CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CỌC ĐẤT TRỘN XI-MĂNG (CDM) TRONG CẢI TẠO NỀN ĐẤT YẾU 1. Lịch sử phát triển và ứng dụng trụ đất trộn xi-măng gia cố nền đất yếu .1 Lịch sử phát triển trụ đất trộn xi-măng. - Người ta đã nhận thấy rằng nếu trộn đất sét với một lượng vôi, xi-măng hoặc một chất kết dính tương tự thì sẽ được vật liệu mới có tính chất cơ học cao hơn hẳn đất sét lúc chưa gia cố. - Ban đầu, họ tiến hành khoan các lỗ có đường kính từ 30~50cm, cách nhau 2~5m rồi tiến hành cho vôi cục chưa tôi vào.
Khi tác dụng với nước, vôi sống được tôi sẽ tăng thể tích (có thể tăng đường kính cọc lên 60~80%), vì thế nó làm cho đất xung quanh bị nén chặt hơn. Đồng thời vôi còn có tác dụng gia cố đất xung quanh cọc làm tăng cường độ, hút nước vào rồi tạo ra phản ứng tỏa nhiệt, làm bốc hơi nước do đó làm giảm độ ẩm của đất yếu xung quanh cọc vôi. Tuy nhiên, do độ thấm của sét rất nhỏ nên sự lan truyền của vôi trong khối đất bị hạn chế, vì vậy việc cải thiện tính chất của đất yếu của cọc vôi còn rất cục bộ. - Để khắc phục nhược điểm trên, người ta đã tiến hành trộn trực tiếp vôi hoặc xi- măng với đất sét mềm ngay trong nền đất yếu tạo thành các cọc đất vôi hoặc cọc đất xi- măng có đường kính 50 cm bằng một thiết bị khoan đặc biệt.
Lưỡi khoan được xoắn vào trong đất đến độ sâu yêu cầu tương ứng với chiều dài thiết kế của cọc và được rút lên khi xoay ngược chiều. Vôi sống hoặc xi-măng khô sẽ được chuyển đồng thời với khí nén từ hệ thống xi-lô qua ống dẫn bên trong cần khoan vào trong đất. Tốc độ rút lên của cần có liên quan đến hiệu quả khuấy trộn vật liệu, có thể điều chỉnh tùy theo tính chất của đất. Quá trình khuấy trộn đồng thời cũng làm chặt đất trong cọc.
Tác dụng hoá lý giữa vôi hoặc xi-măng và đất xảy ra, quá trình rắn chắc của đất gia cố phát triển theo thời gian tạo thành các cọc có sức chịu tải nhất định. Ngày nay để tận dụng các phế phẩm công nghiệp vào việc gia cố đất, ngoài vôi và xi-măng người ta còn sử dụng hỗn hợp các chất sau làm chất kết đính trong gia cố đất như: Tro xỉ (fly ash) + vôi, Tro xỉ + enzymes cũng đã thu được hiệu quả tương tự. Trang 12 - 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. - Vào những năm 1954, Châu Âu 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. Intrustion Prepark Co (United State) phát triển công nghệ trộn tại chỗ (Mixed in place – MIP) với mũi khoan đơn và chỉ được sử dụng rải rác ở Mỹ. - Từ năm 1960, Nhật Bản và Thụy Điển đã độc lập nghiên cứu và phát triển kỹ thuật trộn đất dưới sâu sử dụng vôi hoạt tính dạng hạt. Người Nhật chú trọng đến kỹ thuật gia cường đất mà có thể sử dụng thích hợp cho các dự án ở biển và sông.
Trong khi Thụy Điển thì chú trọng đến kỹ thuật gia cường đất sét yếu cho các dự án xây dựng đường ô tô và tường chắn đất. Năm 1961, MIP được sử dụng hơn 300000 mét dài cho trụ ở Nhật nhằm chống đỡ hố đào và kiểm soát nước trong đất. Tiếp theo công ty Seiko Kogyo thành công cho ứng dụng dạng tường chắn và kỹ thuật trộn sâu (DMM – Deep Mixing Method). Năm 1967, Viện nghiên cứu cảng biển (PHRI) bắt đầu nghiên cứu trong phòng sử dụng vôi bột xử lý đất yếu với đất ở biển.
