Nghiên cứu sự thay đổi sức chống cắt của đất yếu trộn vôi kết hợp với xi măng ở khu vực cần thơ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-----------------------

VÕ VĂN ĐẤU

NGHIÊN CỨU SỰ THAY ĐỔI SỨC CHỐNG CẮT
CỦA ĐẤT YẾU TRỘN VÔI KẾT HỢP VỚI XI MĂNG
Ở KHU VỰC CẦN THƠ
CHUYÊN NGÀNH
MÃ SỐ NGÀNH

: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
: 60.58.60

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2012


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

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS - TS. VÕ PHÁN

TS ĐỔ THANH HẢI

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


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

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo---

Tp. HCM, ngày . . . . . tháng . . . . . năm 2012

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: VÕ VĂN ĐẤU
Ngày, tháng, năm sinh: Ngày 20 tháng 04 năm 1972
Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng
Khoá (năm trúng tuyển): 2010

Giới tính: Nam
Nơi sinh: Bến Tre
MSHV: 10090366

TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU SỰ THAY ĐỔI SỨC CHỐNG CẮT CỦA ĐẤT
YẾU TRỘN VÔI KẾT HỢP VỚI XI MĂNG Ở KHU VỰC CẦN THƠ
NHIỆM VỤ: Nghiên cứu sự thay đổi sức chống cắt của đất trộn vôi kết hợp với xi
măng qua sự thay đổi hàm lượng vơi và xi măng, từ đó tìm ra hàm lượng vơi – xi
măng sao cho đạt hiệu quả về yêu cầu kỹ thuật và kinh tế. Với điều kiện đất nền cụ

thể, sử dụng kết quả thí nghiệm trên để tính tốn ổn định của nền đất đắp và công
nhà dân dụng.
NỘI DUNG:
MỞ ĐẦU
Chương 1. Tổng quan về một số kết quả nghiên cứu xác định cường độ của đất trộn
vôi –xi măng
Chương 2. Cơ sở lý thuyết xác định cường độ của mẫu đất trộn vơi và xi măng
Chương 3. Quy trình chế bị và thử nghiệm – Kết quả thử nghiệm
Chương 4. Ứng dụng kết quả thí nghiệm vào bài tốn cụ thể và mô phỏng bằng
Plaxis
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ

: ........................................................

2. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ

: ........................................................

3. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS VÕ PHÁN, TS ĐỔ
THANH HẢI
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)

PGS.TS VÕ PHÁN

PGS.TS VÕ PHÁN

TS. ĐỖ THANH HẢI

KHOA QL CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM ƠN
Luận văn tốt nghiệp này được hoàn thành không những từ nỗ lực của
bản thân học viên mà cịn nhờ sự hướng dẫn nhiệt tình và giúp đỡ của quý
thầy cô, đồng nghiệp cùng bạn bè thân hữu.
Trước tiên, xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong bộ mơn Địa cơ nền
móng đã nhiệt tình giảng dạy trong suốt thời gian qua, đồng thời đã quan
tâm giúp đỡ, tạo mọi điều kiện tốt nhất trong giai đoạn thực hiện Luận văn.
Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS Võ Phán, TS Đổ
Thanh Hải, người đã giúp đỡ, chỉ dẫn tận tình trong thời gian thực hiện
Luận văn và luôn quan tâm, động viên về tinh thần, giúp cho học viên có
thêm tự tin để tiếp thu những kiến thức mới hữu ích, làm nền tảng cho việc
học tập và công tác sau này.
Xin cảm ơn các bạn học viên cùng lớp Địa Kỹ Thuật Xây Dựng K2010,
những người đã luôn kề vai sát cánh trong suốt thời gian học tập.
Cuối cùng, xin cảm ơn Gia đình, Cơ quan và bạn bè thân hữu đã động
viên, giúp đỡ học viên trong thời gian học tập và thực hiện Luận văn.

Học viên

Võ Văn Đấu

1

MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Đất nền tại TP Cần Thơ đa phần là bùn sét, bùn sét hữu cơ, bùn sét pha,
mực nước ngầm tương đối cao. Theo báo cáo địa chất tại thành phố Cần Thơ thì
lớp đất trên mặt dày khoảng 0.5 – 1.5m gồm những loại sét hạt bụi đến sét cát có
màu xám nhạt đén xám vàng, có nơi bùn sét hữu cơ màu xám đen, mực nước
ngầm ở độ sâu từ 0.5-1m. Lớp sét hữu cơ có bề dày thay đổi từ 3-5m, có nơi dày
đến 8m, thường có màu xám đen, hàm lượng hữu cơ chiếm khoảng 3 – 8%, đất
lớp này có độ ẩm từ 50-100%, hệ số rổng từ 1.5 – 3, có nơi lớn hơn 3, dung trọng
tự nhiên dao động từ 1.35 đến 1.65g/cm3 , dung trọng khô từ 0.64 – 0.95g/cm3.
Nhìn chung lớp đất này thường gắp ở trạng thái dẽo mềm, dẽo chảy đến chảy, hệ
số rổng từ nhiên lớn, dung trọng nhỏ cho nên việc xây dựng các cơng trình trên
nền đất này địi hỏi phải xử lý nền và móng. Vì vậy để 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 modun biến dạng, tăng cường độ chống cắt
của đất, giảm tính thấm của đất, đảm bảo ổn định cho khối đất đắp người ta sử
dụng rất nhiều giải pháp: sử dụng cọc đóng, cọc ép, cọc khoan nhồi, cọc vật liệu
rời, gia tải trước, phun xịt xi măng, bất thấm, bơm hút chân không, vải địa kỹ
thuật, … các phương pháp này thường có chi phí tương đối cao. Để khắc phục
nhược điểm trên nhiều nước trên thế giới đã áp dụng phương pháp trộn đất với
vôi, đất với xi măng, đất kết hợp với cả vôi và xi măng xử lý tại chỗ cho loại đất
này. Ở Cần Thơ đã có một số cơng trình áp dụng phương pháp trộn đất – xi
măng như nhà máy nhiệt điện Ơ Mơn, sân bay Cần Thơ…
Giải pháp cột đất trộn vôi kết hợp với xi măng đã được ứng dụng rộng rãi
trên thế giới và đang càng ngày phát triển, trong khi giải pháp này ở Việt Nam thì
chưa được áp dụng nhiều, Vì vậy, việc “Nghiên cứu sự thay đổi sức chống cắt
của đất trộn vôi kết hợp với xi măng ở khu vực Cần Thơ” nói riêng và ở Việt
Nam nói chung trong điều kiện đất yếu là một nhiệm vụ quan trọng và cấp bách

