Nghiên cứu cột đất trộn xi măng và các vật liệu phụ gia trong gia cố nền đất yếu dưới nền đường

Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-----[\-----

LÊ THANH LOAN

NGHIÊN CỨU CỘT ĐẤT TRỘN XI MĂNG VÀ CÁC
VẬT LIỆU PHỤ GIA TRONG GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU
DƯỚI NỀN ĐƯỜNG

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 07/2009.


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 :

TS. LÊ BÁ VINH

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 2009


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

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

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: LÊ THANH LOAN

Giới tính : Nữ

Ngày, tháng, năm sinh : 03 - 08 - 1984

Nơi sinh : .Long An

Chuyên ngành : Địa kỹ thuật xây dựng

MSHV: 00907758

Mã số ngành: 60.58.60

Khoá (Năm trúng tuyển) : 2007

1- TÊN ĐỀ TÀI: .NGHIÊN CỨU CỘT ĐẤT TRỘN XI MĂNG VÀ CÁC VẬT
LIỆU PHỤ GIA TRONG GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU DƯỚI NỀN ĐƯỜNG
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
Chương 1: Tổng quan về đề tài nghiên cứu
Chương 2: Nghiên cứu kết quả thí nghiệm trong phòng để xác định các yếu tố ảnh
hưởng đền cường độ của cọc đất trộn xi măng trong gia cố nền đất yếu dưới nền đường
Chương 3: Nghiên cứu đặc tính thấm của cột đất trộn xi măng – cát
Chương 4: Áp dụng tính tốn gia cố nền đất yếu bằng cột đất trộn xi măng – cát cho
cơng trình đường.
Nhận xét, kết luận và kiến nghị.
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 02/02/2009
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 03/07/2009
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS. LÊ BÁ VINH
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

TS. LÊ BÁ VINH

TS. VÕ PHÁN


LỜI CẢM ƠN
Luận văn “Nghiên cứu cột đất trộn xi măng và các vật liệu phụ gia trong gia
cố nền đất yếu dưới nền đường” được thực hiện từ tháng 02/2009 đến ngày
03/07/2009 với mục đích là nghiên cứu các hàm lượng xi măng, cát, phụ gia tối ưu và
các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ của cọc đất xi măng trong gia cố nền đất yếu dưới

nền đường.
Em xin chân thành cảm ơn thầy TS. Lê Bá Vinh đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn,
cung cấp các thơng tin cần thiết và cho em những ý kiến chỉ đạo sâu sắc để em hoàn
thành tốt luận văn tốt nghiệp này.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ mơn Địa cơ Nền móng và
Khoa Sau Đại học của Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã tận
tình giúp đỡ, truyền đạt cho em những kiến thức cơ sở về ngành Địa kỹ thuật Xây
dựng trong suốt thời gian học tập vừa qua.
Vì thời gian thực hiện luận văn có hạn nên khơng tránh khỏi những hạn chến và
thiếu sót. Em rất mong nhận được sự đóng góp của Qúy Thầy Cơ và bạn bè.
Xin chân thành cảm ơn và kính chúc sức khỏe đến quý thầy cô.


NGHIÊN CỨU CỘT ĐẤT TRỘN XI MĂNG VÀ CÁC VẬT LIỆU PHỤ GIA
TRONG GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU DƯỚI NỀN ĐƯỜNG.

TÓM TẮT: Nghiên cứu tổng quan giải pháp cột đất – xi măng để xử lý nền đất yếu
Tiến hành các thí nghiệm nén 1 trục nở hơng tự do trong phòng để xác định cường độ
chịu nén trong mẫu đất gia cố bằng xi măng, xi măng + cát và xi măng + cát + phụ gia.
Từ đó sẽ nghiên cứu sự khác biệt về cường độ của cọc đất - xi măng và cọc đất – xi
măng – cát.
Nghiên cứu sự gia tăng cường độ của cọc đất – xi măng – cát so với cường độ của đất
chưa gia cố.
Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các yếu tố kích thước đường kính và năng lượng trộn
đến cường độ của mẫu đất gia cố xi măng.
Nghiên cứu khả năng chịu uốn của cọc đất – xi măng – cát.
Nghiên cứu đặc tính thấm của cọc đất – xi măng – cát.
Nghiên cứu tính tốn cho một cơng trình cụ thể về gia cố nền đất yếu dưới nền đường
bằng cọc đất – xi măng – cát.
SUMMARY OF THE THESIS: RESEARCH ON DEEP CEMENT MIXING SOIL

COLUMN AND THE ADMIXTURE MATERIALS FOR REINFORCEMENT OF
SOFT-SOIL GROUND UNDER THE EMBANKMENT.
General research on solution of the deep cement mixing soil column for treatment of
the soft-soil ground.
Carrying out the unconfined compression tests in the laboratory for defining the
compressive strength in the reinforced soil sample by the cement, cement + sand and
cement + sand + admixture.
Thence, research on the difference between the strength of deep cement mixing soil
column and deep cement and sand mixing soil column.
Research on the strength increasing of deep cement - sand mixing soil column in
comparison with the strength of un-reinforced soil.
Research on the effect of factors, particularly, dimension of diameter and mixing
capacity on the strength of sample of cement mixing soil column.
Research on the bending capacity of deep cement - sand mixing soil column.
Research on the penetrated properties of deep cement - sand mixing soil column.
Research on the calculation for a detailed works regarding soft-soil reinforcement
under embankment by deep cement - sand mixing soil column.


CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
1.1. Tổng quan về đất gia cố vôi và xi măng:
1.1.1. Tổng quan về đất gia cố vôi:
Từ thời cổ La mã, người ta đã biết sử dụng vôi để làm đường. Người ta đã dùng
vôi trộn với đất sét nhằm tăng cường độ và giảm khả năng tan rã của đất sét
Đất gia cố vôi đã biết đến từ lâu nhưng việc nghiên cứu kỹ lưỡng và có hệ thống về nó
mới chỉ vài chục năm trở lại đây. Đất gia cố vôi được sử dụng để xây dựng các lớp áo
đường với quy mô rộng rãi trong khoảng từ cuối những năm 70 ở nhiều nước trên thế
giới.
Kết quả nghiên cứu của các tác giả như M.M. Filatov, V.V. Okhontin, V.M
Bezruk, E.G. Boricova….cho thấy khi gia cố đất bằng vơi các q trình hình thành cấu

trúc thứ sinh đã làm biến đổi cơ bản tính chất của đất, khiến cho đất có thể chịu lực và
ổn định nước hơn so với đất khơng gia cố. Q trình hình thành cường độ của đất gia cố
vôi diễn ra trong khoảng thời gian dài, là tổng hợp các quá trình lý –hố. Hố học và
vật lý, các q trình này xảy ra đồng thời khi vơi hố cứng. Đây là các q trình thuỷ
hố và tái kết tinh của vơi, tạo thành hydro silica canxi và cac bonat hoá. Khi gia cố đất
vơi tham gia tác dụng tương hỗ lý hố và hoá học với các hạt mịn phân tán trong đất tạo
nên chất kết dính “vơi đất”, chất kết dính này trong quá trình biến cứng lại liên kết các
khung cốt liệu của đất với nhau và tạo cho hỗn hợp đất- vơi trở nên tồn khối và vững
chắc. Các kết quả nghiên cứu tiến hành ở Viện nghiên cứu khoa học đường bộ Liên Xô,
ở Mỹ, Pháp, CHDC Đức cũ… đã chỉ ra rằng: nếu đất cát và á cát trong khi gia cố với
vôi được bổ sung thêm các thành phần phụ gia khác (các loại tro bay hay các chất điện
phân) thì có thể cho cường độ cao hơn. Kết quả này cho phép mở rộng diện gia cố vôi
với nhiều loại đất khác nhau. Sự tương tác giữa vôi với các hạt sét mịn phân tán hoặc
tro bay sẽ làm cho vôi từ chỗ là chất kết dính biến cứng trong khơng khí trở thành chất
kết dính biến cứng được trong nước và chỉ biến cứng mạnh trong điều kiện ẩm. Vôi để


gia cố đất thường dùng là vôi cục nghiền (chưa tơi), vơi thuỷ hố (đã tơi rồi) hoặc vơi
chưa tơi kỵ nước. Người ta có thể sử dụng vơi như chất liên kết độc lập hoặc có thể
dùng kết hợp với các chất phụ gia cùng các chất kết dính khác. Cũng có trường hợp vơi
được sử dụng như một chất phụ gia cho chất kết dính khác như bitum, xi măng…Ở Mỹ,
cũng có nhiều kinh nghiệm trong sử dụng vôi vào việc gia cố. Khi gia cố đất bằng
bitum lỏng, nếu cho vơi làm phụ gia thì sẽ làm tăng cường khả năng kết dúnh và tăng
nhanh quá trình polime hoá bitum trên bề mặt hạt đất. Những nghiên cứu của các nhà
khoa học ở các nước khác nhau đã chứng tỏ rằng: vơi có tác dụng làm giảm hẳn hoặc
mất tính dẻo của hầu hết các loại đất.
Theo [11] thì đất á sét ở An Giang gia cố 10% vôi đạt được cường độ nén (28
ngày tuổi) Rn= 12,85 KG/cm2, và cường độ nén khi bão hoà nước là Rbh= 7,27
KG/cm2; thể hiện rằng trong điều kiện ngập nước thì cường độ của đất gia cố vơi sẽ suy
giảm nhiều.

1.1.2. Tổng quan về đất gia cố xi măng:
Đã có nhiều nghiên cứu về đất gia cố vơi nhưng do độ thấm của đất sét rất nhỏ
nên sự lan truyền của vơi trong khối đất bị hạn chế. Vì thế người ta nghĩ đến việc dùng
xi măng trong gia cố đất. Việc dùng đất gia cố xi măng làm móng áo đường được thí
điểm lần đầu tiên ở Maxcova năm 1939 đã cho kết quả tốt. Ở các nước như Liên Xô cũ,
Đức, Ấn Độ, Mỹ đất gia cố các chất kết dính vơ cơ được nghiên cứu một cách có hệ
thống. Ở các nước này, thực tế đã chứng minh có những đoạn đường sử dụng đất gia cố
xi măng hoặc vôi làm kết cấu áo đường vẫn được khai thác tốt hàng hai ba chục năm.
Vào những năm 70, đất gia cố xi măng hoặc vôi đã được sử dụng rộng rãi hơn trong
công tác xây dựng thích hợp với việc gia cố riêng rẽ ứng với từng loại vật liệu chất kết
dính, người ta đã bổ sung thêm các thành phần phụ gia để việc gia cố đạt hiệu quả sớm.
Ví dụ như: đất gia cố xi măng có các loại phụ gia như vơi bột, clorua-canxi, silicatnatri,
thạch cao, các muối dễ tan hoặc các chất hoạt tính bề mặt...
Ngồi ra, ở nhiều nước trên thế giới, người ta đang áp dụng các phương pháp gia
cố đất tổng hợp. Phương pháp này có ưu điểm là áp dụng được cho mọi nguồn đất có


