Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thành phần khoáng trong xi măng đến sự hình thành cường độ của cọc đất trộn xi măng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------Ω----------

NGUYỄN ANH QUỐC

NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÀNH PHẦN
KHỐNG TRONG XI-MĂNG ĐẾN SỰ HÌNH THÀNH
CƯỜNG ĐỘ CỦA CỌC ĐẤT TRỘN XI-MĂNG

CHUYÊN NGÀNH : ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
MÃ SỐ NGÀNH : 60.58.60

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2012


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
----------Δ----------

Cán bộ hướngdẫn khoa học : TS. NGUYỄN MINH TÂM
TS. TRẦN VĂN MIỀN

Cán bộ chấm nhận xét 1 : ……………………………………………...
…………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………….

…………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………….
Cán bộ chấm nhận xét 2 : ……………………………………………..
…………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………….

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại
HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày……tháng……năm 2012


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày . . . . . tháng . . . . . năm 2011

NHIỆM VỤ ĐỀ CƯƠNG LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: NGUYỄN ANH QUỐC

Giới tính : Nam

Ngày, tháng, năm sinh : 26/03/1977

Nơi sinh : Quảng Ngãi

Chuyên ngành : Địa kỹ thuật xây dựng

MSHV: 10090337

I- TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÀNH PHẦN KHỐNG TRONG XIMĂNG ĐẾN SỰ HÌNH THÀNH CƯỜNG ĐỘ CỦA CỌC ĐẤT TRỘN XI-MĂNG
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1-Nhiệm vụ: Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thành phần khống trong xi-măng đến
sự hình thành cường độ của cọc đất trộn xi-măng.
2-Nội dung:
Mở đầu
Chương 1 : Tổng quan về nghiên cứu và ứng dụng cọc đất trộn xi-măng trong cải tạo
nền đất yếu.
Chương 2 : Các phương pháp thí nghiệm và phương pháp nghiên cứu.
Chương 3 : Nghiên cứu thực nghiệm và đánh giá ảnh hưởng của thành phần khoáng.
Kết luận và kiến nghị
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ

: ……/ …. / ……

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ

: ……/ …. / ……

V- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS. NGUYỄN MINH TÂM
TS. TRẦN VĂN MIỀN

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

TS. Nguyễn Minh Tâm TS. Trần Văn Miền
PGS.TS. VÕ PHÁN
Đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
Ngày . . . . . tháng . . . . . năm…….

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

KHOA QL CHUYÊN NGÀNH


LỜI TRI ÂN
Qua thời gian học tập và nghiên cứu tại trường, Em xin cảm ơn quý thầy cô
trong Bộ mơn Địa cơ Nền móng đã nhiệt tình truyền đạt những kiến thức quý báu
và quan tâm, tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ học viên. Xin gởi lời tri ân đết tất
cả mọi người.
Xin gởi lời cảm ơn đặc biệt đến hai thầy hướng dẫn khoa học là thầy Nguyễn
Minh Tâm và thầy Trần Văn Miền. Hai thầy đã chỉ dẫn Tôi một cách tận tâm, tận
tụy và định ra phương hướng trong suốt thời gian thực hiện cuốn luận văn này.
Xin gởi lời cảm ơn đến thầy Đặng Kỳ Minh, thầy Nguyễn Quốc Khánh, thầy
Bùi Đức Vinh, thầy Cù Khắc Trúc, thầy Võ Phán. Các thầy đã giúp đỡ Tơi trong
q trình nghiên cứu.
Xin gởi lời cảm ơn đến trung tâm thí nghiệm vật liệu xây dựng của công ty
nghiên cứu kỹ thuật và tư vấn xây dựng HỒNG VINH, phịng thí nghiệm trọng
điểm của khoa “Cơng nghệ vật liệu” của trường ĐHBK, phịng thí nghiệm phân tích
cấu trúc vật liệu của khoa hóa của trường ĐHBK, phịng thí nghiệm vật liệu xây
dựng của bộ mơn vật liệu xây dựng của khoa “kỹ thuật xây dựng”, phòng thí

nghiệm nano của trường đại học quốc gia TP.HCM, phịng thí nghiệm đo nhiễu xạ
tia X của của viện khoa học & cơng nghệ Việt Nam. Những phịng thí nghiệm trên
đã giúp Tơi đo và phân tích dữ liệu.
Cuối cùng, xin cảm ơn Gia đình và bạn bè thân hữu đã động viên, giúp đỡ Tôi
trong suốt thời gian học tập vừa qua.
TP. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2012
Học viên

Nguyễn Anh Quốc


TĨM TẮT
Luận văn trình bày nghiên cứu trong phịng về sự ảnh hưởng của các thành
phần khoáng trong xi-măng đến sự hình thành cường độ của cọc đất trộn xi-măng.
Đất sét nguyên liệu được chọn ở tỉnh Trà Vinh và xi-măng là nguồn nguyên liệu
trong nước với bốn loại khác nhau A,B,C,D. Nghiên cứu được tiến hành với nhiều
hàm lượng xi-măng, thay đổi hàm lượng xi-măng từ 15% đến 30%, và thời gian bảo
dưỡng từ 7 ngày đến 28 ngày.
Nghiên cứu chỉ ra rằng cường độ nén của đất trộn xi-măng đạt giá trị cao
và đột biến ở hàm lượng xi-măng 30%. Sự phát triển cường độ tăng nhanh ở thời
gian bảo dưỡng 7 ngày và sau đó tăng chậm ở thời gian bảo dưỡng 28 ngày. Ximăng loại D có hàm lượng khống cao nhất và mẫu đất gia cố xi-măng loại D cũng
tương ứng cho cường độ cao nhất. Hàm lượng và vi cấu trúc các thành phần khống
tạo ra của q trình đóng rắn của mẫu đất trộn xi-măng được trình bày thơng qua
phân tích nhiễu xạ tia X, qua các ảnh chụp kính hiển vi điện tử. Mô-đuyn cát tuyến
(E50) đạt từ 69.09 qu đến 687.16 qu ở 28 ngày bảo dưỡng.
Qua nghiên cứu cho thấy sự chọn lựa loại xi-măng phù hợp nhất cho dự án
căn cứ vào hàm lượng các khoáng trong loại xi-măng đó.