2

nhằm góp phần nâng cao hiệu quả đầu tư xây dựng và nghiên cứu này trở thành
một trong những giải pháp nền móng hợp lý cho các loại cơng trình.
2. Nội dung nghiên cứu
Nội dung của luận văn tập trung vào các vấn đề trên, bao gồm các nhiệm
vụ chủ yếu sau đây:
i) Xác định sự thay đổi về độ ẩm, tỉ trọng hạt, hàm lượng hữu cơ và giới
hạn chảy, giới hạn dẽo của hổn hợp đất trộn vôi kết hợp với xi măng.
ii) Đánh giá sự thay đổi về cường độ, module biến dạng của hổn hợp đất
trộn vôi kết hợp với xi măng theo các hàm lượng vơi, xi măng khác
nhau theo thời gian thơng qua thí nghiệm nén nở hông.
iii) Đánh giá sự thay đổi của lực dính c và góc nội ma sát φ của hổn hợp
đất vơi- xi măng thơng qua thí nghiệm cắt trực tiếp.
iv) Với điều kiện đất nền cụ thể, sử dụng kết quả thí nghiệm trên để tính
tốn ổn định của nền đất đắp (nền đường)

3. Phương pháp nghiên cứu:
Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận văn:
i) Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu tổng quan về sử dụng đất trộn vôi,
xi măng để gia cố nền đất yếu trên thế giới và ở Việt Nam. Nghiên cứu
các phương pháp thí nghiệm trong phịng và hiện trường để xác định
các tính chất cơ lý của đất nền và đất gia cố.
ii) Nghiên cứu thực nghiệm: Chế bị mẫu thử và thử nghiệm tìm ra kết
quả tối ưu theo hàm lượng vôi – xi măng theo thời gian. Phân tích và
đánh giá kết quả thử nghiệm đồng thời ứng dụng kết quả vào tính tốn
ổn định của nền đất được gia cố.
iii) Nghiên cứu mô phỏng: Ứng dụng phần mềm Plaxis để mơ phỏng tính

tốn.


3

4. Ý nghĩa khoa học
Đề tài làm rõ hơn ảnh hưởng của hàm lượng vôi – xi măng đến cường độ và
mô đun biến dạng của đất nhằm đánh giá thực trạng của việc xử lý nền đất yếu
bằng phương pháp đất trộn vơi kết hợp với xi măng
5. Tính thực tiển:
Với việc xác định sự thay đổi tính chất cơ lý của đất nền, đánh giá cường độ
tối ưu theo hàm lượng vôi – xi măng sao cho đạt hiệu quả về kỹ thuật và kinh tế
trong điều kiện đất nền tại Thành Phố Cần Thơ, đề tài đưa ra các thông số kỹ
thuật để cho các kỹ sư tham khảo trong việc tính tốn thiết kế cọc đất trộn vôi kết
hợp xi măng, đồng thời sử dụng phương pháp này giải quyết được bài toán gia cố
nền đất yếu ở Cần Thơ nói riêng và ở Đồng Bằng Sơng Cửu Long nói chung.
6. Giới hạn của đề tài:
Đề tài tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của sự thay đổi hàm lượng vôi – xi
măng đến cường độ, sức chống cắt của hổn hợp đất – vôi – xi măng, đồng thời sử
dụng kết quả thí nghiệm để tính toán ổn định ở một loại đất cụ thể cho đất nền .
Do ở Cần Thơ chưa có cơng trình sử dụng cọc đất trộn vôi kết hợp với xi
măng, vì vậy việc ứng dụng phần mềm Plaxis để mơ phỏng tính tốn trong điều
kiện các thơng số có được trong phịng thí nghiệm.


4

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU XÁC
ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ CỦA ĐẤT TRỘN VÔI – XI MĂNG
Đất yếu là bùn sét và bùn á sét có độ thấm kém khả năng ứng dụng cọc vật