thể khai thác gần nơi thi công nhất, làm giảm tính thấm của các loại đất đảm bảo cho
cơng trình làm việc ổn định. Để làm tăng hiệu quả của vữa xi măng, có thể thêm vào
các chất phụ gia như: bột đá, đất sét, phụ gia hoạt tính…Khi phối hợp các chất liên kết
này với nhau để gia cố đất sẽ được nâng cường độ lên rất cao nhưng vật liệu bị hố
cứng và trở nên giịn.
1.1.3. Lịch sử phát triển của cọc vơi, cọc xi măng:
•Từ rất lâu phương pháp trộn vôi, xi măng đã được dùng để cải tạo nền đất yếu.
Thời cổ La Mã người ta dùng vơi như một chất kết dính liên kết các khối đá.
•Ngay từ những năm 1925, ở Liên Xơ đã dùng vơi để cải tạo tính chất của đất
phục vụ xây dựng đường giao thơng, thuỷ lợi, các cơng trình nhà…
•Trong những năm 1954, cơng ty Intrusion Prepakt (Mỹ) ứng dụng và phát triển
kỹ thuật cọc trộn tại chỗ ( MIP- Mix In Place Pile). Vào những năm 1960, qui trình gia
cố đất nền bằng vơi trộn cho lớp đất mặt dày 1m đã được thực hiện ở Mỹ và Đức bằng

cách nhồi vôi vào các lỗ khoan sẵn đường kính 100mm. Đến năm 1961, kỹ thuật MIP
đã áp dụng tại Nhật Bản với hơn 300.000m dài cột dùng gia cố hố đào và kiểm soát
mực nước ngầm. Tiếp tục đến đầu của thập niên 70, công ty Seiko Kogyo đã thực hiện
thành công kỹ thuật tường ngăn SMW (Soil Mixture Wall).
•Vào năm 1967, Kjeld Paus, Linden Alimark AB và Byggproduktion AB tiến
hành nghiên cứu trong phịng thí nghiệm và ngồi thực địa cho phương pháp cột vơi
Thuỵ Điển để xử lý đất sét yếu dưới nền đường.
•Năm 1973, Abelev đã mô tả phươnng pháp xử lý nền đất áp dụng ở Barnut ở
Buston.

Ở

Buston,

người

ta

xử

lí

lớp

bùn

đất

sét

dày

30m (γ = 15 − 16 KN / m 3 , W = 23 − 26%) bằng cột vơi sống có đường kính 0,5m, dài 7m
các tim cột cách nhau 2m. Hàm lượng nước của đất sét giảm trung bình 5%, các thơng
số của cường độ cắt C’=12-21Kpa và φ ' =13 14o đến C’=30- 37Kpa φ ' =17- 20o và
modul biến dạng của đất giữa các cột tăng từ 1000 -1600 KPa lên 2900- 3800 Kpa. Ở
Buston, người ta tiến hành thí nghiệm chất tải trước và sau khi xử lí nền đất


(γ = 17 − 18KN / m 3 , W = 25 − 28%) với cột vơi đường kính 0,265 m dài 5m. Kết quả thí

nghiệm bàn nén hiện trường thực hiện 36 ngày sau khi xử lí đã cho rõ hiệu quả của
phương pháp.
•Năm 1977, ở Thuỵ Điển Viện Địa Kỹ Thuật SGI (Swedish Geotechnical
Insititute) đã xuất bản lần đầu tiên cuốn sách hướng dẫn thiết kế cọc vôi. Kỹ thuật này
bao gồm việc trộn tại chỗ với tỉ lệ 6% vôi sống với đất sét mềm bằng máy khoan. Kết quả
ghi nhận được là sau một năm cường độ đạt được gấp 50 lần cường đất chưa xử lí. Các
cọc vơi cũng trở nên thấm nước hơn đất chưa xử lí và chúng làm việc như 1 giếng cát.
•Năm 1980, phương pháp DJM được áp dụng thực tế cho các cơng trình ở Nhật.
•Năm 1987, từ kết quả nghiên cứu của Cục Đường Bộ và Đường Sắt Quốc Gia
Pháp tài trợ công ty Bachy (Pháp) ứng dựng và phát triển qui trình Codix trong đó việc
thi cơng trộn và đầm chặt đất- xi măng được thực hiện bằng cách đảo ngược chiều xủa
máy khoan trong khi rút lên trên.
•Năm 1989, các cơng ty Trevi tại Ý phát triển DMM theo kỹ thuật riêng Trevimix
Method; trước hết bằng phương pháp phun trộn khô và tiếp theo là phương pháp trộn
ướt.
•Năm 1991, Viện Khoa Học Bungari cơng bố các kết quả nghiên cứu tại Bungari
về gia cố bằng cọc đất- xi măng.
•Trong thập niên 1990, việc sử dụng phương pháp gia cố sâu cho nền đất bằng
cọc vôi- cement đã gia tăng ở Nauy.

•Năm 1994, hiệp hội Deep Jet Mixing – DJM Nhật Bản tổng kết được 1820 dự án
được hồn thành sử dụng DJM.
•Năm 1995, tại Thuỵ Điển có 1 cơng trình tiêu biểu đó là từ tháng 1 đến tháng 11
công ty Hercules thi công hệ thống cọc đất- xi măng cho nhà thầu NCC- AB, chủ đầu tư
là Cục Đường Sắt Quốc Gia Thuỵ Điển (The Swedish National Railway Administration)
trong dự ám mở rộng đường sắt West Coast nối liền Satinge và Lekarekulle:


o

Số lượng cọc đất –xi măng: 12.000 cặp

o

Khối lượng cọc đất –xi măng :170.000m

o

Chiều dài trung bình của cọc đất –xi măng: 14,6 m

o

Chiều cao lớn nhất của nền đấr đắp: 1,5m

o

Kích thước cọc: φ 600mm

o

Hàm lượng chất pha trộn: 30kg/m vôi –xi măng

o

Tỉ lệ pha trộn vôi –xi măng: 50/50

•Từ 1975 đến 1996, đã có hơn 5.000.000 m cọc đất –vôi và đất –xi măng đã
được thi công tại Thụy Điển.
•Năm 1996, lần đầu tiên tại Mỹ cơng ty Stabilator –USA Inc, New York đã sử
dụng cọc đất –vôi –cement trong thực tiễn.
•Năm 1997, trong dự án xây dựng mới hệ thống đường bộ E18/E20 Arboga –
Orebo - Thuỵ Điển, công ty Hercules đã thi công đến 800.000 cọc đất –xi măng. Công
việc gia cố cọc đất –vôi –cement hoàn thành vào năm 1999, toàn bộ dự án hoàn thành
vào năm 2000. Chủ dầu tư của cơng trình là NCC Anylaggning.
•Từ tháng 10/1997 đến 12/1998 cơng ty Hercules đã thi công cọc đất –xi măng
cho dự án dường bộ giữa Style và Grasnas
-

Chủ đầu tư: The Swedish National Roads Adminitration

-

Nhà thầu: NCC –AB.

