CƠ CHẾ PHẢN ỨNG VÀ THÀNH PHẦN KHOÁNG TRONG TRỤ XI MĂNG ĐẤT

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG



ĐỀ CƯƠNG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI :

CƠ CHẾ PHẢN ỨNG VÀ THÀNH
PHẦN KHOÁNG TRONG
TRỤ XI MĂNG ĐẤT

GVHD : TS. BÙI ĐỨC VINH
SVTH : NGUYỄN ĐỨC HƯNG
NGUYỄN TRẦN DUY
LỚP : XD11VL1


TP.HCM, THÁNG 09-2015
MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU:
- Tổng quan kiến thức về trụ xi măng đất, các phương pháp gia cố đất nền.
- Kiểm tra sử dụng xi măng xỉ ( BFS ) trong gia cố nền đất so với xi măng PC.
- Thành phần khoáng trong trụ xi măng đất.
- Nghiên cứu về nồng độ pH môi trường ảnh hưởng đến cường độ xi măng xỉ.
- Đưa ra hướng sử dụng loại xi măng sử dụng và loại đất.
Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI:
Nghiên cứu sử dụng loại xi măng vào trụ xi măng đất là cần thiết. Nhằm mục tiêu
áp dụng rộng rãi trụ xi măng đất vào cơng trình thực tế tại Việt Nam và sử dụng loại
xi măng thích hợp nhất từ đó giúp giảm giá thành cơng trình. Làm rỏ các phản ứng
và khống tạo thành góp phần vào các nghiên cứu sâu hơn về trụ xi măng đất.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1.
1.1.1.
1.1.2.
1.2.
1.2.1.
1.2.2.
1.3.
1.4.
1.5.

Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu:
Vấn đề nền móng:
Các phương pháp xử lý:
Tình hình nghiên cứu và ứng dụng của trụ xi măng đất :
Tình hình nghiên cứu trên thế giới :
Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam :
Bài toán kinh tế khi sử dụng trụ xi măng đất :
Mục tiêu nghiên cứu :
Ý nghĩa đề tài :

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC
2.1.
2.1.1.
2.1.2.
2.2.
2.3.

Cơ sở quá trình đóng rắn xi măng :
Sự hình thành các khống trong xi măng.
Cơ sở của khả năng phản ứng của xi măng xỉ trong môi trương pH cao.
Sự làm việc của đất và xi măng :
Quá trình phản ứng của xi măng đất :

CHƯƠNG 3: ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA HỆ NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG
PHÁP THÍ NGHIỆM
3.1.

Nguyên liệu :

3.1.1. Xi măng :
3.1.2. Đất :
3.1.3. Nước :
3.1.4. Vôi sống ( CaO )
3.2.

Q trình thí nghiệm :

3.2.1.

Giai đoạn chuẩn bị ngun liệu :

3.2.2.

Giai đoạn nhào trộn và đúc khuôn:

3.2.3.

Giai đoạn bảo dưỡng mẫu :

3.2.4.

Nén mẫu :

3.2.5.

Phương pháp kiểm tra độ pH :

3.2.6.

Kiểm tra thành phần khoáng của mẫu :


CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
4.1.

Tương quan về cường độ nén và loại xi măng:

4.2.

Tương quan thành phần khoáng và cường độ :

4.3.

Tương quan nồng độ pH và khoáng tạo thành :

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
5.1.

Kết luận :

5.2.

Hướng phát triển đề tài :

TÀI LIỆU THAM KHẢO


CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN
1.1. Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu:
1.1.1. Vấn đề nền móng:
Nền và móng của các cơng trình xây dựng cho đến nay vẫn được xem là hai
bộ phận của một cơng trình khó nắm bắt nhất với vô số các vấn đề lý thuyết chưa
được giải quyết hồn chỉnh và cũng vơ vàn các vấn đề áp dụng thực tế được tranh cãi
chưa có hồi kết thúc.
Móng là một đơn vị kết cấu có chức năng truyền tải trọng của cơng trình xây
dựng xuống nền đất và nền là môi trường (hoặc là tự nhiên hoặc là đã được cải tạo
phù hợp) có chức năng tiếp nhận tải trọng cơng trình thơng qua móng. Nền và móng
là một hệ thống nhất, tương tác với nhau để cơng trình xây dựng được khai thác an
tồn, lâu dài, đúng như dự liệu.
Trong 10-15 năm gần đây, các kỹ sư làm cơng tác nền móng đã đối mặt với
những vấn đề mới phát sinh từ sự phát triển liên tục của các cơng trình như :
- Cơng nghệ nền và móng
cho nhà cao tầng. Trong cơng tác lựa
chọn, thiết kế móng nhà cao tầng cho thấy
cần quan tâm đến yếu tố kinh tế và kỹ
thuật, đặc biệt ưu thế cho các loại móng
sâu.