Các nghiên cứu tiếp theo bởi Okumura, Terashi và đến đầu những năm 1970: (I) nghiên cứu phản ứng giữa Vôi (lime) với đất sét biển; (II) phát triển các thiết bị trộn thích hợp. Cường độ nén nở hông thu được từ 0. Năm 1967, Nghiên cứu trong phòng và hiện trường bắt đầu với phương pháp “Trụ vôi Thụy Điển” cho dự án xử lý đất sét yếu dưới nền đường sử dụng vôi chưa tôi. - Đến năm 1970, phương pháp trộn khô sử dụng vôi sống trộn với đất ở hiện trường để tạo thành các trụ vôi đã được thực hiện ở Thụy Điển và Nhật Bản.
Xi-măng khô được sớm thêm vào để tăng cường ổn định và tạo ra dạng trụ có cường độ cao hơn. Những trụ vôi/xi-măng hoặc trụ xi-măng sử dụng ngày nay đã thay thế hoàn toàn những trụ vôi (Kivelo, 1998). Phương pháp mà bột vôi khô và xi-măng được sử dụng để tăng cường ổn định được gọi là phương pháp trộn khô (Dry Method of Deep Mixing). Phương pháp trộn sâu (DLM) đã được áp dụng rộng rãi ở Nhật Bản.
Trang 13 - Giữa năm 1970, một nổ lực để tăng cường sự đồng nhất của đất đã được gia cường bằng phương pháp trộn dưới sâu, người Nhật cũng bắt đầu đưa ra phương pháp tăng cường ổn định mà sử dụng vữa xi-măng lỏng được gọi là phương pháp trộn ướt ('Wet Method of Deep Mixing'). Phương pháp ướt ban đầu được giới thiệu ở Nhật để ổn định đất sét trên biển, nhưng sau này nó được sử dụng cả cho trên đất liền. Thử nghiệm được tiến hành trên trụ vôi tại sân bay Ska Edeby (Thụy Điển): Thí nghiệm và đánh giá ảnh hưởng của việc thoát nước (cột dài 15m, đường kính 0. Năm 1974, thử nghiệm cho nền đường sử dụng phương pháp “Trụ vôi Thụy Điển” cho đất sét yếu ở Phần Lan (dài 8m, đường kính 0.
Năm 1975, các báo cáo về trụ vôi của Thụy Điển (Brom và Boman) và báo cáo của Nhật Bản về DLM (Okumura và Terashi) được thuyết trình tại hội nghị ở Bangole. Năm 1975, PHRI phát triển “phương pháp trộn sâu CDM” sử dụng vữa xi-măng lỏng và lần đầu tiên thực hiện trong dự án lớn với đất yếu ngoài khơi. Năm 1976, Viện nghiên cứu công chánh (PWRI) kết hợp với Viện nghiên cứu máy xây dựng bắt đầu nghiên cứu phương pháp phun khô (DJM) sử dụng bột xi- măng khô. Năm 1977, Viện địa kỹ thuật Thụy Điển xuất bản cuốn sổ tay hướng dẫn thiết kế về trụ vôi (áp dụng cho vôi chưa tôi).
- Đến thập niên 80 của thế kỷ XX, phương pháp trộn dưới sâu được áp dụng rộng rãi trong xây dựng. Ở Mỹ vào năm 1980, phương pháp trộn dưới sâu vẫn còn được xem như là một kỹ thuật mới xuất hiện. Tuy nhiên với sự gia tăng của thiết bị sẵn có và kinh nghiệm của nhà thầu xây dựng, phương pháp trộn đất đã trở thành một kỹ thuật xây dựng được chấp nhận. Năm 1986, SMW Seiko Inc mở hoạt động ở Mỹ và giới thiệu công nghệ DMM.
