CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRỤ ĐẤT – XI MĂNG VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG CƯỜNG ĐỘ ĐẤT – XI MĂNG 1.1 Tổng quan về trụ đất – xi măng: 1.1 Khái niệm trụ đất – xi măng: Trụ đất – xi măng là hỗn hợp giữa đất nguyên trạng nơi gia cố và xi măng được phun xuống nền đất bởi thiết bị khoan phun. Dùng máy khoan và các thiết bị chuyên dùng (cần khoan, mũi khoan…) khoan vào đất với đường kính và chiều sâu lỗ khoan theo thiết kế. Đất trong quá trình khoan không được lấy lên khỏi lỗ khoan mà được các cánh mũi khoan nghiền tơi. Trong quá trình dịch chuyển lên, xi măng được phun vào nền đất bằng áp lực khí nén đối với phương pháp phun khô hoặc bằng bơm vữa xi măng đối với phương pháp phun ướt.
Quá trình phun (hoặc bơm) chất gia cố để trộn với đất trong hố khoan, tuỳ theo yêu cầu có thể được thực hiện ở cả hai pha khoan xuống và rút lên của mũi khoan hoặc chỉ thực hiện ở pha rút mũi khoan lên. Khi mũi khoan được rút lên khỏi hố khoan, đất trong hố khoan đã được trộn đều với chất kết dính dần dần đông cứng tạo thành trụ đất – xi măng.2 Đặc tính vật liệu đất – xi măng: “Theo một số kết quả thí nghiệm vật liệu đất – xi măng ở trong phòng: Cường độ chịu nén nở hông qu thường từ 408 – 4008 kN/m2, cường độ chịu kéo σt = 0.25 qu, lực dính kết c = 0.3 qu, góc ma sát trong ϕ = 20 – 300, modul biến dạng khi ứng suất của đất – xi măng đạt đến 50% trị số phá hủy E50 = 120 – 150 qu, hệ số thấm k = 10–7 – 10–6 cm/s” [1] Cường độ nén nở hông của đất – xi măng lớn hơn hàng chục đến hàng trăm lần đất yếu tự nhiên. Giai đoạn bắt đầu khi đất – xi măng chịu lực, quan hệ giữa ứng suất – biến dạng về cơ bản là phù hợp với định luật Hocke, khi ngoại lực đạt đến 70 – 80% cường độ giới hạn thì quan hệ ứng suất – biến dạng không còn tuyến tính nữa. Khi ngoại lực đạt đến cường độ giới hạn, trong các loại đất – xi măng có cường độ cao xuất hiện sự phá hủy giòn rất nhanh chóng, cường độ tồn dư sau phá hủy rất nhỏ.3 Các công nghệ thi công: Công nghệ trộn khô: Trộn khô là quá trình gồm xáo tơi đất bằng cơ học tại hiện trường và trộn bột xi măng khô với đất có hoặc không có phụ gia.
5 Nguyên tắc chung của phương pháp trộn khô được thể hiện trên Hình 1.1 Sơ đồ công nghệ thi công trụ đất – xi măng theo phương pháp trộn khô Công nghệ trộn ướt: Trộn ướt là quá trình gồm xáo tơi đất bằng cơ học tại hiện trường và trộn vữa xi măng gồm nước, xi măng, có hoặc không có phụ gia với đất. Nguyên lý trộn ướt được thể hiện trên Hình 1.2 Sơ đồ công nghệ thi công trụ đất – xi măng theo phương pháp trộn ướt 1.4 Ưu điểm trụ đất – xi măng: – Tốc độ thi công cọc rất nhanh, kỹ thuật thi công không phức tạp. – Thiết bị thi công, vật liệu sử dụng không quá đắt. Hiệu quả kinh tế cao, giá thành hạ hơn nhiều so với phương án xử lý khác.
