Nghiên cứu giải pháp xử lý nền đất yếu bằng cột đất vôi xi măng cho công trình nhà từ 3 đến 6 tầng trên đất yếu ở quận 2 tp hồ chí minh

NGUYỄN QUANG HUY NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XỬ LÍ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỘT ĐẤT - VÔI / XIMĂNG CHO CÔNG TRÌNH NHÀ TỪ 3 ĐẾN 6 TẦNG TRÊN ĐẤT YẾU Ở QUẬN 2 – TP... Hồ chí minh” II- NHI ỆM VỤ VÀ NỘI DU

NGUYỄN QUANG HUY

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XỬ LÍ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỘT ĐẤT - VÔI / XIMĂNG CHO CÔNG TRÌNH NHÀ TỪ 3 ĐẾN 6 TẦNG TRÊN ĐẤT YẾU Ở QUẬN 2 – TP HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHUYÊN NGÀNH : CÔNG TRÌNH TRÊN ĐẤT YẾU

MÃ SỐ NGÀNH : 31.10.02

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12/2004

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn 1 :

Giáo sư Tiến sĩ Khoa học LÊ BÁ LƯƠNG .

Cán bộ hướng dẫn 2 :

Tiến sĩ NGUYỄN VĂN CHÁNH

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Luận văn cao học này được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN CAO HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ngày tháng năm 2004

Tp HCM ngày 02 tháng 02 năm 2004

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên : Nguyễn Quang Huy

Ngày, tháng, năm sinh : 08/01/79

Chuyên ngành : Công trình trên đất yếu

Khóa: 13

Phái : Nam

Nơi sinh : Bình Định Mã số ngành :31.10.02

I - TÊN ĐỀ TÀI : “ Nghiên cứu giải pháp xử lí nền đất yếu bằng cột đất vôi/ximăng cho công trình nhà từ 3 đến 6 tầng trên đất yếu ở quận 2, tp Hồ chí minh”

II- NHI ỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

Chương 1 Nghiên cứu tổng quan giải pháp cột đất vôi/ximăng để xử lí nền đất yếu

Chương 2 Nghiên cứu đất yếu ở đồng bằng sông Cửu Long và Tp Hồ Chí Minh, Quận 2

Chương 3 Nghiên cứu cấu tạo và một số phương pháp thi công cột đất vôi/ximăng cho công trình nhà 3 đến 6 tầng ở quận 2 – Tp HCM

Chương 4 Nghiên cứu lí thuyết tính tóan đối với cột đất vôi/ximăng

Chương 5 Nghiên cứu thí nghiệm trong phòng để xác đinh tính chất cơ học của cột đất vôi/ximăng

Chương 6 Nghiên cứu ứng dụng tính tóan cho một công trình cụ thể ở Quận 2

Chuơng 7 Các nhận xét, kết luận và kiến nghị

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ 02/02/2004

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 30/11/2004

V HỌ VÀ TÊN THẦY HƯỚNG DẪN : GS.TSKH LÊ BÁ LƯƠNG

T.S NGUYỄN VĂN CHÁNH Thầy hướng dẫn 1

GS.TSKH Lê Bá Lương

Thầy hướng dẫn 2

T.S Nguyễn Văn Chánh

Chủ nhiệm ngành

GS.TSKH Lê Bá Lương

Chủ nhiệm bộ môn

Th.s Võ Phán Nội dung và đề cương luận văn thạs sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

Phòng đào tạo SĐH

Ngày 30 tháng 11 năm 2004 Phó Trưởng khoa

TS Châu Ngọc Aån

Trải qua 4 học kỳ tại trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh, nhờ sự dạy dỗ tận tình của các thầy cô em đã hòan thành chương trình cao học và luận văn cao học Kiến thức được học tại trường giúp em rất nhiều trong công việc

Xin cho em xin được tri ân với GS.TSKH Lê Bá Lương, thầy hướng dẫn chính

trong luận văn thạc sĩ của em Với sự chỉ bảo tận tình, tâm huyết của thầy

GS.TSKH Lê Bá Lương đã giúp em hòan thành luận văn thạc sĩ

Xin cảm ơn thầy đồng hướng dẫn TS Nguyễn Văn Chánh với những hướng dẫn

tận tình trong thời gian em làm thí nghiệm tại Bộ môn Vật Liệu Xây Dựng

Xin cảm đến các quí Thầy Cô trong bộ môn vật liệu xây dựng đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình em làm thí nghiệm tại Bộ môn

Xin chân thành cảm ơn đến tất cả các anh chị đồng nghiệp, gia đình cùng bạn bè đã giúp đỡ trong suốt quá trình em thực hiện luận văn thạc sĩ

Cuối cùng, xin chúc sức khỏe đến tất cả quí thầy cô, gia đình bạn bè

Nghiên cứu giải pháp xử lí nền đất yếu bằng cột đất – vôi/ximăng cho công trình nhà từ 3 đến 6 tầng trên đất yếu ở quận 2 Tp Hồ Chí Minh

Nghiên cứu một số dạng cấu tạo của cột đất vôi/ximăng dưới nền đất yếu, một số phương pháp thi công cột đất vôi/ximăng hiện nay

Nghiên cứu lí thuyết tính tóan cho cột đất vôi/ximăng và một số nghiên cứu bổ sung tính tóan cho cột đất vôi/ximăng của các nhà khoa học trên thế giới

Nghiên cứu thí nghiệm xác định cường độ chịu nén, Cu, φu của đất gia cố bằng vôi/ximăng ở trong phòng thí nghiệm

Nghiên cứu tính tóan cho một công trình nhà dân dụng cụ thể ở quận 2 Tp Hồ Chí Minh

project of buiding with 3 to 6 storeys on soft soil in District 2 Ho Chi Minh City

Research calculation theory for lime/cement soil column and some theories modify

to calculate for lime soil/ cement column

Research mechanic characteristic of lime/cement soil column in laboratory The experiment to determine constrain stress Cu, φu of reforced soil by lime/cement in the lab

Research and calculating some corporeal house constructions in District 2, Ho Chi Minh City

Tóm tắt nội dung

1.1.1 Phương pháp dùng vôi trộn vào trong đất yếu 1

1.1.1.2 Qúa trình phát triển cường độ của đất gia cố vôi 2

1.1.1.3 Aûnh hưởng của vôi sống, độ ẩm thiên nhiên, lượng muối và lượng 3

chất hữu cơ

1.1.2 Phương pháp dùng ximăng trộn vào trong đất yếu 4

1.1.2.1 Vật liệu ximăng sử dụng trong đất gia cố 4

1.1.2.2 Quá trình rắn chắc của đất gia cố bằng ximăng 4

1.2 Lịch sử phát triển và ứng dụng của cột đất- vôi, cột đất- ximăng, 5 đất- vôi/ximăng

1.3 Một số kết quả nghiên cứu và ứng dụng thành công trong việc 11 xử lí nền đất yếu cột đất vôi/ximăng trên thế giới

1.3.2 Các kết quả nghiên cứu ứng dụng trên thế giới 13

1.3.2.1 Aùp dụng làm cọc móng cho công trình nhà dân dụng – dự án trung 13

tâm thương mại ở Nordby Thụy Điển

1.4 Một số nghiên cứu và ứng dụng trong nước về giải pháp 16

1.5 Một số sự cố có liên quan đến đề tài 19

1.5.3 Sự cố gây nứt nền sân của các công trình nhà ven sông 20

1.6 Một số khó khăn trong việc xử lí nền đất yếu hiện nay 20

CHƯƠNG 2 : NGHIÊN CỨU VỀ ĐẤT YẾU Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG VÀ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH- QUẬN 2

2.2 Khái quát về địa chất khu vực đồng bằng sông Cửu Long 22

2.2.2 Sự phân bố đất yếu ở vùng đồng bằng sông Cửu Long 23

2.2.3 Đặc trưng cơ lí của đất sét yếu bão hoà nước 26

ở đồng bằng sông Cửu Long

2.3 Khái quát cấu tạo địa chất khu vực thành phố Hồ Chí Minh 30

2.3.2 Sự phân bố các loại đất ở Thành Phố Hồ Chí Minh 30

2.4 Thống kê các đặc trưng cơ lí tính toán của các lớp đất 33 theo qui trình 45 –78 và năm 2000

3.1 Một số dữ liệu về cột đất vôi/ximăng 41

3.3 Một số dạng cấu tạo cột đất vôi/ximăng dưới các công trình 42

3.3.3 Gia cố chống lún do cố kết của nền sân bãi 47

3.4 Một số đặc trưng cơ lí của đất gia cố vôi/ximăng 47

3.5 Phương pháp thi công cột vôi – ximăng, phương pháp trộn sâu 49 để ổn định đất nền dưới sâu

3.4.3 Quá trình thi công cột vôi/ximăng trong đất sét yếu 55

3.4.4 Nhận xét, kiến nghị phương pháp thi công và 60 bố trí cột đất vôi/ximăng cho công trình nhà từ 3 đến 6 tầng

ở quận 2, tp Hồ Chí Minh

CHƯƠNG 4 : NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT TÍNH TÓAN ĐỐI VỚI CỘT VÔI /XIMĂNG

ĐẤT-4.1 Phương pháp tính toán cho cột vôi-ximăng-đất 61

4.1.1 Khả năng chịu tải của cột đất - vôi/ximăng đơn 61

4.1.2 Khả năng chịu tải giới hạn của nhóm cột đất-vôi/ximăng 62

4.2.1 Ưùng suất phân bố lên cột đất - vôi/ximăng và đất xung quanh cột 80

4.2.2 Độ cố kết của nền đất gia cố bằng cột đất -vôi/ximăng 81

CHƯƠNG 5 : NGHIÊN CỨU TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM ĐỂ XÁC ĐỊNH TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA CỘT ĐẤT VÔI/XIMĂNG

5.1.1 Giới thiệu một số ưu điểm phương pháp vôi/ximăng 88

5.1.3 Ưùng dụng các kết nghiên cứu trước, mục tiêu đặt ra 89

5.3 Lựa chọn thành phần tỉ lệ đất - vôi/ximăng để thí nghiệm 92

CHƯƠNG 6 : NGHIÊN CỨU TÍNH TÓAN ỨNG DỤNG CHO MỘT CÔNG TRÌNH CỤ THỂ Ở QUẬN 2

6.3.2 Họat tải sàn 104

6.3.1 Tính tóan khả năng chịu tải sơ bộ của cột đơn 107

6.3.2 Bố trí cột đất vôi/ximăng theo lưới hình vuông 109

6.3.3.1 Tính độ lún một nhóm cột đất vôi/ximăng trong một móng 113 bố trí theo lưới hình vuông

6.3.3.2 Tính tóan độ lún cố kết cho phạm vi khối đất gia cố 117 bố trí theo lưới hình vuông

6.3.3 Bố trí cột đất vôi/ximăng theo lưới tam giác đều 120

6.3.3.1 Tính độ lún một nhóm cột đất vôi/ximăng trong một móng 124 bố trí theo lưới tam giác đều

6.3.3.2 Tính tóan độ lún cố kết cho phạm vi khối đất gia cố 127 bố trí theo lưới tam giác đều

CHƯƠNG 7 : NHẬN XÉT KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Tài liệu tham khảo

Phần phụ lục

Tóm tắt lí lịch học viên

MỞ ĐẦU

Trong một không gian của kỷ nguyên quan hệ tòan cầu hiện nay , mỗi quốc gia đều có những chiến lược phát triển kinh tế xã hội và hợp tác đa phương sâu rộng nhằm phát triển mạnh mẽ nền kinh tế nước nhà

Với những đổi mới sâu sắc của tư duy kinh tế trong bối cảnh quan hệ đa quốc gia của đất nước chúng ta hiện nay tốc độ đô thị hóa các thành phố lớn đang diễn ra với một nhịp độ khá nhanh Trong đó Tp Hồ Chí Minh là một trong số các đô thị có tốc độ đô thị hóa nhanh nhất trong cả nước

Tp Hồ Chí Minh là trung tâm kinh tế lớn nhất nước, có đầu mối giao thông đường biển, đường sông rất quan trọng đối với vùng cực nam và nam Trung bộ cũng như trong cả nước và hầu hết với các nước trong khu vực châu Aù Thái Bình Dương Về đường bộ Tp Hồ Chí Minh dễ dàng liên lạc với Campot qua quốc lộ 22, và với tòan bộ vùng cao nguyên trung phần và nam Lào qua quốc lộ 13 Tp còn là trung tâm khoa học kĩ thuật chuyển giao công nghệ hiện đại và là một trong những trung tâm giao dịch , thương mại, dịch vụ du lịch, tài chính ngân hàng trong khu vực châu Aù Thái Bình Dương và quốc tế

Ơû Thành phố Hồ Chí Minh hiện nay các cơ sở vật chất phục vụ cho nhu cầu ăn ở sinh hoạt và làm việc còn rất thiếu thốn Vì vậy chính sách của thành phố là phát triển các quận vùng ven để giải quyết vấn đề này Trong số những quận mới thành lập , quận hai nằm ở phía đông của thành phố với diện tích khoảng 49,74 km2 , dân

cư khoảng 108.141 người ( năm 2000) Vấn đề qui hoạch Quận 2 được phân bổ như sau : khu dân cư ( phường An Phú, An Khánh, Thảo Điền, Thạnh Mỹ Lợi, Bình Trưng Đông, Bình Trưng Tây ), khu công nghiệp (phường Cát Lái), khu dịch vụ trung tâm (phường Thủ Thiêm, An Lợi Đông, Bình Khánh) , khu thể thao (khu thể thao Rạch Chiếc)

Với định hướng phát triển Quận 2 thành khu đô thị mới trong tương lai, việc đầu tư xây dựng cơ sở hạ tầng, khu dân cư trong việc giãn dân và hình thành cụm dân cư đô thị mới tại Quận 2 là điều tất yếu phải làm

Trong vấn đề qui hoạch thì không thể thiếu việc xây dựng những chung cư từ 3 đến

6 tầng để phục vụ nhu cầu về ở hiện nay

Quận 2 – Tp Hồ Chí Minh nằm giáp giữa sông Sài Gòn và sông Đồng Nai, nằm trong khu vực đất yếu có chiều dày từ 10m đến 25m, khả năng chịu tải ở trạng thái tự nhiên tương đối thấp, đất nền có biến dạng lớn Với tình hình địa chất như vậy nhất thiết phải xử lí nền trước khi muốn xây dựng công trình

II XÁC LẬP NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU :

Hiện nay, giải pháp xử lí nền bằng phương pháp cột đất vôi – ximăng ở nước ta chưa áp dụng một cách rộng rãi Đặc biệt là trong xử lí nền cho những công trình nhà Chính vì vậy, trong đề tài này tác giả sẽ đi sâu nghiên cứu giải pháp xử lí nền bằng phương pháp cột đất vôi – ximăng để xử lí nền đất sét yếu cho công trình nhà từ 3 đến 6 tầng cho các công trình nhà ở Quận 2 – Thành phố Hồ Chí Minh

1 Tổng quan giải pháp xử lí nền bằng cột đất vôi/ximăng

2 Nghiên cứu đất yếu vùng đồng bằng sông Cửu Long và Quận 2 nói riêng

3 Nghiên cứu thí nghiệm cắt nhanh trực tiếp cho đất ở quận 2 gia cố bằng vôi/ximăng

4 Nghiên cứu cấu tao và tính tóan đối với phương pháp xử lí nền bằng cột đất vôi/ximăng

CHƯƠNG 1 : NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN GIẢI PHÁP CỘT ĐẤT – VÔI/XIMĂNG ĐỂ XỬ LÍ NỀN ĐẤT YẾU

1.1 TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP TRỘN VÔI, XIMĂNG, HOẶC VÔI/ XIMĂNG VÀO ĐẤT YẾU

Ta biết nếu trộn đất sét với lượng vôi, ximăng hoặc kết hợp vôi và ximăng thì ta sẽ được một loại vật liệu mới có tính chất cơ học cao hơn hẳn so với đất sét chưa gia cố

1.1.1 Phương pháp dùng vôi để trộn vào đất yếu :

Kỹ thuật gia cố nền bằng vôi được áp dụng đầu tiên và phát triển mạnh mẽ trong lĩnh vực xây dựng các lớp móng đường Và theo thời gian, phương pháp này được phát triển để cải thiện tính chất cơ lí của đất sét trong nền thiên nhiên

Những năm trước, khi gia cố nền bằng cọc vôi thường người ta đào hoặc khoan lỗ có đường kính từ 30-50cm, cách nhau 2-5cm rồi cho từng cục vôi sống chưa tôi vào Khi tiếp xúc với nước trong nền đất yếu vôi sẽ được tôi làm tăng thể tích (có khi tăng đường kính cọc lên từ 60-80%), do đó có tác dụng nén chặt đất xung quanh, đồng thời còn có tác dụng gia cố đất xung quanh cọc làm tăng cường độ hút nước , giảm độ ẩm của đất xung quanh cọc vôi

Tuy nhiên, do độ thấm của đất sét rất nhỏ nên sự lan truyền của vôi trong khối đất

bị hạn chế, do vậy việc cải thiện tính chất cọc vôi còn rất cục bộ

Để khắc phục nhược điểm trên, năm 1975 các chuyên gia Thụy Điển đã trực tiếp trộn vôi với đất sét mềm ngay trong nền đất yếu, làm thành các cột đất gia cố vôi