ABSTRACT

This thesis present a laboratory study on the influence of the mineral
composition of cement to the formation of intensity of soil cement mix. Selected
materials in clay Trà Vinh province and cement is the source of raw materials in the
country with four different types A, B, C, D. The study was carried out with
different cement content, changing the cement content from 15% to 30%, and
maintenance time from 7 days to 28 days.
Research indicates that the compressive strength of soil cement mix of high
value and mutations in the cement content of 30%. The development intensity
increase in maintenance time 7-days and then increased slowly at 28-days
maintenance period. Cement type D has the highest mineral content and soil
reinforced cement type D also corresponds to the highest intensity. Content and
structure of micro-mineral components of the curing process of cement mixed soil
samples are shown through X-ray diffraction analysis, through an electron
microscope photograph. Secant modulus (E50) reached from 69.09 qu to 687.16 qu
in 28-days of maintenance.
Studies showed that the choice of the most suitable cement for the project
based on the content of minerals in the cement.


MỤC LỤC
MỤC LỤC HÌNH VÀ BẢNG .....................................................................................................4 
KÝ HIỆU.....................................................................................................................................7 
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................................9 
1. Tính cấp thiết của đề tài ..........................................................................................................9 
2. Mục đích và vấn đề nghiên cứu của đề tài . ............................................................................9 
3. Phương pháp nghiên cứu . .......................................................................................................9 
4. Ý nghĩa khoa học của đề tài . ................................................................................................10 
5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài . .................................................................................................10 
6. Nội dung nghiên cứu của đề tài. ............................................................................................10 
7. Hạn chế của đề tài .................................................................................................................11 

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CỌC ĐẤT TRỘN XIMĂNG (CDM) TRONG CẢI TẠO NỀN ĐẤT YẾU...............................................................12 
1.1. Lịch sử phát triển và ứng dụng trụ đất trộn xi-măng gia cố nền đất yếu ...........................12 
1.1.1 Lịch sử phát triển trụ đất trộn xi-măng ............................................................................12 
1.1.2 Nguyên lý hình thành cường độ của cọc đất trộn xi-măng ..............................................16 
1.1.3 Ứng dụng trụ đất trộn xi-măng để gia cố nền đất yếu . ....................................................17 
1.1.4 Những dạng hình học của bố trí móng. ............................................................................20 
1.2 Sơ lược phương pháp thi công.............................................................................................21 
1.2.1 Các phương pháp trộn ......................................................................................................21 
1.2.2 Công nghệ thi công trụ đất gia cố bằng xi-măng..............................................................23 
1.3 Ứng dụng của cọc đất trộn xi-măng ở Việt Nam.................................................................29 
1.4 Các kết quả nghiên cứu có liên quan đến vấn đề nghiên cứu trong và ngoài nước ............30 
1.4.1 Các kết quả nghiên cứu trên thế giới . ..............................................................................30 
1.4.2 Các kết quả nghiên cứu ở Việt Nam ................................................................................42 
CHƯƠNG 2 : CÁC PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM VÀ QUY TRÌNH TẠO MẪU NGHIÊN
CỨU ..........................................................................................................................................48 
2.1 Các thí nghiệm vật lý cơ bản của đất ..................................................................................48 
2.1.1 Thí nghiệm xác định độ ẩm (ASTM D2216). ..................................................................48 
2.1.2 Thí nghiệm xác định dung trọng. .....................................................................................48 

Trang 1


2.1.3 Thí nghiệm xác định thành phần hạt (ASTM D422-63). .................................................50 
2.1.4 Thí nghiệm xác định giới hạn dẻo, giới hạn chảy Atterberg. ...........................................51 
2.2 Các thí nghiệm mẫu đất trộn xi măng..................................................................................53 
2.2.1 Thí nghiệm nén một trục có nở hơng (ASTM D5102-96). ..............................................53 
2.3. Quy trình tạo mẫu nghiên cứu ............................................................................................57 
2.3.1 Định nghĩa các kí hiệu thơng số liên quan . .....................................................................57 
2.3.2 Các bước tiến hành thí nghiệm ........................................................................................58 
2.3.2.1 Vị trí đất thí nghiệm và cơng tác lấy mẫu. ....................................................................58 

