1. Đặt vấn đề
Việt Nam là một quốc gia có chiều dài bờ biển lên đến 3.260 km, cùng với đó là nhiều công trình vùng ven biển như đê, kè biển, đường giao thông... Hiện nay, rất nhiều công trình hạ tầng kỹ thuật, công trình ổn định mái dốc ven biển xuất hiện nhiều vấn đề vướng mắc nhưng chưa được giải quyết triệt để, như vấn đề về điều kiện sức chịu tải của nền cát kém, hiện tượng cát bay, cát chảy liên tục xảy ra trong quá trình thi công và cả trong thời kỳ khai thác.
Trong xử lý hiện tượng cát bay, cát chảy hiện nay có đã có một số giải pháp, trong đó có giải pháp tác động trực tiếp vào điều kiện hình thành cát bay, cát chảy bằng cách gia cố nền cát bằng xi măng kết hợp với loại phụ gia thích hợp làm thay đổi thuộc tính cơ lý của cát biển, nhờ đó làm giảm hệ số thấm của cát, tăng dính bám của các hạt cát mịn nên làm cho các hạt cát khó di chuyển. Để tăng hiệu quả của giải pháp xử lý chống cát bay, cát chảy cần lựa chọn loại phụ gia phù hợp về chủng loại và tỷ lệ khi trộn vào nền cát gia cố xi măng.
Quá trình thực hiện các thí nghiệm đánh giá hệ số thấm của cát biển khi chưa được gia cố và đã được gia cố được thực hiện với 3 nhóm thí nghiệm: Nhóm thí nghiệm thứ nhất tiến hành thí nghiệm với các mẫu cát biển tự nhiên (chưa gia cố); Nhóm thí nghiệm thứ hai thí nghiệm với những mẫu cát đã được gia cố với hàm lượng xi măng hợp lý; Nhóm thí nghiệm thứ ba là thí nghiệm với những mẫu cát đã được gia cố hàm lượng xi măng + phụ gia hợp lý.
2. Phương pháp và thiết bị thí nghiệm
2.1. Phương pháp thí nghiệm
Sử dụng phương pháp cột nước không đổi để xác định hệ số thấm của vật liệu. Đây là phương pháp chuẩn, áp dụng cho đất rời (cát).
- Mẫu đất có dạng trụ tròn, đường kính tiết diện ngang D = 10 cm, chiều cao h = 25 cm, được chế bị vào ống mẫu thấm chuẩn, đảm bảo các độ chặt yêu cầu và đồng đều, không có khe hở giữa đất và thành trong của ống chứa mẫu.
- Nguyên tắc: Phương pháp này xác định hệ số thấm của đất bằng cách đong lượng nước thấm qua tiết diện thấm của mẫu đất theo chiều từ trên xuống, trong một thời gian nhất định, dưới tác dụng của cột nước có chiều cao không đổi; áp dụng định luật chảy tầng của Darcy để tính hệ số thấm của đất.
2.2. Thiết bị thí nghiệm
- Thiết bị thấm đầu nước không đổi, kiểu ống mẫu thấm, có kích thước chuẩn, được mô tả khái quát trên Hình 2.1:
Hình 2.1: Thiết bị thí nghiệm thấm cột nước không đổi.
- Các thiết bị, dụng cụ khác: đầm gỗ, gồm đế đầm, cán đầm và quả đầm; đế đầm hình tròn, mặt phẳng, vừa bỏ lọt vào ống mẫu, dùng để chế bị mẫu.
3. Kết quả thí nghiệm xác định hệ số thấm của cát biển khi chưa gia cố và sau khi gia cố
3.1. Mẫu thí nghiệm
3.1.1. Vật liệu thí nghiệm
- Cát được lấy tại khu vực Trường bắn biển thuộc xã Vĩnh Tú, huyện Vĩnh Linh, tỉnh Quảng Trị.
Hình 3.1: Hình ảnh về cồn cát tại địa điểm lấy mẫu cát thí nghiệm.
Cát màu vàng có nguồn gốc biển - gió, phân bố thành dãy cồn - đụn cát ven biển và kéo dài từ xã Vĩnh Tú đến xã Vĩnh Thái. Cát vàng nhạt chủ yếu có nguồn gốc biển và phân bố trên các dải gò cao. Cát vàng nghệ nguồn gốc biển phần lớn bị cát vàng nhạt che phủ.
Loại cát này có hình thái phẫu diện ít phân hóa, đồng nhất cả về màu sắc và thành phần hạt, từ trên xuống dưới đều là cát tơi, rời rạc. Tỷ lệ bùn sét rất thấp hoặc không đáng kể (đạt 0,61%), chủ yếu là cấp hạt cát mịn với phần trăm lọt sàng 0,45 mm là 100% và lọt sàng 0,075 mm chỉ là 1,5%, hàm lượng hữu cơ cũng chỉ đạt 2,35%. Các đồn cát, đụn cát phần lớn chưa ổn định, hiện tượng di dộng của cát đang thường xuyên xảy ra.
- Xi măng: Xi măng được xử dụng làm chất kết dính cát biển tự nhiên, làm tăng cường độ, đạt sức chịu tải mong muốn cho cát biển. Xi măng gia cố sử dụng loại xi măng pooc-lăng thông thường PCB30.
+ Khi dùng xi măng gia cố đất, do lượng xi măng trộn vào đất rất ít, phản ứng thủy giải và thủy hóa của xi măng hoàn toàn thực hiện trong môi trường có hoạt dính nhất định - sự khuây kín của đất, do đó tốc độ đóng rắn chậm và tác dụng phức tạp cho nên quá trình tăng trưởng cường độ xi măng gia cố đất chậm.
+ Nguyên lý cơ bản của việc gia cố xi măng - đất: Xi măng sau khi trộn với đất sẽ sinh ra một loạt phản ứng hóa học rồi đóng rắn lại.
+ Nguyên lý cơ bản của việc gia cố đất - xi măng sau khi trộn với đất sẽ sinh ra một loạt phản ứng hóa học rồi dần đóng rắn lại. Các phản ứng chủ yếu của chúng là: Sự trao đổi cation - Tái cấu trúc các hạt - Thủy hóa xi măng - Phản ứng Pozzolan.
Hình 3.2: Sự trao đổi ion giữa các hạt đất sét và xi măng.
Hình 3.3: Quá trình tái cấu trúc các hạt đất.
- Chất phụ gia polyme vô cơ: Phụ gia polyme vô cơ là một trong những dạng vật liệu mới nhằm cải thiện tính năng của các vật liệu truyền thống để tăng cường chất lượng của vật liệu. Các loại phụ gia hóa cứng được sử dụng ở Việt Nam cho đến thời điểm hiện nay chủ yếu gồm có: Phụ gia TS (Công ty TS - Việt Nam), phụ gia RoadCem - