CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU ĐẤT GIA CỐ, KHÁI QUÁT VỀ ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN, ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH KHU VỰC TỈNH BÌNH PHƯỚC 1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ GIA CỐ ĐẤT Một trong những nguyên tắc quan trọng trong xây dựng đường là tận dụng nguyên liệu địa phương. Gia cố đất tại chỗ để làm các lớp móng, nền đường sẽ giảm một khối lượng đất đá, sỏi lớn đặc biệt là giảm công vận chuyển nên giá thành xây dựng sẽ giảm đi, đặc biệt là những vùng khan hiếm đá. Đất có thể gia cố bằng các chất liên kết vô cơ (xi măng, vôi…), các chất liên kết hữu cơ (nhựa đường, các hợp chất cao phân tử…).
Chất lượng của các loại đất gia cố có thể sánh với các lớp đá dăm, cấp phối đá dăm. Đối với các vùng có khí hậu ẩm ướt, chế độ ẩm của đất bất lợi thì việc gia cố đất bằng các chất liên kết vô cư hay hữu cơ để làm các lớp nền trên cùng còn có tác dụng rất quan trọng là ngăn chặn nước ngầm thấm lên làm yếu các lớp trên của kết cấu mặt đường, tránh các tình trạng bùn đất phùn lên các kẽ đá. Trong những năm gần đây, nhiều nước đã sử dụng rộng rãi phương pháp gia cố đất bằng các chất liên kết vô cơ, hữu cơ trong xây dựng đường ô tô, sân bay và đã đem lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật cao. Ở nước ta, điều kiện khí hậu, điều kiện đất đai, vật liệu tại chỗ rất phù hợp với phương pháp sử dụng vật liệu gia cố.
Do vậy kỹ thuật sử dụng đất gia cố nên được áp dụng trong xây dựng đường ô tô. 4 Gia cố đất có nghĩa là tiến hành một loạt các khâu công nghệ liên tiếp nhằm tạo cho đất có cường độ cao và ổn định lâu dài không những trong trạng thái khô mà khi cả trạng thái bão hòa nước nhờ tác dụng của các chất liên kết hoặc các chất khác. Kỹ thuật gia cố đất trên thế giới hiện nay đang chú trọng các vấn đề sau: - Tìm cách nâng cao lực dính bám của các chất liên kết tại vùng tiếp xúc với các loại đất, với các liên kết - thể lớn và vị - thể của các loại đất. - Tìm cách cải thiện hơn nữa các tính chất cơ cấu của đất gia cố: như nâng cao độ ổn định nước, nâng cao hoặc giảm bớt khả năng biến dạng tùy theo loại cấu trúc, nâng cao cường độ, nâng cao tính chịu bào mòn.
- Nghiên cứu tìm ra các tác dụng có hiệu quả lớn của các chất phụ gia: phụ gia hoặc tính bề mặt mới và những hóa chất hoạt tính khác, dùng trong việc gia cố các loại đất sét thuộc nguồn gốc khác nhau và có các thành phần hóa – khoáng khác nhau. - Nghiên cứu và tìm cách sử dụng có hiệu quả nhất phương pháp gia cố đất tổng hợp đất (tổng hợp các chất gia cố). NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐẤT GIA CỐ Ở NƯỚC NGOÀI Ngay từ thế kỉ 17, tại nước Nga người ta đã sử dụng đất sét có thêm vôi để xây dựng pháo đài Ivangorotski. Cũng tại Nga, từ năm 1912 đã thí nghiệm thành công việc sử dụng đất đá cát có trộn thêm xi măng khi xây dựng các đường trong công viên.
