Tài liệu Luận văn nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu nén của vật liệu đất trộn xi măng trong xử lý nền đất yếu tại huyện tân phú đông – tỉnh tiền giang

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN NGUYỄN HOÀI DANH NGHIÊN CỨU YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN CƢỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA VẬT LIỆU ĐẤT TRỘN XI MĂNG TRONG GIA CỐ NỀN ĐƢỜNG ĐẤT YẾU TẠI HUYỆN TÂN PHÚ ĐÔNG – TỈNH TIỀN GIANG LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG LONG AN, NĂM 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN NGUYỄN HOÀI DANH NGHIÊN CỨU YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN CƢỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA VẬT LIỆU ĐẤT TRỘN XI MĂNG TRONG GIA CỐ NỀN ĐƢỜNG ĐẤT YẾU TẠI HUYỆN TÂN PHÚ ĐÔNG – TỈNH TIỀN GIANG LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN NGỌC PHÚC LONG AN, NĂM 2019 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn này là trung thực và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định./. Tác giả Nguyễn Hoài Danh i LỜI CÁM ƠN Luận văn được sự hướng dẫn tận tâm của TS. Nguyễn Ngọc Phúc và thầy cô Khoa Kỹ thuật công nghệ. Xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An đã tạo mọi điều kiện cho tôi được học tập và nghiên cứu để hoàn thành luận văn này. Học viên xin chân thành ghi nhớ những công ơn này và sẽ cố gắng hơn nữa để nâng cao năng lực và trình độ để phục vụ tốt cho công việc. Tác giả Nguyễn Hoài Danh ii NỘI DUNG TÓM TẮT Tân Phú Đông là huyện của tỉnh Tiền Giang, đồng bằng sông Cửu Long, Việt Nam được thành lập chính thức từ ngày 21 tháng 01 năm 2008. Vùng đất này trước đây thuộc tỉnh Gò Công, tuy nhiên cũng có thời kỳ thuộc huyện Gò Công, tỉnh Mỹ Tho. Nền đất ở khu vực này, đa phần là đất yếu nên nền đất không có khả năng tiếp nhận tải trọng công trình nếu không có các biện pháp gia cố hoặc xử lý thích hợp. Do đó, địa chất dưới nền móng của các công trình nhà ở, nhà xưởng, đường xá, đê điều, đập chắn nước và một số công trình khác ở đây thường đặt ra hàng loạt vấn đề cần phải giải quyết như sức chịu tải của nền thấp, độ lún lớn. Việc nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ trụ đất xi măng đóng vai trò quan trọng trong quyết định lựa chọn đặc tính kỹ thuật cũng như giá trị kinh tế của công trình. Tính chất cơ học của đất trộn xi măng phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố khác nhau như đặc điểm của tác nhân xử lý, đặc điểm và điều kiện của đất, điều kiện trộn, điều kiện bảo dưỡng. Trong các công trình gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng, việc xác định tính chất cơ học và vật lý của vật liệu đất trộn xi măng cần phải được thực hiện. Tính chất cơ học của vật liệu đất trộn xi măng thường căn cứ kết quả thí nghiệm nén mẫu hỗn hợp đất, xi măng và nước. Luận văn nghiên cứu cường độ chịu nén của mẫu đất trộn xi măng với đề tài “Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu nén của vật liệu đất trộn xi măng trong xử lý nền đất yếu tại huyện Tân Phú Đông – tỉnh Tiền Giang” để nâng cao hiệu quả gia cố nền đất yếu bằng bằng trụ đất xi măng phù hợp với các điều kiện cụ thể của địa phương. iii ABSTRACT Tan Phu Dong is a district of Tien Giang province, the Mekong Delta, Vietnam was officially established on January 21, 2008. This land was formerly in Go Cong province, but there was a period in Go Cong district, My Tho province. The ground in this area, mostly weak soil, is not able to receive the work load if there are no reinforcement measures or proper treatment. Therefore, geology under the foundation of residential buildings, factories, roads, dykes, dams and some other works here often poses a series of problems that need to be solved such as load capacity low background, large settlement. The study of the factors affecting the strength of cement pillars plays an important role in the decision to select the technical characteristics as well as the economic value of the project. The mechanical properties of cement mixing soil depend on many different factors such as characteristics of processing agent, soil characteristics and conditions, mixing conditions and maintenance conditions. In soft soil reinforcement works with cement pillars, the determination of mechanical and physical properties of cemented soil materials needs to be done. The mechanical properties of cemented soil materials