Phần mở đầu: Trình bày các vấn đề tổng quan về đề tài nghiên cứu của Luận văn thạc sĩ như: Tính cấp thiết, mục tiêu, đối tượng và phương pháp nghiên cứu. Tổng quan về trụ đất xi măng: Nghiên cứu tổng quan về sự làm việc của trụ đất xi măng. Các phương pháp gia cố đất yếu được sử dụng hiện nay cũng như phương pháp gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng. Chương này cũng trình bày về lịch sử phát triển và nguyên lý thi công của phương pháp này.
Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của vật liệu đất trộn xi măng: Tạo mẫu đất trộn xi măng với các hàm lượng xi măng khác nhau và thí nghiệm 2 nén các mẫu đất trộn xi măng này để tìm ra hàm lượng xi măng thích hợp cho việc gia cố nền đất yếu tại huyện Chợ Gạo – tỉnh Tiền Giang. Tính toán gia cố chống sạt trượt bằng trụ đất xi măng cho công trình ven kênh Chợ Gạo – tỉnh Tiền Giang: Mô hình tính toán có mặt cắt ngang từ mặt cắt ngang của kênh Chợ Gạo và các tính chất của đất và trụ đất xi măng được thí nghiệm từ các thí nghiệm ở phần trên. Sử dụng phần mềm Plaxis để kiểm tra môment uốn, ứng suất dọc trục và chuyển vị ngang. Các kết quả tính toán và mô phỏng được phân tích và so sánh với nhau.
Phần kết luận và kiến nghị: Trình bày các kết quả và kiến nghị của nghiên cứu. TỔNG QUAN VỀ TRỤ ĐẤT XI MĂNG Giới thiệu Trong những năm gần đây, có nhiều phương pháp xử lý và gia cố nền đất yếu phát triển mạnh. Han-Georg Kempfert (2006) đã phân loại phương pháp xử lý và gia cố nền đất yếu theo ba nhóm chính là cố kết, thay thế đất và các phần tử dạng trụ như Hình 1. Soil improvement and stabilisation method Consolidation Soil replacement Colum type element Static Dynamic Replacement Replacement Consolidation Consolidation by excavation by displacement Stone/ gravel columns (20) Grounted stone/ gravel columns (21) Sand compaction piles (22) Geotextil encased sand/ gravel column (23) CSV-lime columns (24) Jet grouting (25) Preloading (1) With schovel excavator (12) Surcharging (2) Using vibration box (13) Deep mix method (26) Groundwater lowering (3) Using vibration cylinder (pipe) (14) Consolidation with vacuum (4) Using feeder equipment (15) Precast stone-mortar columns (27) Alectro-osmosis (5) Vibro-concrete columns (28) Pressure grouting (6) Displacement piles (29) Bored piles (30) Vibrocompaction (7) Vibrodisplacement (16) Vibroflotation (8) Displacement by surcharging (17) Impact (tamping) compaction (9) Displacement by blasting (18) Impuls compaction (10) Displacement by driving in stones (19) Blasting (11) Hình 1.1 Phân loại phương pháp xử lý và gia cố nền đất yếu Phương pháp cơ học để thi công trụ gia cố vào đất bằng thiết bị trộn được gọi là phương pháp trộn sâu (DMM – Deep Mixing Method).
DMM trở thành một thuật ngữ chung để mô tả kỹ thuật cải tạo đất yếu. (2000) đã đề nghị các kỹ thuật này được phân loại dựa trên các đặc điểm: 1) Phương pháp đưa chất kết dính vào đất, 2) Phương pháp trộn, và 3) Vị trí của các lưỡi trộn. Công nghệ trộn sâu có nhiều thuật ngữ và từ viết tắt.1 chỉ ra một số từ viết tắt và thuật ngữ dùng trong thi công và nghiên cứu (Filz, 2005). Một số cụm từ 4 khác đôi khi cũng được dùng như Mixed – in – Place piles, in situ soil mixing và soil cement columns.