2.3.2.2 Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý đất tự nhiên .....................................................58 
2.3.2.3 Lựa chọn hàm lượng xi măng nghiên cứu (aw) và chất kết dính . .................................63 
2.3.2.4 Thiết bị trộn mẫu, Khn mẫu thí nghiệm ...................................................................65 
2.3.2.5 Quy trình trộn mẫu, bảo dưỡng mẫu đất trộn xi măng (ASTM D1632-96) : ................66 
2.3.3 Thí nghiện nén đơn...........................................................................................................74 
2.3.4 Thí nghiệm phân tích thành phần khống (X-Ray) ..........................................................74 
2.3.5 Chụp vi cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử (SEM)...........................................................74 
2.3.6 Thí nghiệm phân tích thành phần hóa của xi-măng .........................................................74 
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC
THÀNH PHẦN KHOÁNG .......................................................................................................75 
3.1 Ảnh hưởng của của tỉ lệ đất nước trên xi-măng (sw/c) .......................................................75 
3.2 Sự thay đổi cường độ nén đơn (qu) theo thời gian bảo dưỡng.............................................80 
3.3 Cường độ nén nở hông (qu) và độ biến dạng dọc trục (ε) ...................................................86 
3.4 Tương quan giữa cường độ nén đơn (qu) và mô-đuyn cát tuyến (E50) ..............................100 
3.5 Tương quan giữa cường độ nén đơn qu và liều lượng xi-măng α (kg/m3) ........................105 
3.6 Kết quả và nhận xét của các thí nghiệm phân tích đặc tính xi-măng làm thí nghiệm .......107 
3.7 Phân tích và nhận xét hình ảnh chụp cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử (SEM) của mẫu đất
sét và mẫu đất trộn xi-măng ....................................................................................................112 
3.8 Kết quả và nhận xét của thí nghiệm phân tích hàm lượng các khống bằng nhiễu xạ tia X
(X-Ray)....................................................................................................................................116 
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................................122 
HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ...................................................................................124 
Trang 2


TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................................125 

Trang 3

MỤC LỤC HÌNH VÀ BẢNG
MỤC LỤC HÌNH VÀ BẢNG .....................................................................................................4
KÝ HIỆU.....................................................................................................................................7
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................................9
1. Tính cấp thiết của đề tài ..........................................................................................................9
2. Mục đích và vấn đề nghiên cứu của đề tài . ............................................................................9
3. Phương pháp nghiên cứu . .......................................................................................................9
4. Ý nghĩa khoa học của đề tài . ................................................................................................10
5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài . .................................................................................................10
6. Nội dung nghiên cứu của đề tài. ............................................................................................10
7. Hạn chế của đề tài .................................................................................................................11
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CỌC ĐẤT TRỘN XIMĂNG (CDM) TRONG CẢI TẠO NỀN ĐẤT YẾU...............................................................12
1.1. Lịch sử phát triển và ứng dụng trụ đất trộn xi-măng gia cố nền đất yếu ...........................12
1.1.1 Lịch sử phát triển trụ đất trộn xi-măng ............................................................................12
1.1.2 Nguyên lý hình thành cường độ của cọc đất trộn xi-măng ..............................................16
1.1.3 Ứng dụng trụ đất trộn xi-măng để gia cố nền đất yếu . ....................................................17
1.1.4 Những dạng hình học của bố trí móng. ............................................................................20
1.2 Sơ lược phương pháp thi công.............................................................................................21
1.2.1 Các phương pháp trộn ......................................................................................................21

Trang 4


.........22
1.2.2 Công nghệ thi công trụ đất gia cố bằng xi-măng..............................................................23
1.3 Ứng dụng của cọc đất trộn xi-măng ở Việt Nam.................................................................29
1.4 Các kết quả nghiên cứu có liên quan đến vấn đề nghiên cứu trong và ngoài nước ............30
1.4.1 Các kết quả nghiên cứu trên thế giới . ..............................................................................30
1.4.2 Các kết quả nghiên cứu ở Việt Nam ................................................................................42
CHƯƠNG 2 : CÁC PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM VÀ QUY TRÌNH TẠO MẪU NGHIÊN

CỨU ..........................................................................................................................................48
2.1 Các thí nghiệm vật lý cơ bản của đất ..................................................................................48
2.1.1 Thí nghiệm xác định độ ẩm (ASTM D2216). ..................................................................48
2.1.2 Thí nghiệm xác định dung trọng. .....................................................................................48
2.1.3 Thí nghiệm xác định thành phần hạt (ASTM D422-63). .................................................50
2.1.4 Thí nghiệm xác định giới hạn dẻo, giới hạn chảy Atterberg. ...........................................51
2.2 Các thí nghiệm mẫu đất trộn xi măng..................................................................................53
2.2.1 Thí nghiệm nén một trục có nở hơng (ASTM D5102-96). ..............................................53
2.3. Quy trình tạo mẫu nghiên cứu ............................................................................................57
2.3.1 Định nghĩa các kí hiệu thông số liên quan . .....................................................................57
2.3.2 Các bước tiến hành thí nghiệm ........................................................................................58
Trang 5


