Luận văn thạc sĩ địa kỹ thuật xây dựng nghiên cứu sự thay đổi sức chống cắt của đất yếu trộn vôi kết hợp với xi măng ở khu vực cần thơ

**Mô tả SEO cho bài viết** Nghiên cứu sức chống cắt của đất yếu trộn vôi và xi măng tại Cần Thơ, phân tích hiệu quả và ứng dụng trong xây dựng.

• Tác giả: Võ Văn Đấu
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Võ Phán
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng
• Đề tài: Nghiên cứu sự thay đổi sức chống cắt của đất yếu trộn vôi kết hợp với xi măng ở khu vực Cần Thơ
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu và đặt vấn đề

Nghiên cứu tập trung vào sức chống cắt của đất yếu tại Cần Thơ khi được xử lý bằng phương pháp trộn vôi và xi măng. Đất nền tại Cần Thơ chủ yếu là bùn sét, bùn sét hữu cơ, và bùn sét pha, với độ ẩm cao và hệ số rỗng lớn. Điều này gây khó khăn cho việc xây dựng các công trình xây dựng trên nền đất này. Phương pháp trộn vôi và xi măng được đề xuất như một giải pháp hiệu quả để cải tạo đất, tăng tính chất cơ học và giảm độ lún của đất. Nghiên cứu này nhằm xác định hàm lượng tối ưu của vôi và xi măng để đạt hiệu quả kỹ thuật và kinh tế cao nhất.

1.1. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu là đánh giá sự thay đổi sức chống cắt của đất yếu khi trộn với vôi và xi măng. Cụ thể, nghiên cứu tập trung vào việc xác định sự thay đổi về độ ẩm, tỉ trọng hạt, hàm lượng hữu cơ, và các chỉ tiêu cơ lý khác của đất. Kết quả nghiên cứu sẽ được ứng dụng để tính toán ổn định của nền đất đắp và các công trình dân dụng tại Cần Thơ.

1.2. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng kết hợp phương pháp lý thuyết và thực nghiệm. Phần lý thuyết tập trung vào tổng quan các nghiên cứu về trộn vôi và xi măng để gia cố đất yếu. Phần thực nghiệm bao gồm chế bị mẫu thử và thử nghiệm để xác định các tính chất cơ lý của đất. Kết quả thí nghiệm sẽ được phân tích và ứng dụng vào tính toán ổn định nền đất bằng phần mềm Plaxis.

II. Tổng quan về nghiên cứu đất trộn vôi và xi măng

Nghiên cứu tổng quan về đất yếu và các phương pháp xử lý bằng trộn vôi và xi măng đã được thực hiện trên thế giới và tại Việt Nam. Các nghiên cứu cho thấy, việc sử dụng vôi và xi măng để gia cố đất yếu mang lại hiệu quả cao trong việc tăng sức chống cắt và giảm độ lún của đất. Tuy nhiên, hiệu quả của phương pháp này phụ thuộc vào loại đất, hàm lượng hữu cơ, và tỉ lệ vôi - xi măng sử dụng.

2.1. Nghiên cứu trên thế giới

Các nghiên cứu tại Thụy Điển, Nhật Bản, và Mỹ đã chỉ ra rằng, trộn vôi và xi măng vào đất yếu giúp tăng cường độ và giảm biến dạng của đất. Kết quả thí nghiệm cho thấy, cường độ của đất gia cố tăng theo thời gian và hàm lượng vôi - xi măng. Tuy nhiên, hiệu quả gia cố phụ thuộc vào loại đất và điều kiện môi trường.

2.2. Nghiên cứu tại Việt Nam

Tại Việt Nam, phương pháp trộn vôi và xi măng đã được ứng dụng trong một số công trình như sân bay Cần Thơ và nhà máy nhiệt điện Ô Môn. Kết quả nghiên cứu cho thấy, cường độ của đất gia cố tăng đáng kể khi hàm lượng xi măng vượt quá 12%. Tuy nhiên, hiệu quả của phương pháp này vẫn cần được nghiên cứu thêm để tối ưu hóa trong điều kiện đất yếu tại Đồng bằng sông Cửu Long.

III. Cơ sở lý thuyết và phương pháp thực nghiệm

Nghiên cứu dựa trên cơ sở lý thuyết về tính chất cơ học của đất và các phản ứng hóa học xảy ra khi trộn vôi và xi măng vào đất. Phương pháp thực nghiệm bao gồm chế bị mẫu thử và thử nghiệm để xác định các chỉ tiêu cơ lý của đất. Kết quả thí nghiệm sẽ được sử dụng để tính toán ổn định nền đất và mô phỏng bằng phần mềm Plaxis.

3.1. Cơ sở lý thuyết

Cơ sở lý thuyết của nghiên cứu dựa trên nguyên lý tương tác giữa đất gia cố và đất xung quanh dưới tác dụng của tải trọng. Các phản ứng hóa học giữa vôi, xi măng, và đất giúp tăng lực dính và góc nội ma sát của đất. Điều này làm tăng sức chống cắt và giảm biến dạng của đất.

3.2. Phương pháp thực nghiệm

Phương pháp thực nghiệm bao gồm chế bị mẫu thử với các tỉ lệ vôi - xi măng khác nhau và thử nghiệm để xác định các chỉ tiêu cơ lý như độ ẩm, tỉ trọng hạt, và sức chống cắt. Kết quả thí nghiệm sẽ được phân tích để tìm ra tỉ lệ tối ưu của vôi và xi măng, từ đó ứng dụng vào tính toán ổn định nền đất.

IV. Kết quả và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy, trộn vôi và xi măng vào đất yếu tại Cần Thơ giúp tăng đáng kể sức chống cắt và giảm độ lún của đất. Tỉ lệ tối ưu của vôi và xi măng được xác định dựa trên kết quả thí nghiệm. Nghiên cứu này có ý nghĩa thực tiễn cao trong việc thiết kế và xây dựng các công trình trên nền đất yếu tại Đồng bằng sông Cửu Long.

4.1. Kết quả thí nghiệm

Kết quả thí nghiệm cho thấy, cường độ của đất gia cố tăng theo thời gian và hàm lượng vôi - xi măng. Tỉ lệ tối ưu của vôi và xi măng được xác định là 8% vôi và 12% xi măng. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về trộn vôi và xi măng để gia cố đất yếu.

4.2. Ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu này có thể được ứng dụng trong việc thiết kế và xây dựng các công trình trên nền đất yếu tại Cần Thơ và các khu vực lân cận. Kết quả nghiên cứu cung cấp các thông số kỹ thuật quan trọng để tính toán ổn định nền đất và lựa chọn phương pháp gia cố phù hợp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương 1: Các kết quả nghiên cứu sức chống cắt của đất trộn vôi xi măng trong phòng thí nghiệm trong nước và trên thế giới cho thấy: 1/ Cọc đất vôi và đất xi măng đóng vai trò gia cường nền. Đây là giải pháp công nghệ thích hợp để gia cố nền đất yếu. 2/ Các chỉ tiêu về cường độ, biến dạng phụ thuộc vào thời gian, loại đất nền, hàm lượng hữu cơ, thành phần hạt và hàm lượng xi măng và vôi sử dụng. 3/ Với các loại đất khác nhau thì hàm lượng vôi xi măng khác nhau, khi xử lý nền đất yếu nếu chỉ sử dụng vôi và xi măng riêng lẻ thì hiệu quả gia tăng cường độ của đất không cao.

4/ Cường độ của đất gia cố chỉ bắt đầu gia tăng khi hàm lượng xi măng >12%, hoặc khi hàm lượng vôi + xi măng đạt khoảng 20%. Mức độ tăng nhanh của cường độ ở 28 ngày và tốc độ tăng này sẽ giảm dần theo thời gian. 5/ Sức chống cắt không thoát nước sau khi xử lý đất nền thay đổi đáng kể theo chiều hướng tăng hàm lượng vôi/xi măng và thời gian bảo dưỡng. Đất gia cố bằng vôi, xi măng thể hiện tính dòn, tính dòn của đất tăng theo thời gian bão dưỡng và hàm lượng chất kết dính và sức chống cắt có hướng giảm khi khi hàm lượng xi măng >15%, hoặc khi hàm lượng vôi + xi măng > 20%.

6/ Cọc đất vôi, đất xi măng nên được dùng rộng rãi để gia cố đất nền. Đây là giải pháp hữu ích, không cần thời gian chất tải, tăng cường độ ổn định của nền. 7/ Ở TP Cần Thơ đã có các công trình sử dụng cọc xi măng đất để gia cố nền, tuy nhiên chưa có công trình nào sử dụng phương pháp đất trộn vôi kết hợp với xi măng, nhưng qua các nghiên cứu trên thế giới và trong nước thì bài toán đất trộn vôi kết hợp với xi măng là bài toán khả thi, bởi lẽ: 8/ Đất yếu vùng đồng bằng sông Cửu Long, có độ ẩm cao, nhiều chất hữu cơ, nên cường độ sức chống cắt thấp, tính nén lún cao. Một số vùng đất còn bị nhiễm phèn, mặn ( đất acid).

13 9/ Vôi có hai công dụng chính là cung cấp chất Calcium và sửa chữa độ chua của đất cho thích hợp với từng lọai cây trồng. Loai đá vôi, loại Dolomite lime và hydrate lime dùng để cải thiên đất phèn, đất chua [đất acid]. Đặc biệt, vôi hút nước trong đất sét yếu ở đồng bằng sông Cửu Long nói chung và ở Cần Thơ nói riêng. 10/ Xi măng được chọn là phụ gia để tăng nhanh quá trình đông kết và giúp cho sự phân tán các hạt được tốt hơn.