Tuy nhiên tận đến năm 1925 thì việc nghiên cứu toàn diện và có hệ thống nhằm thay đổi tận gốc tính chất tự nhiên của các loại đất và sử dụng chúng làm tầng mặt hoặc tầng móng dường lần đầu tiên đã được M.Philatốp tiến hành ở Matxcơva và V.V Okhotin tiến hành ở Leeningrad trong Viện nghiên cứu khoa học đường bộ thuộc cục quản lý trung ương vận tải đường bộ. [10] 5 Những năm sau đó, các cán bộ khoa học của Viện nghiên cứu khoa học đường bộ toàn Liên Xô, của các viện nghiên cứu khoa học khác và các trường đại học đã cộng tác chặt chẽ với cán bộ sản xuất cùng hoàn chỉnh và phát triển thêm những phương pháp gia cố đất khác nhau bằng cách sử dụng các vật liệu vô cơ như xi măng vôi và hữu cơ như bitum, gudrông. Việc dùng đất gia cố xi măng làm móng áo đường đươc thí điểm lần đầu tại Matxcơva vào năm 1939 khi cho xây dựng lối đi vào triển lãm nông nghiệp toàn Liên Xô, diện tích móng đất gia cố xi măng là 20.000m2 đã cho kết quả tốt. Đến năm 1968, ở nhiều ngành và nhiều nước cộng hòa thuộc Liên Xô cũng xây dựng hơn 3000 km đường dùng xi măng làm áo đường trong những điều kiện khí hậu đất đai khác nhau.
Tới năm 1976, ở Liên Xô cũ, người ta xây dựng hơn 10000km nền đường bằng đất gia cố ở nhiều vùng khí hậu khác nhau. [2] Vào những năm 70, đất gia cố xi măng hoặc vôi đã được sử dụng rộng rãi trong công tác xây dựng đường ô tô, sân bay ở nhiều quốc gia trên khắp các châu lục. Ở các nước như Liên Xô cũ, Đức, Ấn Độ, Mỹ thực tế đã chứng minh ở những đoạn đường sử dụng đất gia cố vôi hoặc xi măng là kết cấu áo đường vẫn được khai thác tốt hơn hai ba chục năm. Có những loại đất không thích hợp với việc gia cố riêng rẽ với chất kết dính nào đó, người ta đã bổ sung thêm các thành phần phụ gia để việc gia cố hiệu quả hơn.
Ví dụ như đất gia cố xi măng có các phụ gia như vôi bột, clorua – canxi, thạch cao, các muối dễ hòa tan hoặc các chất hoạt tính bề mặt. Việc gia cố đất bằng các chất kết dính hữu cơ cũng được dùng khá rộng rãi. Ở Liên Xô cũ và một số nước ở Châu Âu, Châu Phi đã sử dụng bitum lỏng đông đặc chậm hoặc gudrông than đá để trộn với đất tại đường. Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm là công nghệ thi công phụ thuộc vào thời tiết.
6 Gần đây người ta sử dụng bitum đặc ở trạng thái nhũ tương hay vừa nhựa để gia cố đất. Nhìn chung cấu trúc, tính chất cơ học của đất gia cố chất liên kết hữu cơ phụ thuộc nhiều vào việc tuân theo các quy tắc công nghệ. Hiện nay ở nhiều nước trên thế giới người ta đang áp dụng các phương pháp gia cố đất tổng hợp. Phương pháp này có ưu điểm là áp dụng được cho mọi nguồn đất có thể khai thác gần nơi thi công nhất.
Gần đây nhiều nước cũng chú ý tới việc sử dụng keo polime tổng hợp làm chất liên kết trong xây dựng đường. Biện pháp này có nhiều ưu điểm vẫn còn quá đắt. Đất gia cố vôi đã được biết đến từ lâu nhưng việc nghiên cứu kỹ lưỡng và có hệ thống về nó mới chỉ được vài chục năm trở lại đây. Kết quả nghiên cứu của các tác giả như M.
Bricova… Cho thấy khi gia cố bằng vôi, các quá trình hình thành cấu trúc thứ sinh đã bến đổi cơ bản tính chất của đất, khiến cho đất có thể chịu lực và ổn định nước, phân tán đất tạo nên các khung cốt liệu của đất lại với nhau và tạo cho hốn hợp đất vôi trở nên toàn khối và vững chắc. [10] Những nghiên cứu của các nhà khoa học ở các nước khác nhau đã chứng minh rằng: vôi có tác dụng làm giảm hẳn hoặc mất hết tính dẻo của hầu hết các loại đất. Các kết quả nghiên cứu của Liên Xô cũ, Mỹ và một số nước khác đã cho kết luận là vôi thủy hóa cũng hiệu quả với hầu hết với tất cả các loại đất sét phân tán mịn, tuy rằng cường độ không cao như với các loại hỗ hợp đất đá dăm hay đất sỏi. Khi làm móng đường làm tỷ lệ vôi khoảng 5 – 10%, còn dùng các lớp đệm chỉ cần dùng 2 – 3% vôi.