liệu rời khơng hiệu quả vì đất khơng nén chặt được trong q trình thi cơng, vì
nước trong lỗ rỗng của bùn rất khó thốt đi để lỗ rỗng có thể giảm nhỏ lại. Mặt
khác, vật liệu rời có thể chìm dần trong bùn nên khơng giữ được hình dạng cọc
sau khi thi công. Việc dùng vôi/ximăng để cải thiện ổn định nền đất yếu bằng các
cột vôi - xi măng đất, trong đó vơi và xi măng trộn với đất tại chỗ để tạo ra cột
gia cố nền đất được sử dụng từ lâu. Thụy Điển, Nhật và một số quốc gia khác đã
nghiên cứu phương pháp này trong khoảng thời gian dài cho thấy cọc đất gia cố
vôi/ximăng rất hữu hiệu trong việc gia tăng sức chịu tải và giảm độ lún của nền
đất. Công nghệ này đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ, nhưng là một giải pháp
tương đối chưa được ứng dụng nhiều tại Việt Nam. Cơ bản đất được coi là điều
kiện khả thi để thực hiện của các cột vôi xi măng: đất sét mềm bão hòa với tạp
chất hữu cơ.
Một số kết quả nghiên cứu sử dụng cột đất vôi xi măng:
1.1 Một số nghiên cứu trên thế giới
Theo ông Ahnberg cùng các cộng sự năm 1994, kết quả thử nghiệm trong
phịng bằng cơng nghệ của Thụy Điển cho con đường ở I-95/Route 1 Interchange
in Alexandria, Virginia, 1 tiểu bang ở Mỹ cho thấy đất sét quickclays và clayey
silts dễ dàng xử lý bằng vơi / xi măng, trong khi đó sét hữu cơ organic clays và
bùn sét (peat) rất khó xử lý. Hình 1 cho thấy xử lý cường độ của 1 số loại đất sau
khi ổn định 14 ngày với 100kg/m 3 phụ gia. Đất cố kết thường và đất yếu có sức
kháng cắt khơng thốt nước từ 5 đến 30kPa [18]


5

Hình 1-1: Ảnh hưởng xi măng, vơi-xi măng (25:75) ở thời gian 14 ngày sau
khi ổn định của các loại đất khác nhau trong phịng thí nghiệm.[18]
Và lượng gia tăng cường độ thể hiện ở hình 1-2

Hình 1-2: Ảnh hưởng của sức kháng cắt cho 3 loại đất khác nhau với các hàm

lượng khác nhau [18]


6

Theo [18], sự gia tăng cường độ theo thời gian cho 2 loại vơi quicklime và
hydrated lime khơng có sự khác biệt lớn (Hình 1-3)

Hình 1-3: Quicklime (CaO) và Hydrated lime (Ca(OH)2) [18]
Tuy nhiên sự thay đổi cường độ theo thời gian cho 2 loại xi măng khác nhau có
sự khác biệt (Hình 4)

Hình 1- 4: Cường độ tăng theo thời gian của 2 loại Xi măng [18]


7

Ảnh hưởng cường độ theo thời gian với hàm lượng vơi xi măng (25:75) –hình1-5

Hình 1-5: Cường độ tăng theo thời gian với tỉ lệ vôi – Xi măng (25:75) [18]
Ảnh hưởng cường độ và thời gian theo hàm lượng vơi xi măng (50:50) minh họa
hình 6

Hình 1-6: Cường độ tăng theo thời gian với tỉ lệ vôi – xi măng (50:50) [18]


8

Cường độ theo thời gian của vôi – xi măng với liều lượng 200kg/m3 (hình 1-7)

Hình 1-7: Cường độ theo thời gian của hàm lượng 200kg/m3 phụ gia [18]
Mối quan hệ ứng suất – biến dạng giữa đất trôn vôi/ xi măng trong thí
nghiệm nén 3 trục của Kivelo (1996) với hàm lượng vôi/xi măng là 12%, biến
dạng từ 1 – 1.5% ( Hình 1-8), biến dạng dọc trục của vật liệu đất vôi/xi măng khi
ứng suất đạt cực đỉnh thấp hơn so với biến dạng của đất xung quanh, sau khi đạt
ứng suất cực đỉnh, biến dạng dọc trục của vật liệu đất vôi/xi măng sẽ giảm dần
đến một giá trị gần như không đổi đến khi ứng suất cắt của đất nền xung quanh
đạt cực đỉnh.[18]

Hình 1-8: Quan hệ ứng suất – biến dạng của đất trộn vôi/ xi măng [19]


9

1.2 Một số nghiên cứu ở Việt Nam
Theo [7] “Ứng dụng giải pháp cột đất vôi – xi măng để gia cố nền đất
yếu” nêu rõ: Trong điều kiện nền đất yếu có chiều dày lớn, đã có nhiều giải pháp
hữu hiệu để xử lý, gia cố nền đất yếu, và giải pháp cột đất - vôi - ximăng là một
trong số các giải pháp đó. Trên thế giới, giải pháp này đã được ứng dụng khá lâu
ở nhiều nước như Thụy Điển, Pháp, Nhật, Mỹ,… và đã thu được nhiều kết quả
khả quan. Ở nước ta, giải pháp này đã được ứng dụng nhiều trong vòng 5 năm
gần đây ở nhiều loại cơng trình như: khu thương mại Vĩnh Trung Plaza ở Đà
Nẵng, đại lộ Đông - Tây ở Tp. Hồ Chí Minh, kho xăng dầu Nhà Bè, sân bay Cần
Thơ,… Từ thực tế các cơng trình này cho thấy giải pháp cột đất - ximăng bước
đầu có thể ứng dụng tốt và là giải pháp hợp lý cho nền móng của nhiều loại cơng
trình ở nước ta.
Phương pháp trộn có thể tạo ra cột đất + vơi/ximăng có tiết diện ngang thay
đổi theo chiều sâu phù hợp với điều kiện cụ thể của đất
Đất sau khi được trộn với vôi/ximăng để tạo nên các trụ hỗn hợp đất + vôi/
ximăng đem lại sự tăng cao sức chống cắt cho nền và làm giảm tính biến dạng