are often based on the results of compressive testing of soil, cement and water samples. Dissertation to study the solution of weak soil road reinforcement with the topic "Study the factors affecting the compressive strength of cement mix soil materials in the treatment of soft ground in Tan Phu Dong district - Tien Giang province "To improve the effectiveness of reinforcing weak soil base by using cement pillars in accordance with specific local conditions. iv MỤC LỤC DANH MỤC ĐỒ THỊ VÀ HÌNH VẼ ........................................................................vii DANH MỤC BẢNG BIỂU .......................................................................................... ix DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT ..................................................... x PHẦN MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 1 1.1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu ................................................................ 1 1.2. Mục đích nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .....................2 1.3. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................3 1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...................................................................3 1.5. Cấu trúc của luận án ........................................................................................3 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU VÀ CÁC GIẢI PHÁP GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU .............................................................................................................. 5 1.1. Tổng quan về đất yếu ......................................................................................5 1.2. Tổng quan các giải pháp gia cố nền đất yếu ....................................................6 1.3. Tổng quan về giải pháp gia cố nền đất yếu bằng công nghệ trụ đất xi măng .7 1.4. Kết luận chương 2 ......................................................................................... 15 CHƢƠNG 2. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN CƢỜNG ĐỘ VẬT LIỆU ĐẤT TRỘN XI MĂNG ............................................................................................... 16 2.1. Một số tính chất đặc trưng của vật liệu đất trộn xi măng .............................. 16 2.1.1. Khối lượng riêng, t ...............................................................................16 2.1.2. Cường độ cắt không thoát nước, cu,col ....................................................17 2.1.3. Cường độ nén không nở hông, qu,col ......................................................17 2.1.4. Tính thấm, k (cm/s)................................................................................18 2.1.5. Modun đàn hồi, Ecol ...............................................................................19 2.1.6. Mô đun nén, Mcol ...................................................................................19 2.1.7. Hệ số Poisson của trụ đất xi măng, vcol..................................................20 2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ vật liệu đất trộn xi măng .....................21 2.2.1. Ảnh hưởng của loại đất sét ....................................................................21 2.2.2. Ảnh hưởng của hàm lượng nước (w) .....................................................22 2.2.3. Ảnh hưởng của hàm lượng xi măng (aw) ...............................................23 2.2.4. Ảnh hưởng của tỉ lệ nước/ xi măng (w/c) ..............................................25 v 2.3. Kết luận chương 3 ......................................................................................... 26 CHƢƠNG 3. THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CƢỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA VẬT LIỆU ĐẤT TRỘN XI MĂNG .................................................................................... 27 3.1. Giới thiệu .......................................................................................................27 3.2. Các định nghĩa và các mối quan hệ ............................................................... 