Trong nghiên cứu này sẽ sử dụng thuật ngữ trộn sâu (DMM – Deep Mixing Method) và sản phẩm của quá trình thi công trộn sâu là trụ đất xi măng.1 Một số thuật ngữ và từ viết tắt SMW Soil Mix Wall DSM Deep Soil Mixing DCM Deep Chemical Mixing CDM Cement Deep Mixing DMM Deep Mixing Method CCP Chemical Churning Pile DCCM Deep Cement Continuous Method DJM Dry Jet Mixing DLM Deep Lime Mixing SWING Spreadable WING Method RM Rectangular Mixing Method JACSMAN Jet and Churning System Management DeMIC Deep Mixing Improvement by Cement Stabilization Mặc dù có nhiều kỹ thuật trộn sâu khác nhau, nhưng phương pháp chung nhất là tạo ra các trụ gia cố bằng thiết bị khoan với một hoặc nhiều cần trộn để đưa chất kết dính vào đất nguyên trạng nơi gia cố. Chất kết dính thường được sử dụng là một hỗn hợp xi măng, vôi, nước và đôi khi có thêm các thành phần phụ gia. Kết quả của sự trộn chất kết dính và đất tạo ra một vật liệu có cường độ và độ cứng lớn hơn đất tự nhiên nhưng nhỏ hơn bê tông.2 là một ví dụ về so sánh cường độ của đất tự nhiên, đất trộn xi măng và bê tông. Soft Soil Soil-Cement Concrete 200 kPa 2,000 kPa 20,000 kPa Hình 1.2 So sánh cường độ của đất yếu, đất trộn xi măng và bê tông 5 Mục đích chính của phương pháp trộn sâu là: Giảm tính biến dạng, tăng cường độ của đất, tăng độ cứng động của đất và khắc phục hậu quả của mặt đất bị ô nhiễm (Holm, 2003).
Lịch sử phát triển Vào cuối những năm 1960, Nhật bản và Thụy Điển bắt đầu nghiên cứu độc lập và phát triển kỹ thuật trộn đất dưới sâu sử dụng vôi sống dạng hạt. Người Nhật Bản tập trung vào xử lý và gia cố đất phù với với các dự án lớn ở biển và cửa sông, trong khi Thụy Điển chủ yếu tập trung vào các dự án về đường bộ và đường sắt. Trong thập niên 1970, phương pháp trộn vôi sống với đất yếu được thực hiện tại hiện trường để tạo ra trụ vôi tại Nhật Bản và Thụy Điển. Xi măng khô cũng sớm được thêm vào như một chất phụ gia để có được cường độ lớn hơn.
Ngày nay, trụ vôi/ xi măng, hay trụ xi măng đã thay thế hoàn toàn trụ vôi. Phương pháp dùng bột vôi, xi măng khô được hiểu chung là phương pháp trộn khô. Đến giữa thập niên 1970, một cố gắng tạo ra nền đất được gia cố đồng nhất bởi phương pháp trộn sâu, người Nhật Bản bắt đầu giới thiệu chất tác nhân gia cố là xi măng dạng lỏng. Việc sử dụng tác nhân gia cố ở dạng lỏng được gọi là phương pháp trộn ướt.
Phương pháp trộn ướt đầu tiên được giới thiệu tại Nhật Bản cho một thí nghiệm làm ổn định đất sét ở vùng biển nhưng sau đó nó được ứng dụng trên đất liền. Nguyên lý và đặc tính công nghệ trụ đất xi măng Trụ đất xi măng là hỗn hợp giữa đất nguyên trạng nơi gia cố và hỗn hợp xi măng được phun xuống thông qua thiết bị khoan trộn. Trụ đất xi măng được tạo thành bởi hỗn hợp đất tại chỗ và chất kết dính, thông thường là vôi và xi măng. Mũi trộn được đưa xuống đất bằng cách khoan xoay, khi tới độ sâu thiết kế, mũi trộn đảo chiều quay ngược lại và đồng thời rút dần lên trộn đất tại chỗ với chất gia cố.