của nền. Sự tăng cao sức chống cắt trong nền chủ yếu xãy ra trong các cột đất +
vôi/ximăng: là nơi xãy ra các phản ứng hố học (vơi/ximăng).
Ngồi ra sự tăng sức chống cắt cũng xãy ra trong đất nền xung quanh các cột đất
+ vôi/ximăng do một lượng nước mất đi do sự thủy hóa vơi tạo ra nhiệt lượng
lớn làm bốc hơi nước trong đất yếu.
Theo [8] kết quả cho thấy:
- Về độ ẩm: Kết quả thí nghiệm cho thấy mức giảm độ ẩm của đất tương ứng với
mức tăng của tổng hàm lượng chất kết dính. Hàm lượng chất kết dính càng cao,
mức giảm độ ẩm của đất càng lớn (Bảng 1-1). Thống kê kết quả phân tích độ ẩm
của 16 mẫu đất vôi xi măng đất sau 28 ngày bảo dưỡng cho thấy độ giảm trung
bình của độ ẩm so với độ ẩm ban đầu là 16,1%. Độ giảm độ ẩm lớn nhất của mẫu
M00-20-0 là 24,6% và nhỏ nhất là của mẫu M08-04-0 tương ứng là 9,5%.


10

Bảng 1-1 Sự thay đổi độ ẩm của hổn hợp vơi xi măng trước và sau khi thí nghiệm
[8]

- Khi trộn riêng đất – vôi với tỷ lệ 4, 8, 12 và 20%, kết quả nghiên cứu cho thấy
cường độ của hỗn hợp đất – vôi tăng dần theo tỷ lệ vôi, tuy nhiên, độ tăng cường
độ của hỗn hợp tương đối nhỏ. Các mẫu có tỷ lệ vơi 4% như mẫu M04-00-0,
M08-00-0, giá trị cường độ nén đơn rất nhỏ, hầu như không xác định được. Khi
hàm lượng vôi tăng lên đến 20%, mẫu M20-00-0, cường độ nén đơn của mẫu
cũng rất thấp, chỉ đạt giá trị là 1,16 kG/cm2 sau 28 ngày bảo dưỡng (hình 1-9).

Hình 1-9: Cường độ của hỗn hợp đất – vôi tăng dần theo tỷ lệ vôi [8]
- Trường hợp trộn riêng đất với măng, kết quả nghiên cứu cho thấy, cường độ
nén đơn của hỗn hợp đất – xi măng phụ thuộc vào hàm lượng xi măng, tuy nhiên,

11

nếu hàm lượng xi măng nhỏ hơn 12% thì sự gia tăng cường độ của đất cũng rất
nhỏ, chỉ đạt tới 0,92 kG/cm2 (mẫu M00-12-0). Khi hàm lượng xi măng tăng lên
đến 20% thì cường độ nén đơn của mẫu tăng lên đáng kể, đạt giá trị 3,8 kG/cm2
(mẫu M00-20-0). Các kết quả thí nghiệm được thể hiện trên hình 1-10.

Hình 1-10: Cường độ của đất – xi măng phụ thuộc vào hàm lượng xi măng [8]
- Trong trường hợp trộn đất – vôi – xi măng, kết quả nghiên cứu cho thấy, cường
độ nén đơn của hỗn hợp tăng theo tỷ lệ tăng của các chất kết dính. Tuy nhiên, giá
trị cường độ nén đơn của mẫu cũng không cao, với tỷ lệ vôi: xi măng là 8%:
12% (M08-12-0) cường độ nén đơn của mẫu sau 28 ngày bảo dưỡng chỉ đạt 1,46
kG/cm2 (hình 1-11). Như vậy, sự kết hợp vôi và xi măng để gia cố đất yếu khu
vực này vẫn chưa đạt hiệu quả cao.

Hình 11 Cường độ đất vôi– xi măng tăng dần theo thời gian [8]


12

1.3 Nhận xét chương 1:
Các kết quả nghiên cứu sức chống cắt của đất trộn vơi xi măng trong phịng thí
nghiệm trong nước và trên thế giới cho thấy:
1/ Cọc đất vơi và đất xi măng đóng vai trị gia cường nền. Đây là giải pháp
cơng nghệ thích hợp để gia cố nền đất yếu.
2/ Các chỉ tiêu về cường độ, biến dạng phụ thuộc vào thời gian, loại đất
nền, hàm lượng hữu cơ, thành phần hạt và hàm lượng xi măng và vôi sử dụng.
3/ Với các loại đất khác nhau thì hàm lượng vơi xi măng khác nhau, khi
xử lý nền đất yếu nếu chỉ sử dụng vôi và xi măng riêng lẻ thì hiệu quả gia tăng

cường độ của đất không cao.
4/ Cường độ của đất gia cố chỉ bắt đầu gia tăng khi hàm lượng xi măng
>12%, hoặc khi hàm lượng vôi + xi măng đạt khoảng 20%. Mức độ tăng nhanh
của cường độ ở 28 ngày và tốc độ tăng này sẽ giảm dần theo thời gian.
5/ Sức chống cắt khơng thốt nước sau khi xử lý đất nền thay đổi đáng kể
theo chiều hướng tăng hàm lượng vôi/xi măng và thời gian bảo dưỡng. Đất gia cố
bằng vơi, xi măng thể hiện tính dịn, tính dịn của đất tăng theo thời gian bão
dưỡng và hàm lượng chất kết dính và sức chống cắt có hướng giảm khi khi hàm
lượng xi măng >15%, hoặc khi hàm lượng vôi + xi măng > 20%.
6/ Cọc đất vôi, đất xi măng nên được dùng rộng rãi để gia cố đất nền. Đây
là giải pháp hữu ích, khơng cần thời gian chất tải, tăng cường độ ổn định của nền.
7/ Ở TP Cần Thơ đã có các cơng trình sử dụng cọc xi măng đất để gia cố
nền, tuy nhiên chưa có cơng trình nào sử dụng phương pháp đất trộn vôi kết hợp
với xi măng, nhưng qua các nghiên cứu trên thế giới và trong nước thì bài tốn
đất trộn vơi kết hợp với xi măng là bài toán khả thi, bởi lẽ:
8/ Đất yếu vùng đồng bằng sơng Cửu Long, có độ ẩm cao, nhiều chất hữu
cơ, nên cường độ sức chống cắt thấp, tính nén lún cao. Một số vùng đất còn bị
nhiễm phèn, mặn ( đất acid).


