

Bảng 1: Tính khoảng cách đường đầu cầu bằng vận tốc xe (Lê Bá Vinh và

Nguyễn Văn Thơ 2007)

3 Các giải pháp xử lý đất yếu đường đầu cầu hiện đang được áp

dụng:

Yêu cầu cơ bản của việc xử lý nền đất yếu trong phạm vi đường đầu cầu là độ

ổn định, độ lún trong phạm vi cho phép Nền đường sau khi xử lý đảm bảo đáp ứng được cường độ, không xảy ra các hiện tượng lún kéo dài, lún trồi và lún lệch gây

ảnh hưởng đến sự làm việc của mố cầu Qua đó, khắc phục hiện tượng hư hỏng nền đường đầu cầu, không êm thuận và tăng độ an toàn cho xe chạy

Hiệp hội CDM, 1996 tổng hợp và phân loại các phương pháp xử lý nền đất yếu đang được áp dụng trên thế giới dựa trên nguyên lý làm việc Các phương pháp đó bao gồm: ổn định bề mặt, phương pháp thay thế, phương pháp sử dụng vật liệu đắp nhẹ, phương pháp cố kết, phương pháp đầm chặt, phương pháp sử dụng chất phụ gia và các phương pháp cơ học khác (Bruce, 2000)

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

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

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

3.1 Phương pháp đắp bệ phản áp:

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

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

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

Hình 1: Sơ đồ bố trí bệ phản áp

3.2 Phương pháp giếng cát kết hợp gia tải trước:

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

Nguyên lý làm việc của phương pháp này dựa trên nguyên tắc giảm chiều dài đường thoát nước theo phương ngang và tăng khả năng thoát nước theo phương

đứng bằng các cọc cát có hệ số thấm lớn Khi chịu tác dụng của tải trọng tạm trong đất nền xuất hiện ứng xuất lỗ rỗng thặng dư, qua đó có sự chênh áp giữa đất nền và trong giếng cát Do đó, nước trong đất nền được thoát ra theo phương thẳng đứng thông qua giếng cát Kết quả là đẩy nhanh tốc độ lún cố kết của đất nền, giảm thời gian chờ lún

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

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

Việc sử dụng giếng cát để xử lý các vấn đề của đường đầu cầu trên nền đất yếu được áp dụng khá phổ biến trong ở miền Nam đặc biệt là khu vực đồng bằng sông Cửu Long Ưu điểm của phương pháp này là tốc độ thi công nhanh, có tính kinh tế

Yêu cầu vật liệu cho giếng cát là cát hạt trung để đảm bảo chức năng thoát nước thẳng đứng của giếng cát Tuy nhiên hiện nay nguồn cát hạt trung là rất khó khăn, khan hiếm nên có thể không đảm bảo được các yêu cầu kỹ thuật khi thay đổi nguồn vật liệu hoặc không đảm bảo tính kinh tế khi chi phí vận chuyển tăng cao

3.3 Phương pháp bấc thấm kết hợp gia tải trước:

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

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

và bên trong bấc thấm khi đất nền được gia tải

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

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

kể

Ngoài ra, trong thực tế việc xác định phạm vi ảnh hưởng cũng như khoảng xáo

trộn xung quanh bấc thấm khi thi công cũng đang được nghiên cứu nhằm xác định

một phương pháp thiết kế phù hợp nhất với từng điều kiện thực tế công trình

3.4 Phương pháp cố kết chân không:

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

Trong đó:

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

2 Thiết bị thoát nước ngang

3 Lớp cát đệm thoát nước dày 0.5m

4 Màng chất dẻo cách ly mặt nền với bầu khí quyển đê tạo ra chân không trong vùng cần xử lý

5 Hệ thống thu nước chính

6 Đất lấp mép của màn dẻo

7 Hệ thống bơm hút chân không và bơm hút nước

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

tự như phương pháp giếng cát và phương pháp bấc thấm Tuy nhiên, trong phương

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

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

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

3.5 Phương pháp sàn giảm tải:

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

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

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

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

4 Kết luận:

Hiện nay, các giải pháp xử lý nền đất yếu đoạn đường đầu cầu đa phần dựa trên nguyên lý cố kết, gia tải và giải pháp sàn giảm tải kết hợp cọc bê tông cốt thép đối với một số trường hợp tầng đất yếu dày, chiều cao đắp lớn Ưu điểm cơ bản của các phương pháp này là việc thi công tiến hành nhanh, khắc phục hiện tượng lún kéo dài đặc biệt phương pháp sàn giảm tải có thể giảm thiểu tối đa hiện tượng lún của nền đường đầu cầu Tuy nhiên, trong một số trường hợp khi tầng địa chất dày, biến

