Nội dung bài viết trình bày công nghệ có những ưu điểm: vừa gia cố vừa hút nước, phương pháp thi công đơn giản, nhân lực tay nghề thấp,..bên cạnh đó khắc phục được nhược điểm của các biện pháp trên mà còn tận dụng được các nguồn vật liệu tại chỗ,giải quyết được vấn đề tro xỉ thải ra môi trường gây ô nhiễm.
Trang 1BƯỚC ĐẦU NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU
BẰNG CỌC CÁT - XI MĂNG - TRO BAY TRONG XÂY DỰNG
CƠ SỞ HẠ TẦNG
Giảng viên hướng dẫn:
Sinh viên thực hiện:
Lớp:
PGS.TS Hồ Anh Cương Nguyễn Hữu Tú
Vũ Đức Thắng
Tô Văn Tăng Phạm Văn Thanh Trần Thị Ánh
Công Trình GTCC K58
Tóm tắt: Hiện nay, trên thế giới cũng như tại Việt Nam việc ảnh hưởng của nền đất yếu đến
quá trình xây dựng công trình là hiện tượng khá phổ biến và khó khắc phục, do nền đất yếu là ảnh hưởng của nhiều các hiện tượng tự nhiên hay đặc biệt là bản chất của vật liệu xây dựng Có khá nhiều phương pháp gia cố, xử lý nền đất yếu, bao gồm: các phương pháp vật lý, cơ học, hóa
học,…(Vd: phương pháp gia cố bằng cọc cát, cọc đất - xi măng, đệm cát,…) còn nhiều nhược điểm
chưa khắc phục được cho nên chúng em đưa ra một giải pháp “nghiên cứu công nghê xử lý nền
đất yếu bằng cọc cát – xi măng – tro bay trong xây dựng cơ sở hạ tầng” Công nghệ có những ưu
điểm: vừa gia cố vừa hút nước, phương pháp thi công đơn giản, nhân lực tay nghề thấp, bên cạnh
đó khắc phục được nhược điểm của các biện pháp trên mà còn tận dụng được các nguồn vật liệu tại chỗ,giải quyết được vấn đề tro xỉ thải ra môi trường gây ô nhiễm
Từ khóa:Cọc,cát,xi,măng,tro,bay
1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Tổng quan trong nước
- Hiện nay, trên thế giới cũng như tại Việt Nam có khá nhiều công nghệ gia cố, xử lý
nền đất yếu, bao gồm: 1) nhóm công nghệ thay đất yếu bằng đất tốt (đệm cát, đệm sỏi, đệm
đá dăm); 2) nhóm công nghệ nén chặt đất trên mặt bằng cơ học (đầm rơi, đầm lăn, đầm rung); 3) nhóm công nghệ làm chặt đất dưới sâu bằng chấn động, thủy chấn; 4) nhóm công nghệ nén chặt đất bằng năng lượng nổ; 5) nhóm công nghệ gia cố nền bằng vải địa kỹ thuật; 6) nhóm công nghệ gia cố nền bằng vật lý và hóa học (điện thấm, điện hóa học, nhiệt); 7) nhóm công nghệ làm chặt đất bằng gia tải trước kết hợp với thoát nước thẳng đứng (giếng cát, cọc cát, bấc thấm) và hút chân không; 8) nhóm công nghệ gia cố nền bằng
Trang 2chất kết dính (vôi, xi măng, bitum, keo polimer tổng hợp); 9) nhóm công nghệ gia cố nền bằng phụt dung dịch (vữa xi măng, dung dịch silicat, nhựa bitum); 10) nhóm công nghệ gia
cố nền bằng cọc vật liệu (cọc tre, cừ tràm, cọc cát, cọc vôi, cọc đất – vôi, cọc đất – xi măng, cọc đá dăm) Mỗi công nghệ gia cố, xử lý nền đất yếu đều có những ưu điểm, nhược điểm, phạm vi ứng dụng riêng Hiệu quả gia cố, xử lý nền đất yếu phụ thuộc vào bản chất công nghệ, loại công trình xây dựng và đặc biệt là cấu trúc nền đất yếu Đối với những khu vực
có đất yếu phân bố ngay trên mặt đất và chiều dày nhỏ thì các công nghệ xử lý hiệu quả là công nghệ thay thế đất yếu bằng đất tốt; công nghệ trộn vôi, trộn xi măng; công nghệ cọc tre, cừ tràm; công nghệ sử dụng vải địa kỹ thuật Tại những khu vực có đất yếu phân bố dưới sâu, chiều dày lớn thì công nghệ xử lý hiệu quả hơn cả là công nghệ cọc cát; công nghệ giếng cát, bấc thấm; công nghệ cọc đất – xi măng, cọc đất – vôi