13

9/ Vơi có hai cơng dụng chính là cung cấp chất Calcium và sửa chữa độ
chua của đất cho thích hợp với từng lọai cây trồng. Loai đá vôi, loại Dolomite
lime và hydrate lime dùng để cải thiên đất phèn, đất chua [đất acid]. Đặc biệt, vôi
hút nước trong đất sét yếu ở đồng bằng sơng Cửu Long nói chung và ở Cần Thơ
nói riêng.
10/ Xi măng được chọn là phụ gia để tăng nhanh q trình đơng kết và
giúp cho sự phân tán các hạt được tốt hơn.

14

CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ VÀ MÔ ĐUN BIẾN DẠNG
CỦA MẪU ĐẤT TRỘN VÔI VÀ XI MĂNG
Cột đất vôi xi măng và đất xung quanh cùng tương tác làm việc như một
khối gọi là khối gia cố với nguyên lý cùng biến dạng như nhau dưới tác dụng của
tải trọng ngoài
2.1 Các điều kiện áp dụng [4]
Bài tốn gia cố đất vơi / xi măng có 3 điều kiện cần thỏa mãn:
Điều kiện về cường độ: lực dính và góc nội ma sát tương đương của khối
nền được gia cố phải thỏa mãn điều kiện sức chịu tải dưới tác dụng của tải trọng
cơng trình.
Điều kiện về biến dạng: mô đun biến dạng của khối nền được gia cố phải
thỏa mãn điều kiện lún của công trình.
Điều kiện thốt nước: Áp lực nước lỗ rổng dư trong đất cần được tiêu tán
càng nhanh càng tốt.
Do đó, q trình thiết kế là q trình bố trí hệ nền cột đất vơi xi măng trong
diện tích chịu tải và kiểm tra lại cường độ của cột đất vôi xi măng sao cho ứng
suất tác dụng lên cột và đất xung quanh không vượt quá cường độ của cột và đất
nền.
Để thiết kế cột đất vôi xi măng, ta lần lượt xác định các thông số của đất
nền, xác định hàm lượng tối ưu của vôi xi măng mà mẫu đạt cường độ lớn nhất
thơng qua thí nghiệm nén khơng hạn chế nở hơng và thí nghiệm cắt trực tiếp, từ
đó ứng dụng các thơng số tìm được tính toán ổn định của nền đất đắp, đồng thời
dùng phần mềm Plaxis mơ phỏng lại các bài tốn trên để tìm ra giải pháp tốt nhất
cho việc xử lý nền đất yếu hiện nay nghiên cứu này trở thành một trong những
giải pháp nền móng hợp lý cho các loại cơng trình.

15

2.2 Cơ sở để cải tạo đất bằng phương pháp trộn vôi [2]
Việc gia cố bùn sét hữu cơ, bùn sét pha, sét pha bằng vơi được giải thích
là do tác dụng tương hỗ hoạt tính hố học và hố lý của phần nhơm silicat của đất
với vơi. Do đó hoạt tính hố học, lý học của phần phân tán mịn của đất được xem
như một dự trữ tiềm năng để nâng cao cường độ đất gia cố. Nếu sử dụng đúng
và khéo léo tiềm năng này thì có thể đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật cao và chỉ
tốn một lượng tương đối nhỏ chất liên kết.
Để gia cố đất thường dùng vôi bột, vôi tôi hoặc loại vôi chưa tôi kỵ nước.
Đối với vôi tôi hiệu quả lớn nhất khi trộn nó vào sét sỏi, cịn vơi bột có hiệu quả
khi trộn vào đất quá ẩm. Có thể sử dụng vôi như một chất liên kết độc lập hoặc
như một chất phụ gia hoạt tính khi gia cố đất quá ẩm bằng xi măng. Giáo sư
Vuutx đã tiến hành nghiên cứu nhiều mặt về hiệu quả của vôi đối với việc gia cố
đất và thấy rằng tính dẻo của hầu hết các loại đất bị giảm xuống hoặc bị mất, lực
dính tăng 1,5 - 3 lần.
Nếu trộn vơi bột chưa tơi vào đất thì đầu tiên có phản ứng vôi tôi:
CaO + H2O = Ca(OH)2 + 15,3 Kcal

(2.1)

Nhờ nhiệt lượng toả ra do phản ứng mà nước trong đất bốc hơi làm giảm độ ẩm
của đất. Nhờ có phản ứng trên mà vôi bột được sử dụng để cải tạo các loại đất sét
bão hoà nước và than bùn. Hydrôxit canxi được tạo ra sẽ tham gia vào các q
trình hố lý và hố học trong hỗn hợp đất – vôi.
Đầu tiên hydrôxit canxi tham gia vào phản ứng thuỷ hố với thành phần SiO có
trong khống vật của đất sét, phương trình phản ứng như sau:
Ca(OH)2+SiO2+n.H2O = CaO.SiO2.(n+1).H2O

