Chương 1: Phân tích tổng quan về tình hình nghiên cứu sự ảnh hưởng của các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu nén của mẫu đất xi măng trong đó nhấn mạnh ảnh hưởng của khoáng vật MMT. Phương pháp phân tích địa kỹ thuật bằng tia X và các nghiên cứu xác định cường độ chịu nén của nền đất yếu gia cố trụ đất xi măng bằng mô hình trong phòng thí nghiệm cũng được trình bày trong chương này. Chương 2: Trình bày cơ sở lý thuyết để phân tích ảnh hưởng của khoáng vật MMT đến tính chất của đất và đất xi măng từ các tính chất cơ bản của MMT, cơ chế hình thành cường độ đất xi măng khi có sự tham gia của MMT. Cơ sở lý thuyết của phương pháp chụp tia X và cơ sở xây dựng mô hình thí nghiệm cũng được mô tả.
Chương 3: Thực hiện tạo mẫu và nén một trục mẫu đất xi măng với các điều kiện trộn và bảo dưỡng khác nhau để xem xét sự ảnh hưởng của MMT đến khối lượng thể tích và cường độ chịu nén của mẫu đất xi măng. Từ kết quả thí nghiệm, hàm lượng xi măng hợp lý được đề xuất cho đất có hàm lượng MMT khác nhau. Trong chương này, thí nghiệm chụp tia X ngang qua các mẫu đất xi măng cũng được thực hiện trước, trong và sau khi nén mẫu. Với thí nghiệm này, khối lượng thể tích của mẫu trước và trong qua trình nén cũng được phân tích và so sánh với nhau.
Hình dạng phá hoại của 3 mẫu được quan sát qua các ảnh tia X 2D và được xây dựng thành ảnh 3D bằng phần mềm ImageJ. Chương 4: Khả năng chịu nén của nền đất yếu được gia cố trụ đất xi măng được phân tích mô phỏng bằng mô hình thí nghiệm trong phòng, còn gọi là mô hình 1-g, để xem xét ảnh hưởng của hàm lượng khoáng vật MMT đến khả năng chịu nén của nền gia cố. Kết luận và kiến nghị của nghiên cứu: Cường độ chịu nén của mẫu đất xi măng và lớp đất yếu gia cố trụ đất xi măng bị ảnh hưởng bởi hàm lượng MMT. Khi hàm lượng MMT trong đất cao thì cường độ chịu nén đồng thời giá trị CT-value của mẫu đất xi măng cũng giảm.
Kiến nghị trong thi công trụ đất xi măng ngoài hiện trường cần chú ý hàm lượng MMT, cao độ mực nước ngầm và độ ẩm của nền đất yếu để điều chỉnh hàm lượng xi măng, lượng nước trộn cho thích hợp để cường độ chịu nén của đất xi măng thích hợp nhất. 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG TRỤ ĐẤT XI MĂNG, CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG VÀ THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH Một số tính chất đặc trưng của đất yếu ở ĐBSCL Đất yếu có thể được định nghĩa là những loại đất không có khả năng tiếp nhận tải trọng công trình nếu không có các biện pháp gia cố hoặc xử lý thích hợp. ĐBSCL 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. Do đó, địa chất dưới nền móng của các công trình nhà ở, nhà xưởng, đường xá, đê điều, đập chắn nước và một số công trình khác ở đây thường đặt ra hàng loạt vấn đề cần phải giải quyết như sức chịu tải của nền thấp, độ lún lớn.