Yù tưởng của kĩ thuật thi công các cột đất gia cố cả vôi của Thụy Điển là xây dựng ngay trong nền đất yếu các cột có đường kính 50cm bằng một thiết bị trộn đặc biệt kiểu khoan dĩa hoặc thiết bị giống như dụng cụ khuấy trứng khổng lồ Khoan được xoắn vào trong đất nền đến độ sâu yêu cầu tương thích với chiều dài của cọc và được xoắn lên khi xoay ngược chiều

v Vật liệu gia cố trong cột đất vôi là vôi bột chưa tôi có cỡ hạt 0,2mm

v Tác dụng chủ yếu của vôi là để tăng sức chống cắt và giảm tính nén lún của đất Những thay đổi về tính chất cơ học của đất xảy ra rất nhanh do qui trình trao đổi ion và “vôi tôi” trong đất

v Đất nền được gia cố bằng vôi hoặc ximăng khá rắn chắc, có hệ số nén thấp, sức chống cắt cao so với đất không gia cố Cường độ chống cắt của đất sét gia cố có thể lên tới 10 KG/cm2 tăng 50 lần so với đất chưa gia cố

v Kết quả nghiên cứu cho thấy là : sau 3 tháng đất gia cố vôi đạt được 80% giá trị cường độ cần có Đối với đất gia cố bằng ximăng thì giá trị trên đạt được trong vòng 1 tháng

Trong phạm vi cọc gia cố , đất bị phá hủy cấu trúc tự nhiên, sau đó được trộn với vôi lỏng hoặc ximăng thành 1 hỗn hợp Các phản ứng hóa học xảy ra, hỗn hợp dần dần phát triển cường độ và trở thành cọc chịu lực Kết quả thí nghiệm cũng cho thấy hệ số thấm của đất vôi và đất ximăng là khá lớn (k=10-2-10-4cm/s) vì thế các cột này làm gia tăng quá trình cố kết của đất nền

1.1.1.1 Vật liệu vôi dùng trong đất gia cố :

Vôi sử dụng để gia cố đất được nung từ đá vôi (CaCO3, MgCO3) ở nhiệt độ cao Khi đó sẽ xảy ra các phản ứng hóa học sau :

CaCO3 CaO + CO2

MgCO3 MgO + CO2

Lượng CaO và MgO trong vôi không được nhỏ hơn 70% khối lượng, lương chưa nước trong vôi không quá 3 – 5% Bột vôi phải mịn, 100% lọt qua rây 2mm

Vôi dùng để gia cố nên sử dụng vôi bột sống CaO, hiệu qủa sẽ cao hơn

1.1.1.2 Qúa trình phát triển cường độ của đất gia cố vôi :

Khi trộn vôi vào đất lập tức sẽ xảy ra các phản ứng hóa lí, trong thời gian đầu tốc độ tăng trưởng về cường độ đạt giá trị cao sau đó tốc độ sẽ giảm dần Những công trình nghiên cứu trong và ngòai nước khẳng định sự hình thành cường độ của đất gia cố bằng vôi như sau :

a) Sự hình thành và phát triển cường độ do cấu trúc keo tụ :

Khi trộn vôi vào đất xảy ra các phản ứng sau :

CaO + H2O = Ca(OH)2

Ca(OH)2 phân li thành các ion Ca2+ và OH- Chính ion Ca2+ sẽ làm phát triển cường độ của hỗn hợp Các ion Ca2+ sẽ xâm nhập và khuyếch tán quanh hạt sét thay thế các nước phân tử lưỡng cực (H+ và OH-) Hạt sét sẽ trở nên cân bằng điện tích do

t

t

điện tích âm của lõi keo được trung hòa bởi các ion dương Ca2+, vì vậy màng nước ép chặt xung quanh hạt sét giảm đi Màng nước xung quanh các hạt bị phá vỡ, nước tự do tách khỏi dung dịch, dẫn đến hiện tượng hệ keo bị phá vỡ và hình thành cấu trúc keo tụ

b) Sự hình thành và phát triển cường độ do cấu trúc kết tinh :

Sự hình thành cấu trúc keo tụ là rất quan trọng, nó là cơ sở để chuyển sang cấu trúc kết tinh làm cho hỗn hợp đất gia cố có cường độ cao, ổn định ngay trong điểu kiện đất bị bão hòa nước Trong quá trình hóa rắn của đất gia cố vôi, các hạt nhỏ phân tán (keo – sét) của hyđroxit canxi nhờ có nước, bắt đầu kết tinh lại thành những tinh thể lớn Trong quá trình vôi hóa rắn còn xảy ra qúa trình cabonat hóa của hyđroxít canxi do sự hấp thụ axit cacbonic

Lượng muối trong đất sét có ảnh hưởng đến mức độ cải tạo đất Ariizumi (1977)

kết luận rằng hiệu quả cải tạo của vôi sống đối với đất sét tăng nhanh khi thêm một lượng muối Lượng muối đưa vào thí nghiệm có thể lên đến 5% trọng lượng của vôi sống, còn lượng vôi sống là khỏang 5%, 10%, hay 20% so với trọng lượng đất khô Theo Ariizumi (1977), các ion của muối NaCl có thể tác động như chất xúc tác và các ion Cl-, Na+, Mg2+ có thể làm tăng nhanh phạn ứng pozulan

Với đất sét có hàm lượng chất hữu cơ lớn hơn 8%, dùng ximăng thay cho vôi sống sẽ thích hợp hơn Bởi vì đất sét có hàm lượng chất hữu cơ cao, đòi hỏi nhiều lượng vôi sống và do đó có thể còn lượng dư chưa phản ứng Lượng vôi sống thừa sẽ gây hại cho việc cảt tạo đất sét yếu

1.1.2 Phương pháp dùng ximăng để trộn vào đất yếu

Đây là một trong những phương pháp hiệu quả để gia cố nền đất, phương pháp này áp dụng phổ biến cho các công trình thủy lợi

Nguyên lí của phương pháp : phụt vào trong lỗ rỗng của đất hoặc khe nứt của đá một lượng ximăng cần thiết theo thiết kế Vữa ximăng được phụt vào trong các lỗ rỗng hoặc khe nứt sau đó cứng lại, có tác dụng làm giảm tính thấm và làm tăng khả năng chịu tải của nền đất hay đá dưới công trình sắp xây dựng

Hiện nay, phương pháp phụt vữa ximăng được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực xây dựng vì nó có nhiều ưu việt so với các biện pháp hóa lí khác Khi áp dụng phương này không đòi hỏi kỹ thuật phức tạp mà hiệu quả gia cường nền cao, thiết bị thi công đơn giản, do đó có ý nghĩa kinh tế rất lớn

Chính vì lẽ đó mà phương pháp phụt vữa ximăng để gia cố nền có phạm vi ứng dụng khá rộng rãi, không chỉ trong các công trình thủy lợi, cảng mà còn áp dụng cho các công trình cầu, đường khi gia cường hoặc sửa chữa các trụ cầu trong xây dựng mỏ, khi thiết kế các đường hầm, trong xây dựng công nghiệp khi thiết kế các công trình chịu tải trọng lớn trên nền đá dăm, sỏi, cuội… hoặc làm giảm tính thấm của các lọai đất, đá đảm bảo cho các công trình làm việc ổn định

Để làm tăng hiệu quả của vữa ximăng, có thể thêm vào các chất phụ gia như : cát, bột đá, đất sét, phụ gia hoạt tính như CaCl2

1.1.2.1 Vật liệu ximăng sử dụng trong đất gia cố:

Khối lượng riêng γa = 3.1 g/cm3

Khối lượng thể tích γo = 1.15g/cm3

Thời gian ninh kết :

 Bắt đầu không sớm hơn (phút) : 45

 Kết thúc không chậm hơn (giờ) : 10

1.1.2.2 Quá trình rắn chắc của đất gia cố bằng ximăng :

Hạt ximăng là một hợp chất (heterrogeneous) bao gồm Tri Calcium Silicate (C3S),

Di Calcium Silicate (C2S) và các chất rắn hòa tan như Tetracalcium Alumino – Ferrite (C4A) Bốn phần tử chính này tạo nên sản phẩm hỗn hợp tạo đô bền chủ yếu Khi nứơc lỗ rỗng của đất gặp ximăng, thủy hóa ximăng xảy ra nhanh chóng và sản phẩm chính yếu của sự thủy hóa bao gồm Hydrate Calcium Silicates (C2SHx,