Tổng quan trên thế giới
- Công nghệ gia cố nền đất yếu bằng các thiết bị thoát nước thẳng đứng được sử dụng
kết hợp với công nghệ gia tải trước nhằm tăng nhanh tốc độ cố kết của nền đất Thiết bị thoát nước thẳng đứng được dùng phổ biến đầu tiên là giếng cát, được thi công bằng cách khoan tạo lỗ với các đường kính khác nhau, sau đó lấp đầy lỗ khoan bằng cát Những giếng cát đầu tiên được thi công ở California năm 1934 và vẫn được sử dụng rộng rãi ở Mỹ đến những năm 1970 [1] Sau đó, Dastidar & nnk đã đề xuất ứng dụng công nghệ bấc cát (sand-wicks) để gia cố nền đất yếu [2].Một vật liệu thoát nước khác là bấc thấm được nghiên cứu
từ năm 1948 bởi Kjellman, có ưu điểm thi công nhanh, ít xảy ra sự cố trong quá trình thi công và hạn chế dùng vật liệu cát tự nhiên [3] Từ những năm 1970, bấc thấm (PVDs) thẳng đứng được dùng để thay thế hoàn toàn bấc cát Tuy nhiên, bấc thấm có hạn chế là độ lún của nền sau khi xử lý bằng bấc thấm thường lớn hơn độ lún tính toán, cho nên, từ những năm 2000, việc xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm được kết hợp với công nghệ cố kết chân không (hút chân không) Cho đến nay, công nghệ cố kết chân không kết hợp với bấc thấm
đã được sử dụng rất phổ biến ở nhiều nước trên thế giới
Tính thời sự của vấn đề
Công nghệ gia cố, xử lý nền đất yếu bằng cọc vật liệu rời cũng đã được sử dụng phổ biến trên thế giới từ rất lâu Năm 1930, lần đầu tiên cọc vật liệu rời được áp dụng để gia cố nền đất yếu tại Pháp và sau đó được sử dụng phổ biến ở Châu Âu từ những năm 1950 của thế kỷ trước Bản chất của công nghệ này là làm chặt đất bằng cách đưa vật liệu rời vào trong nền đất để chiếm thể tích lỗ rống trong đất và đồng thời làm vật liệu thoát nước thẳng đứng để tăng nhanh quá trình cố kết thấm
Trang 32 CÁC NỘI DUNG CHÍNH
Phương pháp nghiên cứu
- Tổng hợp, phân tích, tính toán và kết hợp phương pháp chuyên gia để đánh giá các
yếu tố liên quan đến hiệu quả sử dụng phương pháp lý thuyết dựa trên các tài liệu tham khảo, phương pháp của các chuyên gia có kiến thức trong sử lý nền đất yếu đặc biệt là phương pháp sử dụng cọc cát - xi măng - tro bay, phương pháp thí nghiệm trong phòng thí nghiệm tại Việt Nam
Phương tiện nghiên cứu
- Nhiều tiêu chuẩn xây dựng về xử lý nền đất yếu theo các công nghệ này đã được
ban hành như TCVN 9403:2012, TCVN 9355:2012, TCVN 9842:2013, TCVN 11713:2017 [37-40] làm căn cứ pháp lý quan trọng trong xử lý nền đất yếu ở nước ta Kết
hợp việc thí nghiệm trong phòng thí nghiệm đưa ra kết quả của đề tài nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu đã thực hiện
Chương 1: Tổng quan về đất yếu và các biện pháp sử lý nền đất yếu
- Việt Nam được biết đến là nơi có nhiều đất yếu, đặc biệt lưu vực sông Hồng và sông
Mê Kông Nhiều thành phố và thị trấn quan trọng được hình thành và phát triển trên nền đất yếu với những điều kiện hết sức phức tạp của đất nền, dọc theo các dòng sông và bờ biển Thực tế này đã đòi hỏi phải hình thành và phát triển các công nghệ thích hợp và tiên tiến để xử lý nền đất yếu