- Vấn đề san lấp tạo mặt
bằng với quy mơ lớn (về diện tích và chiều
cao đắp), đặc biệt vấn đề san lấp trên nền
đất yếu và đào các hố móng sâu trong điều
kiện địa chất phức tạp và trong vùng đông
dân cư. Vấn đề này yêu cầu giải các bài
toán liên quan đến trạng thái ứng suấtbiến dạng phức tạp của đất nền (kể cả yếu
tố thời gian), mơ hình đất và các phương
pháp thí nghiệm xác định các chỉ tiêu tính
tốn nền móng của đất.
- Vấn đề xây dựng cơng trình ngầm đơ thị. Trong trường hợp này, đất
nền được sử dụng không phải làm nền cho cơng trình mà là mơi trường để xây dựng
các cơng trình đó. Do vậy, trạng thái ứng suất - biến dạng của môi trường địa chất và
sự biến đổi của chúng trong q trình thi cơng, khai thác sử dụng là yếu tố quyết định
cho thành cơng của dự án. Sự có mặt của cơng trình xây dựng làm biến đổi trạng thái
của môi trường địa chất và tiếp theo không chỉ ảnh hưởng đến ổn định của bản thân


cơng trình xây dựng mà cịn ảnh hưởng, làm thay đổi độ ổn định của cả khu vực lân
cận trong phạm vi ảnh hưởng của cơng trình. Tất cả các vấn đề mới nói trên buộc các
người làm cơng tác nền móng phải cập nhất khơng chỉ kiến thức mà cịn cả các cơng
nghệ thi cơng mới,phương pháp tính mới, đặc biệt ứng dụng công nghệ thông tin giải
các bài toán cơ học đất.
Một số các vấn đề điạ kỹ thuật đáng chú ý hiện nay có thể kể đến như sau:
- Lạm dụng móng sâu, đặc biệt cọc khoan nhồi. Điều này làm tăng bất
hợp lý chi phí phân móng.
- Đánh giá và xác định thấp sức mang tải của cọc do chưa tổng kết kịp
thời kinh nghiệm sử dụng móng cọc trong thời gian vừa qua.
- Mơ hình hố khơng chuẩn xác bản chất ứng xử của đất nền trong
tương tác với cơng trình kèm theo sự hiểu biết không thấu đáo nguyên lý cơ bản của

các phương pháp nền móng dẫn tới khơng hiệu quả áp dụng thực tế phương pháp,
nghi ngờ và phủ nhận phương pháp.
- Tuyệt đối hố kết quả tính tốn dự báo nên không thực hiện các đo
đạc kiểm tra.
- Kém hiểu biết về bản chất các tính chất của đất và các phương pháp
xác định chúng nên các thông số đầu vào được cung cấp khơng phù hợp với mơ hình
tính.
1.1.2. Các phương pháp xử lý:
1.1.2.1. Các giải pháp móng sâu
Móng cọc được dùng đặc biệt phổ biến ở nước ta với đủ loại hình. Về hình
dáng, phổ biến là cọc vng (kích thước tới 55x55 cm) và gần đây đã đưa vào sử
dụng cọc tròn rỗng BTCT ứng suất trước (đường kính ngồi tới 70 cm). Về phương
thức hạ cọc có cọc ép, cọc đóng, cọc khoan và cọc nhồi.
Cọc nhồi đã được sử dụng rất đại trà, chiều dài thường 40-50m tuỳ theo địa
tầng (dài nhất tới 120 m), đường kính quy đổi từ 80-200 cm. Thực tế sử dụng cọc
nhồi ở nước ta đã đạt đến công nghệ tiền tiến nhất. Cọc nhồi có các loại sau:
- Cọc khoan nhồi: là cọc nhồi mà lỗ cọc được thi công bằng các phương
pháp khoan khác nhau như khoan gầu, khoan rửa ngược,..;
- Cọc khoan nhồi mở rộng đáy : là cọc khoan nhồi có đường kính đáy
cọc được mở rộng lớn hơn đường kính thân cọc. Sức mang tải của cọc này sẽ tang
hơn chừng 5-10% do tăng sức mang tải đằng mũi.
- Cọc barret: là cọc nhồi nhưng có tiết diện khơng trịn với các hình dạng
khác nhau như chữ nhật, chữ thập, chữ I, chữ H,.. và được tạo lỗ bằng gầu ngoặm.
Sức mang tải của cọc này có thể tăng lên tới 30% do tăng sức mang tải bên.
- Cọc khoan nhồi có xói rửa và bơm vữa xi măng gia cường đáy
(CNRBĐ): là cọc khoan nhồi có áp dụng cơng nghệ rửa sạch đáy (bằng cách xói
nước áp lực cao) và bơm vữa xi măng gia cường đáy (cũng với áp lực cao). Đây là
bước phát triển gần đây nhất trong công nghệ thi công cọc nhồi nhằm làm tăng đột