2.3.2.1 Vị trí đất thí nghiệm và cơng tác lấy mẫu. ....................................................................58
2.3.2.2 Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý đất tự nhiên .....................................................58
2.3.2.3 Lựa chọn hàm lượng xi măng nghiên cứu (aw) và chất kết dính . .................................63
2.3.2.4 Thiết bị trộn mẫu, Khn mẫu thí nghiệm ...................................................................65
2.3.2.5 Quy trình trộn mẫu, bảo dưỡng mẫu đất trộn xi măng (ASTM D1632-96) : ................66
2.3.3 Thí nghiện nén đơn...........................................................................................................74
2.3.4 Thí nghiệm phân tích thành phần khống (X-Ray) ..........................................................74
2.3.5 Chụp vi cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử (SEM)...........................................................74
2.3.6 Thí nghiệm phân tích thành phần hóa của xi-măng .........................................................74
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC
THÀNH PHẦN KHOÁNG .......................................................................................................75
3.1 Ảnh hưởng của của tỉ lệ đất nước trên xi-măng (sw/c) .......................................................75
3.2 Sự thay đổi cường độ nén đơn (qu) theo thời gian bảo dưỡng.............................................80
3.3 Cường độ nén nở hông (qu) và độ biến dạng dọc trục (ε) ...................................................86
3.4 Tương quan giữa cường độ nén đơn (qu) và mô-đuyn cát tuyến (E50) ..............................100
3.5 Tương quan giữa cường độ nén đơn qu và liều lượng xi-măng α (kg/m3) ........................105

3.6 Kết quả và nhận xét của các thí nghiệm phân tích đặc tính xi-măng làm thí nghiệm .......107
3.7 Phân tích và nhận xét hình ảnh chụp cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử (SEM) của mẫu đất
sét và mẫu đất trộn xi-măng ....................................................................................................112
3.8 Kết quả và nhận xét của thí nghiệm phân tích hàm lượng các khống bằng nhiễu xạ tia X
(X-Ray)....................................................................................................................................116
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................................122
HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ...................................................................................124
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................................125

Trang 6


KÝ HIỆU
aw

Hàm lượng xi-măng

Ao/A

Diện tích tiết diện ngang ban đầu / diện tích qui đổi

b

Chiều rộng trung trình của mẫu sau pha1 hoại

c

Lực dính

eo

Hệ số rỗng

γw

Dung trọng ướt

γd

Dung trọng khơ

ϕ

Góc ma sát

E50

Mô-đuyn cát tuyến

H

Chiều cao mẫu

IL

Độ sệt

LL

Giới hạn chảy

LP

Giới hạn dẻo

L0

Chiều cao ban đầu của mẫu

ΔL

Chiều cao bị biến dạng của mẫu

P

Lực dọc trục khi mẫu bị phá hoại

qu

Cường độ nén nở hơng

V

Thể tích

Wsd

Khối lượng đất khơ

Wsw

Khối lượng đất ẩm

Wmix

Khối lượng hỗn hợp

Ww

Khối lượng nước

Trang 7


W

Độ ẩm tự nhiên

Wc

Khối lượng xi-măng

sw/c

Tỷ lệ đất nước trên xi-măng

w/c

Tỷ lệ nước trên xi-măng

α

Liều lượng xi-măng

ε

Độ biến dạng dọc trục của mẫu

Trang 8


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài .
Tốc độ đơ thị hóa ngày càng nhanh bởi sự gia tăng dân số địi hỏi phải xây dựng
nhiều cơng trình hạ tầng, phải tạo ta nhiều tiện nghi xã hội mà cấp bách là ở các đơ thị.
Bên cạnh đó, qũy đất dành cho xây dựng các cơng trình hạ tầng ngày càng hạn hẹp kết
hợp với điều kiện nền đất xây dựng thường là đất yếu. Những vấn đề của đất yếu là
cường độ thấp, độ ổn định không cao, lún nhiều, lún không đều và lún kéo dài theo thời
gian.
Hiện tại có nhiều giải pháp xử lý nền đất yếu như là cọc cát , giếng cát , đắp gia
tải , đắp gia tải kết hợp với bơm hút chân khơng , bấc thấm … thì biện pháp cọc đất gia
cố xi-măng có nhiều ưu điểm được lựa chọn trong thời gian gần đây. Vấn đề tìm hiểu
sự hình thành cường độ, mô-đuyn đàn hồi của cọc đất gia cố xi-măng ứng dụng vào
thiết kế tính tốn là cần thiết. Liên quan đến sự nghiên cứu quá trình hình thành cường
độ của vật liệu trên thế giới và trong nước thì có nhiều, tuy nhiên nghiên cứu theo góc
độ các thành phần khoáng trong xi-măng quyết định đến sự hình thành cường độ thì
cịn thiếu. Từ đó giúp định hướng cho người sử dụng bởi vì càng ngày càng có nhiều
chủng loại xi-măng xuất hiện trên thị trường .
2. Mục đích và vấn đề nghiên cứu của đề tài .
Nhiệm vụ chính của đề tài là “Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thành phần

khoáng trong xi-măng đến sự hình thành cường độ của cọc đất trộn xi-măng”
nhằm xác định các vấn đề sau : Ảnh hưởng của loại và hàm lượng xi-măng đến sự hình
thành và phát triển cường độ của cọc đất trộn xi-măng. Xác định mối tương quan giữa
mô-đuyn đàn hồi và cường độ nén của mẫu đất trộn xi-măng khi chịu ảnh hưởng các
điều kiện trên .
3. Phương pháp nghiên cứu .
¾

Nghiên cứu về lý thuyết :

- Cơ sở lý thuyết của sự tương tác giữa đất và xi-măng đến sự hình thành và phát
Trang 9


triển cường độ của cọc đất trộn xi-măng .
¾

Thực nghiệm :