27 3.3. Tính chất của đất tự nhiên, xi măng, nước ....................................................30 3.4. Phương pháp thí nghiệm................................................................................31 3.4.1. Chế tạo và bảo dưỡng mẫu đất trộn xi măng .........................................31 3.4.2. Thí nghiệm nén mẫu đất trộn xi măng ...................................................38 3.5. Kết quả thí nghiệm ........................................................................................ 40 3.5.1. Kết quả thí nghiệm các mẫu trộn với nước tiêu chuẩn và bảo dưỡng trong môi trường không khí...................................................................................40 3.5.2. Kết quả thí nghiệm các mẫu trộn với nước TPĐ và bảo dưỡng trong môi trường nước TPĐ ...................................................................................................45 3.5.3. So sánh sự ảnh hưởng của điều kiện bảo dưỡng đến cường độ mẫu đất trộn xi măng, với thời gian bảo dưỡng 28 ngày ....................................................50 3.5.4. 3.6. Kết quả chụp SEM .................................................................................51 Phân tích và thảo luận....................................................................................55 PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................ 57 1. Kết luận.................................................................................................................57 2. Kiến nghị ..............................................................................................................57 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 58 vi DANH MỤC ĐỒ THỊ VÀ HÌNH VẼ Hình 1.1 Bản đồ phân vùng đất yếu khu vực ĐBSCL ....................................................6 Hình 1.2 Dạng phá hoại của trụ đất xi măng ...................................................................9 Hình 1.3 Bố trí trụ đất xi măng......................................................................................10 Hình 1.4 Lún của nhóm trụ đất xi măng ........................................................................12 Hình 1.5 Các dạng bố trí trụ đất xi măng ......................................................................13 Hình 1.6 Máy thi công với si lô chất kết dính và máy nén khí .....................................14 Hình 1.7 Mũi trộn ..........................................................................................................14 Hình 1.8 Trụ đất xi măng .............................................................................................. 15 Hình 2.1 Khối lượng riêng khi thay đổi làm lượng xi măng .........................................17 Hình 2.2 Khối lượng riêng khi thay đổi làm lượng xi măng .........................................19 Hình 2.3 Hệ số Poisson của đất trộn xi măng ............................................................... 20 Hình 2.4 Ảnh hưởng của các loại đất khác nhau ........................................................... 22 Hình 2.5 Mối quan hệ giữa cường độ nén và hàm lượng nước .....................................23 Hình 2.6 Mối quan hệ giữa cường độ nén và hàm lượng xi măng ................................ 24 Hình 2.7 Mối quan hệ giữa cường độ nén và hàm lượng xi măng ................................ 25 Hình 2.8 Mối quan hệ giữa cường độ nén và tỉ lệ lượng N/X .......................................26 Hình 3.1 Sơ đồ các pha của đất trộn xi măng ................................................................ 28 Hình 3.2 Phơi khô đất ....................................................................................................32 Hình 3.3 Nghiền nhỏ đất ............................................................................................... 32 Hình 3.4 Loại bỏ tạp chất .............................................................................................. 33 Hình 3.5 Hộp tạo mẫu ...................................................................................................33 Hình 3.6 Xác định diện tích mặt ngang mẫu .................................................................39 Hình 3.7 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và thời gian bảo dưỡng, với wT/c= 3 ..40 Hình 3.8 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và thời gian bảo dưỡng, với wT/c= 4 ..41 Hình 3.9 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và thời gian bảo dưỡng, với wT/c= 5 ..41 Hình 3.10 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và tỉ lệ tổng lượng nước /xi măng, với thời gian bảo dưỡng 7 ngày ........................................................................................... 42 Hình 3.11 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và tỉ lệ tổng lượng nước /xi măng, với thời gian bảo dưỡng 14 ngày ......................................................................................... 42 Hình 3.12 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và tỉ lệ tổng lượng nước /xi măng, với thời gian bảo dưỡng 28 ngày ......................................................................................... 43 Hình 3.13 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và hàm lượng xi măng, với thời gian bảo dưỡng 7 ngày ..........................................................................................................43 Hình 3.14 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và hàm lượng xi măng, với thời gian bảo dưỡng 14 ngày ........................................................................................................44 Hình 3.15 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và hàm lượng xi măng, với thời gian bảo dưỡng 28 ngày ........................................................................................................44 Hình 3.16 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và thời gian bảo dưỡng, với wT/c= 3 45 vii Hình 3.17 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và thời gian bảo dưỡng, với wT/c= 4 45 Hình 3.18 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và thời gian bảo dưỡng, với wT/c= 5 46 Hình 3.19 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và tỉ lệ tổng lượng nước /xi măng, với thời gian bảo dưỡng 7 ngày ........................................................................................... 46 Hình 3.20 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và tỉ lệ tổng lượng nước /xi măng, với thời gian bảo dưỡng 14 ngày ......................................................................................... 47 Hình 3.21 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và tỉ lệ tổng lượng nước /xi măng, với thời gian bảo dưỡng 28 ngày ......................................................................................... 47 Hình 3.22 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và hàm lượng xi măng, với thời gian bảo dưỡng 7 ngày ..........................................................................................................48 Hình 3.23 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và hàm lượng xi măng, với thời gian bảo dưỡng 14 ngày ........................................................................................................48 Hình 3.24 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và hàm lượng xi măng, với thời gian bảo dưỡng 28 ngày ........................................................................................................49 Hình 3.25 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và hàm lượng xi măng, với wT/c= 3 .50 Hình 3.26 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và hàm lượng xi măng, với wT/c= 4 .50 Hình 3.27 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và hàm lượng xi măng, với wT/c= 5 .51 Hình 3.28 Ảnh SEM mẫu wT/c=3 .................................................................................52 Hình 3.29 Ảnh SEM mẫu wT/c=4 .................................................................................53 Hình 3.30 Ảnh SEM mẫu wT/c=5 .................................................................................53 Hình 3.31 Ảnh SEM mẫu wT/c=3 .................................................................................54 Hình 3.32 Ảnh SEM mẫu wT/c=4 .................................................................................54 Hình 3.33 Ảnh SEM mẫu wT/c=5 .................................................................................55 viii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Cường độ chịu nén trong các dự án Deep mixing method tại United States .18 Bảng 2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu nén của đất trộn xi măng .............21 Bảng 3.1 Tính chất cơ bản của đất dùng thí nghiệm .....................................................30 Bảng 3.2 Tính chất của xi măng Nghi Sơn PCB40 .......................................................30 Bảng 3.3 Thành phần hóa học của xi măng PCB 40 .....................................................31 Bảng 3.4 Tính chất cơ bản của nước tiêu chuẩn dùng thí nghiệm ................................ 