Phần mở đầu Chƣơng 1: Tổng quan các nghiên cứu về cải tạo đất yếu bằng xi măng, ảnh hƣởng đặc tính xây dựng đến chất lƣợng đất gia cố Chƣơng 2: Nghiên cứu đặc điểm thành phần của đất loại sét yếu vùng đồng bằng sông Cửu Long Chƣơng 3: Nghiên cứu ảnh hƣởng đặc điểm thành phần của đất loại sét yếu vùng đồng bằng sông Cửu Long đến chất lƣợng đất gia cố Chƣơng 4: Nghiên cứu biện pháp nâng cao hiệu quả phƣơng pháp gia cố đất bằng xi măng kết hợp với phụ gia Phần kết luận Các công trình đã công bố Tài liệu tham khảo Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 6 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ CẢI TẠO ĐẤT YẾU BẰNG XI MĂNG, ẢNH HƢỞNG ĐẶC TÍNH XÂY DỰNG ĐẾN CHẤT LƢỢNG GIA CỐ 1. TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ CẢI TẠO ĐẤT YẾU BẰNG XI MĂNG 1. Đất yếu Đất yếu là những đất có khả năng chịu tải nhỏ (nhỏ hơn 50-100kPa ), có tính nén lún lớn, hầu nhƣ bão hòa nƣớc, có hệ số rỗng lớn, mô đun biến dạng thấp E<5000 kPa, sức chống cắt nhỏ [9],[37] Đất yếu là dạng vật liệu đƣợc hình thành dƣới dạng trầm tích có thành phần bao gồm sét, sét pha, cát pha trạng thái dẻo chảy đến chảy, bùn sét, bùn sét pha, bùn cát pha có lẫn hoặc không lẫn hữu cơ, than bùn hóa và than bùn. Ở điều kiện tự nhiên, độ ẩm của đất loại sét yếu thƣờng bằng hoặc lớn hơn độ ẩm giới hạn chảy, hệ số rỗng lớn (đất sét e>1,5, sét pha e > 1,0), lực dính đơn vị không thoát nƣớc cu 15 kPa, góc ma sát trong u = 0, độ sệt B >0,5 [9].
Đất yếu đƣợc hình thành bởi nhiều trầm tích có nguồn gốc khác nhau nhƣ sông (a), biển (m), hỗn hợp sông - biển (am), hồ (l), đầm lầy (b), hồ -đầm lầy (lb), biển – đầm lầy (mb), đầm lầy ven biển (bm), trầm tích vũng vịnh [3], [8]. Bùn là các trầm tích hiện đại đƣợc thành tạo do kết quả tích tụ các vật liệu phân tán mịn theo phƣơng thức cơ học hoặc hóa học ở đáy các biển, vũng vịnh, hồ, đầm lầy hoặc các bãi rộng [26], [32]. Bùn có độ ẩm tự nhiên cao và lớn hơn độ ẩm giới hạn chảy. Dựa vào chỉ số dẻo, thành phần hạt và hệ số rỗng tự nhiên (eo), bùn đƣợc phân ra thành: Bùn sét eo ≥ 1,5; Bùn sét pha eo > 1,0; Bùn cát pha eo > 0,9.
Bùn thƣờng chứa hàm lƣợng hữu cơ từ 2-3%, có khi tới 10-12%. Ở những vùng ven biển, trong bùn có thể có chứa muối dễ hòa tan, ở vùng biển sâu chủ yếu là chứa vôi, trong các đất bùn có nguồn gốc lục địa thƣờng chứa hàm lƣợng nhóm hạt bụi cao. Trong đất bùn, các khoáng vật sét nhƣ hydromica, montmorilonit và Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 7 kaolinit chiếm ƣu thế. Độ ẩm của bùn thƣờng từ 70 đến 80% và lớn hơn.
Hệ số rỗng có thể đạt tới vài đơn vị, khối lƣợng thể tích khô nhỏ chỉ bằng 0,8÷0,9 g/cm3, đất có khả năng hấp phụ trao đổi lớn, tính ƣa nƣớc cao. Độ bền của bùn rất nhỏ do vậy khi tác dụng một lực rất nhỏ, đất bùn dễ chuyển sang trạng thái chảy. Hệ số nén lún có thể đạt tới 0,02÷0,03 kPa-1, mô đun tổng biến dạng của bùn sét từ 100 đến 500 kPa, bùn sét pha từ 1000 đến 2500 kPa [9. Đất than bùn và than bùn hóa đƣợc hình thành từ những vùng đầm lầy, nơi thƣờng xuyên ngập nƣớc hoặc có mực nƣớc ngầm cao, các loại thực vật phát triển, thối rữa và phân hủy mạnh tạo ra các trầm tích hữu cơ, hàm lƣợng hữu cơ từ 20 đến 80%.