- Các biện pháp xử lý nền đất yếu đc chia làm 3 loại là biện pháp cơ học biện pháp
vật lý và biện pháp hóa học Trong nội dung hnay nhóm e sẽ giới thiệu về một số biện pháp
cơ học là cọc cát, cọc đất xi măng và 1 biện pháp mới đang trong quá trình nghiên cứu đó
là phương pháp cọc cát xi măng tro bay
Chương 2: Xác định các chỉ tiêu cơ lý hóa của vật liệu cọc cát - xi măng - tro bay
- Quá trình nén chặt xảy ra chủ yếu do sự phá huỷ các cạnh và góc nhọn của các hạt, các hạt xắp xếp lại, độ lỗ rỗng giảm đi
- Quá trình nén chặt của đất phụ thuộc vào độ lỗ rỗng ban đầu của cát Độ lỗ rỗng ban đầu càng lớn thì quá trình nén chặt đất cát xảy ra càng nhanh và ngược lại
- Khi cất tải, chỉ một phần biến dạng của đất mang tính đàn hồi, còn phần lớn là biến dạng dư
- Với các loại cọc trộn xi măng, sự có mặt của xi măng giúp làm cho cọc có sức chịu tải lớn (hình thành cường độ do các phản ứng thủy hóa xi măng và hút nước khi trộn khô) Ngoài ra do phản ứng thủy hóa xi măng là thủy nhiệt nên tỏa ra nhiệt lượng lớn, ảnh hưởng
Trang 4đến độ bền của cấu kiện cọc Để giảm nhiệt tỏa ra cũng như giảm giá thành cọc nhờ tận dụng vật liệu phế thải mà vẫn đảm bảo tính chất kết dính và hút nước, tro bay được sử dụng
để thay thế một phần xi măng trong cấu kiện cọc cát – xi măng – tro bay
Mẫu đối chứng không chứa tro bay Mẫu xi măng-cát-20% tro bay
Hình 7 Hình ảnh SEM mẫu đá xi măng-cát-tro bay 1 ngày tuổi
Chương 3: Phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc cát - xi măng - tro bay
- Quá trình nén chặt cơ học là gia cố nền bằng cọc cát - xi măng - tro bay là dùng
thiết bị chuyên dụng đưa một lượng vật liệu vào nền đất dưới dạng cọc hỗn hợp cát - xi
măng - tro bay Lượng vật liệu cát, xi măng và vôi này sẽ chiếm chỗ các lỗ hổng trong đất làm cho độ lỗ rỗng giảm đi, các hạt đất sắp xếp lại, kết quả là đất nền được nén chặt
Hình 2 Hình ảnh cọc cát xi măng tro bay thi công xong
Trang 5- Quá trình cố kết thấm là Ngoài tác dụng nén chặt đất, cọc cát - xi măng – tro bay còn có tác dụng làm tăng nhanh quá trình cố kết của đất nền Do cọc cát - xi măng – tro
bay được đưa vào nền dưới dạng khô nên hỗn hợp cát - xi măng – tro bay sẽ hút nước trong
đất nền để tạo ra vữa xi măng, sau đó biến thành đá xi măng Quá trình tạo vữa xi măng làm tổn thất một lượng nước lớn chứa trong lỗ hổng của đất, nghĩa là làm tăng nhanh quá trình cố kết của nền đất
- Quá trình gia tăng cường độ của cọc gia cố và sức kháng cắt của đất nền Khi gia
cố nền đất yếu bằng cọc cát, sức kháng cắt của cọc cát dưới tác dụng của tải trọng ngoài xác định theo định luật Coulomb = tg , với là góc ma sát trong của cát Khi trộn thêm xi măng và vôi vào cát, do hình thành liên kết xi măng - tro bay trong cọc nên khả năng chịu lực nén và lực cắt của cọc gia cố tăng lên đáng kể
- Quá trình gia tăng cường độ của cọc cát-xi măng và nền đất yếu xung quanh cọc