Năm 1987-1989, công ty Bachy ở Pháp phát triển “Colmix” bằng kỹ thuật trộn và làm chặt khi đảo chiều xoay của các cần trong suốt quá trình rút cần. Năm 1989, công ty Trevisian và Rodio ở Italy phát triển phiên bản DMM bắt đầu với phun khô nhưng phát triển ở phương pháp trộn ướt. - Năm 1990, phát triển thiết bị trộn mới ở Phần Lan sử dụng xi-măng và vôi: khả năng tạo cột sâu hơn 20m và đường kính lớn hơn 0. - Năm 1991, Bulgarian Academy of Science báo cáo kết quả nghiên cứu cọc đất Trang 14 gia cố xi-măng.
- Năm 1994, hiệp hội DJM báo cáo 1820 dự án đã hoàn thành. - Năm 1995, báo cáo nghiên cứu phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng hóa cứng. Nghiên cứu sử dụng chất kết dính mới (xỉ, tro bay,…). Hội địa chất Thụy Điển phát hành hướng dẫn thiết kế mới cho trụ vôi và xi-măng (tiêu điểm cho đất yếu và trụ nửa cứng).
- Năm 1996, Hội nghị phương pháp trộn sâu được tổ chức ở Nhật Bản. Trụ xi- măng vôi được sử dụng rộng rãi ở Mỹ. - Năm 1997, Trụ xi-măng vôi ứng dụng xử lý giảm độ lún tại các dự án I-15, Salt Lake City (Mỹ). - Năm 1999, Hội nghị quốc tế về phương pháp trộn khô được tiến hành ở Thụy Điển.
- Phương pháp trộn dưới sâu để tăng cường đất nhằm đạt cường độ cao hơn, giảm độ dẻo và hệ số nén thấp hơn đất nguyên gốc. Chất lượng của việc gia cường đất phụ thuộc mật độ và dạng hình học của móng, quá trình thi công, đặc tính của đất gốc, thời gian thi công và nhiệt độ. Phương pháp ướt được thiết kế để cung cấp cường độ cao hơn phương pháp khô. Tuy nhiên, vật liệu được sản xuất bằng phương pháp ướt đạt được cường độ chậm hơn trong thời gian dài (Kawasaki et al, 1981).
- Ngày nay phương pháp trộn dưới sâu được sử dụng trên khắp thế giới, đặc biệt ở châu Âu, Bắc Mỹ và châu Á với nhiều tên gọi khác nhau. Bruce (2000) đã thống kê 24 loại khác nhau của phương pháp trộn sâu. Tên chung 'Deep Mixing Method'- viết tắt là DMM- được sử dụng để bao gồm tất cả các phương pháp trộn sâu. - Tại Việt Nam, công nghệ cọc đất-vôi/xi-măng được bắt đầu nghiên cứu vào năm1980 với sự giúp đỡ của Viện Địa Kỹ Thuật Thụy Điển (SGI).
Đề tài nghiên cứu được Bộ Xây Dựng nghiệm thu vào năm 1985 và đã được áp dụng cho một số công trình dân dụng và công nghiệp ở Hà Nội, Hải Phòng. Công trình đầu tiên ở phía Nam do công ty Hercules kết hợp với Công ty Phát Triển Kỹ Thuật Xây Dựng Thi Công là công trình Tổng Kho Xăng Dầu Hậu Giang tại khu công nghiệp Trà Nóc, TP Cần Thơ Trang 15 vào đầu năm 2001 với khối lượng khoảng 50. Hiện tại công nghệ này đã và đang được áp dụng vào các dự án xây dựng lớn như công trình đại lộ Đông Tây - TP. Hồ Chí Minh, sử dụng phương pháp khô với chiều sâu trụ đất trộn xi măng lên tới 26m; công trình sân bay quốc tế Cần Thơ, sử dụng phương pháp khô với chiều sâu trụ đất trộn xi măng là 6m; dự án đường cao tốc Long Thành - Dầu Dây; dự án đường vành đai Bình Lợi – Tân Sơn Nhất; dự án cải tạo kênh Tân Hóa – Lò Gốm.2 Nguyên lý hình thành cường độ của cọc đất trộn xi-măng.
- Hạt xi-măng là một hợp chất (heterrogeneous) bao gồm Calcium Silicate (C3S), Calcium Silicate (C2S) và các chất rắn hòa tan như Tetracalcium Alumino - Ferrite (C4A). Bốn phân tử chính này tạo nên sản phẩm hỗn hợp tạo độ bền chủ yếu.
