ĐẶT VẤN ĐỀ Đất trộn xi măng (soilcrete) là vật liệu được sử dụng gia cố nền đất yếu trên thế giới và ở Việt Nam. Gần đây, soilcrete được ứng dụng cho các công trình chống thấm như đê bao ngăn lũ, đập, tường vây hố đào, tường ngăn chống ô nhiễm mực nước ngầm, v. Vì vậy, hệ số thấm soilcrete là một thông số quan trọng nhưng chưa được nghiên cứu toàn diện. Ở Việt Nam, nhiều công trình áp dụng soilcrete làm vật liệu chống thấm như tường vây và đáy hố đào, tường chống thấm đê đất, v., nhưng các kết quả thí nghiệm trong phòng và hiện trường để xác định trực tiếp hệ số thấm soilcrete còn hạn chế [6].
Các nguyên nhân có thể là thiết bị đầu tư tốn kém (nếu nhập trực tiếp từ Mỹ khoảng 5.000 USD/bộ hoàn chỉnh, Humboldt), thời gian thí nghiệm có thể kéo dài từ 6-12 tuần/1 thí nghiệm, và quá trình thí nghiệm cần nhiều kinh nghiệm và kiến thức nền của người thực hiện để có kết quả tin cây (như chống rò rỉ dọc thành, cố kết mẫu, v. Vì vậy, hệ số thấm thường được xác định một cách gián tiếp thông qua thí nghiệm nén cố kết cho các loại đất sét. Tuy nhiên, giá trị hệ số thấm theo phương pháp này thường thấp hơn 10-100 lần đất nguyên dạng do mẫu đất bị cố kết, hệ số rỗng giảm sau quá trình cố kết dưới áp lực nén cố kết. Hơn nữa, việc nghiên cứu xác định hệ số thấm soilcrete trong nước đều có hàm lượng hạt cát cao (vật liệu có hệ số thấm cao) và dùng thiết bị thí nghiệm đơn giản như ống thành cứng với nguyên lý cột áp không đổi [6].
Hệ thống thiết bị này tiềm ẩn nguy cơ rò rỉ hay dòng thấm chạy dọc theo thành thay vì phải thấm xuyên qua vật liệu soilcrete trong quá trình thí nghiệm, đặc biệt khi áp đặt độ dốc thuỷ lực cao (ví dụ > 30). Hệ số thấm soilcrete nhận được có thể sẽ cao hơn thực tế. Hệ số thấm soilcrete ở Việt Nam vẫn chưa có công trình nghiên cứu chính thức được công bố trong nước và quốc tế. 2 Đề tài tập trung nghiên cứu chế tạo và vận hành thiết bị đo thấm, phân tích hệ số thấm soilcrete theo hàm lượng xi măng và theo thời gian bảo dưỡng, và ứng dụng hệ số thấm để tăng ổn định đường ven sông.
Kết quả nghiên cứu này nhằm khẳng định tính thấm thấp của soilcrete hay soilcrete có khả năng chống thấm tốt sẽ mở ra nhiều ứng dụng thực tiễn như sử dụng soilcrete làm lõi chống thấm cho đập đất, chống thấm cho đê bao trong mùa lũ, ngăn nước ngầm trong các hố đào, ngăn thấm dung dịch chứa các chất ô nhiễm của các khu xử lý rác thải có khả năng làm ô nhiễm nước ngầm, v. TÓM TẮT NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN Nghiên cứu tổng quan trình bày thông tin khái quát vật liệu soilcrete, thấm và các kết quả nghiên cứu từ nhiều nhà khoa học trên thế giới về hệ số thấm soilcrete trên thế giới. Kết quả nghiên cứu tổng quan giúp hiểu rõ khía cạnh hệ số thấm soilcrete trong nước và thế giới đem lại định hướng cho nghiên cứu. Phần nghiên cứu tổng quan của luận văn sẽ được trình bày chi tiết ở Phụ lục A.
Các điểm nổi bật trong nghiên cứu trong nghiên cứu tổng quan được trình bày tóm tắt như sau: Tổng quan về vật liệu soilcrete Soilcrete được tạo ra bằng phương pháp đơn giản dùng đất tại chỗ trộn với xi măng dùng đề cải tạo đất. Công nghệ đất trộn xi măng được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực xây dựng như tường ngăn chống thấm, Cải tạo nền đất yếu, Giảm tác động của động đất [7] v. Các phản ứng hóa học giữa đất và xi măng xảy ra ngay lập tức khi dùng đất trộn với xi măng, làm thay đổi các tính chất cơ-lý hóa của đất, và tạo ra soilcrete giúp cải thiện tăng cường độ, độ cứng và giảm hệ số thấm v. so với đất chưa xử lý.
Phản ứng hóa học giữa đất và xi măng tạo ra soilcrete được chia ra làm ba loại: phản ứng thủy hóa, phản ứng trao đổi ion và phản ứng pozzolanic.1 Các đặc trưng vật lý soilcrete 2.1 Độ ẩm Khi gia cố đất bằng xi măng, độ ẩm của đất gia cố giảm so với đất chưa gia cố do phản ứng thủy hóa giữa nước và xi măng gây ra làm giảm lượng nước trong đất [2], Kawasaki et al. 1978 (nguồn từ [7]) và Uddin et al.2 Khối lượng riêng Đối với phương pháp trộn ướt, khối lượng riêng của soilcrete tăng khi hàm lượng xi măng nhưng không đáng kể. Khi đất trộn xi măng bằng phương pháp trộn khô, khối lượng riêng soilcrete tăng nhanh khi tăng hàm lượng xi măng [2], [7].3 Hệ số thấm Trong cùng hàm lượng xi măng và thời gian bảo dưỡng, hệ số thấm soilcrete giảm so với đất chưa gia cố [7], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21]. Hệ số thấm soilcrete có giá trị khoảng 10-7 đến 10-11 m/s [7], [22].2 Các đặc tính kỹ thuật của soilcrete 2.1 Mô đun đàn hồi cát tuyến, E50 Tỉ số E50 và qu của vật liệu soilcrete có giá trị khoảng từ 200 - 300 lần trong đất hạt mịn và 1000 lần trong đất hạt thô [23].
Khi qu < 2 MPa, soilcrete có E50 cao hơn từ 50 - 300 lần so với qu và từ 300 - 1000 lần so với qu khi qu > 2 MPa [24].2 Biến dạng lúc phá hoại Biến dạng lúc phá hoại của soilcrete giảm khi tăng hàm lượng xi măng [2], Uddin et al. Biến dạng lúc phá hoại, f , của soilcrete thường từ 1-3% [7], [25], [26] .3 Hệ số Poison Hệ số poison không lệ thuộc quá nhiều vào loại đất thí nghiệm và gần như bằng nhau khi đất trộn xi măng trong phòng thí nghiệm hay ngoài hiện trường [7]. Hệ số Poison có giá trị khoảng 0.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ soilcrete 2.1 Hàm lượng xi măng Khi tăng hàm lượng xi măng cường độ soilcrete tăng [2], Babasaki et al.2 Loại xi măng Soilcrete tạo ra từ xi măng xỉ có cường độ cao hơn xi măng Portland với cùng hàm lượng xi măng [7], [26], [27].3 Loại đất Cường độ soilcrete trong đất rời (đất cát) cao hơn trong đất dính (đất sét, bùn sét) với cùng hàm lượng xi măng [7], [29], [33]. Đất chứa hàm lượng hữu cơ càng cao làm giảm cường độ soilcrete [7], [24], [34], [35],[36] Đất có độ pH càng cao thì cường độ soilcrete càng cao [7], [34], [35] Đất có độ ẩm càng cao thì cường độ soilcrete sẽ càng giảm [24], [28], [37], [38].4 Điều kiện trộn Thời gian trộn và đóng khuôn soilcrete thực hiện trong phòng thí nghiệm không nên quá 30 phút [7], [34], [36].5 Thời gian bảo dưỡng Cường độ đất gia cố tăng theo thời gian bảo dưỡng [7], [10], [34], [26], [36], [39] 5 Tổng quan về thấm Thấm được định nghĩa là đặc trưng của đất cho phép nước chảy qua các lỗ rỗng trong đất liên kết với nhau khi có độ chênh cột áp tổng ở 2 vị trí bất kì.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số thấm Hệ số thấm chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố như ảnh hưởng thành phần hạt của đất, hình dạng và cấu trúc hạt đất, thành phần khoáng vật trong đất, độ rỗng độ bão hòa và nhiệt độ của nước.2 Mối quan hệ của hệ số thấm đối với đất rời và đất dính Một số công thức thực nghiệm cho hệ số thấm được đề xuất dựa trên các nghiên cứu : Hazen (1930), Carrier (2003) thí nghiệm trên đất cát; Mesri and Olson (1971), Taylor (1948), Samarsinghe et al.(1982), Raju et al.(1995), Tavenas et al.3 Mối quan của hệ số thấm theo phương đứng và phương ngang trong lớp đất Đất có tính dị hướng với hệ số thấm, hướng của thấm đứng và ngang vuông góc với nhau, độ thấm tối đa theo hướng nằm ngang.