- Thu thập mẫu đất yếu từ khu vực nghiên cứu .
- Thu thập loại xi-măng dành cho việc cải tạo đất yếu từ nhiều nhà sản xuất khác
nhau .
- Tiến hành chế bị mẫu đất trộn xi-măng, bảo dưỡng mẫu .
- Tiến hành phân tích, thí nghiệm mẫu .
- Thu được các kết quả thí nghiệm, kết quả phân tích .
- Phân tích các kết quả đạt được .
- Đánh giá ảnh hưởng của các thành phần khoáng trong xi-măng đến sự hình
thành cường độ của cọc đất trộn xi-măng .
4. Ý nghĩa khoa học của đề tài .
- Xác định được các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành và phát triển cường độ

cũng như hàm lượng xi-măng tối ưu cho cọc đất trộn xi-măng (CDM-Cement deep
mixing) trong khu vực nghiên cứu. Xác định được cơ chế, sự hình thành và đóng rắn
của các thành phần khống trong hỗn hợp cũng như là xác định hàm lượng các thành
phần khoáng trong điều kiện của độ ẩm, loại đất xác định của dự án .
5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài .
- Lựa chọn được chính xác và nhanh chóng loại xi-măng phù hợp cho từng loại
đất của dự án.
6. Nội dung nghiên cứu của đề tài.
- Nghiên cứu tổng quan về những nghiên cứu và ứng dụng của trụ đất trộn ximăng trong nền đất yếu.
- Nghiên cứu trong phòng các chỉ tiêu cơ lý và thành phần khoáng của mẫu đất
yếu trộn với nhiều loại xi-măng khác nhau. Đất yếu được bảo quản trong bao ny-lon để
hạn chế bị thay đổi tính chất. Quy trình tạo mẫu được tiến hành theo phương pháp ướt.
- Nghiên cứu phân tích mẫu với những phương pháp phân tích hiện đại như: phân
tích nhiễu xạ tia X, chụp hình vi cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử.
Trang 10


7. Hạn chế của đề tài .
Do thời gian có hạn nên :
Trong đề tài này tác giả chỉ tập trung nghiên cứu sự ảnh hưởng của hàm lượng ximăng, loại xi-măng mà chưa xét đến các ảnh hưởng khác như : năng lượng trộn, thời
gian trộn, hàm lượng hữu cơ trong đất, ảnh hưởng của nhiệt độ trong quá trình trộn …
Cần có thêm nhiều nghiên cứu tương tự cho nhiều loại đất yếu ở nhiều vùng khác.
Đề tài chưa xét đến yếu tố giá thành của giải pháp, chưa đánh giá hiệu quả kinh tế
so với các giải pháp khác .

Trang 11


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CỌC ĐẤT
TRỘN XI-MĂNG (CDM) TRONG CẢI TẠO NỀN ĐẤT YẾU

1.1. Lịch sử phát triển và ứng dụng trụ đất trộn xi-măng gia cố nền đất yếu .
1.1.1 Lịch sử phát triển trụ đất trộn xi-măng .
- Người ta đã nhận thấy rằng nếu trộn đất sét với một lượng vôi, xi-măng hoặc
một chất kết dính tương tự thì sẽ được vật liệu mới có tính chất cơ học cao hơn hẳn đất
sét lúc chưa gia cố .
- Ban đầu, họ tiến hành khoan các lỗ có đường kính từ 30~50cm, cách nhau 2~5m
rồi tiến hành cho vôi cục chưa tôi vào. Khi tác dụng với nước, vôi sống được tôi sẽ
tăng thể tích (có thể tăng đường kính cọc lên 60~80%), vì thế nó làm cho đất xung
quanh bị nén chặt hơn. Đồng thời vơi cịn có tác dụng gia cố đất xung quanh cọc làm
tăng cường độ, hút nước vào rồi tạo ra phản ứng tỏa nhiệt, làm bốc hơi nước do đó làm
giảm độ ẩm của đất yếu xung quanh cọc vôi. Tuy nhiên, do độ thấm của sét rất nhỏ nên
sự lan truyền của vôi trong khối đất bị hạn chế, vì vậy việc cải thiện tính chất của đất
yếu của cọc vơi cịn rất cục bộ.
- Để khắc phục nhược điểm trên, người ta đã tiến hành trộn trực tiếp vôi hoặc ximăng với đất sét mềm ngay trong nền đất yếu tạo thành các cọc đất vơi hoặc cọc đất ximăng có đường kính 50 cm bằng một thiết bị khoan đặc biệt. Lưỡi khoan được xoắn
vào trong đất đến độ sâu yêu cầu tương ứng với chiều dài thiết kế của cọc và được rút
lên khi xoay ngược chiều. Vôi sống hoặc xi-măng khô sẽ được chuyển đồng thời với
khí nén từ hệ thống xi-lô qua ống dẫn bên trong cần khoan vào trong đất. Tốc độ rút
lên của cần có liên quan đến hiệu quả khuấy trộn vật liệu, có thể điều chỉnh tùy theo
tính chất của đất. Q trình khuấy trộn đồng thời cũng làm chặt đất trong cọc. Tác
dụng hoá lý giữa vơi hoặc xi-măng và đất xảy ra, q trình rắn chắc của đất gia cố phát
triển theo thời gian tạo thành các cọc có sức chịu tải nhất định. Ngày nay để tận dụng
các phế phẩm công nghiệp vào việc gia cố đất, ngồi vơi và xi-măng người ta còn sử
dụng hỗn hợp các chất sau làm chất kết đính trong gia cố đất như: Tro xỉ (fly ash) +
vôi, Tro xỉ + enzymes cũng đã thu được hiệu quả tương tự.
Trang 12