C3SHx) Hydrate Calcium Aluminate (C3AHx, C4AHx) và Hydroxyl vôi Ca(OH)2 Hai sản phẩm Hydrate liệt kê ở đầu tiênở trên là hai sản phẩm kết dính ximăng được hình thành và thủy hóa vôiđược sử dụng như những pha tinh thể rắn riêng biệt Những phần tử ximăng này kết hợp với các hạt ximăng nằm kế bên với nhua trong suốt qúa trình hóa cứng để tạo thành hỗn hợp bộ khung được hóa cứng bao quanh các hạt đất nguyên vẹn Các pha Silicate và Alumino được kết hợp nội tại, do đó hầu như không có pha nào kết tinh hòan tòan Một phần của pha Ca(OH)2 cũng có thể kết hợp với các hydrate khác mà chỉ có một phần kết tinh Hơn nữa thủy hóa ximăng dẫn đến gia tăng độ pH của nứơc lỗ rỗng gây ra sự phân li của Vôi Hydrate Các bazơ mạnh hòa tan Silicate và Aluminate từ cả khóang vật sét và các chất vô

cơ định hình khác trên những mặt của các hạt sét, theo cách tương tự như phản ứng giữa các axít yếu với 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 ximăng để tạo thành hợp chất không hòa tan (đây là các sản phẩm ximăng thứ yếu), hóa cứng khi được xử lí gia cố nền đất yếu Phản ứng thứ yếu này được gọi là phản ứng pozzolan Hợp chất của thủy hóa ximăng thì vẫn xác định rõ ràng bởi các công thức hóa học

Khi trộn ximăng vao trong đất, độ rắn chắc cho đất gia cố nhờ vào các phản ứng

thủy hoá ximăng như sau :

 Khi ximăng tiếp xúc với nước ở giai đoạn đầu xảy ra quá trình tác dụng nhanh của alít với nước tạo ra hiđrosilicat canxi và hiđroxit canxi :

2(3CaO.SiO2) + 6H2O = 3CaO.2SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2

 Vì đã có Ca(OH)2 tách ra từ alít nên belit thuỷ hoá chậm hơn alit :

2(2CaO.SiO2) + 4H2O = 3CaO.2SiO2.3H2O + Ca(OH)2

 Mặt khác, khi được tiếp xúc với nước, trên bề mặt các hạt ximăng đã có lớp sản phẩm xốp, không bền, có tinh thể dạng tấm mỏng lục giác của 4CaO.Al2O3.9H2O và 2CaO.Al2O3.8H2O phản ứng nhanh với nước tạo ra dạng ổn định :

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

và 4CaO.Al2O3.Fe2O3 + mH2O = 3CaO.Al2O3.6H2O + CaO.Fe2O3.nH2O

1.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CỘT VÔI, CỘT XIMĂNG, CỘT XIMĂNG

VÔI-Từ rất lâu phương pháp trộn vôi, ximăng đã được dùng để cải tạo nền đất yếu Thời cổ La Mã người ta dùng vôi như một chất kết dính liện kết các khối đá

v Ngay từ những năm 1925, ở Liên Xô đã dùng vôi để cải tạo tính chất của đất phục vụ xây dựng đường giao thông, thủy lợi, các công trình nhà…

v Vào những năm 1954, IU.B Osipov đã dùng vôi sống để cải tạo tính chất xây dựng của đất Theo ông, vôi sống có khả năng ngưng kết (hoá cứng) trong vòng 5-10 phút ở điều kiện xác định, tức là nó ngưng kết nhanh gấp 50-100 lần vôi tôi

v Cũng trong năm 1954, công ty Intrusion Prepakt (Mỹ) ứng dụng và phát triển kỹ thuật cọc trộn tại chỗ (MIP-Mix In Place Pile) Vào những năm 1960, qui trình gia cố đất nền bằng vôi trộn đất cho lớp đất mặt dày 1m đã được thực hiện ở Mỹ và Đức bằng cách nhồi vôi vào các lỗ khoan sẵn đường kính 100mm Đến năm

1961, kỹ thuật MIP đã áp dụng tại Nhật Bản với hơn 300.000m dài cột dùng gia cố hố đào và kiểm soát mực nước ngầm Tiếp tục đến những năm đầu của thập niên 70, công ty Seiko Kogyo đã thực hiện thành công kỹ thuật tường ngăn SMW (Soil Mixture Wall)

v Năm 1967, viện nghiên cứu hải cảng và bến tàu (PHRI-Port and Habour Reseach Institute) thuộc bộ giao thông vận tải Nhật Bản bắt đầu tiến hành thí nghiệm trong phòng sử dụng vôi cục hoặc vôi bột để xử lí cải tạo đất biển bằng phương pháp Deep Lime Mixing (DML) – phương pháp trộn dưới sâu Đề tài nghiên cứu do Okumura Terashi chủ trì :

 Nghiên cứu phản ứng xảy ra giữa vôi và đất biển

 Nghiên cứu việc chế tạo các thiết bị trộn phù hợp Những thiết bị trộn được trộn sử dụng đầu tiên để thử nghiệm gần sân bay Hameda

v Cũng vào năm 1967, Kjeld Paus, Linden Alimak AB và Byggproduktion AB tiến hành nghiện cứu trong phòng thí nghiệm và ngoài thực địa cho phương pháp cột vôi Thụy Điển để xử lý đất sét yếu dưới nền đường

v Năm 1973, Abelev đã mô tả phương pháp xử lí nền đất áp dụng ở Barnul ở Buston.Ơû Buston, người ta xử lí lớp bùn sét dày 30m (γ =15−16KN/m3,W =23−26%) bằng cột vôi sống có đường kính 0,5m, dài 7 m các tim cột cách nhau 2m Hàm lượng nước của đất sét giảm trung bình 5%, các thông số của cường độ kháng cắt C’=12-21KPa và φ’=13-140 đến C’=30-37KPa

và φ’=17-200 và modul biến dạng của đất giữa các cột tăng từ 1000-1600KPalên 2900-3800KPa Ơû Buston, người ta tiến hành thí nghệm chất tải trước và sau khi xử lí nền đất sét (γ =17−18KN/m3,W =25−28%) với cột vôi đường kính 0,265m dài 5m Kết quả thí nghiệm bàn nén hiện trường thực hiện 36 ngày sau khi xử lí đã cho thấy rõ hiệu quả của phương pháp

v Năm 1974, Viện Nghiện Cứu Hải Cảng và Bến Tàu (PHRI – Port and Habour Reseach Insititute)

v Cũng vào năm 1974, người ta tiến hành thí nghiệm với cọc vôi tại sân bay Ska Edeby, Thuỵ Điển với cọc dài 15m, đường kính 0,5m

v Năm 1975, PHRI đã nghiên cứu phát triển phương pháp trộn ximăng dưới sâu (CDM – Cement Deep Mix) bằng việc xử dụbg vữa ximăng lỏng và áp dụng xử

lí nền sét yếu bờ biển

v Năm 1976, Viện Nghiên Cứu Công Trình Công Cộng (PWRI – Public Works Reseach Insititute) thuộc Bộ xây dựng Nhật Bản hợp tác với Viện Nghiên Cứu Máy Xây Dựng Nhật Bản bắt đầu nghiên cứu phương pháp DJM – Deep Jet Mix Trộn phun khô sử dụng bột ximăng khô hoặc đôi khi vôi sống Giai đoạn đấu tiên thử nghiệm thành công vào năm 1980

v Cũng vào năm 1976, ở Ấn Độ,Hunad S.M Etel thuộc Viện Kỹ Thuật và Công Nghệ Shri và tiếp sau đó là Swarajyamal Hunad đã nghiên cứu và đề xuất sử dụng côt vôi để xử lí nền đất yếu trương nở là loại đất phổ biến khap miền Trung Ấn Độ

v Năm 1977, ở Thụy Điển Viện Địa Kỹ Thuật Thụy Điển SGI (Swedish Geotechnical Insititute) đã xuất bản lần đấu tiên cuốn sách hướng dẫn thiết kế cọc vôi Kỹ thuật này bao gồm việc trộn tại chỗ với tỉ lệ 6% vôi sống với đất sét mềm bằng máy khoan Kết qảu ghi nhận được là sau một năm cường độ đạt được gấp 50 lần cường độ đất chưa xử lí Các cọc vôi cũng trở nên thấm nước hơn đất chưa xử lí và chúng làm việc như 1 giếng cát

v Năm 1980, phương pháp DJM được áp dụng thực tế cho các công trình ở Nhật Bản

v Năm 1983, tại Helsink Phần Lan, Eggstad xuất bản báo cáo State of the art về hiệu quả gia cố của cọc vôi

v Năm 1985, Viện Địa Kỹ Thuật Thụy Điển SGI xuất bản tuyển tập quá trình 10 năm phát triển của phương pháp trộn sâu

v Năm 1986, Miura đã kết luận là việc cải tạo nền đất sét yếu Ariake ở Nhật Bản bằng cách trộn vôi sống có hiệu quả với đất sét ven bờ hơn là đất sét ở trên bờ

v Năm 1987, từ kết quả nghiên cứu của Cục Đường Bộ Và Đường Sắt Quốc Gia Pháp tài trợ công ty Bachy (Pháp) ứng dụng và phát triển qui trình Colmix trong đó việc thi công trộn và đầm chặt đất – ximăng được thực hiện bằng cách đảo ngược chiều xoay của máy khoan trong khi rút lên trên