Người ta cũng thường dùng vôi kết hợp với các loại chất phụ gia khác để tăng hiệu quả của gia cố. Các phụ gia thường dùng là các muối khác nhau như Na2SiO3, MgSO4, Na2SO4. Dùng tro bay làm chất kết dính với phụ gia là vôi để 7 gia cố đất để mang lại hiệu quả tăng cường độ. Ở Mỹ và Ấn Độ biện pháp này được sử dụng rộng rãi.
Davitxơn cho thấy: khi gia cố đất với vôi và tro, nâng cao khả năng ổn định nước của hỗn hợp gia cố. Qua trên có thể thấy rằng công việc nghiên cứu thử nghiệm và thi công các công trình có sử dụng vật liệu gia cố đã trải qua rất nhiều thập kỷ và hiện nay đã được phát triển một cách toàn diện và rộng rãi. NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG ĐẤT GIA CỐ Ở VIỆT NAM Ở Việt Nam, việc nghiên cứu để sử dụng đất gia cố như một vật liệu trong xây dựng đường được tiến hành tương đối sớm, từ những năm 1961 – 1962 ở Bộ môn Đường trường Đại học Bách Khoa. Về sau, các cơ quan nghiên cứu khác như Viện Kỹ thuật giao thông, Viện Thiết kế giao thông, Viện Quy hoạch thành phố thuộc Bộ kiến trúc, trường đại học Giao thông, trường Đại học Xây dựng… đã tiến hành các nghiên cứu với quy mô ngày càng được mở rộng.
Đề tài này đã được Ủy Ban Khoa Học và Kỹ Thuật Nhà nước coi là đề tài quan trọng. Viện Kỹ thuật Giao thông (nay là Viện Khoa Học Công Nghệ GTVT) và phân viện KHCN GTVT phía Nam kết hợp với các đơn vị địa phương đã xây dựng thí điểm nhiều đoạn đường bằng vật liệu đất gia cố vôi, đất gia cố xi măng ở nhiều địa phương khác nhau như: Hà Nam Ninh cũ, Vĩnh Phú, Hà Bắc, Long An, Trà Vinh, Vĩnh Long, Đồng Tháp… và gần đây là Hà Tây, Tây Ninh, Tiền Giang với công nghệ hiện đại. Trong những năm qua ở phía Bắc, các loại đất được nghiên cứu gia cố bao trùm từ đồng bằng, trung du đến miền núi, ở một số đoạn trên dãy Trường Sơn. Ở phía Nam đã tiến hành với các loại đất đỏ bazan ở Tây Nguyên và Đông Nam Bộ, các loại đất bùn sét ở miền Tây.
8 Biện pháp được nghiên cứu gia cố nhiều nhất cho đến nay là sử dụng chất liên kết vô cơ (vôi và xi măng), trong đó vôi và xỉ vôi vẫn phổ biến nhất vì dễ kiếm và rẻ tiền. Ta có thể điểm lại một số công trình thử nghiệm đất gia cố vôi ở Việt Nam [2], [10]: - Thí điểm đất gia cố vôi trên đường Trần Hưng Đạo, Hà Nội năm 1963. - Đoạn thí điểm trên phần mở rộng đường Hàng Bột cũ do trường đại học Xây dựng kết hợp với Công ty Xây dựng Cầu đường Hà Nội làm năm 1974. Kết cấu lớp móng dưới bằng đất gia cố 8% vôi, dày 18cm; lớp móng trên đất gia cố 12% vôi dày 15cm, lớp mặt nhựa thấm nhập sâu dày 8cm.