- Từ những năm 1925, ở Liên Xô đã dùng vơi để cải tạo tính chất của đất phục vụ
xây dựng đường giao thơng, thủy lợi, các cơng trình nhà.
- Vào những năm 1954, Châu Âu đã dùng vôi sống để cải tạo tính chất xây dựng

của đất. Theo ơng, vơi sống có khả năng ngưng kết (hố cứng) trong vịng 5-10 phút ở
điều kiện xác định, tức là nó ngưng kết nhanh gấp 50-100 lần vôi tôi. Intrustion
Prepark Co (United State) phát triển công nghệ trộn tại chỗ (Mixed in place – MIP) với
mũi khoan đơn và chỉ được sử dụng rải rác ở Mỹ.
- Từ năm 1960, Nhật Bản và Thụy Điển đã độc lập nghiên cứu và phát triển kỹ
thuật trộn đất dưới sâu sử dụng vôi hoạt tính dạng hạt. Người Nhật chú trọng đến kỹ
thuật gia cường đất mà có thể sử dụng thích hợp cho các dự án ở biển và sông. Trong
khi Thụy Điển thì chú trọng đến kỹ thuật gia cường đất sét yếu cho các dự án xây dựng
đường ô tô và tường chắn đất. Năm 1961, MIP được sử dụng hơn 300000 mét dài cho
trụ ở Nhật nhằm chống đỡ hố đào và kiểm soát nước trong đất. Tiếp theo công ty Seiko
Kogyo thành công cho ứng dụng dạng tường chắn và kỹ thuật trộn sâu (DMM – Deep
Mixing Method). Năm 1967, Viện nghiên cứu cảng biển (PHRI) bắt đầu nghiên cứu
trong phịng sử dụng vơi bột xử lý đất yếu với đất ở biển. Các nghiên cứu tiếp theo bởi
Okumura, Terashi và đến đầu những năm 1970: (I) nghiên cứu phản ứng giữa Vôi
(lime) với đất sét biển; (II) phát triển các thiết bị trộn thích hợp. Cường độ nén nở hông
thu được từ 0.1MPa – 1MPa. Năm 1967, Nghiên cứu trong phòng và hiện trường bắt
đầu với phương pháp “Trụ vôi Thụy Điển” cho dự án xử lý đất sét yếu dưới nền đường
sử dụng vôi chưa tôi.
- Đến năm 1970, phương pháp trộn khô sử dụng vôi sống trộn với đất ở hiện
trường để tạo thành các trụ vôi đã được thực hiện ở Thụy Điển và Nhật Bản. Xi-măng
khô được sớm thêm vào để tăng cường ổn định và tạo ra dạng trụ có cường độ cao hơn.
Những trụ vôi/xi-măng hoặc trụ xi-măng sử dụng ngày nay đã thay thế hồn tồn
những trụ vơi (Kivelo, 1998). Phương pháp mà bột vôi khô và xi-măng được sử dụng
để tăng cường ổn định được gọi là phương pháp trộn khô (Dry Method of Deep
Mixing). Phương pháp trộn sâu (DLM) đã được áp dụng rộng rãi ở Nhật Bản.
Trang 13


- Giữa năm 1970, một nổ lực để tăng cường sự đồng nhất của đất đã được gia
cường bằng phương pháp trộn dưới sâu, người Nhật cũng bắt đầu đưa ra phương pháp

tăng cường ổn định mà sử dụng vữa xi-măng lỏng được gọi là phương pháp trộn ướt
('Wet Method of Deep Mixing'). Phương pháp ướt ban đầu được giới thiệu ở Nhật để
ổn định đất sét trên biển, nhưng sau này nó được sử dụng cả cho trên đất liền. Thử
nghiệm được tiến hành trên trụ vôi tại sân bay Ska Edeby (Thụy Điển): Thí nghiệm và
đánh giá ảnh hưởng của việc thốt nước (cột dài 15m, đường kính 0.5m). Năm 1974,
thử nghiệm cho nền đường sử dụng phương pháp “Trụ vôi Thụy Điển” cho đất sét yếu
ở Phần Lan (dài 8m, đường kính 0.5m). Năm 1975, các báo cáo về trụ vôi của Thụy
Điển (Brom và Boman) và báo cáo của Nhật Bản về DLM (Okumura và Terashi) được
thuyết trình tại hội nghị ở Bangole. Năm 1975, PHRI phát triển “phương pháp trộn sâu
CDM” sử dụng vữa xi-măng lỏng và lần đầu tiên thực hiện trong dự án lớn với đất yếu
ngoài khơi. Năm 1976, Viện nghiên cứu công chánh (PWRI) kết hợp với Viện nghiên
cứu máy xây dựng bắt đầu nghiên cứu phương pháp phun khô (DJM) sử dụng bột ximăng khô. Năm 1977, Viện địa kỹ thuật Thụy Điển xuất bản cuốn sổ tay hướng dẫn
thiết kế về trụ vôi (áp dụng cho vôi chưa tôi).
- Đến thập niên 80 của thế kỷ XX, phương pháp trộn dưới sâu được áp dụng rộng
rãi trong xây dựng. Ở Mỹ vào năm 1980, phương pháp trộn dưới sâu vẫn còn được
xem như là một kỹ thuật mới xuất hiện. Tuy nhiên với sự gia tăng của thiết bị sẵn có và
kinh nghiệm của nhà thầu xây dựng, phương pháp trộn đất đã trở thành một kỹ thuật
xây dựng được chấp nhận. Năm 1986, SMW Seiko Inc mở hoạt động ở Mỹ và giới
thiệu công nghệ DMM. Năm 1987-1989, công ty Bachy ở Pháp phát triển “Colmix”
bằng kỹ thuật trộn và làm chặt khi đảo chiều xoay của các cần trong suốt q trình rút
cần. Năm 1989, cơng ty Trevisian và Rodio ở Italy phát triển phiên bản DMM bắt đầu
với phun khô nhưng phát triển ở phương pháp trộn ướt.
- Năm 1990, phát triển thiết bị trộn mới ở Phần Lan sử dụng xi-măng và vôi: khả
năng tạo cột sâu hơn 20m và đường kính lớn hơn 0.8m .
- Năm 1991, Bulgarian Academy of Science báo cáo kết quả nghiên cứu cọc đất
Trang 14