-

Số lượng cọc đất –xi măng: 140.000 cặp

-

Khối lượng: 730.000m

-

Chiều dài trung bình của cọc: 5,2m

-

Chiều cao lớn nhất của nền đất đắp: 4m

-

Kích thước cột: φ 600m


-

Hàm lượng chất pha trộn: 23Kg/m vôi/ximăng

-

Tỉ lệ pha trộn vơi/xi măng: 50/50

•Trong hơn 20 năm qua, DMM đã được xem là phương pháp rất có hiệu quả ở
vùng Scebdiavia. Hầu hết việc sử dụng DMM là cho cơng trình đường giao thông, gia
cố nền đất cho hệ thống đường sắt.
• Đến nay đã có hơn 30 triệu m cột gia cố được sử dụng ở các quốc gia Bắc Âu.
• Phương pháp gia cố sâu là phương pháp có lợi thế hơn những kỹ thuật khác cả
về yếu tố môi trường, thời gian thi công và giá thành thi công.
1.1.4. Một số kết quả nghiên cứu trên thế giới trong việc xử lý nền đất yếu bằng

cọc đất trộn xi măng:
•Với hàm lượng vơi khoảng 2% có tác động đáng kể đến giới hạn dẻo và chỉ số
dẻo của đất (Bell và Tyrer 1989). Theo Sherwood (1967) thì giới hạn dẻo của đất sét
Luân Đôn tăng từ 24% đến 42% khi hàm lượng vơi là 4%.
•Tốc độ qu tăng nhanh đến 20% và sau đó giảm dần.
•Độ ẩm tự nhiên của mẫu sẽ giảm nhanh chóng trong q trình vơi tơi. Theo
Assarson (1972) độ ẩm có thể giảm từ 20% đến 30%.

Hình 1-1 Biểu đồ quan hệ về sự ảnh hưởng
giữa cường độ chịu nén và độ ẩm của đất
sét Singapore (After Tan, T.S et al. 2002)

Hình 1-2 Biểu đồ quan hệ giữa hàm
lượng xi măng và cường độ chịu
nén (After Bergado et al. (1996)


•Trọng lượng đơn vị của đất hữu cơ, đất sét nhạy (độ nhạy lớn hơn 15), và than
bùn thông thường được tăng lên cùng với hàm lượng xi măng khi đất có độ ẩm ban đầu
cao.
•Và một số các kết quả về sự gia tăng cường độ chịu nén,mô đun đàn hồi E50 theo
thời gian gia cố.

Hình 1-3 Trọng lượng đơn vị của đất
trộn xi măng
(After Kawasaki et al. 1981)

Hình 1-4 Ảnh hưởng của thời gian gia
cố(After Zeng et al., 1998)

Hình 1-5 Ảnh hưởng của thời gian gia cố đến cường độ chịu
nén và mô đun đàn hồi E50 (After Tan, T.S et al. 2002) )


1.1.5. Một số kết quả nghiên cứu trong nước về việc xử lý nền đất yếu bằng cọc
đất trộn xi măng:
Ở Việt Nam, cơ quan tiến hành những nghiên cứu sớm nhất về công nghệ đất gia
cố vôi dùng trong xây dựng mặt đường là bộ môn Đường - Trường Đại học Bách khoa
(nay là Trường Đại học Xây dựng Hà Nội) từ năm 1961-1962. Từ đó đến nay Bộ Xây
dựng và Bộ Giao thông vận tải đã ứng dụng thi cơng nhiều cơng trình như: Tổng kho
xăng dầu Nhà Bè, Tổng kho xăng dầu Hậu Giang (Trà Nóc – Cần Thơ), Cảng Ba Ngòi
(Khánh Hòa) . . . Với các cơng trình trên cho thấy cơng nghệ cột đất ximăng đã được áp
dụng khá nhiều cơng trình ở Việt Nam đặc biệt là những cơng trình đường bộ đắp trên
nền đất yếu. Đây có thể được xem là một trong các phương pháp hiệu quả góp phần giải
quyết tình trạng lún kéo dài và kém ổn định của nền đường tại khu vực này
Việc áp dụng thi công đại trà gia cố nền sử dụng thi công phương pháp khô trộn
sâu – thi công cột ximăng đất xuất hiện từ những năm đầu thế kỷ 21 và bắt đầu ứng
dụng trở lại do Công ty Hercules Thụy Điển quay lại và Trung Quốc đưa cơng nghệ rẻ
rất thích hợp với Việt nam. Ngày nay việc ứng dụng công nghệ cột đất ximăng được sử
dụng khá rộng rãi và phổ biến tại Việt Nam.
Tháng 3/2006, Hội Cơ học đất và Địa kỹ thuật cơng trình Việt Nam, Viện địa kỹ
thuật Việt Nam, Tập đồn Keller (Thụy Điển) và Cơng ty cổ phần tư vấn AA - Corp.
phối hợp tổ chức hội thảo về xử lý nền đất yếu với các phương pháp:
- Phương pháp đầm chặt sâu bằng công nghệ rung (Deep Vibro Compaction)
- Phương pháp xử lý nền bằng công nghệ trộn sâu - phương pháp trộn khô và ướt
(Deep Mixing Methods, Dry mixing anh Wet Mixing).
Các kết quả đã ứng dụng trong nước:
™ Vĩnh Trung Plaza (Đà Nẵng):
ƒ Cơng trình này do ơng Đàm Quang Tuấn, CTHĐQT Cơng ty Đức Mạnh
làm chủ đầu tư.