31 Bảng 3.5 Tính chất cơ bản của nước tại Tân Phú Đông ................................................31 Bảng 3.6 Các trường hợp tạo mẫu thí nghiệm với nước tiêu chuẩn.............................. 34 Bảng 3.7 Các trường hợp tạo mẫu thí nghiệm với nước tại huyện Tân Phú Đông .......35 Bảng 3.8 Khối lượng vật liệu cho mỗi lần trộn với nước tiêu chuẩn ............................ 36 Bảng 3.9 Khối lượng vật liệu cho mỗi lần trộn với nước tại huyện Tân Phú Đông .....37 ix DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT CDM DMM SPT SEM ĐBSCL TPĐ TPHCM XM Cement Deep Mixing Deep Mixing Method Standard Penetration Test Scanning Electron Microscope Đồng bằng sông Cửu Long Tân Phú Đông Thành phố Hồ Chí Minh Xi măng x PHẦN MỞ ĐẦU 1.1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu Tân Phú Đông là huyện của tỉnh Tiền Giang, đồng bằng sông Cửu Long, Việt Nam được thành lập chính thức từ ngày 21 tháng 01 năm 2008. Vùng đất này trước đây thuộc tỉnh Gò Công, tuy nhiên cũng có thời kỳ thuộc huyện Gò Công, tỉnh Mỹ Tho. Huyện Tân Phú Đông gồm 6 xã, thuộc cù lao Lợi Quan của 2 huyện Gò Công Tây (Tân Thới, Tân Phú, Phú Thạnh, Tân Thạnh) và Gò Công Đông (Phú Đông, Phú Tân). Địa giới hành chính huyện Tân Phú Đông: Đông giáp biển Đông; Tây giáp huyện Chợ Gạo; Nam giáp tỉnh Bến Tre; Bắc giáp huyện Chợ Gạo, huyện Gò Công Tây và huyện Gò Công Đông. Tân Phú Đông rộng 202,08 km² và có 42.926 dân. Huyện có 6 xã: Phú Đông, Phú Tân, Phú Thạnh, Tân Phú, Tân Thạnh, Tân Thới. Định hướng phát triển: Đến năm 2020, trên địa bàn có 1 đô thị loại 5 (thị trấn Tân Phú Đông) và 2 thị tứ (Tân Thới, Cồn Cống); tổng diện tích đất đô thị là 410 ha, dân số đô thị 8.813 người, mật độ 2.152 người/km2, tỉ lệ đô thị hóa 15%. Đặc điểm địa chất: Qua các nghiên cứu về địa chất tại huyện Tân Phú Đông cho thấy địa tầng của khu vực từ dưới lên cao như sau: - Trầm tích thống Pleistocen: Các trầm tích này không phân chia, được phân bố khắp khu vực, chúng phủ trực tiếp lên bề mặt phong hóa của các trầm tích Pliocen. Thành phần trầm tích Pleistocen là cát chứa sạn sỏi, xen kẹp các trầm tích hạt mịn thường có cấu tạo phân lớp mỏng. Chiều sâu trung bình 120m. - Trầm tích trẻ, hiện đại thống Holocen, phủ kín toàn bộ bề mặt khu vực có chiều dày 10m đến 15m bao gồm các thành tạo có nguồn gốc sông, sông biển, sông đầm lầy và đầm lầy hỗn hợp cấu thành từ bột, sét và các di tích động thực vật phân hủy và bán phân hủy. Nền đất ở khu vực này, đa phần là đất yếu nên nền đất không có khả năng tiếp nhận tải trọng công trình nếu không có các biện pháp xử lý hoặc gia cố thích hợp. Do 1 nền Tân Phú Đông được hình thành và phát triển trên nền đất yếu với những điều kiện hết sức phức tạp của đất nền dọc theo các dòng sông và bờ biển. Do đó, địa chất dưới nền móng của các công trình nhà ở, nhà xưởng, đường xá, đê điều, đập chắn nước và một số công trình khác ở đây thường đặt ra hàng loạt vấn đề cần phải giải quyết như sức chịu tải của nền thấp, độ lún lớn. Có nhiều phương pháp xử lý và gia cố nền đất yếu, 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. Phương pháp gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng là một trong những phương pháp phần tử dạng trụ trong cách phân loại này. Hiện nay, ngày càng có nhiều công trình sử dụng trụ đất xi măng để gia cố nền đất yếu và đã được đánh giá khả năng ứng dụng vào thiết kế móng của các công trình. Giải pháp này cũng được áp dụng cho các dự án đường sân bay, đường cao tốc để tăng sức chịu tải của nền đất yếu. Việc nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ trụ đất xi măng đóng vai trò quan trọng trong quyết định lựa chọn đặc tính kỹ thuật cũng như giá trị kinh tế của công trình. Terashi, M. (1997), tính chất cơ học của đất trộn xi măng phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố khác nhau như đặc điểm của tác nhân gia cố, đặc điểm và điều kiện của đất, điều kiện trộn, điều kiện bảo dưỡng. Trong các công trình gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng, việc xác định tính chất cơ học và vật lý của vật liệu đất trộn xi măng cần phải được thực hiện. Tính chất cơ học của vật liệu đất trộn xi măng thường căn cứ kết quả thí nghiệm nén mẫu hỗn hợp đất, xi măng và nước. Điều này giúp cho người kỹ sư thiết kế biết rõ các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ của trụ đất xi măng và đề xuất