v Năm 1989, các công ty Trevi tại Ý phát triển DMM theo kỹ thuật riêng Trevimix Method ; trước hết bằng phương pháp phun trộn khô và tiếp theo là phương pháp trộn ứơt

v Năm 1989, tại Thụy Điển việc sử dụng cọc hỗn hợp vôi + ximăng (LCC – Lime Cement Column) phát triển

v Năm 1990, tại Phần Lan người ta sử dụng thiết bị trộn mới sử ximăng và vôi

v Năm 1990, giáo sư Tersashi ngừơi đã có quá trình nghiên cứu DLM (Deep Lime Mixing), CDM (Cement Deep Mixing) và DJM (Dry Jet Mixing) từ năm 1970 với Viện Nghiên Cứu Hải Cảng và Bến Tàu PHRI Nhật Bản tổ chức các buổi hội thảo tại Phần Lan ; trong đó, giới thiệu hơn 30 loại chất kết dính (Binder) bao gồn thành phầnh xỉ, thạch cao, hoặc cement đang được sử dụng thực tế tại Nhật Bản

v Năm 1991, Viện Khoa Học Bungari công bố các kết quỉa nghiên cứu tại Bungari về gia cố bằng cọc đất – ximăng

v Trong thập niên 1990, việc sử dụng phương pháp gia cố sâu cho nền đất bằng cọc vôi – cement đã gia tăng ở Nauy

v Năm 1993, hiệp hội Deep Jet Mixing – DJM Nhật Bản phát hành tài liệu hướng dẫn thiết kế và xây dựng theo phương pháp DJM

v Năm 1994, hiệp hội Deep Jet Mixing – DJM Nhật Bản tổng kết được 1820 dự án được hoàn thành sử dụng DJM

v Năm 1995, các nhà nghiên cứu Kukko và Ruohomaki báo cáo chương trình nghiên cứu qui mô lớn trong phòng thí nghiệm để phân tích các nhân tố ảnh

hưởng phản ứng hoá cứng trong đất sét gia cố sử dụng các chất trộn mới như xỉ, tro bay núi lửa (fly ash)…

v Năm 1995, Chính phủ Thụy Điển thành lập Trung Tâm Nghiên Cứu Gia Cố Sâu Nền Đất Thụy Điển SD - Svensk Djupstablili sering tại Viện Nghiên Cứu Địa Kỹ Thuật Thụy điển SGI Trung tâm này có nhiệm vụ chủ trì nghiên cứu lập kế hoạch tạo cơ sở dữ liệu về các đặc tính kỹ thuật của đất gia cố, mô hình cấu trúc của đất gia cố, qui trình đảm bảo chất lượn , phương pháp thi công

v Năm 1995, tại Thụy điển có 1 công trính tiêu biểu đó là từ tháng 1 đến tháng 11 công ty Hercules thi công hệ thống cột vôi – ximăng cho nhà thầu NCC – AB, chủ đầu tư là Cục Đường Sắt Quốc Gia Thụy Điển (The Swedish National Railway Administration) trong dự án mở rộng đường sắt West Coast nối liền Satinge và Lekarekulle :

 Số lượng cột vôi – ximăng : 12.000 cặp

 Khối lượng cột vôi – ximăng : 170.000 m

 Chiều dài trung bình của cột vôi – ximăng : 14,6m

 Chiều cao lớn nhất của nền đất đắp : 1,5m

 Kích thước cọc : φ 600mm

 Hàm lượng pha trộn chất pha trộn : 30Kg/m vôi - ximăng

 Tỉ lệ pha trộn vôi – ximăng : 50/50

Công tác gia cố trên đây được tiến hành trong điều kiện chất nền có lớp đất sét dày Các cột đất gia cố là các cột lơ lửng ở độ sâu từ 8-20m

v Từ 1975 đến 1996, đã có hơn 5.000.000 m cọc đất – vôi và đất –xiăng đã được thi công tại Thụy Điển

v Năm 1996, hội nghị về DMM (Deep Mixing Method) được tổ chức tại Nhật Bản

v Năm 1996, lần đầu tiên tại Mỹ công ty Stabilator – USA Inc, New York đã sử dụng cọc đất – vôi –cement trong thực tiễn

v Năm 1997, trong dự án xây dựng mới hệ thống đường bộ E18/E20 Arboga – Orebro – Thụy Điển, công ty Hercules đã thi công đến 800.000m cột vôi – ximăng Công việc gia cố cọc đất – vôi – cement hoàn thành vào năm 1999,

tòan bộ dự án hoàn thành vào năm 2000 Chủ đầu tư của công trình là NCC Anylaggning

v Từ tháng 10/1997 đến 12/1998 công ty Hercules đã thi công cột vôi – ximăng cho dự án đường bộ giữa Slyte và Grasnas :

 Chủ đầu tư : The Swedish National Roads Adminitration

 Nhà thầu : NCC – AB

 Số lượng cột vôi – ximăng : 140.000 cặp

 Khối lượng : 730.000m

 Chiều dài trung bình của cõt : 5,2m

 Chiều cao lớn nhất của nền đất đắp : 4m

 Kích thước cột : φ 600mm

 Hàm lượng chất pha trộn : 23Kg/m vôi/ximăng

 Tỉ lệ pha trộn vôi/ximăng : 50/50

v Năm 1998, Ratio Inc lập văn phòng đại diện tại California, Mỹ nhằm ứng dụng kỹ thuật DMM của Nhật Bản và trúng thầu dự án đầu tiên tại California vào năm 1999

v Năm 1999, hội nghị quốc tế về DMM (Dry Mix Method International Conference for Deep Soil Stabilization) được tổ chức tại Stockholm, Thụy Điển từ 13/10 đến 15/10 do Trung Tâm Gia Cố Sâu Nền Đất Thụy Điển SD (Swedish Deep Stabilization Center) SD tiến hành chương trình nghiên cứuvề gia cố sâu nền đất dưới sự tài trợ của chính phủ, các nhà thầu, các nhà tư vấn, nhà sản xuất và các tổ chức nghiên cứu khác ; đối tượng nghiên cứu bao gồm tất cả các hạot động liên quan đến sự phát triển của lĩnh vực gia cố sâu nền đất đặc biệt là cột vôi – ximăng Chương trình SD kéo dài đến hết năm 2001 Mục tiêu chính của hội nghị là nhằm phổ biến các thông tin liên quan đến lí thuyết và thực tiễn của việc sử dụng phương pháp gia cố DMM trong gia cố nền đất Hội nghị đã tổng kết như sau :

 Trong hơn 20 năm qua DMM đã được xem là phương pháp rất có hiệu quả ở vùng Scendinavia Hầu hết việc sử dụng DMM là cho công trình đường giao thông, gia cố nền đất cho hệ thống đường sắt

 Đến nay đã có hơn 30 triệu m cột gia cốđược sử dụng ở các quốc gia Bắc Aâu

 Phương pháp phát triển DMM sẽ dẫn đến một phương pháp hiệu quả và kinh tế hơn và sẽ được áp dụng rộng rãi ngoài bán đảo Scendinavia

 Phương pháp gia cố sâu là phương pháp có lợi thế hơn những kỹ thuật khác cả về yếu tố môi trường, thời gian thi công và giá thành thi công

 Trong suốt thời gian 3 ngày của hội nghị Stockholm nhiều đề tài quan trọng liên quan đến DMM gia cố sâu nến đất đã được trình và thảo luận bao gồm các lĩnh vực ứng dụng : cho nền đất gia cố thi công, thiết kế, thông số địa kỹ thuật

 Hội nghị được tài trợ bởi Uỹ Ban Kỹ Thuật Gia Cố Nền Đất Technical Committee TC – 17 Ground Improvement, Hiệp hội quốcá tế về Cơ học đất và Địa kỹ thuật ISSMRE (International Society of Soil Mechanic and Geotechnical Engineering)

1.3 MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÍ NỀN BẰNG CỘT ĐẤT- VÔI, ĐẤT - VÔI/XIMĂNGTRÊN THẾ GIỚI :

1.3.1 Các kết quả nghiên cứu trên thế giới :

Theo báo cáo của các nhà khoa học trên thế giới, việc xử lí nền đất bằng cột đất – vôi, đất - vôi/ximăng cho nền đất yếu đạt được những kết quả như sau :

 Trong lượng đơn vị của đất hữu cơ, đất sét nhạy (độ nhạy >15), và than bùn thông thường được tăng lên với hàm lượng vôi và ximăng khi đất có độ ẩm ban đầu cao

 Với hàm lượng vôi khỏang 2% có tác động đáng kể đến giới hạn dẻo và chỉ số dẻo của đất (Bell và Tyrer 1989) Theo Sherwood (1967) giới hạn dẻo của đất sét London tăng từ 24% đến 42% với 4% hàm lượng vôi

 Độ ẩm tự nhiên của mẫu sẽ giảm nhanh trong quá trình vôi tôi Theo Assarson, 1972, độ ẩm có thể giảm từ 20%-30%