(2.2)

Ca(OH)2 + Al2O3 .2SiO2 + m.H2O = CaO. Al2O3 .2SiO2.(m+1).H2O

(2.3)

Quá trình trên diễn ra liên tục và lâu dài tạo ra cấu trúc kết tinh. Đặc điểm
của cấu trúc kết tinh là cường độ cao và ổn định với nước. Trong hai phương
trình trên thì phương trình (2.2) quan trọng hơn bởi vì trong nhóm khống sét chủ


16

yếu có hàm lượng SiO2, cịn hàm lượng Al2O3.2SiO2 rất nhỏ. Nếu làm tăng độ
hoà tan các thành phần SiO2, Al2O3.2SiO2 trong đất thì sẽ làm tăng đáng kể độ
bền của đất gia cố.
Mặt khác, trong môi trường nước lỗ rỗng hydrôxit canxi được tạo thành sẽ phân
ly theo phương trình:
Ca(OH)2

H 2O

Ca2+ + 2.OH-

(2.4)

Do nồng độ cao nên các cation canxi hồn tồn có khả năng trao đổi với
các cation kim loại khác có trong tầng khuyếch tán của hạt keo sét và hấp thụ
ngay trên bề mặt của chúng. Kết quả làm cho bề dày tầng khuếch tán giảm đi, lực
hút giữa các hạt keo sét tăng, chúng sẽ liên kết với nhau hình thành cấu trúc keo

tụ. Mặt khác tính nhớt, tính háo nước của các hạt sét giảm. Khi đầm nén ở độ ẩm
tối ưu thì khối lượng thể tích đất -vơi khơ dễ dàng tăng lên. Diện tích tiếp xúc
giữa các hạt, các hợp thể trong hỗn hợp tăng lên, làm tiền đề để hình thành các
mối liên kết bền vững giữa các hạt và các hợp thể của đất.
Cùng với các quá trình trên, sự cacbonat hố vơi cũng góp phần làm tăng
độ bền của đất gia cố.
Một phần hydrôxit canxi được tạo thành tác dụng với CO2 có trong pha
khí của đất tạo ra CaCO3, CaCO3 cũng gắn kết các thành phần của pha rắn lại
với nhau. Phương trình phản ứng như sau:
Ca(OH)2 + CO2= CaCO3 + H2O

(2.5)

Như vậy các q trình hố lý học xảy ra giữa đất và vơi có tác dụng tương
hỗ lẫn nhau hình thành nên độ bền của đất gia cố. Đóng vai trị quan trọng nhất
của các q trình trên là hydrơsilicatcanxi.
Nền móng của các cơng trình xây dựng nhà ở, đường sá, đập chắn nước và
một số cơng trình khác trên nền đất yếu thường đặt ra hàng loạt các vấn đề phải
giải quyết như sức chịu tải của nền thấp, độ lún lớn và độ ổn định của cả diện
tích lớn. Đồng bằng sơng cửu long được biết đến là nơi có nhiều đất yếu, nhiều


17

cơng trình quan trọng được hình thành và phát triển trên nền đất yếu với những
điều kiện hết sức phức tạp của đất nền, thực tế này đã đòi hỏi phải hình thành và
phát triển các cơng nghệ thích hợp và tiên tiến để xử lý nền đất yếu.
2.3 Cơ sở để cải tạo đất bằng phương pháp trộn xi măng [2][8]
Hạt xi măng Portland là một hợp chất bao gồm Tricalcium Silicate
(C3S), Dicalcium Silicate ( C2S), Tricalcium Aluminate (C3A) và các chất

rắn hòa tan như Tetracalcium Alumino-Ferrit (C4A). Bốn phần tử chính này
tạo nên sản phẩm hỗn hợp tạo độ bền chủ yếu.
Khi nước lỗ rỗng của đất gặp xi măng, thủy hóa xi măng xảy ra nhanh
chóng và sản phẩm của sự thủy hóa chính yếu ban đầu này là Hydrated Calcium
Silicate (C3SHX, C3S2HX), Hydrated Calcium Aluminate (C3SAX, C3S2AX) và
Hidrocid vơi Ca(OH)2. Hai sản phẩm kết dính xi măng chính được hình
thành và thủy hóa vơi được sử dụng như pha tinh thể rắn tách biệt.
Những phần tử xi măng này kết hợp các hạt xi măng nằm kế bên với nhau
trong suốt q trình hóa cứng để tạo thành hỗn hợp bộ khung bao quanh các hạt
đất nguyên vẹn. Các pha Silicate và Aluminate được kết hợp nội tại, do đó hầu
như khơng có pha nào kết tinh hồn tồn. Một phần của Ca(OH)2 cũng có thể
kết hợp với các pha Hydrate khác, chỉ có một phần được kết tinh. Hơn nữa thủy
hóa xi măng dẫn đến gia tăng độ pH của nước lỗ rỗng gây ra bởi sự phân ly của
vơi Hydrate. Các bazơ mạnh hịa tan Silicate và Aluminate từ cả khoáng vật sét
và các chất vơ định hình khác trên những mặt của các hạt sét, theo cách tương tự
như phản ứng acid yếu và 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. Phản ứng thứ yếu này được gọi là phản ứng
puzzola. Hợp chất thủy hóa xi măng thì vẫn chưa được xác định rõ ràng bởi các
cơng thức hóa học, vì thế quan tâm đến các biến thể là khả thi. Các hợp chất
trong xi măng Portland được biến thể khi có nước như sau:
2(3CaO.SiO2) + 6H2O = 3CaO.SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2