14 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ VÀ MÔ ĐUN BIẾN DẠNG CỦA MẪU ĐẤT TRỘN VÔI VÀ XI MĂNG Cột đất vôi xi măng và đất xung quanh cùng tương tác làm việc như một khối gọi là khối gia cố với nguyên lý cùng biến dạng như nhau dưới tác dụng của tải trọng ngoài 2.1 Các điều kiện áp dụng [4] Bài toán gia cố đất vôi / xi măng có 3 điều kiện cần thỏa mãn: Điều kiện về cường độ: lực dính và góc nội ma sát tương đương của khối nền được gia cố phải thỏa mãn điều kiện sức chịu tải dưới tác dụng của tải trọng công trình. Điều kiện về biến dạng: mô đun biến dạng của khối nền được gia cố phải thỏa mãn điều kiện lún của công trình. Điều kiện thoát nước: Áp lực nước lỗ rổng dư trong đất cần được tiêu tán càng nhanh càng tốt. Do đó, quá trình thiết kế là quá trình bố trí hệ nền cột đất vôi xi măng trong diện tích chịu tải và kiểm tra lại cường độ của cột đất vôi xi măng sao cho ứng suất tác dụng lên cột và đất xung quanh không vượt quá cường độ của cột và đất nền.

Để thiết kế cột đất vôi xi măng, ta lần lượt xác định các thông số của đất nền, xác định hàm lượng tối ưu của vôi xi măng mà mẫu đạt cường độ lớn nhất thông qua thí nghiệm nén không hạn chế nở hông và thí nghiệm cắt trực tiếp, từ đó ứng dụng các thông số tìm được tính toán ổn định của nền đất đắp, đồng thời dùng phần mềm Plaxis mô phỏng lại các bài toán trên để tìm ra giải pháp tốt nhất cho việc xử lý nền đất yếu hiện nay nghiên cứu này trở thành một trong những giải pháp nền móng hợp lý cho các loại công trình.2 Cơ sở để cải tạo đất bằng phương pháp trộn vôi [2] Việc gia cố bùn sét hữu cơ, bùn sét pha, sét pha bằng vôi được giải thích là do tác dụng tương hỗ hoạt tính hoá học và hoá lý của phần nhôm silicat của đất với vôi. Do đó hoạt tính hoá học, lý học của phần phân tán mịn của đất được xem như một dự trữ tiềm năng để nâng cao cường độ đất gia cố. Nếu sử dụng đúng và khéo léo tiềm năng này thì có thể đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật cao và chỉ tốn một lượng tương đối nhỏ chất liên kết. Để gia cố đất thường dùng vôi bột, vôi tôi hoặc loại vôi chưa tôi kỵ nước.

Đối với vôi tôi hiệu quả lớn nhất khi trộn nó vào sét sỏi, còn vôi bột có hiệu quả khi trộn vào đất quá ẩm. Có thể sử dụng vôi như một chất liên kết độc lập hoặc như một chất phụ gia hoạt tính khi gia cố đất quá ẩm bằng xi măng. Giáo sư Vuutx đã tiến hành nghiên cứu nhiều mặt về hiệu quả của vôi đối với việc gia cố đất và thấy rằng tính dẻo của hầu hết các loại đất bị giảm xuống hoặc bị mất, lực dính tăng 1,5 - 3 lần. Nếu trộn vôi bột chưa tôi vào đất thì đầu tiên có phản ứng vôi tôi: CaO + H2O = Ca(OH)2 + 15,3 Kcal (2.1) Nhờ nhiệt lượng toả ra do phản ứng mà nước trong đất bốc hơi làm giảm độ ẩm của đất.

Nhờ có phản ứng trên mà vôi bột được sử dụng để cải tạo các loại đất sét bão hoà nước và than bùn. Hydrôxit canxi được tạo ra sẽ tham gia vào các quá trình hoá lý và hoá học trong hỗn hợp đất – vôi. Đầu tiên hydrôxit canxi tham gia vào phản ứng thuỷ hoá với thành phần SiO có trong khoáng vật của đất sét, phương trình phản ứng như sau: Ca(OH)2+SiO2+n.3) Quá trình trên diễn ra liên tục và lâu dài tạo ra cấu trúc kết tinh. Đặc điểm của cấu trúc kết tinh là cường độ cao và ổn định với nước.