 Cột vôi và vôi/ximăng sẽ trtương nở trong suốt quá trình vôi tôi Chính vì vậy, áp lực đất xung quanh các cột lớn Chính áp lực này sẽ làm cố kết đất sét yếu không gia cố giữa các cột

 Độ bền chống cắt không thóat nước lớn nhất có thể đạt được với vôi sống thường từ 200 – 300 KPa trong khi với từ 10% đến 20% vôi/ximăng có thể đạt tới 500 KPa

 Độ bền chống cắt gia tăng nhanh chóng khi gia cố đất với vôi, vôi/ximăng, ximăng Độ bền chống cắt của hỗn hợp đất với vôi, vôi/ximăng, ximăng gia tăng nhanh trong khỏang thời gian 1 tháng sau đó tăng chậm dần Độ bền chống cắt khi gia cố ban đầu với 10% vôi sẽ thấp hơn 10% vôi/ximăng và 10% ximăng

 Khi trị số độ bền chống cắt thấp (<100KPa) thì thí nghệm trong phòng thường cho kết quả thấp hơn so với ngòai hiện trường (theo Ahnberg, 1994)

 Theo Ekstưrm modul nén nở hông của đất gia cố bằng vôi/ximăng bằng 50 – 150 lần độ bền chống cắt không thóat nước vào khỏang 100 –400 KPa, bằng

100 – đến 200 lần độ bền chống cắt không thóat nước vào khỏang 100 –400 KPa với đất gia cố bằng vôi/ximăng, bằng 150-250 lần độ bền chống cắt không thóat nước vào khỏang 200 –400 KPa với đất gia cố bằng ximăng

Hình 1.1 Quan hệ giữa ứng suất cắt với thời gian

1.3.2 Các nghiên cứu ứng dụng trên thế giới

1.3.2.1 Aùp dụng làm cọc móng cho

công trình nhà dân dụng – dự án tung

tâm thương mại ở Nordby Thụy Điển :

Là nhà thầu phụ của nhà thầu NCC, vào đầu

năm 1999 cộn ty Hercules đã thi công cột vôi

– ximăng cho dự án trung tâm thương mại ở

Nordby Công trình bao gồm một tầng với kết

cấu móng chỉ đơn thuần là cột vôi – ximăng

được chia làm 7 khu vực với khỏang cách cột

khác nhau tùy thuộc vào độ sâu tính tới tầng

đá bên dưới Tại chân mỗi cột nhà có bố trí từ

8 đến 12 cột ximăng Dưới vị trí nhà các cột

được bố trí dày hơn Một số dữ liệu khác của

công trình :

 Chủ đầu tư : HOTAB 28 BA

 Số lượng cột vôi – ximăng : 1600

 Tỉ lệ pha trộn vôi/ximăng : 50/50

1.3.2.2 Aùp dụng xử lí nền đường giao

thông :

Điển :

Từ tháng 1 đến tháng 11 năm 1995, công ty

Hercules thi công hệ thống cột đất – vôi –

ximăng cho dự án mở rộng tuyến đường sắt

West Coast hai chiều giữa Stinge và

Hình1.2 Thi công cột vôi/ximăng dưới toà nhà Nordnby

Hình1.3 Thi công cột vôi/ximăng dưới tuyến đường sắt

Kekarekulle Việc xử lí nền đất được tiến hành trên lớp đất sét rất dày Cọc vôi – ximăng được bố trí thành cọc treo (ma sát) chiều dài từ 8 đến 20m :

 Chủ đầu tư : Cục Đường Sắt Quốc Gia Thụy Điển

 Số lượng cột vôi – xmăng : 12.000

 Khối lượng : 170.000m

 Chiều dài trung bình : 14,6m

 Kích thước : φ 600mm

 Hàm luợng chất kết dính : 30kg/m vôi/ximăng

 Tỉ lệ pha trộn vôi/ximăng : 50/50

Điển :

Công tác thi công nền được thực hiện hòan

chỉnh trong năm 2000 Công tác này chia làm

hai giai đọan :

 Hạng mục đầu tiên bao gồm việc đóng

70.000 cột bê tông cốt thép và 1.000m2 cột

ván

 Hạng mục thứ hai bao gồm việc thi

công 800.000m cột vôi – ximăng

 Chủ đầu tư : NCC Anlaggning

 Dự án : New Motorway, E18/E20

Arboga và Urebro

 Vốn đầu tư : 60 triệu SEK

Hình 1.4 Thi công cột vôi/ximăng

v Bãi đậu xe ngầm dưới mặt đất ,

Stockholm

Công trình được thi công bỡi công ty

Hercules Công trình này được sử dụng

170m tường cột để đỡ vách hố đào sâu

8m Móng của bãi đậu xe đã sử dụng

khoảng 4300m cọc có lõi thép Bãi đậu

xe này sẽ được đưa vào sử dụng trước

tháng 5 năm 2004

Chủ đầu tư của công trình là NCC

Tổng số tiền đầu tư cho công trình

khoảng 15,5 tỉ SEK

Sweden

Công trình này cũng do công ty Hercules thi

công làm một đoạn đường mới khoảng 2km

Trong vòng 75 ngày khoảng 75,000m cột

vôi – ximăng (với tỉ lệ trộn giữa vôi và

ximăng là 50/50) , đường kính là 600mm đã

được thi công

Các cột vôi – ximăng này được thi công khít

với đường E6 cũ vẫn còn sử dụng

Chủ đầu tư của công trình là NCC

Tổng số vốn đầu tư cho công trình khoảng

1.3.2.3 Gia cố nền dưới đê dài khỏang 500m

giữa Sodertalje và Nynashamn

Địa chất khu vực có lớp đất hữu cơ dày khỏang

0.5-3m, từ độ sâu 3m đến 15m là lớp bùn sét mềm yếu

Nhà thiết kế chọn gia cố khối bằng cột vôi/ximăng

với hàm lượng chất kết dính là 80 kg/m3 vôi+ximăng

1.4 MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG

DỤNG TRONG NƯỚC CỦA GIẢI PHÁP CỘT

ĐẤT VÔI/XIMĂNG:

1.4.1 Các kết quả nghiên cứu trong nước :

Năm 1961-1962, cơ quan tiến hành những nghiện cứu sớm nhất ở Việt Nam về đất gia cố vôi dùng tong xây dựng mặt đường là bộ môn Đường trường Đại Học Bách Khoa (nay là bộ môn Đường ô tô và Đường Thành Phố trường đại học xây dựng Hà Nội) Tiếp đó nhiều cơ quan nghên cứu khác như viện Kỹ thuật Giao Thông (nay là Viện Khoa Học Công Nghệ Giao Thông Vận Tải), viện thiết kế bộ giao thông , đã thực hiện đề tài này trong phòng thí nghiệm và trên các đọan đường thử nghiệm : Trần Hưng Đạo, Đại Cồ Việt – Hà Nội Ngoài ra, trước năm 1975, giải pháp xử lí nền đường gia cố vôi cũng được áp dụng cho tuyến đường QL4 (nay là QL1A) từ thành phố Hồ Chí Minh đi Cần Giờ

Khỏang giữa thập niên 70, trong hiệp hợp tác song phương công ty Linden – Alimark (Thụy Điển) đã xuất khẩu sang Việt Nam một giàn khoan thi công cột vôi LPS4 trong số 6 dàn sản xuất đợt đầu ở Thụy Điển Dàn thi công cột vôi này có thể thi công đạt độ sâu tới 8m Vôi sống được chứa trong container với sức chứa 2 tấn kéo bỡi dàn khoan thi công cột và được đưa đến vị trí thi công cột bằng ống dẫn khí nén Aùp suất tong bồn khí nén Khoảng 0,2MPa Công suất thi công cột khoảng 300

m cột/cây

Cũng chính từ các kinh nghiệm qua sử dụng dàn khoan thi công cột vôi Linden – Alimak LPS4 trên đây ở Việt Nam, các chuyên gia Thụy Điển nhận ra rằng việc trộn vôi với ximăng sẽ nâng cao hiệu quả hơn

Trong một vài năm gần đây, một vài công ty xây dựng ở Việt Nam có sử dụng thiết

bị mua từ hãng Hercules AB Thụy Điễn để thi công cột ximăng theo phương pháp DJM xử lý nền móng cho các bồn chứa dầu ờ đồng bằng sông Cửu Long (chẳng