(2.6)

2(2CaO.SiO2) + 4H2O = 3CaO.SiO2.3H2 + Ca(OH)2

(2.7)

18

4CaO.Al2O3.Fe2O3 + 10H2O + 2Ca (OH)2 = 6CaO.Al2O3.Fe2O3.12H2O

(2.8)

3CaO.Al2O3 + 12H2O+ 2Ca(OH)2 = 6CaO.Al2O3.Ca(OH)2.12H2O

(2.9)

3CaO.Al2O3 + 10H2O + Ca SO4.2H2O = 3CaO.Al2O3.CaSO4.12H2O

(2.10)

Hai phản ứng (2-6) và (2-7), những chất của chúng hợp thành từ 75% xi
măng Portland, chỉ ra rằng sự thủy hóa của hai loại Calcium Silicate tạo ra
các hợp chất mới: vơi và tobermorite gel, sau đó đóng vai trị quan trọng liên
quan đến cường độ và thể tích chủ yếu được quyết định bởi vôi và tobermorite
gel. Những phản ứng diễn ra trong gia cố xi măng - đất có thể được trình bày
trong những phương trình được đưa ra sau đây:
CaS + H2O



C3S2Hx ( hydrated gel) + Ca(OH)2

(2.11)

Ca(OH)2



Ca++ + 2(OH)-

(2.12)

CSH

(2.13)

Ca++ + 2(OH) - 

Ca++ + 2(OH)- + AL2O3

CAH

(2.14)

Khi độ pH < 12.6 thì phản ứng sau xảy ra:
C3S2Hx + H2O

 C2S2Hx + Ca(OH)2

(2.15)

Để có thêm các lực liên kết được tạo ra trong hỗn hợp xi măng – sét, thành
phần silicate và aluminate trong vật liệu phải hòa tan được. Tính tan được của
các khống vật sét thì chịu ảnh hưởng như nhau bởi sự hiện diện của những tạp
chất, bởi mức độ kết tinh của các vật liệu liên quan, bởi cỡ hạt v.v… Trong
những phương trình trên, lực dính kết của những sản phẩm làm cứng bề mặt chủ

yếu mạnh hơn nhiều so với sản phẩm thứ yếu. Với độ pH < 12.6, phản ứng tạo
C3S2Hx (2-15) có thể xãy ra. Tuy nhiên, độ pH hạ xuống trong suốt phản
ứng puzzolan và giảm pH có khuynh hướng thúc đẩy sự thủy phân để tạo
thành CSH. Sự hình thành của CSH chỉ có ích khi nó được hình thành bởi
phản ứng puzzolan của vơi và silica trong đất (2-11), nhưng nó sẽ bất lợi khi
CSH được tạo thành từ sự tiêu hủy C3S2Hx. Những đặc tính độ bền phát sinh
của C3S2Hx thì ưu việt hơn CSH. Sự thủy hóa xi măng và phản ứng puzzolan


19

có thể kéo dài hàng tháng, hoặc thậm chí 1 năm sau khi trộn, và vì thế độ bền của
đất được gia cố xi măng sẽ tăng theo thời gian. Điều này có nghĩa trong xi măng
- đất bao gồm những hạt sét mịn, những hợp chất hóa cứng chủ yếu và thứ yếu
được tạo thành. Những sản phẩm chủ yếu hóa rắn thành những phụ gia cường độ
cao và nó khác xi măng thơng thường trong bê tơng. Các q trình thứ yếu làm
gia tăng cường độ và tính bền vững của xi măng – đất bởi việc sản sinh ra thêm
những hóa chất cứng khác để nâng cao độ bền liên kết.
Q trình phản ứng lý – hóa của việc cải tạo đất bằng xi măng khác với
nguyên lý đóng rắn của bê tơng. Đóng rắn của bê tông chủ yếu là xi măng thực
hiện tác dụng thủy giải và thủy hóa trong cốt liệu thơ và cốt liệu nhỏ, do đó tốc
độ đóng rắn khá nhanh. Khi dùng xi măng gia cố đất, do lượng xi măng trộn vào
trong đất rất ít (chỉ chiếm từ 7 – 15% trọng lượng đất gia cố), phản ứng thủy
giải và thủy hóa của xi măng hồn tồn thực hiện trong mơi trường có hoạt tính
nhất định – sự khy kín của đất, do đó tốc độ đóng rắn chậm và tác dụng phức
tạp cho nên quá trình tăng trưởng cường độ của xi măng gia cố đất cũng chậm
hơn bê tông.
Nguyên lý cơ bản của việc gia cố xi măng – đất: xi măng sau khi trộn với
đất sẽ sinh ra một loạt các phản ứng hóa học rồi dần đóng rắn lại. Các phản ứng
chủ yếu của chúng là:

· Phản ứng thủy giải và thủy hóa của xi măng.
· Tác dụng của các hạt đất với các chất thủy hóa của xi măng.
· Tác dụng cacbonat hóa.
Từ nguyên lý trên có thể thấy, do tác dụng cắt gọt và nhào trộn của cần
khoan trên thực tế không thể nào tránh khỏi đất cịn sót lại một ít cục chưa bị đập
vỡ, khi trộn vào với xi măng sẽ có hiện tượng xi măng bao lấy cục đất, khe rỗng
to giữa các cục đất trên cơ bản được lấp kín bằng các hạt xi măng. Cho nên trong
đất xi măng sau khi gia cố hình thành tình huống là bên trong cục đất lớn nhỏ
khác nhau thì khơng có xi măng mà ở xung quanh thì lại khá nhiều. Chỉ có qua