biến sức mang tải của cọc nhồi (có thể tới 200-300%), cho phép sử dụng tối đa độ
bền của vật liệu bê tông cọc.
1.1.2.2.

Các giải pháp gia cố nền :

Gia cố nền đất yếu là các biện pháp kỹ thuật nhằm thay đổi hoặc thành phần
hoặc tính chất của đất theo hướng có thể đáp ứng được với các yêu cầu sử dụng chúng
như là nền, môi trường và vật liệu xây dựng các loại cơng trình khác nhau.
Như vậy, mục đích của gia cố nền đất yếu là tạo dựng một điều kiện , trong
đó các tính chất địa kỹ thuật của nền đất yếu trở nên thích hợp với các giải pháp móng
đơn giản, tránh được sự sử dụng các loại móng cọc tốn kém. Thơng thường các kỹ
thuật gia cố thường được sử dụng để làm giảm hoặc loại trừ về cơ bản quá trình lún
lâu dài theo thời gian và trong một mức độ nào đó làm tăng độ bền của đất nền. Ngoài
ra, gia cố nến đất còn sử dụng để làm giảm các nguy cơ gây hư hỏng các cơng trình
xây dựng hiện hữu lân cận cơng trình dự định xây mới trong q trình thi cơng và
khai thác chúng.
Các phương pháp và cơng nghệ đi kèm với chúng để gia cố nền đất yếu là
đặc biệt đa dạng và phong phú với nhiều cơ chế hoạt động khác nhau và chỉ hiệu quả
trong một phạm vi xác định. Tuỳ theo điều kiện đất nền và u cầu kỹ thuật của cơng
trình dự định xây dựng, người thiết kế cần lựa chọn các giải pháp gia cố thích hợp và
phải theo dõi quan trắc thường xuyên các ứng xử của nền đất đã được gia cố dưới tác
động của các tải trọng hoạt động của cơng trình nhằm kịp thời có các tác động điều
chỉnh cần thiết đảm bảo hiệu quả cao của phương pháp gia cố đang áp dụng.
Trong thực tế xây dựng Việt Nam, các phương pháp gia cố nền đất yếu đã
được sử dụng tương đối rộng rãi và đã thu được nhiều thành cơng. Tuy nhiên cũng
khơng ít các sự cố cơng trình đã xảy ra và gây thiệt hại khơng chỉ về mặt kinh tế mà
cịn ảnh hưởng nhiều đến dư luận xã hội. Các phương pháp gia cố nền đã sử dụng có
thể kể là: cọc tre, cọc cát, trụ vật liệu rời, cọc đất - vôi (ximăng), bấc thấm.