- Công nghệ cọc cát-xi măng-tro bay gia cố nền đất yếu được phát triển trên cơ sở công nghệ cọc cát và công nghệ cọc đất-xi măng Vì vậy, về lý thuyết, cọc cát-xi măng-tro bay vừa giống cọc cát lại vừa giống cọc đất-xi măng, vừa có tính năng cải tạo nền lại vừa
có tính năng gia cố nền
- Quá trình gia tăng cường độ của hỗn hợp cát-xi măng-tro bay.Khác với cọc cát, vật liệu làm cọc cát-xi măng-tro bay để gia cố nền đất yếu gồm cát, xi măng và tro bay trộn với nhau ở trạng thái khô Sau khi thi công tạo cọc, hỗn hợp cát-xi măng-tro bay khô sẽ hút nước ở trong nền đất yếu tạo thành vữa cát-xi măng-tro bay Quá trình rắn chắc của vữa cát-xi măng-tro bay sẽ làm gia tăng cường độ của cọc cát-xi măng-tro bay và nền đất yếu xung quanh cọc
Hình 3 Hình ảnh bãi cọc cát xi măng tro bay và máy khoan thi công chuyên dụng
Trang 6Kết quả nghiên cứu và bình luận
Từ các phân tích nêu trên, đặt ra yêu cầu cần phải nghiên cứu phát triển một công nghệ phù hợp để gia cố nền đất yếu nhằm phát huy được ưu điểm và khắc phục được hạn chế của các công nghệ ngoại (bấc thấm, cọc cát, cọc đất-xi măng, v.v ) Công nghệ cọc vật liệu hỗn hợp cát biển-xi măng-tro bay với đầy đủ cơ sở lý thuyết và thực nghiệm; phát huy được ưu điểm và khắc phục được nhược điểm của các công nghệ nêu trên; đồng thời
sử dụng nguồn cát biển và tro bay tại chỗ làm vật liệu cọc, giúp hạn chế sử dụng nguồn cát
sông vốn đang ngày càng khan hiếm và giải quyết vấn đề tro xỉ thải ra môi trường
Việc “nghiên cứu công nghê xử lý nền đất yếu bằng cọc cát – xi măng – tro bay trong
xây dựng cơ sở hạ tầng“ là giải pháp thực sự cần thiết, có tính cấp thiết, có ý nghĩa khoa
học và thực tiễn cao, hoàn toàn xuất phát từ thực tiễn khách quan
3 KẾT LUẬN
- Đất yếu là đất có khả năng chịu tải nhỏ, có tính lún nén lớn, hầu như bão hòa nước,
có hệ số rỗng lớn, lực chống cắt nhỏ, modun biến dạng thấp
- Từ các phân tích nêu trên, đặt ra yêu cầu cần phải nghiên cứu phát triển một công nghệ phù hợp để gia cố nền đất yếu nhằm phát huy được ưu điểm và khắc phục được hạn chế của các công nghệ ngoại (bấc thấm, cọc cát, cọc đất-xi măng, v.v )
- Công nghệ cọc vật liệu hỗn hợp cọc cát - xi măng - tro bay với đầy đủ cơ sở lý thuyết và thực nghiệm, phát huy được ưu điểm và khắc phục được nhược điểm của các công nghệ nêu trên, đồng thời sử dụng nguồn cát và tro bay tại chỗ làm vật liệu cọc, giúp hạn chế sử dụng nguồn cát vốn đang ngày càng khan hiếm và giải quyết vấn đề tro xỉ thải
ra môi trường gây ô nhiễm
Tài liệu tham khảo
[1] Hoàng Văn Tân và nhiều người khác Những phương pháp xây dựng công trình trên nền đất yếu, 1997 Nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội
[2] Tạ Đức Thinh Báo cáo tổng kết đề tài khoa học công nghệ cấp Bộ “Nghiên cứu khả năng gia cố nền đất yếu bằng cọc cát-xi măng-vôi” Trường Đại học Mỏ-Địa chất Hà Nội,
2002
[3] Tạ Đức Thịnh, Nguyễn Huy Phương, 2002 Cơ học đất Nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội
[4] Bergado, D.T, Chai, J.C, Alfaro, M.C, Balasumbramaniam, A.S, 1994 Những biện pháp kỹ thuật mới cải tạo đất yếu trong xây dựng Nhà xuất bản Giáo dục, Hà Nội
[5] Tạ Đức Thịnh, Nguyễn Huy Phương, Nguyễn Văn Phóng, 2009 Nền và móng công trình Nhà xuất bản xây dựng, Hà Nội