đổi phức tạp không áp dụng được phương pháp bấc thấm hoặc với điều kiện hiện nay nguồn cát hạt trung rất khan hiếm nên việc áp dụng giếng cát có giá thành rất cao Ngoài ra, phương pháp sàn giảm tải kết hợp cọc bê tông có giá thành rất cao thông thường tăng từ 30-50% tổng chi phí

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

Chương II: Tổng Quan Phương Pháp Xử Lý Đất Yếu

Bằng Cọc Xi Măng Đất

1 Giới thiệu chung:

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

Việc nắm rỏ mức độ ảnh hưởng của những nhân tố này có ý nghĩa rất quan trọng Ngoài ra, việc nắm bắt các tính chất vật lý, các đặc tính kỹ thuật của đất trộn

xi măng sau khi xử lý, để dự đoán được khả năng làm việc của đất nền cũng rất có ý nghĩa

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

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

Bố cục chương này bao gồm các nội dung:

 Lịch sử hình thành, phát triển và tình hình ứng dụng của phương pháp xử

lý nền đất yếu bằng CXMĐ

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

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

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

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

từ những kết quả nghiên cứu trước đây

2 Lịch sử hình thành, phát triển và tình hình ứng dụng của phương pháp xử lý nền đất yếu bằng CXMĐ:

2.1 Lịch sử hình thành và phát triển:

Ý tưởng dùng xi măng làm chất gia cường được phát minh vào năm 1954 tại Mỹ (Poraha, 1998) Tuy nhiên, sau đó tiếp tục được nghiên cứu và phát triển ứng dụng rộng hơn, chuyên sâu hơn để đi vào ứng dụng tại Nhật và Thụy Sỹ vào những năm

1970 Những báo cáo chính thức về việc áp dụng thành công công nghệ CXMĐ vào năm 1980 và 1982 : DJM research group, 1984; Chida, 1982; Minura et al, 1986 (Bergado et al, 1996)

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

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

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

SMM được sử dụng để xử lý nền có chiều dày tầng đất yếu nhỏ Nguyên lý làm việc của phương pháp SMM là dùng các gầu trộn hoặc cần trộn có đường kính lớn trộn lẫn đất tại chổ với một hàm lượng vữa hoặc chất dính kết ở trạng thái khô để đảm bảo độ ổn định thể tích của khối gia cố Do đó, SMM còn có thể được gọi là phương pháp ổn định khối (mass stabilization) Chiều sâu tối đa có thể áp dụng phương pháp SMM là 12m (Moseley và Kirsch, 2004)

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

DMM sử dụng xi măng làm chất gia cố, có thể áp dụng hầu hết cho nhiều loại đất khác nhau bao gồm: đất bùn có hàm lượng hữu cơ cao (Huat et al, 2011; Tang, Bakar và Chang, 2011; Ali et al, 2010; Islam và Hashim, 2010; Kazemian và Huat, 2009; Kulantari và Huat, 2009; Duaraisamy, 2008; Cortehazzo và Cola, 1999), đất ven biển (Mathew, Selvi và Velliangiri, 2009) và một số loại đất yếu khác Trong phương pháp trộn sâu, tùy theo trạng thái của xi măng khi sử dụng mà

có thể chia ra làm 2 phương pháp: trộn ướt (CDM) và trộn khô (DJM) (CDIT, Japan 2002)

Nhờ có các đặc tính cơ lý tốt, thân thiện với môi trường và có tính kinh tế tương đối cao của phương pháp DMM với chất gia cố là xi măng nên CXMĐ được ứng dụng rộng rãi trong thực tế với nhiều mục đích khác nhau tùy theo cách bố trí: cọc đơn lẽ, tường hoặc tấm, lưới hoặc các lớp, block (Yang, 1997) Các ứng dụng thông thường của CXMĐ:

 Tường ngăn nước (Japan, U.S)

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

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

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

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

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

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

Việc áp dụng CXMĐ ở Mỹ chủ yếu tập trung vào các công trình tường ngăn nước chống thấm để nâng cấp các đập chắn nước hiện hữu Các tường ngăn nước được thiết kế thường có chiều dày 0.6m, dài 51-61m và sâu 43m với hàm lượng xi măng sử dụng là 350-550kg/m3