Hình 1-2 : Gia cố đất nền bằng cọc tre

Hình 1-3 : Phương pháp bấc thấm

Phương pháp trụ xi măng đất ( vôi )
Gia cố nền đất yếu bằng trụ đất-ximăng (vơi) là một phơng pháp gia cố sâu,
trong đó một trụ được thi công tạo dựng tại chỗ từ hỗn hợp đất trộn lẫn với ximăng
hoặc vôi bằng công nghệ thích hợp.
Trụ đất-ximăng ( vơi) có thể thực hiện được các chức năng như sau:
- Làm tăng modun biến dạng của đất, ví dụ của đất nằm giữa các trụ từ
1000-1600 đến 2900-3800 kPa và có thể tới 6500 kPa nằm ở khoảng cách 15 cm
từ mép trụ. Như vậy, mơdun biến dạng của cả nền đất yếu nói chung cũng tăng lên
và làm giảm độ lún của cơng
trình.
- Làm tăng sức kháng
cắt tổng cộng của nền đất yếu với
lực dính từ 12-20 kPa lên đến 3040 kPa và góc ma sát trong từ 13140 đến 17-200.
- Làm giảm độ ẩm của
đất tới 5%.
- Làm tăng nhanh tốc độ
cố kết của đất yếu, do trụ đấtximăng (vôi) cũng hoạt động như
một vật thoát nước thăng đứng.
- Hiệu quả của quá trình gia cố đất phụ thuộc nhiều vào sự lựa chọn thành
phần và hàm lượng của hỗn hợp đất-ximăng (vôi). Đất loại sét được gia cố bằng
ximăng cho kết quả khả quan khi hàm lượng hạt sét nhỏ hơn 20%. Các đất hạt rời
cho kết quả tốt hơn. Các đất chứa vật liệu hữu cơ cho kết quả gia cố kém nhất.
Hàm lượng ximăng thích hợp trong khoảng 6-8 đến 10-12% trọng lượng đất khô.
Về nguyên tắc, hàm lượng ximăng phải được chọn lựa sao cho độ bền của bản thân
vật liệu trụ không quá lớn so với đất nền để có thể sử dụng đợc mơ hình nền đồng

nhất tương đương.
1.1.2.3.


1.2.

Ứng dụng của trụ xi măng đất :
Trụ xi măng đất có nhiều ứng dụng trong cơng trình hiện nay.

Ứng dụng trụ xi măng đất
2%
12%

36%

9%

16%

25%

Cao tốc/ đường

Nhà

Bờ kè

Tường chắn

Hầm sâu

Other

Các cột đất xi măng đã sử dụng cho một số mục đích chính là (Holm, 2003):
 Cải thiện các tính biến dạng của đất tới:
- Giảm các biến dạng ngang;
- Giảm thời gian gia cố nền . Do đó, rút ngắn thời gian xây dựng;

Hình 1-5 : Hình ảnh minh họa một số ứng dụng của cọc đất xi măng
(nguồn website: www.raitoinc.com)



-

Để tăng cường độ của đất để:
Tăng độ ổn định đất trên đường bộ hoặc kè đường sắt;
Tăng khả năng chịu lực;
Giảm tải hoạt động của nền;
Ngăn chặn sự sụt lún

Hình 1-6: DM sử dụng để kiểm sốt sụt lún và sức chống cắt. Jackson Lake
Dam, WY (Taki và Yang, 1991)


-

Tăng độ cứng của đất để:
Giảm rung động gây ra bởi xe lửa tốc độ cao;
Giảm rung động đến môi trường xung quanh.

Để cải tạo đất bị ô nhiễm bằng cách:
Tăng cường độ cứng của đất;
Ổn định đất nền;


Hình 1-7: a) Phịng chống trượt thất bại đối với bờ song có chiều cao cao
 Phịng chống trượt thất bại đối với bờ sông hoặc các loại tương tự,
giảm khả năng chống sạt lỡ
(từ Nhật Bản Hiệp hội DJM 1996)

Hình 1.4: c) Tính ổn định khi tăng độ dốc
 Phòng chống trượt đối với mố cầu và tăng khả năng sạt lở trên bờ sông
(từ Nhật Bản Hiệp hội DJM 1996)


Hình 1-8: cọc xi măng đất giúp tăng khả năng trong trượt lún ở tường
(hình ảnh lấy từ Schnabel Foundation company, www.schnabel .com)

1.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới :
Trụ xi măng – đất được nghiên cứu và phát triển đầu tiên tại Thụy Điển và
Nhật Bản từ những năm 1960. Nước ứng dụng công nghệ DMM nhiều nhất là
Nhật Bản và các nước vùng Scandinaver. Theo thống kê của hiệp hội CDM
(NhậtBản), tính chung trong giai đoạn 80-96 có 2345 dự án, sử dụng 26 triệu
m3 BTĐ. Riêng từ 1977 đến 1993,lượng đất gia cố bằng DMM ở Nhật vào khoảng
23,6 triệu m3 cho các dự án ngoài biển và trong đất liền, với khoảng 300 dự án.
Hiện nay hàng năm thi công khoảng 2 triệu m3. Tại Trung Quốc, công tác nghiên
cứu bắt đầu từ năm 1970, tổng khối lượng xử lý bằng DMM ở Trung Quốc cho
đến nay vào khoảng trên 1 triệu m3. Tại Châu Âu, nghiên cứu và ứng dụng bắt
đầu ở Thụy Điển và Phần Lan bắt đầu từ năm 1967. Năm 1974, một đê đất thử
nghiệm (6m cao 8m dài) đã được xây dựng ở Phần Lan sử dụng cột vôi đất, nhằm