ƒ Đơn vị thiết kế và thi cơng do Tập đồn Tenox Kyusyu đảm nhiệm.
ƒ Vĩnh Trung Plaza được khởi công xây dựng vào 30/10/2004 với tổng diện
tích là 13.333 m2.


ƒ Trong q trình thi cơng có khoảng 2.765 cọc đất – xi măng, đường kính
là 800 mm, chiều dài cọc 17 m.

Hình 1-6 Cơng trình thi cơng Vĩnh Trung Plaza (Đà Nẵng)
™ Sân bay Cần Thơ:
ƒ Cơng trình này do Cụm cảng hàng không Miền Nam và Bộ giao thông
vận tải là chủ đầu tư.
ƒ Công ty tư vấn thiết kế và thi công là Công ty xây dựng cơng trình hàng
khơng ACC.
ƒ Tổng diện tích cơng trình là 108.000 m2.
ƒ Trong q trình thi cơng, chiều dài cơc đất – xi măng là 6m, đường kính
cọc 600 mm và hàm lượng xi măng là 230 Kg/m3.

Hình 1-7 Cơng trình thi cơng sân bay Cần Thơ


™ Đại lộ Đơng Tây:
ƒ Dự án có chiều dài toàn tuyến là 21,89 km, đây sẽ là con đường huyết mạch để
ra vào Cảng Sài Gòn và đi về các tình miền Đơng và miền Tây, tạo thành mối
liên kết chặt chẽ các địa phương trong vùng kinh tế trọng điểm phía Nam.
ƒ Dự án có tổng mức đầu tư 660.660 nghìn USD tương đương 9.863 tỷ đồng Việt
Nam.
ƒ Đơn vị trúng thầu thi công là Công ty Liên danh Obayashi Corporation-PS
Misubishi.
ƒ Trong q trình thi cơng sử dụng cọc đất trộn xi măng để gia cố nền, cọc có

đường kính 600 mm, dài 16 m.

Hình 1-8 Cơng trình thi cơng Đại lộ Đơng Tây
™ Ngồi ra, cịn có các cơng trình sử dụng cọc đất trộn xi măng trong gia cố nền
như:
+ Gia cố bãi cảng: Cảng Ba Ngịi (Khánh Hịa).
+ Gia cố móng nhà: Nhà máy nước Vụ Bản (Nam Định)…
+ Đặc biệt là gia cố móng các bồn dầu: Tổng Kho Xăng dầu Nhà Bè, Kho Xăng
dầu (Cần Thơ), Cơng ty VINAPCO Đình vũ (Hải Phịng).


Hình 1-9 Cơng trình Cảng Ba Ngịi Hình 1-10 Cơng trình Nhà máy nước
Vụ Bản
1.1.6. Đặt vấn đề nghiên cứu cho đề tài:
Trước nhu cầu phát triển kinh tế của đất nước, nhu cầu xây dựng ngày cần được
nâng cao nhằm phục vụ sự nghiệp phát triển kinh tế xã hội, đảm bảo an ninh quốc
phòng của Nhà nước ta. Một số dự án được triển khai xây dựng trên nền đất yếu đã
mang lại nhiều lợi ích cho cơng cuộc xây dựng và bảo vệ Tổ quốc. Tuy nhiên, việc xây
dựng cơng trình trên nền đất yếu đã gặp khơng ít khó khăn trong cơng tác xử lý nền đất
yếu. Khó khăn là ở chỗ nếu chọn cọc bê tơng cốt thép thì giá thành cao, chọn giải pháp
gia cố bằng cọc tre hoặc cọc tràm thì chiều sâu gia cố hạn chế, thi công bằng phương
pháp thủ công nên tiến độ chậm,hiệu quả kinh tế không cao.
Theo Brom (1984) đề nghị ở Đông Nam Á, xi măng dùng sẽ thích hợp hơn vơi vì
các ngun nhân sau: giá thành xi măng thấp hơn vơi, vả lại khó lưu giữ vơi sống ở
điều kiện khí hậu nóng và ẩm, độ bền cực hạn của vôi bị hạn chế. Do đó, giải pháp trộn
đất với xi măng sẽ có hiệu quả hơn với khu vực nóng ẩm.
Trong Luận văn này, bằng thí nghiệm nén một trục, học viên sẽ nghiên cứu các
yếu tố ảnh hưởng đến cường độ của mẫu đất trộn xi măng như: hàm lượng xi măng, cát,
các kích thước và năng lượng trộn khác nhau. Bên cạnh đó, học viên sẽ nghiên cứu
thêm về sự ảnh hưởng của chất phụ gia cũng như xem xét về đặc tính thấm của mẫu đất

- xi măng - cát.


