CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU ĐẤT CÓ CỐT 1. Lịch sử hình thành[2],[3]. Từ lâu đời, đất được sử dụng như một loại vật liệu xây dựng. So với các loại vật liệu khác, đất rất rẻ tiền, sẵn có nhưng lại có các đặc trưng cơ học kém, đặc biệt là không chịu được kéo.
Để khắc phục nhược điểm này, ngoài những biện pháp gia cố đất bằng các chất liên kết (vô cơ, hữu cơ, hóa chất), từ năm 1963, Henri Vidal, một kỹ sư cầu đường người Pháp đã đề suất ý tưởng dùng đất có cốt để xây dựng các công trình. Ngày 7-3-1966 ông đã báo cáo trước Hội đồng Cơ học đất và Nền móng nước Pháp và sau đó ông đã giành được bản quyền về phát minh này. Cho đến nay khái niệm về đất có cốt và những ứng dụng của nó trong các công trình xây dựng đã trở nên quen thuộc với các kỹ sư cầu đường, kỹ sư xây dựng ở khắp nơi trên thế giới. Đất có cốt là một loại vật liệu tổ hợp, thực chất vẫn là dùng đất thiên nhiên để xây dựng công trình nhưng trong đất có bố trí các lớp cốt bằng vật liệu chịu lực kéo theo các hướng nhất định.
Thông qua sức neo bám (do ma sát, dính và neo bám) giữa đất với vật liệu cốt mà loại vật liệu tổ hợp đất có cốt này có được khả năng chịu kéo (giống như vật liệu bê tông cốt thép có khả năng chịu kéo, trong đó bản thân bê tông chịu kéo kém). Nhờ tiến bộ khoa học công nghệ về vật liệu đất có cốt, bức tường chắn truyền thống đã được thay thế bằng những vật liệu ưu việt hơn mà vẫn đảm bảo được tính năng của tường chắn. Đó là loại tường đất có cốt. Loại tường này đã tạo được bề mặt tường mềm mại, uốn lượn theo địa hình, màu sắc bề mặt tường đa dạng tạo cảm giác êm dịu cho môi trường.
Chiều cao tường khá lớn( có chỗ tới 30 m) nhưng nền tường hầu như không phải xử lý. Về công 4 dụng loại tường này vẫn phát huy công dụng như bức tường truyền thống nhưng ưu điểm vượt trội cả về kinh tế, kỹ thuật và mỹ thuật. Từ ngày sợi tổng hợp ra đời, các công trình đất có cốt được xây dựng nhiều hơn vì các lý do sau: - Nhẹ nhất trong các loại công trình vì công trình làm bằng đất tại chỗ. - Mềm nhất vì là công trình đất.
- Có thể dùng vải địa kỹ thuật, lưới địa kỹ thuật, sợi tổng hợp để làm cốt thay thế cốt thép không gỉ đắt tiền. Các loại cốt trong đất và ứng dụng. Khái quát về đất có cốt[4] Đất có cốt là loại đất xây dựng có bố trí gia cường thêm bằng vải địa kĩ thuật (Geotextiles), màng địa kĩ thuật (Geomembranes), lưới địa kỹ thuật (Geogrids), lưới thép địa kĩ thuật để tăng cường khả năng ổn định của công trình đất. Đất có cốt không phải là vật liệu hoàn toàn mới mẻ, mà từ xa xưa con người đã dùng toocsi (torchi, Pháp), một loại vật liệu kết hợp đất dính nhão với rơm để làm vật liệu xây dựng.
Toocsi, vừa có tính dính bám của đất, vừa có tính bền dai của cốt, nên thường được ưa chuộng làm gạch, làm vách ngăn trong nhà. Sự làm việc đồng thời giữa đất và cốt có thể đem lại hiệu quả cao về kinh tế, vì đã phát huy tối đa sức chịu nén, chịu cắt của đất và sức chịu kéo của cốt. Vải địa kĩ thuật- Geotextibers[4]: Có nhiều cách phân loại, đây là cách phân loại theo công nghệ chế tạo: 1.1 Loại vải đan (dệt ) - woven geoxtiles 5 Công nghệ chế tạo loại vải này giống như chế tạo vải may mặc thông thường. Vải gồm một hệ thống sợi dọc (warp) và ngang (wefl) vuông góc với nhau.