Trong hai phương trình trên thì phương trình (2.2) quan trọng hơn bởi vì trong nhóm khoáng sét chủ 16 yếu có hàm lượng SiO2, còn hàm lượng Al2O3.2SiO2 rất nhỏ. Nếu làm tăng độ hoà tan các thành phần SiO2, Al2O3.2SiO2 trong đất thì sẽ làm tăng đáng kể độ bền của đất gia cố. Mặt khác, trong môi trường nước lỗ rỗng hydrôxit canxi được tạo thành sẽ phân ly theo phương trình: H 2O Ca(OH)2 Ca2+ + 2.4) Do nồng độ cao nên các cation canxi hoàn toàn có khả năng trao đổi với các cation kim loại khác có trong tầng khuyếch tán của hạt keo sét và hấp thụ ngay trên bề mặt của chúng. Kết quả làm cho bề dày tầng khuếch tán giảm đi, lực hút giữa các hạt keo sét tăng, chúng sẽ liên kết với nhau hình thành cấu trúc keo tụ.

Mặt khác tính nhớt, tính háo nước của các hạt sét giảm. Khi đầm nén ở độ ẩm tối ưu thì khối lượng thể tích đất -vôi khô dễ dàng tăng lên. Diện tích tiếp xúc giữa các hạt, các hợp thể trong hỗn hợp tăng lên, làm tiền đề để hình thành các mối liên kết bền vững giữa các hạt và các hợp thể của đất. Cùng với các quá trình trên, sự cacbonat hoá vôi cũng góp phần làm tăng độ bền của đất gia cố.

Một phần hydrôxit canxi được tạo thành tác dụng với CO2 có trong pha khí của đất tạo ra CaCO3, CaCO3 cũng gắn kết các thành phần của pha rắn lại với nhau. Phương trình phản ứng như sau: Ca(OH)2 + CO2= CaCO3 + H2O (2.5) Như vậy các quá trình hoá lý học xảy ra giữa đất và vôi có tác dụng tương hỗ lẫn nhau hình thành nên độ bền của đất gia cố. Đóng vai trò quan trọng nhất của các quá trình trên là hydrôsilicatcanxi. Nền móng của các công trình xây dựng nhà ở, đường sá, đập chắn nước và một số công trình khác trên nền đất yếu thường đặt ra hàng loạt các vấn đề phải giải quyết như sức chịu tải của nền thấp, độ lún lớn và độ ổn định của cả diện tích lớn.

Đồng bằng sông cửu long được biết đến là nơi có nhiều đất yếu, nhiều 17 công trình quan trọng được hình thành và phát triển trên nền đất yếu với những điều kiện hết sức phức tạp của đất nền, thực tế này đã đòi hỏi phải hình thành và phát triển các công nghệ thích hợp và tiên tiến để xử lý nền đất yếu.3 Cơ sở để cải tạo đất bằng phương pháp trộn xi măng [2][8] Hạt xi măng Portland là một hợp chất bao gồm Tricalcium Silicate (C3S), Dicalcium Silicate ( C2S), Tricalcium Aluminate (C3A) và các chất rắn hòa tan như Tetracalcium Alumino-Ferrit (C4A). Bốn phần tử chính này tạo nên sản phẩm hỗn hợp tạo độ bền chủ yếu. Khi nước lỗ rỗng của đất gặp xi măng, thủy hóa xi măng xảy ra nhanh chóng và sản phẩm của sự thủy hóa chính yếu ban đầu này là Hydrated Calcium Silicate (C3SHX, C3S2HX), Hydrated Calcium Aluminate (C3SAX, C3S2AX) và Hidrocid vôi Ca(OH)2. Hai sản phẩm kết dính xi măng chính được hình thành và thủy hóa vôi được sử dụng như pha tinh thể rắn tách biệt.

Những phần tử xi măng này kết hợp các hạt xi măng nằm kế bên với nhau trong suốt quá trình hóa cứng để tạo thành hỗn hợp bộ khung bao quanh các hạt đất nguyên vẹn. Các pha Silicate và Aluminate được kết hợp nội tại, do đó hầu như không có pha nào kết tinh hoàn toàn. Một phần của Ca(OH)2 cũng có thể kết hợp với các pha Hydrate khác, chỉ có một phần được kết tinh. Hơn nữa thủy hóa xi măng dẫn đến gia tăng độ pH của nước lỗ rỗng gây ra bởi sự phân ly của vôi Hydrate.

Các bazơ mạnh hòa tan Silicate và Aluminate từ cả khoáng vật sét và các chất vô định hình khác trên những mặt của các hạt sét, theo cách tương tự như phản ứng acid yếu và bazơ mạnh. Các Silica và Alumina ngậm nước sau đó sẽ từ từ phản ứng với các ion Calcium tự do từ sự thủy phân xi măng để tạo thành hợp chất không hòa tan. Phản ứng thứ yếu này được gọi là phản ứng puzzola.