Nghiên cứu sự gia tăng cường độ của cọc đất ximăng cát so với cường độ của đất
chưa gia cố.
Hiên nay, trên Thế giới, các nhà thiết kế sử dụng chủ yếu giải pháp cột đất xi
măng để xử lý nền đất yếu. Tại Việt Nam thì giải pháp này vẫn cịn mới mẻ trong việc
ứng dụng cho các cơng trình xây dựng dân dụng và cầu đường...Vì thời gian có hạn nên
học viên sẽ nghiên cứu chủ yếu về các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ của cột đất trộn
xi măng, trong đó đi sâu vào thí nghiệm nén 1 trục và thí nghiệm thấm bằng cột áp
khơng đổi.
1.1.7. Mục đích nghiên cứu:
Cơng nghệ cột đất trộn xi măng là phương pháp cải tạo đất dùng cho đất sét dẻo,
bùn sét,..Việc trộn hỗn hợp này làm tăng cường độ, độ chặt, tăng mô đun đàn hồi của
đất gia cố. Sự phát triển cường độ được hình thành ngay sau khi gia cố và phát triển
cường độ theo thời gian. Bên cạnh đó, phương pháp này cịn có thêm ưu điểm là tận
dụng được nguồn nguyên liệu tại chỗ (xi măng tại địa phương) và cát cũng là loại vật
liệu chịu lực tốt, dễ tìm và phù hợp với điều kiện Việt Nam nên giá thành cơng trình
giảm mà hiệu quả lại cao.
Tuy nhiên, phương pháp này vẫn chưa được áp dụng rộng rãi trong nước ta, một
phần là do chưa xây dựng được cơ sở lý thuyết và thực nghiệm vững chắc; chưa chỉ ra
được các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ của mẫu đất trộn xi măng như hàm lượng xi
măng và cát tối ưu, ảnh hưởng của chất phụ gia, kích thước mẫu đất trộn xi măng thí
nghiệm, ảnh hưởng của năng lượng trộn đến cường độ mẫu thí nghiệm.
Áp dụng tính tốn, kiểm tra độ ổn định và an toàn của nền đường khi gia cố bằng
cột đất trộn xi măng và cát.
1.1.8. Nội dung nghiên cứu:
Trước những vấn đề đã trình bày ở trên thì đề tài tập trung nghiên cứu giải quyết
những vấn đề sau:
- Nghiên cứu hàm lượng xi măng hợp lý dùng khi trộn đất với xi măng

- Nghiên cứu hàm lượng cát trộn vào để gia cường thêm đất trộn xi măng
- Nghiên cứu hàm lượng và sự ảnh hưởng của chất phụ gia đến cường độ của mẫu đất,
xi măng và cát
- Nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước mẫu đất trộn xi măng thí nghiệm
- Nghiên cứu ảnh hưởng của năng lượng trộn dùng khi trộn đất với xi măng
- Nghiên cứu cường độ chịu uốn của mẫu đất – xi măng – cát.
- Nghiên cứu đặc tính thấm của đất sau khi gia cố
- Áp dụng hàm lượng xi măng và cát hợp lý trong đất vào kiểm tra nền đất yếu dưới nền
đường bằng cột đất trộn xi măng – cát.
- Kết luận và kiến nghị của tác giả.
1.1.9. Phương pháp nghiên cứu:
- Tiến hành các thí nghiệm cơ học đất tại Trung tâm nghiên cứu công nghệ và
thiết bị công nghiệp (268 Lý Thường Kiệt-Q10-TPHCM) để xác định các chỉ tiêu cơ lý
của mẫu đất nguyên dạng.
- Tiến hành các thí nghiệm trộn mẫu đất xi măng tại Phòng kiểm nghiệm vật liệu
xây dựng thuộc Bộ môn Vật liệu xây dựng; thí nghiệm nén 1 trục nở hơng tự do tại
Cơng ty TNHH Địa kỹ thuật và giao thông Anh Vũ; thí nghiệm uốn tại Phịng kiểm
nghiệm bộ mơn Vật liệu xây dựng - Trường Đại học Bách khoa TPHCM:
* Trộn khá nhiều mẫu đất với những hàm lượng xi măng khác nhau để ninh kết
sau 28 ngày, từ đó rút ra hàm lượng xi măng hợp lý.
* Với hàm lượng xi măng hợp lý, chọn tốc độ trộn và thời gian trộn để tiến hành
trộn đất-xi măng với các hàm lượng cát khác nhau, từ đó rút ra hàm lượng cát hợp lý
trong hỗn hợp đất trộn xi măng.
* Sau đó, ta đem trộn với đất-xi măng-cát nhưng cho thêm vào hỗn hợp trên một
vài hàm lượng chất phụ gia Sikament V4 dạng lỏng có tác dụng thúc đẩy bê tông đạt


cường độ sớm, so sánh với mẫu không chứa chất phụ gia, từ đó nghiên cứu xem chất

phụ gia dạng lỏng này có ảnh hưởng đến cường độ của đất như trong bê tông hay không
và hàm lượng chất phụ gia hợp lý nhất.
* Từ hàm lượng xi măng hợp lý đã xác định được, tiến hành trộn mẫu đất-xi
măng với những kích thước khác nhau, từ đó rút ra sự ảnh hưởng của kích thước mẫu
đến cường độ mẫu đất-xi măng.
* Cũng từ hàm lượng xi măng hợp lý ta tiến hành trộn đất-xi măng với những
tốc độ và thời gian trộn khác nhau để nhận thấy sự ảnh hưởng của năng lượng trộn.
* Với hàm lượng xi măng và cát tối ưu trộn với đất tạo thành hỗn hợp gia cố để
nhinh kết sau 28 ngày và làm thí nghiệm uốn để tìm cường độ chịu uốn của mẫu đất –
xi măng – cát.
* Cuối cùng, từ hàm lượng xi măng và cát hợp lý ta đem trộn chung với đất tạo
thành hỗn hợp và để ninh kết sau 3, 7, 14 ngày. Sau đó đem làm thí nghiệm thấm để
xem xét về đặc tính thấm của đất-xi măng và cát.
* Dùng phần mềm tính tốn các bài toán địa kỹ thuật xây dựng (Plaxis 2D) để
kiểm tra ổn định và biến dạng của nền đất yếu dưới nền đường khi gia cố bằng cột đất
trộn xi măng cát.
1.1.10. Ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tài:
-

Để đáp ứng u cầu khai thác cho các cơng trình giao thơng cấp đặc biệt, nhất là

những cơng trình chịu tải trọng lớn phân bố đều và đòi hỏi về tiến độ thi công. Với
những ưu điểm riêng trong công tác xử lý nền đất yếu, công nghệ cột đất ximăng được
xem như là một giải pháp tối ưu cần được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi cho những
khu vực có nền đất yếu.
-