– Không gây nhiều tiếng ồn, chấn động chung quanh khu vực thi công. – Thân thiện với môi trường – Quy trình thi công được tự động hóa, chất lượng ít phụ thuộc vào yếu tố con người. – Ứng dụng được trong nhiều loại công trình khác nhau.5 Phạm vi ứng dụng trụ đất – xi măng: Trụ đất – xi măng được áp dụng rộng rãi trong việc xử lý móng và nền đất yếu cho các công trình xây dựng giao thông, thuỷ lợi, sân bay, bến cảng… như làm tường hào chống thấm cho đê đập, sử dụng làm tường chắn, gia cố đáy hố đào sâu, gia cố đất xung quanh đường hầm, chống trượt đất cho mái dốc, gia cố nền đường, mố cầu dẫn… Nước ứng dụng công nghệ trụ đất – xi măng nhiều nhất là Nhật Bản và các nước vùng Scandinaver. Theo thống kê của hiệp hội CDM (Nhật Bản), tính chung trong giai đoạn 80–96 có 2345 dự án, sử dụng 26 triệu m3.
Riêng từ 1977 đến 1993, lượng đất gia cố bằng trụ đất – xi măng ở Nhật vào khoảng 23.6 triệu m3 cho các dự án ngoài biển và trong đất liền, với khoảng 300 dự án. Hiện nay hàng năm thi công khoảng 2 triệu m3. Tại Trung Quốc, công tác nghiên cứu bắt đầu từ năm 1970, tổng khối lượng xử lý bằng trụ đất – xi măng ở Trung Quốc cho đến nay vào khoảng trên 1 triệu m3. Tại Châu Âu, nghiên cứu và ứng dụng bắt đầu ở Thụy Điển và Phần Lan bắt đầu từ năm 1967.
Năm 1974, một đê đất thử nghiệm (cao 6m, dài 8m) đã được xây dựng ở Phần Lan, nhằm mục đích phân tích hiệu quả của hình dạng và chiều dài trụ về mặt khả năng chịu tải. Tại Việt Nam, từ năm 2002 đã có một số dự án bắt đầu ứng dụng trụ đất – xi măng vào xây dựng các công trình trên nền đất yếu, cụ thể như: dự án cảng Ba Ngòi (Khánh Hòa) sử dụng khoảng 4000m trụ đất – xi măng có đường kính 0.6m thi công bằng phương pháp trộn khô; dự án xử lý gia cố nền đất dưới bồn chứa xăng dầu đường kính 21m, cao 9m ở Cần Thơ. Giải pháp trụ đất – xi măng cũng đã được sử dụng để gia cố nền móng cho nhà máy nước huyện Vụ Bản (Hà Nam) năm 2004, xử lý móng cho bồn chứa xăng dầu ở Đình Vũ (Hải Phòng), các dự án trên đều sử dụng công nghệ trộn khô, độ sâu xử lý trong khoảng 20m. Năm 2005, một số dự án cũng đã áp dụng cọc XMĐ như: dự án thoát nước khu đô thị Đồ Sơn – Hải Phòng, gia cố nền móng kho khí hoá lỏng Cần thơ, dự án sân bay Cần Thơ, dự án cảng Bạc Liêu….
Một số ứng dụng cơ bản của trụ đất – xi măng được trình bày theo Hình 1.3 dưới đây: 7 Tăng sức chịu tải trọng ngang cho cọc Ngăn chặn nâng đáy hố đào Tạm thời Ổn định mái dốc Tường chắn Ổn định thành hố đào Đê sông Đường bộ, đường sắt Mố cầu Trên đất liền Tường chắn Nền nhà và công trình Ổn định mái dốc Vĩnh cửu Giảm chấn động Đảo nhân tạo Trên biển Tường chắn Ngăn nước Hình 1.3 Một số ứng dụng của trụ đất – xi măng 1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ trụ đất – xi măng: 1. Thành phần của chất tạo ổn định: – Loại chất tạo ổn định, hàm lượng chất tạo ổn định. – Loại phụ gia, hàm lượng phụ gia. – Tỉ lệ nước 1.
Thành phần và điều kiện của đất: – Những đặc tính hóa học, cơ lý của đất – Thành phần khoáng vật của đất. – Hàm lượng hữu cơ. – Độ pH – Độ ẩm của đất 1. Điều kiện trộn: – Nhiệt độ trộn.