Sợi dệt vải địa kĩ thuật có thể là sợi kép hoặc sợi đơn có tiết diện tròn hoặc dẹt, đường kính lớn từ 100 ÷ 300μm. Vải dệt gồm sợi dọc căng trên khung dệt và sợi ngang được đưa vào giữa các sợi dọc theo cách dàn. Nói chung thường dùng sợi dọc của vải (warp) bền hơn sợi ngang của vải (wefl). Do đó tính chất của vải là dị hướng.
Tính dị hướng rõ rệt hơn nếu độ thưa sít của các sợi dọc và độ sít của các sợi ngang khác nhau. ít loại vải địa kĩ thuật đẳng hướng theo phương dọc và phương ngang. Nếu có loại vải đẳng hướng theo phương dọc và phương ngang thì vải đó có tính dị hướng theo các phương chéo góc. Sợi vải dàn thành lớp dày mỏng dày từ 0.5 mm đến vài mm với sự sắp xếp sợi vải không theo qui tắc mà theo xác suất tự nhiên hoặc có định hướng theo một phương nào đó có chủ đích.
Cũng như lớp bông dàn, lớp sợi dàn thành lớp hầu như không có sức chịu kéo nên rất xộc xệch, thường dùng cho các yêu cầu tầng lọc, phân cách, tiêu nước. Còn dùng để gia cố đất nói chung, hay chính là làm cốt cho đất, là các loại vải địa kĩ thuật dệt, đan và lưới. Loại này ít khi gặp ở các loại vải may mặc. Công nghệ chế tạo loại thảm không dệt gồm 3 giai đoạn: chế tạo sợi, dàn sợi thành thảm, cố định sợi sau khi dàn thành thảm.
Theo chiều dài sợi, vải địa kĩ thuật còn được chia làm hai loại, vải sợi ngắn và vải sợi (dài) liên tục. Lưới địa kỹ thuật – Geogrids[4] Lưới ô vuông làm bằng kim loại hoặc vật liệu chất dẻo có tính năng chịu kéo, được đặt nằm ngang trong khối vật liệu đắp. Nhờ có lực kháng bị động của đất đối với các thanh cốt ngang và lực ma sát giữa vật liệu đắp với bề mặt của lưới nên chống lại được sự di chuyển ra phía ngoài của đất có cốt. Có thể dùng lưới thép hoặc lưới sợi thép.
Lưới cốt bằng thép được liên kết với tấm mặt tường bê tông xi măng đúc sẵn. Trường hợp, nếu cốt có dạng lưới sợi thép thì có thể uốn cong đoạn ngoài của mỗi lớp cốt để làm mặt tường và cho nối chập vào lớp cốt phía trên hoặc cũng có thể liên kết với tấm bê tông xi măng mặt tường đúc sẵn. Lưới vật liệu tổng hợp cường độ cao có thể được tạo thành bằng phương pháp kéo dãn polyeste hoặc polyetylen mật độ cao. Có thể cuộn lật lưới lên trên để làm vỏ mặt tường hoặc liên kết lưới với tấm mặt tường bê tông xi măng hay liên kết với rọ đá của mặt tường.
Màng địa kỹ thuật – Geomembranes[4] Màng địa kĩ thuật là loại tấm mềm cách khí và cách nước (Hệ số thấm vào khoảng 10-11 ÷ 10-13 cm/s). Các sản phẩm vải địa kĩ thuật nêu trên (vải, thảm, lưới) thường do yêu cầu vận chuyển hay yêu cầu thi công mà chế tạo với chiều rộng từ 5 ÷ 5,5m và chiều dài từ 50 ÷ 200m tuỳ loại và cuốn thành cuộn. Trong ứng dụng, loại vải địa kĩ thật không dệt (thảm) thường dùng cho các yêu cầu tầng lọc, phân cách, tiêu nước. Còn dùng để gia cố đất nói chung, hay chính là làm cốt cho đất, là các loại vải địa kĩ thật dệt, đan và lưới.