Ở điều kiện tự nhiên, than bùn có độ ẩm rất cao, trung bình từ 85-90% và có thể lên tới vài trăm phần trăm phụ thuộc vào loại vật chất hữu cơ và mức độ phân hủy của chúng. Đất than bùn có khối lƣợng riêng từ = 1,4÷1,8 g/cm3, khối lƣợng thể tích w = 0,7÷1,4 g/m3, độ rỗng cao n= 85÷95%, hệ số rỗng (eo) thƣờng đạt tới vài đơn vị. Dựa vào hàm lƣợng hữu cơ có trong đất, đất than bùn đƣợc chia thành than bùn (HLHC >60%), đất than bùn hóa (HLHC = 10-60%) [25]; có tài liệu chia chi tiết hơn thành đất nhiễm than bùn (HLHC=20-30%), đất than bùn (HLHC=30- 60%) [9], [32], [46]. Than bùn có tính chất nén lún rất lớn, không đều và lâu dài, hệ số nén lún bằng 0,01 hoặc 0,03 đến 0,08, có khi đến 0,10 kPa-1, mô đun tổng biến dạng thay đổi từ 100÷300 kPa đến 1000-2000 kPa, đất có tính lƣu biến [9].
Tại ĐBSCL đất yếu có tuổi Holocen đƣợc hình thành với nhiều nguồn gốc khác nhau nhƣ: sông (aQ2), sông biển (amQ2) sông – đầm lầy (abQ2), đầm lầy (bQ2), biển (mQ2), biển – đầm lầy (mbQ2). Các trầm tích này phân bố đan xen và phụ thuộc nhiều vào tác động của dòng chảy và điều kiện thành tạo. Tổng chiều dày các trầm tích này là khá lớn, tùy theo từng vị trí phân bố và khu vực khác nhau, phổ biến từ 10m đến trên 20m. Với các dạng công trình nhƣ đê sông, đê biển, cống, đƣờng giao thông, nhà dân dụng và công nghiệp thì các thành tạo của các trầm tích này nhƣ bùn sét, bùn sét pha, bùn cát pha, sét, sét pha trạng thái dẻo chảy đến chảy, cát, cát pha kém chặt.
đƣợc coi là đất yếu. Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 8 1. Nền đất yếu Nền đất đƣợc dùng khi đất đƣợc sử dụng với mục đích làm nền để xây dựng các công trình; nền công trình là phạm vi đới ảnh hƣởng của công trình; nền công trình có phân bố các lớp đất yếu đƣợc gọi là nền đất yếu. Nhƣ vậy, tùy từng dạng công trình, quy mô và tải trọng công trình mà đất nền thuộc dạng là đất yếu hay không yếu.
Với những công trình có quy mô và sức chịu tải lớn nhƣ nhà cao tầng, cầu lớn.thì nền đất yếu là những lớp đất không thể có khả năng chịu lực để làm móng công trình. Với những công trình có quy mô vừa và nhỏ nhƣ nhà dân dụng và công nghiệp, nền đƣờng đắp cao, đê, cống. thì nền đất yếu là những lớp đất có tính chất xây dựng yếu, trạng thái từ dẻo mềm trở xuống. Nhƣ vậy, nền đất yếu là nền đất trong phạm vi ảnh hƣởng của công trình có phân bố các lớp đất có tính chất xây dựng yếu mà cần phải có biện pháp xử lý khi xây dựng công trình.
Các loại đất nhƣ sét, sét pha trạng thái dẻo chảy đến chảy, bùn sét pha, bùn cát pha, bùn cát, đất than bùn, than bùn hóa, ., là những loại đất có sức chịu tải Ro<100 kPa và mô đun biến dạng Eo<5000 kPa đƣợc coi là đất yếu. Việc xây dựng các công trình mà móng công trình đặt trên nền đất yếu cần có biện pháp xử lý. Một trong những giải pháp xử lý nền đất yếu là xử lý nền bằng xi măng với đất tại chỗ nhằm tăng sức chịu tải của đất nền, giảm tính thấm và tính biến dạng,., đáp ứng yêu cầu sử dụng làm nền các công trình. Tại vùng ĐBSCL hầu nhƣ toàn bộ bề mặt đồng bằng có phân bố đất yếu [15], do vậy việc xây dựng các công trình trong vùng đều phải có biện pháp xử lý nền đất yếu.