Đối với đất có nhiều lớp, hệ số thấm tương đương quy đổi phụ thuộc vào hướng dòng chảy trong đất.4 Xác định hệ số thấm trong phòng thí nghiệm Hệ số thấm thí nghiệm trong phòng thường xác định theo 3 phương pháp phổ biến [40]: Thí nghiệm cột áp đầu vào không đổi - cột áp đầu ra không đổi (Constant-head test): phù hợp cho loại đất hạt thô có hệ số thấm cao. Thí nghiệm cột áp đầu vào thay đổi - cột áp đầu ra không đổi (Falling-head test): phù hợp cho loại đất hạt mịn có hệ số thấm thấp. 6 Xác định gián tiếp từ thí nghiệm cố kết (Consolidation test): Thí nghiệm cố kết có thể sử dụng để xác định hệ số thấm cho loại đất dính 2.5 Thiết bị đo thấm trong phòng thí nghiệm Trên thế giới, các thiết bị để xác định hệ số thấm trực tiếp được sử dụng phổ biến như thiết bị thấm thành cứng (ASTM D5856) [41] và thiết bị thấm thành mềm (ASTM D5084) [42]. Quá trình lắp đặt vận hành thiết bị thấm thành cứng có phần đơn giản hơn thiết bị thấm thành mềm.
Tuy nhiên, thiết bị thấm thành mềm có sử dụng nhiều loại mẫu khác nhau, màng cao su giúp bám sát thành mẫu giúp hạn chế rò rỉ dọc thành mẫu. Ở Việt Nam, hệ số thấm đa số xác định gián tiếp bằng thí nghiệm nén cố kết. Việc xác định hệ số thấm trực tiếp còn hạn chế do chi phí cao và cần nhiều kinh nghiệm. Chi phí nhập một bộ thiết bị thấm thành cứng khoảng 25 triệu (Humboldt, Gilson) và khoản 230 triệu đối với trọn bộ thiết bị thấm thành mềm (Humboldt, Gilson).6 Xác định hệ số thấm ngoài hiện trường Hệ số thấm ở ngoài hiện trường có thể được xác định bằng thí nghiệm giếng bơm và thí nghiệm bơm từ hố khoan khảo sát.
Tổng quan về thấm soilcrete 2.1 Hàm lượng xi măng Hệ số thấm soilcrete giảm khi tăng hàm lượng xi măng [7], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21]. Ngoài ra, một số nghiên cứu khác cho thấy hệ số thấm tăng trở lại khi hàm lượng xi măng tăng [43], [44], [45].2 Thời gian bảo dưỡng Thời gian bảo dưỡng là yếu tố quan trọng tác động đến hệ số thấm của soilcrete. Dựa trên các nghiên cứu của nhiều tác giả, hệ số thấm của soilcrete giảm khi tăng thời gian bảo dưỡng [20], [21], [44], [45], [46], [47], [48].3 Phụ gia Phụ gia được sử dụng rộng rãi trên thế giới giúp cải thiện đặc trưng cơ học của soilcrete trong đó có tác động đến khả năng thấm. Các loại phu gia như Metakaolin, Bentonite, Silica fume và water reducer giúp giảm hệ số thấm của đất trộn xi măng [15], [18], [21].4 Loại đất Đất sét có thành phần hạt mịn nên có hệ số thấm thấp hơn đất cát.