Các loại đất yếu thường gặp ở ĐBSCL [12] như là đất sét mềm gồm các loại đất sét hoặc á sét tương đối chặt, ở trạng thái bão hòa nước, có cường độ thấp; bùn là các loại đất tạo thành trong môi trường nước, thành phần hạt rất mịn ở trạng thái luôn no nước, hệ số rỗng rất lớn, rất yếu về mặt chịu lực; than bùn là loại đất yếu có nguồn gốc hữu cơ, được hình thành do kết quả phân hủy các chất hữu cơ có ở các đầm lầy. Theo 22TCN 262: 2000 [13] và TCXD 245: 2000 [14], đất yếu là đất ở trạng thái tự nhiên, độ ẩm của chúng gần bằng hoặc cao hơn giới hạn chảy, hệ số rỗng lớn, lực dính (c) theo kết quả cắt nhanh không thoát nước từ 15 kPa trở xuống, góc ma sát trong () từ 0o đến 10o, lực dính từ kết quả cắt cánh hiện trường ≤ 35 kPa, sức chống mũi xuyên tĩnh < 100 kPa, chỉ số xuyên tiêu chuẩn SPT < 5. Nói chung, đất sét yếu là loại đất có sức chịu tải thấp và tính nén lún cao. Phần lớn các nước trên thế giới thống nhất về định nghĩa nền đất yếu theo sức kháng cắt không thoát nước (Su) và trị số xuyên tiêu chuẩn (N) như sau: đất rất yếu có Su ≤ 12,5 kPa hoặc N ≤ 2; đất yếu có Su ≤ 25 kPa hoặc N ≤ 4.
Lê Bá Lương và các đồng nghiệp (2005) kết luận trong nghiên cứu về đất yếu ở ĐBSCL là phần lớn đất thuộc dạng đất yếu và có chiều dày từ 10 m đến 40 m [15]. Sự phân bố đất yếu ở ĐBSCL theo Nguyễn Văn Thơ và Trần Thị Thanh (2002) như bản đồ Hình 1.1 [16] 5 CAMPUCHIA BÌNH PHƯỚC TP. HỒ CHÍ MINH Hồng Ngự IVb Tân An Châu Đốc IId Cao Lãnh Mỹ Tho I Hà Tiên Long Xuyên IIa Vĩnh Long IIIa Bến Tre Cần Thơ VỊNH THÁI LAN Rạch Giá Trà Vinh IIb IIIb Sóc Trăng IIId VIa Bạc Liêu GHI CHÚ: Cà Mau Đất sét màu xám nâu, xám vàng IIa Đất bùn sét, bùn á sét, bùn á cát xen kẹp với các lớp á cát (IIa, IIb, IIc, IId) V Cát hạt mịn, á cát xen kẹp ít bùn á cát (IIIa, IIIb, IIIc) Đất than bùn xen kẹp bùn sét, bùn á sét, cát bụi, á cát (IVa, IVb) Bùn á sét và bùn á cát ngậm nước Hình 1.1 Bản đồ phân vùng đất yếu khu vực ĐBSCL (Nguyễn Văn Thơ và Trần Thị Thanh, 2002) [16] Phương pháp gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng Có nhiều phương pháp xử lý và ổn định nền đất yếu, Han-Georg Kempfert (2006) đã phân loại phương pháp xử lý và ổn định nền đất yếu theo ba nhóm chính là cố kết, thay thế đất và các phần tử dạng trụ [17]. Phương pháp gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng là một trong những phương pháp phần tử dạng trụ trong cách phân loại này.
6 Phương pháp cơ học để thi công trụ đất gia cố bằng thiết bị trộn được gọi là phương pháp trộn sâu (DMM – Deep Mixing Method). DMM trở thành một thuật ngữ chung để mô tả kỹ thuật cải tạo đất yếu. Một số cụm từ khác đôi khi cũng được dùng như “mixed – in – place piles”, “in situ soil mixing” và “soil cement columns” [19], [20], [21]. Trong nghiên cứu này, sẽ sử dụng thuật ngữ trộn sâu (DMM) và sản phẩm của quá trình thi công trộn sâu là trụ đất xi măng (CDM column – Cement Deep Mixing column).