Trên cơ sở nghiên cứu, đề tài sẽ chỉ ra cụ thể các yếu tố cũng như vật liệu, phụ

gia có ảnh hưởng đến cường độ cột đất trộn xi măng như: hàm lượng xi măng, cát, phụ

gia, kích thước và thời gian trộn cũng như nhận xét về đặc tính thấm của cột đất xi
măng sau gia cố. Những số liệu và nhận xét mang tính định hướng góp phần xây dựng


thêm cơ sở lý thuyết về cột đất trộn xi măng và góp phần hồn thiện hơn cơng tác kiểm
tra, đánh giá chất lượng cơng trình thi cơng thực tế tại hiện trường.
1.1.11.Hạn chế của đề tài:
- Do thời gian nghiên cứu ngắn và một số hạn chế về điều kiện nghiên cứu nên
số mẫu thí nghiệm cịn hạn chế, chỉ nghiên cứu một số hàm lượng nhất định. Đề tài chú
trọng vào một số yếu tố ảnh hưởng đến cường độ của cột đất trộn xi măng (hàm lượng
xi măng và chất độn cát, năng lượng khi dùng trộn đất với xi măng, ảnh hưởng của chất
phụ gia dạng lỏng...) mà chưa xét đến sự ảnh hưởng của các nguyên vật liệu khác ngoài
cát cũng như chưa thực hiện nghiên cứu được với nhiều loại đất khác…
- Với công nghệ xử lý nền đất yếu bằng cột đất đất gia cố ximăng thì có hai
phương pháp thi cơng chính là: phương pháp khô và phương pháp ướt. Do điều kiện và
tình hình thực tế, tác giả chỉ nghiên cứu và phân tích các số liệu trên cơ sở thi công
bằng phương pháp khô, chưa đi sâu nghiên cứu phương pháp ướt. Trong tương lai, tác
giả sẽ cố gắng sưu tầm những vấn đề đã nghiên cứu kết hợp với kiểm nghiệm bằng
nhiều cơng trình thực tế hơn nữa để phát triển đề tài đến một mức độ hoàn thiện hơn.


Chương 2 - NGHIÊN CỨU KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM CỘT ĐẤT
TRỘN XIMĂNG TRONG PHÒNG ĐỂ XÁC ĐỊNH CÁC YẾU
TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CƯỜNG ĐỘ CỦA CỌC ĐẤT TRỘN XI
MĂNG TRONG GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU DƯỚI NỀN ĐƯỜNG

2.1. Cơ sở nguyên lý của phương pháp cột đất gia cố ximăng:
Phản ứng cơ bản của việc gia cố đất ximăng là ximăng sau khi trộn với đất, vữa
ximăng sẽ hình thành một liên kết cứng giữa các thành phần hạt của khối gia cố và sẽ
sinh ra một loạt phản ứng hóa học rồi dần dần đóng rắn lại, các phản ứng chủ yếu của

chúng là:
- Phản ứng thủy giải và thủy hóa của ximăng: ximăng phổ thơng chủ yếu do các
chất CaO, SiO2 lần lượt tạo thành từ các khoáng vật khác như: Tricalcium silicat
(C3S), tricalcium aluminat (C3A), dicalcium silicat (C2S) và một chất rắn hòa tan là
tetracalcium alumino ferrite (C4A). Khi dùng ximăng gia cố đất yếu, các khoáng vật
trên bề mặt ximăng nhanh chóng xảy ra phản ứng thủy giải và thủy hóa với nước trong
đất yếu tạo thành các hợp chất như hydroxyd calci, silicat calci ngậm nước, aluminat
calci ngậm nước … theo công thức sau:
Ximăng + nước = CSH – gel + Hydroxyd Calci
- Tác dụng của hạt đất sét với các chất thủy hóa của ximăng: Sau khi các chất
thủy hóa của ximăng được tạo thành, tự thân nó trực tiếp đóng rắn và tiếp đến phản ứng
với các hạt đất sét ở xung quanh.
- Tác dụng cacbonat hóa: Hydroxyd calci trơi nổi trong chất thủy hóa ximăng có
thể hấp thụ cacbonic trong nước và trong khơng khí sinh ra phản ứng cacbonat hóa tạo
thành cacbonat calci khơng tan trong nước.
Sản phẩm thủy hóa của ximăng xảy ra nhanh và phần lớn cường độ của cột đất
đạt được sau vài tuần. Hydroxyd calci được hình thành trong q trình thủy hóa cũng có


phản ứng với các hạt đất sét làm tăng thêm cường độ của đất nhưng phản ứng này xảy
ra rất chậm và kéo dài trong vài năm, cho nên quá trình tăng trưởng cường độ của
ximăng gia cố đất cũng chm hn bờ tụng.

Phản ứng thủy hóa hydrat canxi
làm tăng cờng độ đất

Phản ứng thủy hóa của xi măng làm tăng
cờng độ của đất

Tăng cờng các tính năng cơ lý của đất

Giảm hàm lợng nớc trong đất
Thời gian ngắn

Thời gian dµi

Hình 2-1 Q trình hình thành cường độ của đất khi gia cố xi măng

2.2. Cơ chế làm việc của phụ gia siêu dẻo (Superplasticizer):
Phụ gia siêu dẻo sử dụng thơng thường là một trong những loại muối có gốc của
axit Naphthalene formaldehyde sulphonat, Lignho sulphonat hoặc polycacboxilic. Phụ
gia siêu dẻo này được dùng với liều lượng (0.5 – 1.5)% theo khối lượng của xi măng
(tùy thuộc vào mục đích sử dụng), nó có tỷ trọng (1.21 – 1.27) g/cm3.
Tác dụng phân tán các hạt xi măng có trong hỗn hợp bê tông của loại phụ gia
siêu dẻo thường dựa trên lực đẩy tĩnh điện. Trong phân tử của phụ gia siêu dẻo gốc
muối sulphonat có nhóm sulphonic SO32-, khả năng phân ly của nhóm sulphonic
SO32- mạnh hơn nhóm carboxy cho nên nó tích điện a6mcho những hạt xi măng trong
hỗn hợp bê tông và làm ổn định sự phân tán này.