Trong suốt quá trình rút lên, hỗn hợp được phun vào bằng khí nén ở đầu mũi trộn, tới cao độ đầu trụ thì dừng lại. Quá trình thi công của phương pháp trụ đất xi măng gồm các bước như Hình 1.3 Trình tự thi công trụ đất xi măng Bước đầu, khi các lưỡi khoan đi xuống đất bị khoan có chiều hướng đi lên và kết cấu đất bị phá vở cho đến độ sâu thiết kế; Bước thứ hai là phun vật liệu liên kết qua ruột cần khoan rỗng đến phần đáy hố khoan và bắt đầu trộn đều; Bước thứ ba là trộn đều từng khoảng cọc nhất định; Bước thứ tư là tác động đầm chặt phần đã trộn. Việc hình thành cường độ xảy ra thông qua quá trình ninh kết của hỗn hợp đất xi măng. Khi xi măng được trộn với đất, xi măng sẽ phản ứng với nước trong đất tạo thành Canxi hydroxide Ca(OH)2 từ đó kết hợp với đất sét nền tạo ra keo ninh kết C-S- H, đây là quá trình hydrate hóa.
Phản ứng này diễn ra nhanh và mạnh, đồng thời tỏa ra một nhiệt lượng lớn làm bốc hơi nước có trong đất. Hiện tượng này làm đất được gia cố tăng độ bền hơn trước. Xi măng + H2O → keo C-S-H + Ca(OH)2 Trong đó: C: CaO, S: SiO2, H: H2O 7 Quá trình ninh kết hỗn hợp đất và xi măng sẽ phát nhiệt một phần nước xung quanh bị hút vào do quá trình thủy quá, một phần khác bị bốc hơi do nhiệt. Hiện tượng này làm đất xung quanh trụ đất xi măng tăng độ bền hơn trước.
Ứng dụng công nghệ trụ đất xi măng Ứng dụng của trụ đất xi măng để cải tạo đất được trình bày trong một số công bố của Bengt B. Bruce (2000)… Các nghiên cứu ứng dụng khác nhau của kỹ thuật trộn sâu được thực hiện như nền móng của nhà, đường vào cầu, móng bồn dầu, đường đắp cao, ổn định mái dốc…Yang (1997) đề nghị các dạng bố trí trụ đất xi măng để gia cố đất cho các dự án ở biển và đất liền (Hình 1. Dạng tường Dạng lưới Dạng khối Dạng diện Dạng khối Dạng tường Dạng lưới Dạng trụ Dạng trụ tiếp xúc Dạng tường tiếp xúc Dạng lưới tiếp xúc Dạng khối tiếp xúc Hình 1.4 Các dạng gia cố cơ bản của trụ đất xi măng Các dạng gia cố thực tế của trụ đất xi măng dựa trên mục đích của việc gia cố đất nền. Trụ đất xi măng đơn có thể được sử dụng để chống lại lực nén dọc trục.
Trong khi dạng khối, dạng lưới được sử dụng để tăng khả năng chịu lực cắt của mái dốc và đường đắp cao.5 Máy thi công trụ đất xi măng tại sân bay Cần Thơ Hình 1.6 Mũi trộn được sử dụng tại sân bay Cần Thơ 9 Hình 1.7 Trụ đất xi măng tại sân bay Cần Thơ Hình 1.8 Tường chắn đất tại Hermann Hospital, Housto 10 1. Tại United States: Một vài dự án trộn bề mặt đơn giản của vật liệu khô với bùn cho mục đích xử lý môi trường, chỉ có phương pháp trộn khô được sử dụng để xử lý. Kể từ năm 1996, một vài dự án được thực hiện tại New York, khu vực Salt Lake City và California. Mặt dù có phạm vi xử lý rộng lớn nhưng mục đích chính chỉ là giảm độ lún và chống hóa lỏng đất.
Ngày nay hầu hết các công ty nước ngoài chi nhánh của người Mỹ đã được thành lập và có khả năng thi công bằng phương pháp trộn khô. Tại Nhật Bản: Số liệu được D. Bruce và 26 thành viên công bố là 16 triệu mét khối đất đã được xử lý từ năm 1980 đến năm 1996 trong 3345 dự án. Thể tích trung bình hàng năm là 2 triệu mét khối.
Đất được xử lý tại Nhật cứng hơn và sâu hơn tại Scadinavia dù đất sét biển có tính dẻo, giới hạn lỏng và độ ẩm tự nhiên cao. Yếu tố xi măng có khuynh hướng dùng cao hơn đặt biệt cho đất bùn và đất hữu cơ, nhưng số liệu từ hiện trường chỉ ra một sự phân tán thông tin lớn hơn Scadinavia.