hàm lượng xi măng sử dụng cho gia cố trụ đất xi măng hợp lý. Đó là lý do học viên thực hiên đề tài nghiên cứu này. 1.2. Mục đích nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Tìm ra sự tương quan giữa cường độ chịu nén của mẫu đất xi măng với mẫu đất trộn xi măng có hàm lượng nước, loại nước, thời gian bảo dưỡng và điều kiện bảo dưỡng mẫu khác nhau. Đánh giá nguyên nhân ảnh hưởng đến cường độ chịu nén vật liệu đất trộn xi măng. 2 Đề xuất hàm lượng xi măng thích hợp cho việc gia cố nền đường đất yếu tại huyện Tân Phú Đông để nâng cao hiệu quả gia cố nền đường đất yếu bằng bằng trụ đất xi măng phù hợp với các điều kiện địa chất cụ thể của địa phương. 1.3. Phƣơng pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu được dùng trong luận văn là thực hiện tạo và thí nghiệm nén trên mẫu trong phòng thí nghiệm kết hợp với phương pháp chụp SEM các mẫu đất trộn xi măng trước khi nén để giải thích nguyên nhân ảnh hưởng đến cường độ của vật liệt đất trộn xi măng. Đề tài sử dụng phương pháp tổng hợp, thống kê mô tả và phân tích định lượng các yếu tố giúp tìm ra các giải pháp nâng cao hiệu quả gia cố nền đường đất yếu cho huyện Tân Phú Đông – tỉnh Tiền Giang. 1.4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận văn là cường độ chịu nén của vật liệu đất trộn xi măng khi thay đổi hàm lượng xi măng, hàm lượng nước và thời gian bảo dưỡng. Giới hạn phạm vi nghiên cứu: Luận văn thực hiện nghiên cứu với đất thu thập tại huyện Tân Phú Đông và giải pháp này dùng để gia cố nền đường đất yếu tại huyện Tân Phú Đông – tỉnh Tiền Giang. 1.5. Cấu trúc của luận án Nội dung luận văn gồm có phần mở đầu, 03 chương và phần kết luận và kiến nghị trình bày các vấn đề sau: Phần mở đầu: Trình bày các vấn đề tổng quan về đề tài nghiên cứu như: Tính cấp thiết, mục tiêu, đối tượng và phương pháp nghiên cứu. Chương 1. Tổng quan đất yếu và các giải pháp gia cố nền đất yếu: Nghiên cứu tổng quan về đất yếu, nền đất tại huyện Tân Phú Đông thông qua các báo cáo khảo sát địa chất. Các phương pháp gia cố đất yếu và phương pháp gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng. 3 Chương 2. Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ vật liệu đất trộn xi măng: Tổng kết các nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước về một số tính chất đặc trưng của vật liệu đất trộn xi măng và các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ vật liệu đất trộn xi măng. Chương 3. Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của vật liệu đất trộn xi măng: Tạo mẫu đất trộn xi măng và thực hiện thí nghiệm nén để tìm ra sự tương quan giữa cường độ chịu nén của mẫu đất xi măng với mẫu đất trộn xi măng có hàm lượng nước, loại nước, thời gian bảo dưỡng và điều kiện bảo dưỡng mẫu khác nhau. Phân tích kết quả thí nghiệm để tìm ra hàm lượng xi măng thích hợp cho việc gia cố nền đường đất yếu tại huyện Tân Phú Đông – tỉnh Tiền Giang. Phần Kết luận và kiến nghị: Các kết quả của nghiên cứu của Luận văn và kiến nghị được trình bày ở chương này. 4 CHƢƠNG 1. 1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU VÀ CÁC GIẢI PHÁP GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU Tổng quan về đất yếu Đất yếu có thể được định nghĩa là những loại đất không có khả năng tiếp nhận tải trọng công trình nếu không có các biện pháp xử lý hoặc gia cố thích hợp. ĐBSCL được hình thành và phát triển trên nền đất yếu với những điều kiện hết sức phức tạp của đất nền dọc theo các dòng sông và bờ biển. Do đó, địa chất dưới nền móng của các công trình nhà ở, nhà xưởng, đường xá, đê điều, đập chắn nước và một số công trình khác ở đây thường đặt ra hàng loạt vấn đề cần phải giải quyết như sức chịu tải của nền thấp, độ lún lớn. Các loại đất yếu thường gặp ở ĐBSCL như là đất sét mềm gồm các loại đất sét hoặc á sét tương đối chặt, ở trạng thái bão hòa nước, có cường độ thấp; bùn là các loại đất tạo thành trong môi trường nước, thành phần hạt rất mịn ở trạng thái luôn no nước, hệ số rỗng rất lớn, rất yếu về mặt chịu lực; than bùn là loại đất yếu có nguồn gốc hữu cơ, được hình thành do kết quả phân hủy các chất hữu cơ có ở các đầm lầy. Theo 22TCN 262: 2000 và TCXD 245: 2000, đất yếu là đất ở trạng thái tự nhiên, độ ẩm của chúng gần bằng hoặc cao hơn giới hạn chảy, hệ số rỗng lớn, lực dính (c) theo kết quả cắt nhanh không thoát nước từ 15 kPa trở xuống, góc ma sát trong () từ 0o đến 10o, lực dính từ kết quả cắt cánh hiện trường ≤ 35 kPa, sức chống mũi xuyên tĩnh < 100 kPa, chỉ số xuyên tiêu chuẩn SPT < 5. Nói chung, đất sét yếu là loại đất có sức chịu tải thấp và tính nén lún cao. Phần lớn các nước trên thế giới thống nhất về định nghĩa nền đất yếu theo sức kháng cắt không thoát nước (Su) và trị số xuyên tiêu chuẩn (N) như sau: đất rất yếu có Su ≤ 12,5 kPa hoặc N ≤ 2; đất yếu có Su ≤ 25 kPa hoặc N ≤ 4. Lê Bá Lương và các đồng nghiệp (2005) kết luận trong nghiên cứu về đất yếu ở ĐBSCL là phần lớn đất thuộc dạng đất yếu và có chiều dày từ 10 m đến 40 m. Sự phân bố đất yếu ở ĐBSCL theo Nguyễn Văn Thơ và Trần Thị Thanh (2002) như bản đồ Hình 1.1. 