Phụ gia siêu dẻo sẽ thể hiện tác dụng phân tán khi nó được hấp thụ trên bề mặt
của những hạt xi măng. Những đặc tính của xi măng có ảnh hưởng đáng kể đến khả
năng phân tán của phụ gia siêu dẻo. Nếu xi măng chứ nhiều thành phần khống C3A và
C4AF thì một lượng lớn phụ gia siêu dẻo sẽ bị hấp thụ ngay sau khi nó được kết hợp
với nước và do đó lượng phụ gia siêu dẻo được hấp thụ bởi thành phần khoáng C3S và
C2S sẽ giảm, dẫn đến khả năng phân tán của phụ gia siêu dẻo sẽ bị hạn chế. Mức độ
hấp thụ phụ gia siêu dẻo trong xi măng phụ thuộc vào nhiệt độ trong hỗn hợp. Khi nhiệt
độ thấp thì mức độ hấp thụ phụ gia siêu dẻo sẽ chậm. Tác dụng phân tán của phụ gia
siêu dẻo thể hiện một cách từ từ sau khi các khoáng trong xi măng thủy phân. Khi các
khống trong xi măng thuỷ phân nó sẽ tạo ra chát kiềm, chất kiềm sẽ làm cho các phân
tử phụ gia siêu dẻo phát huy được tác dụng phân tán các hạt xi măng trong hỗn hợp.

Hình 2-2 Cơ chế làm việc của phụ gia siêu dẻo


2.3. Hệ nguyên vật liệu trong thí nghiệm:
2.3.1. Đất dùng làm thí nghiệm:
Đất bùn sét yếu Quận 7-Tp.HCM.
Đất sét là sản phẩm của q trình phong hóa sinh ra, các hạt rất nhỏ, phần lớn
không phân biệt bằng mắt thường được. Khi khơ thí cứng thành khối; khi ẩm thì dẻo; ít
thấm; thậm chí xem như khơng thấm nước nhưng lượng hút nước lớn.
Khống vật hạt rất nhỏ có cấu trúc tinh thể. Mỗi tinh thể tạo thành bởi các ion
nằm ớ các mắt của một mạng đa diện xác định. Cấu trúc như vậy làm cho bao giờ ở bề
mặt cũng có một lượng điện cịn dư khơng được trung hòa. Như vậy, các hạt đất là
những hạt mang điện, cụ thể những hạt sét là những hạt mang điện âm. Những hạt này:
++
+
++
+
hút vào bề mặt nó những ion khác tính (thường là những ion Na , K , Ca , Mg hịa

tan...); hút vào bề mặt nó những phân tử nước đã bị phân cực trong điện trường của nó.
Tính chất này gọi là tính hoạt động bề mặt của hạt. Tính hoạt động bề mặt của
hạt rất mãnh liệt khi các hạt rất nhỏ vì: hạt càng nhỏ, tổng diện tích bề mặt càng lớn, vì
vậy vài phần trăm hạt sét đã gây ra những thay đổi đáng kể cho tính chất của đất; hạt
nhỏ đến một mức độ nào đó thì trọng lượng hạt sẽ cùng một cấp lớn với lực hút điện
phân tử. Khi đó sự dịch chuyển của hạt sẽ chịu ảnh hưởng của lực hút điện phân tử.
Đất làm thí nghiệm được lấy tại khu vực đất yếu Quận 7 - TP.HCM theo TCVN
2683-1991. Sau khi khoan đến cao trình -14 m so với mặt đất tự nhiên và làm sạch đáy
hố đào, dùng ống sắt tráng kẽm đường kính D=76mm, cao H=600mm đóng xuống nền
để lấy mẫu nguyên dạng, mẫu được bảo quản bằng cách bọc Parafin kín 2 đầu ống sắt

và để trong thùng mốp cách nhiệt có phủ bao ni lông tẩm ướt. Mẫu được vận chuyển
bằng ôtô đến phịng thí nghiệm của Trung tâm nghiên cứu cơng nghệ và thiết bị công
nghiệp Trường Đại học bách khoa Tp. HCM để xác định các chỉ tiêu cơ lý.
Mẫu đất khơng ngun trạng: mẫu đất dùng làm thí nghiệm được để trong thùng
mốp cách nhiệt có phủ bao ni lơng tẩm ứơt. Mẫu được mang đến phịng thí nghiệm vật


liệu xây dựng Trường Đại học bách khoa Tp. HCM để làm thí nghiệm mẫu đất trộn xi
măng và bảo dưỡng. Số lượng đất dùng làm thí nghiệm mẫu đất trộn xi măng: 25kG.
Các thí nghiệm được thực hiện theo các tiêu chuẩn thí nghiệm sau đây:
• Thí nghiệm xác định thành phần hạt theo TCVN 4198:95.
• Thí nghiệm xác định giới hạn dẻo, giới hạn chảy theo TCVN 4197:95.
• Thí nghiệm xác định khối lượng thể tích theo TCVN 4202:95.
• Thí nghiệm xác định độ ẩm theo TCVN 4196:95.
Kết quả thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý của đất được trình bày như sau:
Bảng 2-1: Tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý của đất làm thí nghiệm:
Tên đất: Bùn sét, xám xanh đen, trạng thái chảy
STT

Các chỉ tiêu cơ lý

Đơn vị

Giá trị

1

Độ ẩm tự nhiên W

(%)

83.23

2

Dung trọng ướt γ w

(kN / m3 )

14,9

3

Dung trọng khô γ d

(kN / m3 )

8,1

4

Dung trọng đẩy nổi γ sub

(kN / m3 )

5.0

5

Hệ số rỗng e

6

Giới hạn nhão WL

(%)

76.5

7

Giới hạn dẻo W p

(%)

40.6

8

Độ sệt B

9

Lực dính C

10

Góc ma sát trong ϕ

2.22

1.19
(kN / m 2 )

6.0

Độ

30 43'