Tuỳ theo yêu cầu cụ thể mà dùng vải dệt, vải đan hay lưới. 7 Một số loại vải, màng, lưới địa kỹ thuật Water-proof Complex Mat Three-dimensional Plant-covering Net Soft Drainpipe Polyester Continuous Filament Needle-Pu Genapping Geotextile Geomembrane Geocell Complex Geomembrane 1. Ứng dụng đất có cốt khi xây dựng công trình đất [3] Đất được ổn định cơ học bằng cốt là các vật liệu bên ngoài đã được thực hiện từ rất lâu ở nước ta và các nước trên thế giới. Chẳng hạn như rơm thêm vào đất sét để nâng cao chất lượng gạch không nung, trát vách đất có cốt rơm.
ở các vùng đầm lầy, cửa sông, đường và đê được đắp trên móng là thân cây và cành cây như quai đê lấn biển trên vùng phù sa non Nga Sơn, Hậu Lộc (Thanh Hoá) Cồn Thoi, Bình Minh (Ninh Bình). Rồi theo thời gian công nghệ 8 đất có cốt được phát triển, đất được gia cường không chỉ bằng rơm, xơ cây, và cây cỏ khác, ., mà còn bằng thép, và đặc biệt phổ biến gần đây là lưới địa kĩ thật chế tạo từ chất dẻo tổng hợp. Những loại cốt nhân tạo này có khả năng chịu kéo cao và tương tác rất hiệu quả với đất, hình thành một vật liệu tổng hợp bền vững. Kỹ sư Henry Vidal (Pháp) đã nghiên cứu cốt là dải kim loại thép không gỉ được đặt trong đất đắp có chất lượng cao là cát và sỏi để tạo ra sức ma sát cần thiết giữa đất đắp và cốt.
Phương pháp này đã được áp dụng lần đầu tiên tại Mỹ năm 1972 trong việc gia cố tường chắn đất tại miền nam bang California. Trong trường hợp đất đắp là đất tại chỗ, tác giả khuyên có thể sử dụng cốt lưới để tăng sức chống kéo tốt hơn. Cũng ở dạng cốt lưới năm 1970, kỹ sư Bill Hifker (Mỹ) đã sáng chế loại lưới dây hàn tạo bởi các dây thép hay thanh thép không gỉ để làm cốt. Sau đó với việc chế tạo lưới chất dẻo bền vững như Tensar và Tenax có khả năng chịu giãn cao và chống được ăn mòn cốt đã làm cho việc sử dụng cốt lưới với đất đắp ma sát dính phát triển.
Trong xây dựng dân dụng Tường chắn đất có cốt; gia cố mái dốc có cốt ; gia cường nền đất có cốt. Trong giao thông Nền đường có gia cố cốt; sân bay; đường sắt; cầu cảng… 1. Trong thủy lợi Kênh mương, công trình biển, đập hoặc các công trình giữ nước… 9 1. Khả năng ứng dụng công nghệ phần mềm vào tính toán vật liệu đất cốt Khả năng ứng dụng phần mềm để tính toán vật liệu đất có cốt phổ biến như GEOSLOPE, PLAXIS, MSEW.
Công trình đất có cốt lưới (rào) địa kỹ thuật - Geogrids. Sau đó đến Stabilenka của Hà Lan. Lưới địa kỹ thuật giống như tờ bìa dày có lỗ, có thể cuộn tròn lại. Kích thước lỗ có thể thay đổi tuỳ theo loại lưới địa kỹ thuật rộng vừa đủ để cài chặt với đất, sỏi xung quanh.
Lưới địa kỹ thuật được làm bằng chất polypropylen (PP), polyester (PE) hay bọc bằng polyetylen-teretalat (PET) vói phương pháp ép và dãn dọc. Vật liệu dùng làm lưới địa kỹ thuật có sức chịu kéo đứt rất lớn 40.000 psi (so với sắt là 36. Các lưới địa kỹ thuật thường làm bằng chất liệu polyetylen có tỷ trọng cao HDPE (high density polyethylen) giúp cho lưới bền vững dưới các tác động của môi trường, tia cực tím. Do đó, điều kiện bảo quản sản phẩm rất dễ dàng, có thể để ngoài công trường mà không cần phải che chắn.1: Lưới địa kỹ thuật được để ngoài công trường.