Hình 1.7 Gia cố khối

hạng ở Khu Công Nghiệp Trà Nóc) Phương pháp dùng cột ximăng cho trường hợp vừa nêu với chiều dày lớp đất yếu trên 30m tỏ ra hiệu quả hơn về thời gian và giá thành so với các giải pháp khác như cột bê tông cốt thép, đệm cát trên nền cừ tràm Năm 2000 – 2001 ở Đại Học Bách Khoa Tp HCM có tác giả đã tiến hành các thí nghiệm trong phòng với đất bùn sét lấy tại An Thới Đông, huyện Cần Giờ như sau:

v Thí nghiệm nén một trục nở hông xác định ảnh hưởng của hàm lượng chất kết dính (vôi, ximăng) đến bộ nền nở hông của đất gia cố

v Thí nghiệm xác định ảnh cùa đo pH đến độ bền của đất gia cố: thí nghiệm nén nở hông với mẫu đất chế bị có độ pH khác nhau cho hỗn hợp đất với 6% vôi + 6% ximăng

v Thí nghiệm xác định ảnh hưởng tro trấu đến độ bền nở hông : nén nở hông cho mẫu đất chế bị có hàm lượng tro trấu từ 0% đến 7,5% so với trọng lượng đất ẩm với mẫu đất có 6% vôi + 6% ximăng

Một số đánh giá bước đầu đã được rút ra như sau :

v Cường độ chịu nén nở hông của các mẫu từ 86 KPa – 186 KPa đạt giá trị lớn nhất 184 KPa khi hàm lượng chất kết dính là 4,5% vôi + 4,5% ximăng

v So với đất tự nhiên ban đầu có Qu = 10 KPa thì cường độ nén nở hông với 4,5% vôi + 4,5% ximăng (so với trọng lượng ẩm của đất) tăng lên 18 lần

v Trị số modul nén của các mẫu đất gia cố có giá trị trong khỏang 6 MPa đến 10 MPa Modul lớn nhất thu được khi hàm lượng chất kết dính là 4,5% vôi + 4,5% ximăng (so với trọng lượng ẩm của đất)

v Độ bền nén nở hông của hỗn hợp đất chế bị (W=80%) + 6% vôi sống + 6% ximăng, giảm đi khi độ pH giảm, giảm từ 326,4 KPa (pH=6,18) xuống 201,2 KPa (pH=4,29) giảm khỏang 1,6 lần

v Với các hỗn hợp có pH ban đầu từ 5,5 – 6 thì ảnh hưởng của độ pH đến độ bền nén nở hông không đáng kể

v Cũng giống như độ bền nén nở hông, modul nén của hỗn hợp giảm khi độ pH giảm : giảm từ 19,03 MPa (pH=16,8) đến 8,82 MPa (pH=4,29) giảm khỏang 2,1 lần

v Tro trấu có ảnh hưởng đáng kể đến độ bền đất gia cố

1.4.2 Các kết quả ứng dụng trong nước

Trụ sở công an Hà Nội là tòa nhà 7 tầng, khung bê tông cốt thép, móng bè bê tông cốt thép Khu đất thi công rộng 1600m2 nằm sát đường Hàng Bài và đường Trần Hưng Đạo, xung quanh có nhiều công trình

v Phương án xử lí : Viện khoa học kỹ thuật xây dựng đã chọn phương án cột ximăng đất để xử lí nền cột thiết kế sâu 9,1m và phân bố trên tòan diện công trình Cột dùng ximăng P200 với hàm lượng 26kg/m cột Sai số vị trí cho phép của cột là nếu khoan đến lớp đất cứng sâu hơn bình thường, máy làm việc nặng hơn khả năng thì cho phép dừng lại và tiến hành phụt vật liệu Nếu gặp 2 cọc nhỏ hơn 6m thì đóng chèn thêm 1 cọc nữa bên cọc Tổng số cọc : 393 cọc, tương ứng 3600m Sau khi gia cố nền có khả năng chịu tải lớn hơn 1,6KG/cm2

v Thi công cọc : dùng máy chuyên dùng ALIMAKLPS-4 thi công Việc thi công tương đối thuận lợi và đạt yêu cầu thiết kế đặt ra

Lớp đất Độ sâu (m) Cột địa tầng Mô tả

6.5 7.4 9.00 12.5

- Đất san lấp, dẻo mềm đến dẻo chảy

- Bùn xám đen gốc pha lẫn hữu cơ

- Sét pha cát,nâu xám, dẻo chảy

- Sét xám xanh

- Hữu cơ,xám đen ,xốp

- Sét pha cát,xám vàng, dẻo mềm

- Sét loang lỗ, xám xanh, nâu vàng, dẻo cứng

Hìh 1.8 Mặt cắt địa chất trụ sở công an Hà Nội

v Đã tiến hành kiểm tra chất lượng của cọc bằng kết quả nén tĩnh cọc 3 điểm, cho thấy sức chịu tải của cọc lớn hơn 10 tấn, cường độ nền lớn hơn 1,6KG/cm2

v Hiện nay công trình đã được đưa vào sử dụng và đạt yêu cầu về mặt chất lượng Việc áp dụng giải pháp gia cố sâu DSM (Deep Stabilization Method) ở Việt Nam hiện nay mới chỉ dừng lại ở việc sử dụng cột ximăng và chỉ để xử lí nền cho bồn chứa mà thôi Giải pháp cột vôi, cột vôi – ximăng ứng dụng vào việc xử lí nền đất yếu cho đường, đê, mái dốc, nhà thấp tầng vẫn chưa được nghiên cứu và áp dụng nhiều Chính vì vậy trong đề tài này, tác giả nghiên cứu việc áp dụng cột đất vôi/ximăng để xử lí nền cho công trình nhà, cụ thể là nhà từ 3 đến 6 tầng ở quận 2 thành phố Hồ Chí Minh

1.5 MỘT SỐ SỰ CỐ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI :

1.5.1 Nền sân nhà bị nứt do lún nền đất :

Hình 1.9 Nền nhà bị hư hại do nền đất yếu bên dưới

Nền nhà sau thời gian sử dụng đã bị biến dạng Nguyên nhân do nền đất yếu phía dưới cố kết đã gây hiện tượng trên cho đa số các công trình xây dựng trên nền đất yếu với móng cọc bê tông cốt thép Với giải pháp móng cọc bê tông cốt thép chỉ giải quyết vấn đề truyền tải trọng của công trình bên trên còn nền đất yếu ngay dưới nền sân nhà, tầng trệt vẫn chưa xử lí triệt để

Tương tự với các đọan tường rào, nền sân của công trình nhà gần bờ sông trên các hình 1.10, hình 1.11 bị hư hại do quá trình cố kết của nền đất yếu chưa xử lí

Nền sân bị vồng lên

Nền sân bị nứt, võng xuống

Hình 1.11 Sự cố gây nứt nền sân nha ven sông

1.6 MỘT SỐ KHÓ KHĂN TRONG VIỆC XỬ LÍ NỀN ĐẤT YẾU HIỆN NAY

 Giải pháp móng cọc : gây ra hiện tượng nền nhà sau thời gian sử dụng sẽ bị vồng lên hay lõm xuống do sự cố kết của nền đất yếu ngay bên dưới nền nhà chưa được xử lí (như các hình 1.9,1.10, 1.11)

 Giải pháp giếng cát, bấc thấm : hạn chế về mặt thời gian thi công do quá trình chất tải để cố kết nền đất yếu Hơn nữa trong thi công bấc thấm rất dễ gây gãy bấc thấm Từ đó không làm thóat nước cho nền đất yếu cần xử lí

 Giải pháp bơm hút chân không dễ gây ra hiện tượng nền đất yếu gần mặt đất bị nứt nẻ

1.7 ĐỀ XUẤT HƯỚNG NGHIÊN CỨU CHO ĐỀ TÀI :

Tường rào nứt tách khỏi tường nhà

Hình 1.10 Tường rào nứt ra tách

Nền sân bị gãy nứt

1 Theo Broms (1984) đề nghị ở Đông Nam Aù, ximăng dùng sẽ thích hợp hơn vôi vì các nguyên nhân sau : giá thành ximăng thấp hơn vôi, khó lưu giữ vôi sống ở điều kiện khí hậu nóng và ẩm, độ bền cực hạn của vôi bị hạn chế Tuy nhiên, việc trộn vôi sẽ góp phần làm giảm đáng kể lượng nước trong đất yếu thông qua phản ứng giữa vôi sống với nước

3 Trên thế giới, đặc biệt Thụy Điển, các nhà thiết kết sử dụng giải pháp cột vôi, vôi/ximăng, ximăng để xử lí nền đất yếu Tại Việt Nam, giải pháp này còn khá mới mẻ, đặc biệt trong việc ứng dụng xử lí nền đất yếu cho công trình nhà Vì vậy, trong luận văn này học viên nghiên cứu ứng dụng phương pháp cột vôi/ximăng để xử lí nền đất yếu cho công trình nhà từ 3 đến 6 tầng trên đất yếu ở Quận 2, thành phố Hồ Chí Minh

CHƯƠNG 2 : NGHIÊN CỨU VỀ ĐẤT YẾU Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG, THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH VÀ QUẬN 2