– Thời gian trộn. Điều kiện dưỡng hộ: – Nhiệt độ. 8 – Thời gian dưỡng hộ.3 Ảnh hưởng của độ pH lên cường độ trụ đất – xi măng: Các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng trong từng phạm vi nhất định, việc tăng (giảm) độ pH của đất có ảnh hưởng tích cực hoặc tiêu cực đến cường độ của mẫu đất – xi măng. Theo [1] việc tăng độ pH trọng phạm vi 5 đến 6.3 có ảnh hưởng tích cực đến cường độ nén nở hông của mẫu đất – xi măng.
Độ pH càng tăng thì cường độ của đất – xi măng càng tăng. Tuy nhiên trong phạm vi từ 6.9, việc tăng độ pH có ảnh hưởng rất tiêu cực đến cường độ của mẫu đất – xi măng. Mối tương quan trên được thể hiện ở hình 1.4 Ảnh hưởng của độ pH đến cường độ nén nở hông ở đại lộ Đông Tây Sài Gòn [1] 1.4 Một số nghiên cứu trong và ngoài nước: Các nhà khoa học trong và ngoài nước đã đóng góp nhiều nội dung lý thuyết cũng như nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của độ pH đất lên cường độ trụ đất – xi măng, cụ thể như sau: [1] Bài báo của tác giả Đậu Văn Ngọ, Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh phân tích các nhân tố ảnh hưởng đến cường độ đất – xi măng. Trên cơ sở thu thập, tổng hợp các công trình nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới về lĩnh vực xử lý đất nền bằng phương pháp trụ đất – xi măng và dựa vào kết quả thực tế áp dụng phương pháp này tại công trình Đại lộ Đông tây Sài Gòn, bài báo nêu lên và phân tích các nhân tố ảnh hưởng đến cường độ và độ ổn định của đất – xi măng trong đó có nhân tố độ pH đất.
9 [2] Bài báo của hai tác giả Jacobson, J. xem xét ảnh hưởng của độ pH song song với ảnh hưởng của các yếu tố khác lên cường độ của mẫu đất – xi măng. Bên cạnh đó, tác giả cũng nêu lên phương pháp điều chỉnh độ pH của mẫu đất sử dụng Canxi hydroxit: “Độ pH của hai mẻ đất trộn, một được đem hong cho khô gió và một được sấy khô bằng nhiệt độ cao, được điều chỉnh trở về độ pH ở trạng thái đất tự nhiên bằng cách sử dụng Canxi hydroxit (Ca(OH)2). Một lượng nhỏ Ca(OH)2 được sử dụng để đưa độ pH về giá trị mong muốn.
[3] Bài báo của tác giả S. Kazemian nghiên cứu ảnh hưởng của độ pH đối với trụ đất – xi măng thi công trong than bùn: “Sự ảnh hưởng của độ pH lên cường độ trụ đất – xi măng thi công trong than bùn được xem xét thông qua việc đánh giá cường độ nén đơn của mẫu, độ ẩm, và ảnh chụp kính hiển vi điện tử quét (SEM) với các giá trị pH khác nhau. Tác giả cũng nêu lên phương pháp điều chỉnh độ pH đối với mẫu đất thí nghiệm: Ảnh hưởng của độ pH lên phản ứng hóa học của xi măng được xem xét thông qua các thí nghiệm với mẫu than bùn được điều chỉnh độ pH đến các giá trị 3, 5 và 7. Các giá trị pH khác nhau được tạo ra bằng cách cho một lượng thích hợp dung dịch HCl hoặc NaOH vào nước trộn.
Giá trị pH được đo bằng cách cắm một đồng hồ đo pH vào trong mẫu trộn nhiều lần. [4] Tác giả Thompson cũng nêu lên ảnh hưởng của độ pH đối với vật liệu đất – xi măng: Các yếu tố được xem là có ảnh hưởng đáng kể lên việc phát triển cường độ bao gồm pH, IL, wn và Fc.