5 Hình 1.1 Bản đồ phân vùng đất yếu khu vực ĐBSCL 1.2. Tổng quan các giải pháp gia cố nền đất yếu Đất yếu là đất có khả năng chịu tải thấp, biến dạng lớn nên cần phải có các biện pháp gia cố trước khi xây dựng công trình bên trên. Thực tế này đòi hỏi phải hình thành và phát triển các công nghệ thích hợp và tiên tiến để gia cố nền đất yếu. Việc gia 6 cố nền đất yếu nhằm mục đích làm tăng sức chịu tải của nền đất, cải thiện một số tính chất cơ lý của nền đất yếu như: giảm hệ số rỗng, giảm tính nén lún, tăng độ chặt, tăng trị số mo đun biến dạng, tăng cường độ chống cắt của đất … đảm bảo điều kiện khái thác bình thường cho công trình. Đối với công trình đường ở Việt Nam hiện nay, các biện pháp gia cố được phân chia làm 2 nhóm chính. Các biện pháp gia cường thường được áp dụng như: vải địa kỹ thuật, lưới địa kỹ thuật, đất trộn vôi, đất trộn ximăng, Silicat hóa. Trong trường hợp này, đất nền và đất trong khối đắp sau khi được gia cường có khả năng chịu tải cao hơn, tính biến dạng giảm, từ đó độ ổn định của công trình được gia tăng và đảm bảo điều kiện làm việc của công trình. Trong điều kiện thực tế ở Việt Nam, các biện pháp vải địa kỹ thuật, đất trộn ximăng thường được sử dụng nhiều. Các biện pháp gia cố nền thường được áp dụng như cọc cát, giếng cát, bấc thấm kết hợp gia tải trước hoặc bơm hút chân không. Trường hợp này, thời gian cố kết đất nền được rút ngắn, đất nền nhanh đạt độ lún ổn định để có thể đưa công trình vào sử dụng. Ngoài ra, việc lựa chọn chiều cao đắp hay bố trí kích thước công trình hợp lý cũng có tác dụng làm thay đổi trạng thái ứng suất của đất nền, đảm bảo điều kiện làm việc ổn định. Các biện pháp thường được sử dụng trong trường hợp này là: đệm cát, bệ phản áp... 1.3. Tổng quan về giải pháp gia cố nền đất yếu bằng công nghệ trụ đất xi măng Có nhiều phương pháp xử lý và gia cố nền đất yếu, 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. Phương pháp gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng là một trong những phương pháp phần tử dạng trụ trong cách phân loại này. Phương pháp cơ học để thi công trụ đất gia cố 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. Bruce, D. A. (2000) đã đề nghị các kỹ thuật DMM được phân loại dựa trên các đặc điểm như phương pháp đưa chất kết dính vào đất, phương pháp trộn và vị trí của các lưỡi trộn. 7 Một số cụm từ 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) và sản phẩm của quá trình thi công trộn sâu là trụ đất xi măng (CDM column – Cement Deep Mixing column). Mặc dù có nhiều kỹ thuật trộn sâu khác nhau, nhưng kết quả 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 tự nhiên nơi gia cố. Chất kết dính thường được sử dụng là hỗn hợp xi măng hoặc xi măng/vôi và nước. 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. Chức năng chính của trụ đất xi măng dùng trong gia cố nền đất yếu chịu tải trọng đứng là truyền tải trọng phía trên xuống nền đất bên dưới đồng thời giảm độ lún của nền đất. Các quan điểm tính toán trụ đất xi măng hiện nay: Quan điểm 1 là trụ đất xi măng làm việc như cọc đơn chịu lực. Tính toán thiết kế như móng cọc. Quan điểm 2 là trụ đất xi măng và nền đất tự nhiên làm việc đồng thời như một nền tương đương. Tính toán thiết kế như nền thông thường với chiều dày bằng chiều dài trụ đất xi măng. Quan điểm 3 là kết hợp hai quan điểm trên, sức chịu tải tính toán như móng cọc, trong khi biến dạng tính theo nền tương đương. Trong thực tế, trụ đất xi măng thường được thi công xuyên qua toàn bộ lớp đất yếu nằm trên địa tầng rắn chắc lúc này trụ làm việc gần giống với cọc chống. Đôi khi các trụ này chỉ nằm trong phạm vi lớp đất yếu còn gọi là trụ treo. Khi trụ đất xi măng đơn chịu tải trọng đứng có thể xảy ra 1 trong 3 dạng phá hoại là phá hoại do phình nén, phá hoại do cắt và phá hoại do xuyên thủng (Hình 1.2). 8