Ở Nhật, CXMĐ được áp dụng chủ yếu trong các dự án ngăn ngừa trượt lở các đoạn nền đường ven sông

Ở Trung Quốc, CXMĐ được sử dụng kết hợp với các cọc tiêu nước thẳng đứng nhằm rút ngắn thời gian thi công, giảm độ lún, tăng cường khả năng chịu lực và mức độ ổn định của đường đầu cầu thuộc dự án đường cao tốc Fu-Xia

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

2.3 Tình hình ứng dụng CXMĐ ở Việt Nam:

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

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

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

3 Nguyên lý hình thành cường độ của vật liệu đất xi măng:

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

Trong xi măng có bốn thành phần cơ bản: tri-calcium silicat (3CaO.SiO2), calcium silicat (2CaO.SiO2), tetra-calcium-alumino-ferite (4CaO.Al2O3 Fe2O3) và tri-calcium-aluminate (3CaO.Al2O3) (ACI Education Bulletin E3-01 2001) Khi gặp nước lỗ rỗng xảy ra phản ứng hydration ngay lặp tức, tạo ra sản phẩm chính: hydrate calcium-silicate (C3SHx, C3S2Hx); hydrate calcium-aluminates (C3AHx,

bi-C4AHx) và vôi tôi (Ca(OH)2) Hydrate calcium-silicate với tính xi măng cao dính

kết các hạt xi măng, cốt liệu lại với nhau tạo thành kết cấu khung có cường độ bao bọc các hạt đất chưa bị thay thế

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

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

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

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

Ca2+ + 2 (OH)- + (2.3) Khi pH<12,6 thì xảy ra phản ứng:

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

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

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

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

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

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

đồ minh họa các nhân tố như sau:

Hình 5: Biểu đồ minh họa các nhân tố ảnh hưởng tới sự rắn hóa của vật liệu

đất xi măng của Kezdi, 1979 (CIDT, Japan 2002)

4.1 Loại và hàm lượng xi măng:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

4.2 Thời gian bảo dƣỡng:

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

al, 1996) Các kết luận từ những nghiên cứu trước đây cho thấy nguyên nhân tác

động của thời gian bảo dưởng đến sự gia tăng cường độ là do tốc độ của phản ứng puzolanic chậm, kéo dài nên cường độ của đất nền được gia tăng theo thời gian

Michell et al, 1974 nhận thấy cường độ nén không nở hông là một hàm tương quan với hàm lượng xi măng và thời gian bảo dưởng

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

qu (t): cường độ nén nở hông ở t ngày, kPA

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

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

C: hàm lượng xi măng, % thể tích

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

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

Hình 6: Quan hệ giữa cường độ nén nở hông với hàm lượng xi măng và thời

gian bảo dưỡng (Uddin et al 1997)

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

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

qu60 = 1.17 qu28 (2.6) Trong đó:

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

Hình 7: Tác động cở hạt với cường độ nén nở hông (Taki và Yang, 1991).Bergado et al, (1996) nhận thấy độ tăng cường độ của mẫu đất xử lý giảm khi hàm lượng sét và chỉ số dẻo tăng Khi độ hoạt tính của đất cao, mức độ tăng cường

độ của đất đã xử lý thấp

Nước lỗ rỗng đóng vai trò là chất tham gia phản ứng hydration hình thành cường độ sau khi xử lý và đồng thời là dung môi cho phản ứng puzolanic để tăng cường độ theo thời gian Vì vậy, để cường độ của hỗn hợp được phát triển tốt đòi

hỏi hàm lượng nước trong hỗn hợp đất xi măng phải lớn hơn một giá trị tối thiểu Miura et al, 2002 đề xuất khi sử dụng xi măng làm chất gia cố cần quan tâm đặc biệt đến hàm lượng nước, vì đây là một nhân tố đóng vai trò đặc biệt

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

Hình 8: Ảnh hưởng của hàm lượng nước với cường độ (Tan et al, 2002)

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

Hình 9: Mối quan hệ giữa cường đố nở hông ở 28 ngày tuổi (kPa) với tỷ số

N/XM của mẫu đất xử lý xi măng (Jacobson et al, 2002)

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

và đường kính của cọc có ảnh hưởng đến đặc tính làm việc của đất nền sau xử lý

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

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

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

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

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

số pH<5.3