2.1 NGUỒN GỐC VỀ ĐỊA CHẤT :

Đất mềm yếu là những đất có khả năng chịu tải nhỏ khoảng 0.5 kg/cm2 đến 1 kg/cm2 ,có tính nén lún lớn, hầu như bão hoà nước, có hệ số rỗng lớn (e>1) modul biến dạng thấp ( thường Eo < 50 kg/cm2 ) , lực chống cắt nhỏ… nếu không có biện pháp xử lí đúng đắn thì việc xây dựng công trình trên nền đất yếu này sẽ rất khó khăn hoặc không thể thực hiện được

Xét theo nguồn gốc thì đất yếu có thể được tạo thành trong điều kiện lục địa, vùng vịnh hoặc vùng biển Nguồn gốc lục địa có thể là tàn tích , sườn tích , bồi tích do gió, tam giác châu hoặc vùng biển Đất yếu nguồn gốc biển được tạo thành ở khu vực nước nông khu vực thềm lục địa hoặc khu vực biển sâu

Tùy theo thành phần vật chất phương pháp và điều kiện hình thành, vị trí trong hkông gian, điều kiện địa lí và khí hậu… mà tồn tại các loại đất yếu khác nhau như đất sét mềm, cát hạt mịn, than bùn, các trầm tích bị mùn hoá, than mùn hóa…

Trong thực tế xây dựng thường gặp nhất là đất sét yếu bão hoà nước

2.2 KHÁI QUÁT VỀ ĐỊA CHẤT KHU VỰC ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG :

2.2.1 Mặt địa tầng :

Vùng đồng bằng sông Cửu Long tương đối bằng phẳng, cao độ mặt đất tự nhiên thay đổi từ +1m đến + 5m so với mực nước biển, được tạo bởi những trầm tích cổ và trẻ Chỉ có một số nơi gợn lên những sóng đất của sông Tiền và sông Hậu và những cồn ở ven biển

Theo kết quả nghiên cứu cột địa tầng khu vực đồng bằng sông Cửu Long như sau :

A Tầng bồi tích trẻ hay còn gọi là trầm tích Haloxen được chia thành 3 bậc:

v Bậc Holoxen dưới QIV-1 : gồm cát màu vàng và xám tro, chứa sỏi nhỏ cùng kết vón sắt , phủ lên tầng đất sét loang lỗ Pleixtocen, chiều dày đạt tới 12m

v Bậc Holoxen giữa QIV-2 : gồm bùn sét màu vàng, sét xám xanh và xám vàng chiều dày từ 10m đến 70m

v Bậc Holocen trên QIV-3 : gồm tầng trầm tích khác nhau về điều kiện tạo thành, thành phần vật chất tuổi và diện phân bố :

- Tầng trầm tích biển, sông biển hỗn hợp và sinh vật mQIV-3 , mabQIV-3 gồm hạt cát mịn, bùn sét hữu cơ…

- Tầng trầm tích sinh vật biển – đầm lầy ven biển bamQIV-3 gồm bùn sét hữu

cơ , than bùn

- Tầng trầm tích sông hồ hỗn hợp và sinh vật bamQIV-3 gồm bùn sét hữu cơ

- Tầng bồi tích aQIV-3 gồm sét, á sét chảy, bùn á sét hoặc bùn hữu cơ

Chiều dày của thành tạo trầm tích Holoxen biến đổi từ 9m đến 20m, trung bình 15m toàn bộ chiều dày trầm tích Holoxen đạt tới 100m

B Tầng bồi tích cổ hay trầm tích Pleixtocen

Đồng bằng sông Cửu Long gồm 3 – 5 tập hạt mịn xen kẹp với 3 – 5 tập hạt thô, mỗi tập hợp tương ứng với Pleistocen trên, giữa, dưới

2.2.2 Sự phân bố đất yếu ở vùng đồng bằng sông Cửu Long:

Toàn bộ vùng đồng bằng sông cửu long có thể chia thành 5 khu có các dạng đất yếu sau

Khu vực I : vùng đất sét có màu xám vàng và xám nâu:

v bmQIV : đất á sét màu xám nâu có chỗ đất mềm yếu gối lên trên lớp trầm tích nén chặt QI-II chiều dày không quá 5m

v Đồng bằng tích tụ có chỗ lồi lõm khác nhau cao độ từ 1m – 3m

v nước dưới đất gặp ở độ sâu 1m – 1,5m có tính ăn mòn

v Sức chịu tải của nền đường tương đối tốt, những công trình loại nhỏ có thể đặt trực tiếp trên nền thiên nhiên , một vài chỗ trong khu vực đất yếu cần gia cố

Khu vực II : vùng đất bùn sét , bùn sét pha cát , bùn cát pha sét , xen kẹp các lớp đất cát pha sét

Phân khu IIa :

v amQIV : bùn sét, bùn sét pha cát phân bố không đều hoặc xen kẹp gối trên nền sét chặt QI-III chiều dày không quá 20m

v Đồng bằng thấp tích tụ với cao độ từ 1m – 1,5m đến 3 – 4m

v mực nước ngầm cách mặt đất 0,5m – 1m có tính ăn mòn

v Cát chảy, xói ngầm, xói lở bờ, đào lòng sông, lún ướt công trình

v Sức chịu tải của nền đất yếu khoảng 0.5kg/cm2

Phân khu IIb :

v a,amQIV : bùn sét, bùn sét pha cát phân bố không đều hoặc xen kẹp có chiều dày khoảng 80m

v Các đặc trưng khác giống tiểu khu IIa

Phân khu IIc :

v Tính chất đất bùn giống như tiểu khu IIa và IIb nhưng có chiều dày không quá 25m

Phân khu IId :

v Tính chất đất bùn giống như tiểu khu IIa và IIb nhưng có chiều dày không quá 30m

Khu III : cát hạt mịn, cát pha sét xen kẹp ít bùn cát pha sét gồm các tiểu khu

Phân khu IIIa :

v a,am,abmQIV : cát pha sét, cát bụi xen kẹp ít bùn sét, bùn sét pha cát, bùn cát pha sét, Haloxen gối trên nền trầm tích nén chặt QI-II chiều dày không quá 60m gối lên nền sét cứng QI-II

v Mực nước ngầm cách mặt đất 0,5m – 2m có tính ăn mòn

v Có hiện tượng cát chảy, xói ngầm

v Sức chịu tải của nền đất khoảng 1kg/cm2

Phân khu IIIb :

v Các đặc trưng khác giống tiểu khu IIIa, nhưng chiều dày tầng Haloxen không quá 100m

Phân khu IIIc :

v tính chất đất bùn giống như tiểu khu IIIa nhưng có chiều dày không quá 25m

Khu IV: đất than bùn, xen kẹp bùn sét, bùn á sét, á cát và cát bụi :

Phân khu IVa :

v bmQIV : đất than bùn sét, bùn ásét, bùn sét pha cát thuộc tầng đất yếu Haloxen gối trên đất nền chặt QI-II có chiều dày không quá 25m

v Mực nước ngầm ngay tại mặt đất

v Lầy quá đến chảy gây lún ướt công trình

v Sức chịu tải của nền đất yếu khoảng 0.5kg/cm2

Phân khu IVb :

v bmQIV :đất yếu gồm than bùn, bùn sét, bùn sét pha cát thuộc tầng haloxen chiều dày không quá 50m gối lên đất nền chặt QI-II

v Mực nước ngầm ngay tại mặt đất, có tính ăn mòn

v Xâm thực bờ và đáy sông, lầy hóa

v Sức chịu tải khoảng 0.5kg/cm2

Khu V : khu bùn sét pha cát và bùn cát pha sét ngập nước

v Đất yếu gồm bùn, than bùn haloxen dày từ 5 – 10 m đến 40 – 50 m, gối lên nền đất chặt QI-III

v Mực nước ngầm ngay tại mặt đất, chịu ảnh hưởng của thủy triều, có tính ăn mòn

v Xâm thực bờ và đáy sông, lầy hóa

v Đồng bằng tích tụ trũng lầy dạng vịnh của sông

v Sức chịu tải khoảng 0.5kg/cm2

Tóm lại, địa chất chủ yếu của đồng bằng sông Cửu Long thường gặp dạng đất bùn sét Địa chất vùng này thuôïc trầm tích trẻ Holoxen Theo như kết quả khảo sát cho thấy trầm tích trẻ haloxen chứa chủ yếu các dạng đất yếu sau đây : đất sét dẻo, đất sét dẻo chảy, đất bùn sét hữu cơ, đất bùn á sét, đất bùn á cát và đất than bùn

Hình 2.1 Bản dồ đất đồng bằng sông Cửu Long

Hình 2.2 Phân vùng đất yếu ở đồng bằng sông Cửu Long

2.2.3 Đặc trưng cơ lí của đất sét yếu bão hoà nước ở đồng bằng sông Cửu Long :

Dựa theo các hình trụ hố khoan trong phạm vi độ sâu khoảng 30m trở lại của những công trình thủy lợi Long An, Tiền Giang, Cà Mau, Bạc Liêu, thành phố Hồ Chí Minh có thể phân chia các lớp đất nền như sau :