gia cố xi-măng.
- Năm 1994, hiệp hội DJM báo cáo 1820 dự án đã hoàn thành.

- Năm 1995, báo cáo nghiên cứu phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng
hóa cứng. Nghiên cứu sử dụng chất kết dính mới (xỉ, tro bay,…). Hội địa chất Thụy
Điển phát hành hướng dẫn thiết kế mới cho trụ vôi và xi-măng (tiêu điểm cho đất yếu
và trụ nửa cứng).
- Năm 1996, Hội nghị phương pháp trộn sâu được tổ chức ở Nhật Bản. Trụ ximăng vôi được sử dụng rộng rãi ở Mỹ.
- Năm 1997, Trụ xi-măng vôi ứng dụng xử lý giảm độ lún tại các dự án I-15, Salt
Lake City (Mỹ).
- Năm 1999, Hội nghị quốc tế về phương pháp trộn khô được tiến hành ở Thụy
Điển.
- Phương pháp trộn dưới sâu để tăng cường đất nhằm đạt cường độ cao hơn, giảm
độ dẻo và hệ số nén thấp hơn đất nguyên gốc. Chất lượng của việc gia cường đất phụ
thuộc mật độ và dạng hình học của móng, q trình thi cơng, đặc tính của đất gốc, thời
gian thi công và nhiệt độ. Phương pháp ướt được thiết kế để cung cấp cường độ cao
hơn phương pháp khô. Tuy nhiên, vật liệu được sản xuất bằng phương pháp ướt đạt
được cường độ chậm hơn trong thời gian dài (Kawasaki et al, 1981).
- Ngày nay phương pháp trộn dưới sâu được sử dụng trên khắp thế giới, đặc biệt
ở châu Âu, Bắc Mỹ và châu Á với nhiều tên gọi khác nhau. Bruce (2000) đã thống kê
24 loại khác nhau của phương pháp trộn sâu. Tên chung 'Deep Mixing Method'- viết tắt
là DMM- được sử dụng để bao gồm tất cả các phương pháp trộn sâu.
- Tại Việt Nam, công nghệ cọc đất-vôi/xi-măng được bắt đầu nghiên cứu vào
năm1980 với sự giúp đỡ của Viện Địa Kỹ Thuật Thụy Điển (SGI). Đề tài nghiên cứu
được Bộ Xây Dựng nghiệm thu vào năm 1985 và đã được áp dụng cho một số cơng
trình dân dụng và cơng nghiệp ở Hà Nội, Hải Phịng. Cơng trình đầu tiên ở phía Nam
do công ty Hercules kết hợp với Công ty Phát Triển Kỹ Thuật Xây Dựng Thi Cơng là
cơng trình Tổng Kho Xăng Dầu Hậu Giang tại khu cơng nghiệp Trà Nóc, TP Cần Thơ
Trang 15


vào đầu năm 2001 với khối lượng khoảng 50.000 đài cọc. Hiện tại công nghệ này đã và
đang được áp dụng vào các dự án xây dựng lớn như công trình đại lộ Đơng Tây - TP.

Hồ Chí Minh, sử dụng phương pháp khô với chiều sâu trụ đất trộn xi măng lên tới
26m; cơng trình sân bay quốc tế Cần Thơ, sử dụng phương pháp khô với chiều sâu trụ
đất trộn xi măng là 6m; dự án đường cao tốc Long Thành - Dầu Dây; dự án đường
vành đai Bình Lợi – Tân Sơn Nhất; dự án cải tạo kênh Tân Hóa – Lị Gốm.
1.1.2 Ngun lý hình thành cường độ của cọc đất trộn xi-măng .
- Hạt xi-măng là một hợp chất (heterrogeneous) bao gồm Calcium Silicate (C3S),
Calcium Silicate (C2S) và các chất rắn hòa tan như Tetracalcium Alumino - Ferrite
(C4A). Bốn phân tử chính này tạo nên sản phẩm hỗn hợp tạo độ bền chủ yếu. Khi nước
lỗ rỗng của đất gặp xi-măng, q trình thủy hóa xi-măng xảy ra nhanh chóng và sản
phẩm chính yếu của sự thủy hóa bao gồm Hydrate Calcium Silicates (C2SHx, C3SHx)
Hydrate Calcium Aluminate (C3AHx, C4AHx) và Hydroxyl vôi Ca(OH)2. Hai sản
phẩm Hydrate liệt kê ở đầu tiên ở trên là hai sản phẩm kết dính xi-măng được hình
thành từ thủy hóa vôi được sử dụng như những pha tinh thể rắn riêng biệt. Những phần
tử xi-măng này kết hợp với các hạt xi-măng nằm kế bên với nhau trong suốt qúa trình
hóa cứng để tạo thành bộ khung cứng bao quanh các hạt đất nguyên vẹn. Các pha
Silicate và Alumino được kết hợp nội tại, do đó hầu như khơng có pha nào kết tinh
hoàn toàn. Một phần của pha Ca(OH)2 cũng có thể kết hợp với các hydrate khác mà chỉ
có một phần kết tinh. Hơn nữa thủy hóa xi-măng dẫn đến gia tăng độ pH của nước lỗ
rỗng gây ra sự phân li của vôi Hydrate. Các bazơ mạnh hịa tan Silicate và Aluminate
từ cả khống vật sét và các chất vơ cơ định hình khác trên những mặt của các hạt sét,
theo cách tương tự như phản ứng giữa các axít yếu với 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 khơng hịa tan (đây là các sản phẩm xi-măng thứ
yếu), hóa cứng khi được xử lí gia cố nền đất yếu. Phản ứng thứ yếu này được gọi là
phản ứng pozzolan. Hợp chất của thủy hóa xi-măng thì được xác định rõ ràng bởi các
cơng thức hóa học.
Trang 16