Chất kết dính vô cơ và vai trò của chúng trong cải tạo đất Chất kết dính vô cơ (vôi và xi măng) là các chất có dạng hạt mịn mà khi nhào trộn chúng với nƣớc hoặc các dung môi khác sẽ tạo thành hỗn hợp dẻo và xảy ra quá trình đông cứng để chuyển hỗn hợp sang trạng thái rắn chắc và phát triển cƣờng độ [12]. Trong quá trình thủy phân, các chất kết dính vô cơ có khả năng liên kết với các vật liệu rời thành một khối cứng chắc. Dựa vào khả năng bền vững của các chất kết dính vô cơ trong môi trƣờng sử Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 9 dụng mà ngƣời ta chia thành các nhóm. - Nhóm 1: các chất kết dính vô cơ bền trong môi trƣờng không khí.
Đó là các chất kết dính chỉ đông kết, rắn chắc và phát triển cƣờng độ trong môi trƣờng không khí nhƣ vôi CaO, MgO, thạch cao (CaSO4.2H2O), thủy tinh lỏng bao gồm natri silicat (Na2O.nSiO2) hoặc kali silicat (K2O. - Nhóm 2: các chất kết dính vô cơ bền trong môi trƣờng nƣớc. Đó là các chất kết dính có khả năng thủy phân, đông kết, rắn chắc và phát triển cƣờng độ trong môi trƣờng nƣớc và môi trƣờng không khí. Điển hình nhƣ xi măng portland, xi măng alumin, vôi thủy và nhóm các chất kết dính đƣợc sản xuất từ nhóm các chất kết dính cơ bản với các phụ gia hoạt tính có hàm lƣợng phụ gia lớn hơn 20%.
- Nhóm 3: chất kết dính vô cơ bền trong môi trƣờng xâm thực. Đó là xi măng bền sulfat, bền axit, chống phóng xạ, chịu nhiệt. Vai trò của chất kết dính vô cơ: Các chất kết dính vô cơ khi đƣa vào đất sẽ xảy ra quá trình hóa lý phức tạp. Kết quả làm thay đổi bản chất và tính chất cơ lý của đất [32], [33].
Nhờ các phản ứng hóa học xảy ra trong đất mà các mối liên kết kiến trúc mới đƣợc hình thành. Các mối liên kết này khá bền vững đồng thời mật độ của đất tăng lên; kết quả làm cho độ bền của đất gia cố tăng; khả năng thấm nƣớc giảm; đất không bị trƣơng nở, co ngót và tan rã. Các nghiên cứu cải tạo đất bằng xi măng và xi măng với phụ gia 1. Sơ lược tình hình nghiên cứu và ứng dụng trên thế giới Ở Châu Âu, các nghiên cứu về cải tạo đất bằng xi măng, xi măng – vôi đƣợc tiến hành từ những năm 1960, 1970 của thế kỷ trƣớc tại các nƣớc Thụy Điển và Phần Lan.
Năm 1967, Viện Địa kỹ thuật Thụy Điển đã nghiên cứu các cột vôi theo đề xuất của Jo. Kjeld Paúe sử dụng thiết bị thi công của Linden – Alimak. Năm 1974, tại Phần Lan đã sử dụng cột vôi - đất gia cố nền cho một công trình đê đất cao 6m, dài 8m nhằm mục đích phân tích hiệu quả của hình dạng và chiều cao cột về khả năng chịu tải (Rathmayer và Liminen, 1980). Trong những năm 1970-1980, các công trình nghiên cứu và ứng dụng tập trung chủ yếu vào việc tạo ra vật liệu gia cố, tối ƣu hóa hỗn hợp ứng với các loại đất khác nhau của các tác giả Nieminen Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 10 (1977), Vitanen (1977).
Các nghiên cứu này đã đƣợc Broms and Boman tổng kết và viết thành sách xuất bản vào năm 1977 [10].