20

một thời gian tương đối dài, các hạt đất ở trong cục xi măng dưới tác dụng thẩm
thấu của các chất thủy giải của xi măng mới dần dần cải biến được tính chất của
nó. Do đó trong xi măng – đất sẽ khơng tránh khỏi tình trạng có những vùng đất
cục có cường độ thấp hơn. Hai loại này xen kẽ nhau trong khơng gian, hình
thành một dạng xi măng – đất đặc biệt. Có thể nói một cách định tính là việc trộn
cưỡng bức giữa xi măng và đất càng kỹ thì đất bị đập vỡ càng nhỏ, xi măng phân
bố vào trong đất càng nhiều thì tính ly tán về cường độ xi măng – đất càng nhỏ,
cường độ tổng thể trên phạm vi rộng rãi sẽ càng cao.
2.4 Loại đất được xử lý bằng vôi – xi măng [2]

2.4.1 Loại đất
Hiệu quả của việc xử lý nền bằng vôi /xi măng sẽ kém khi độ ẩm và hàm
lượng hữu cơ gia tăng. Chỉ số dẻo của đất càng lớn khi khả năng cải tạo nền càng
kém. Cải tạo đất hữu cơ bằng xi măng sẽ hiệu quả hơn cải tạo bằng vôi (Miura,
1986 ).
Hiệu quả của vôi /xi măng giảm dần khi hàm lượng sét và chỉ số dẻo gia
tăng. Một cách tổng quát, khi độ linh hoạt của sét càng lớn thì cường độ của đất

xử lý bằng xi măng càng thấp. Tuy nhiên, điều này thì ngược lại với vơi vì cường
độ của đất trộn vôi chủ yếu phụ thuộc vào sự tham gia của hạt sét trong phản ứng
pozzolan. Đối với đất trộn với xi măng thì cường độ này phụ thuộc chủ yếu vào
sự xi măng hóa trong q trình thủy phân. Sự gia tăng cường độ do hạt sét kết
đám thường tương đối nhỏ đối với trầm tích biển vì đất thuộc loại trầm tích này
đã có sẵn cấu trúc bơng (Broms, 1984).
2.4.2 Thành phần khống
Trong trường hợp đất có hoạt tính pozzolan cao thì đặc trưng cường độ
của đất trộn xi măng phụ thuộc chủ yếu vào sự ứng xử về cường độ của những
hạt xi măng đông cứng. Trong trường hợp đất có hoạt tính pozzolan kém thì đặc
trưng cường độ của đất trộn xi măng phụ thuộc chủ yếu vào sự ứng xử về cường
độ của những hạt đất đông cứng (Saitoh, 1985) cho nên nếu điều kiện cải tạo đất
nền như nhau thì loại đất có hoạt tính pozzolan cao hơn cho cường độ lớn hơn.
Hilt và Davidson (1960) quan sát thấy rằng các loại đất sét monmorilonit và


21

kaolinit là những hoạt chất pozzolan có hiệu quả so với các loại đất sét chứa
khoáng illite, chlorite hoặc vermiculite. Wissa và những người khác (1965) cũng
giải thích rằng số lượng xi măng thứ cấp sinh ra trong phản ứng pozzolan giữa
hạt sét và vôi tôi phụ thuộc vào số lượng và thành phần khoáng của sét cũng như
silica và alumina có trong đất.
2.4.3 Độ pH của đất
Những phản ứng pozzolan lâu dài sẽ thuận lợi khi độ pH lớn vì phản ứng
sẽ được thúc đẩy nhanh nhờ độ hịa tan của silicate và aluminate trong hạt sét gia
tăng. Khi độ pH của đất nhỏ hơn 12.6 thì phản ứng (2.15) xảy ra. Chất C3S2Hx lại
phản ứng tiếp để tạo ra CSH và vôi tôi Ca(OH)2. Phản ứng tiếp theo ở trên làm
giảm cường độ của đất trộn ximăng vì chất C3S2Hx có khả năng tăng độ bền cho

đất tốt hơn CSH.
2.5 Bản chất độ bền của đất
Độ bền theo nghĩa rộng là khả năng chống lại sự phá hoại. Trong trường
hợp tổng quát, sự phá hoại của đất có thể do các lực khác nhau (cơ học, thủy
học,…). Do đó, người ta chia các kiểu độ bền của đất theo bản chất tác dụng phá
hoại. Theo mục đích nghiên cứu Địa kỹ thuật, ưu tiên trước nhất là làm rõ độ bền
cơ học của đất, tức là khả năng chống lại sự phá hoại dưới tác dụng ứng suất cơ
học. Hơn nữa, nếu như các đặc trưng biến dạng của đất được xác định trong điều
kiện ứng suất chưa gây phá hoại (giá trị ứng suất tới hạn) thì các thông số độ bền
của đất tương ứng với các giá trị ứng suất tới hạn gây phá hoại và được xác định
với tải trọng giới hạn làm vật thể bị vỡ vụn, mất liên tục hoặc biến dạng hình
dạng không phục hồi hay chảy dẻo.
Bản chất vật lý độ bền của đất được xác định bằng các lực tương tác giữa
các thành phần cấu trúc – tinh thể, hạt, mảnh vụn,… – tức là phụ thuộc vào dạng
và đặc điểm liên kết cấu trúc.
2.5.1 Tiêu chuẩn và thông số độ bền của đất
Độ bền của đất được xác định khi có ứng suất cơ học tới hạn tác dụng lên
chúng làm phá hoại mẫu đất. Các dạng ứng suất tác dụng lên mẫu đất thí nghiệm