- Khi trộn xi-măng vào trong đất, độ rắn chắc cho đất gia cố nhờ vào các phản

ứng thủy hoá xi-măng như sau :
+ Khi xi-măng tiếp xúc với nước ở giai đoạn đầu xảy ra quá trình tác dụng
nhanh của alít với nước tạo ra hiđrosilicat canxi và hiđroxit canxi :
2(3CaO.SiO2) + 6H2O = 3CaO.2SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2

(1.1)

+ Vì đã có Ca(OH)2 tách ra từ alít nên belit thủy hố chậm hơn alit :
2(2CaO.SiO2) + 4H2O = 3CaO.2SiO2.3H2O + Ca(OH)2

(1.2)

+ Mặt khác, khi được tiếp xúc với nước, trên bề mặt các hạt xi-măng đã có lớp
sản phẩm xốp, khơng bền, có tinh thể dạng tấm mỏng lục giác của 4CaO.Al2O3.9H2O
và 2CaO.Al2O3.8H2O phản ứng nhanh với nước tạo ra dạng ổn định :
3CaO.Al2O3 + 6H2O = 3CaO.Al2O3 . 6H2O
4CaO.Al2O3.Fe2O3 + mH2O = 3CaO.Al2O3.6H2O + CaO.Fe2O3.nH2O

(1.3)
(1.4)

- Khi phản ứng thuỷ hoá này diễn ra sẽ cần một lượng nước cho quá trình thủy
hóa, vì vậy nước lỗ rỗng của đất yếu sẽ được lấy đi nên sẽ sẽ có hiệu quả làm giảm độ
ẩm của đất trong cọc và xung quanh cọc .
1.1.3 Ứng dụng trụ đất trộn xi-măng để gia cố nền đất yếu .
Ứng dụng của đất trộn xi-măng, một kỹ thuật gia cố đất, đã được báo cáo trong
các xuất bản khác nhau (Ryan and Jasperse, 1989; Yang et al. 2003). Chúng được sử
dụng với nhiều ứng dụng khác nhau trong xây dựng dân dụng, nền móng cơng trình
cầu đường, kết cấu tường chắn, làm giảm sự hóa lỏng của đất, chống vách hố đào…
Các nhóm ứng dụng cơ bản có thể thích hợp cho phương pháp trộn sâu hiện nay là :

- Tường ngăn nước: những tường DMM để ngăn nước thấm qua hoặc sự phát
triển của nước ở dưới cấu trúc tường chắn.

Trang 17


Hình 1.1: Tường chắn chống thấm ở đập Parson Lake, 1917, Mỹ
- Làm móng đỡ các kết cấu bên trên : những khối đất trộn xi-măng có cường độ
cao hơn và đồng nhất thay thế đất yếu tự nhiên.

Hình 1.2: DCM với chức năng là móng
- Gia cố, tăng cường nền đất: những phần tử DMM được sử dụng để làm tăng khả
năng chống biến dạng tổng thể của đất dưới nền đường.

a- Gia cố nền đường

b- Gia cố đường đầu cầu c- Ổn định lún cho cơng trình

Hình 1.3: Tăng cường khả năng chống biến dạng của nền đất yếu

Trang 18


- Làm giảm sự hóa lỏng của đất: DMM dạng hộp hoặc cấu trúc có vách ngăn làm
giảm khuynh hướng hóa lỏng của đất và sự lan truyền chấn động, do động đất, ra xung
quanh bên dưới nền đường hoặc tịa nhà lớn.
- Xử lý ơ nhiễm mơi trường đất: hydrat hóa đất ơ nhiễm tại chỗ và ngăn ngừa sự
lây lan của đất ô nhiễm.
- Tăng cường ổn định trượt, chuyển vị ngang: những trụ DCM làm tăng ổn định
cho nền đường đắp trên đất yếu, giảm ảnh hưởng đến cơng trình lân cận, ổn định thành

hố đào, chống chuyển dịch ngang của móng cọc.

a- Ổn định trượt nền đắp

b-Ổn định cơng trình lân cận

Hình 1.4: Ổn định trượt, chống chuyển vị ngang

Trang 19