Mặc dù có nhiều kỹ thuật trộn sâu khác nhau, nhưng kết quả chung nhất là tạo ra các cột gia cố bằng thiết bị khoan với một hoặc nhiều cần trộn để đưa chất kết dính vào đất tự nhiên nơi gia cố. Chất kết dính thường được sử dụng là hỗn hợp xi măng hoặc xi măng/vôi và nước. Kết quả của sự trộn chất kết dính và đất tạo ra một vật liệu có cường độ và độ cứng lớn hơn đất tự nhiên (Bảng 1.1 Cường độ chịu nén trong các dự án DMM tại U., 2000) [18] Dự án Loại đất/ Hàm lượng chất kết dính Cường độ nén, qu I-95 Route 1, Phương pháp trộn ướt Trung bình qu ≥ 1,100 kPa Alexandria, VA Đất hữu cơ khoảng 1,517 kPa Hàm lượng xi măng: 300 kg/m3, w/c=1 Nhỏ nhất qu ≥ 690 kPa Central Artery Phương pháp trộn ướt Nhỏ nhất qu ≥ 2,100 kPa Project, Boston, Đất san lấp, đất hữu cơ và đất sét Boston Lớn nhất qu ≥ 6,900 kPa MA Blue Hàm lượng xi măng: 20 - 300 kg/m3, w/c = 0,9 Oakland Airport Phương pháp trộn ướt Trung bình qu ≥ 1,035 kPa Roadway, Đất cát san lấp và đất sét yếu Nhỏ nhất qu ≥ 690 kPa California Hàm lượng xi măng: 60 - 240 kg/m3 Chức năng chính của trụ đất xi măng dùng trong gia cố nền đất yếu chịu tải trọng đứng là truyền tải trọng phía trên xuống nền đất bên dưới đồng thời giảm độ lún của nền đất. Các quan điểm tính toán trụ đất xi măng hiện nay: Quan điểm 1 là trụ đất xi măng làm việc như cọc đơn chịu lực.
Tính toán thiết kế như móng cọc. Quan điểm 2 là trụ đất xi 7 măng và nền đất tự nhiên làm việc đồng thời như một nền tương đương. Tính toán thiết kế như nền thông thường với chiều dày bằng chiều dài trụ đất xi măng. Quan điểm 3 là kết hợp hai quan điểm trên, sức chịu tải tính toán như móng cọc, trong khi biến dạng tính theo nền tương đương.
Trong thực tế, trụ đất xi măng thường được thi công xuyên qua toàn bộ lớp đất yếu nằm trên địa tầng rắn chắc lúc này trụ làm việc gần giống với cọc chống. Đôi khi các trụ này chỉ nằm trong phạm vi lớp đất yếu còn gọi là trụ treo. Khi trụ đất xi măng đơn chịu tải trọng đứng có thể xảy ra 1 trong 3 dạng phá hoại là phá hoại do phình nén, phá hoại do cắt và phá hoại do xuyên thủng (Hình 1. a) Phá hoại phình nén b) Phá hoại cắt c) Phá hoại xuyên Hình 1.2 Dạng phá hoại của trụ đất xi măng Phá hoại do phình nén (Hình 1.2a) do trụ đất xi măng có đường kính bé trong khi chiều dài lớn và mũi trụ tựa vào tầng cứng còn gọi là trụ mềm.
Phá hoại do phình nén thường xảy ra tại đầu trụ dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng. Ngược lại, phá hoại do cắt (Hình 1.2b) ngay tại vùng được gia cố, trụ đất xi măng có đường kính lớn nhưng chiều dài bé và mũi trụ tựa vào tầng đất cứng. Khả năng mang tải của từng đoạn trụ bị chi phối bởi sức kháng cắt của đất được xử lý cũng như cường độ cắt của đất không được xử lý xung quanh trụ. Mặt trượt phá hoại cắt ngang trụ và đất.
Phá hoại xuyên do mũi trụ (Hình 1.2c) nằm trong tầng đất yếu, sức chịu tải của trụ chủ yếu do thành phần ma sát xung quanh trụ. Lực đứng lớn hơn khả năng chịu tải do 8 thành phần ma sát. Dạng phá hoại này thì trụ di chuyển theo một khối trong lớp đất yếu khi mất ổn định. Khi nền đất được gia cố để mang tải trọng thẳng đứng của công trình bên trên thì trụ đất xi măng đơn tối ưu cho việc xử lý nền đất yếu.