mục đích phân tích hiệu quả của hình dạng và chiều dài cột về mặt khả năng chịu tải.
1.2.2. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam :
Tại Việt Nam,từ năm 2002 đã có một số dự án bắt đầu ứng dụng trụ XMĐ vào
xây dựng các cơng trình trên nền đất, cụ thể như : Dự án cảng Ba Ngòi (Khánh
Hịa) đã sử dụng 4000m trụ XMĐ có đường kính 0,6m thi công bằng trộn khô;
xử lý nền cho bồn chứa xăng dầu đường kính 21m, cao 9m ở Cần Thơ. Năm 2004


trụ XMĐ được sử dụng để gia cố nền móng cho nhà máy nước huyện Vụ Bản
(Hà Nam), xử lý móng cho bồn chứa xăng dầu ở ĐìnhVũ (Hải Phịng), các dự
án trên đều sử dụng công nghệ trộn khô, độ sâu xử lý trong khoảng 20m.
Tháng 5năm 2004, các nhà thầu Nhật Bản đã sử dụng Jet - grouting để sửa
chữa khuyết tật cho các cọc nhồi của cầu Thanh Trì (Hà Nội).
Năm 2005,một số dự án cũng đã áp dụng trụ XMĐ như:dự án thốt nước
khu đơ thị ĐồSơn -Hải Phịng, Gia cố nền móng kho khí hố lỏng Cần Thơ, dự
án sân bay Cần Thơ, dự án cảng Bạc Liêu….
Năm 2004, Viện Khoa học Thủy lợi đã tiếp nhận chuyển giao công nghệ khoan
phụt cao áp (Jet-grouting) từ Nhật Bản. Đề tài đã ứng dụng công nghệ và thiết bị này
trong nghiên cứu sức chịu tải của cọc ơn và nhóm cọc, khả năng chịu lực ngang, ảnh
hưởng của hàm lượng XM đến tính chất của XMĐ,... nhằm ứng dụng trụ XMĐ vào
xử lý đất yếu, chống thấmcho các cơng trình thuỷlợi. Nhóm đề tàicũng đã sửa chữa
chống thấm cho Cống Trại (Nghệ An), cống D10 (Hà Nam), Cống Rạch C
(LongAn)... Tại thành phố Đà Nẵng, Nha trang và nhất là thành phố Hồ Chí Minh trụ
XMĐ được ứng dụng ở cho cơng trình dưới 2 hình thức: Làm tường trong đất và làm
cọc thay cọc nhồi.
Sau đây là một số hình ảnh mơ tả ứng dụng Cọc XNĐ trong việc thiết kế làm tường
vây đào hố móng:

Hình 1-9 : Trụ xi măng đất thay thế cọc khoan nhồi của khách sạn tư nhân Nha Trang

Hình 1-10 : Trụ XMD làm tường chắn cho một cơng trình ở Vũng Tàu
1.3.
1.4.

Bài tốn kinh tế khi sử dụng trụ xi măng đất :
Mục tiêu nghiên cứu :
- Tổng quan kiến thức về trụ xi măng đất, các phương pháp gia cố đất nền.
- Kiểm tra sử dụng xi măng xỉ ( BFS ) trong gia cố nền đất so với xi măng PC.
- Thành phần khoáng trong trụ xi măng đất.
- Nghiên cứu về nồng độ pH môi trường ảnh hưởng đến cường độ xi măng xỉ.
- Đưa ra hướng sử dụng loại xi măng sử dụng và loại đất.

1.5.

Ý nghĩa đề tài :

Nghiên cứu sử dụng loại xi măng vào trụ xi măng đất là cần thiết. Nhằm
mục tiêu áp dụng rộng rãi trụ xi măng đất vào cơng trình thực tế tại Việt Nam và sử
dụng loại xi măng thích hợp nhất từ đó giúp giảm giá thành cơng trình. Làm rỏ các
phản ứng và khống tạo thành góp phần vào các nghiên cứu sâu hơn về trụ xi măng
đất.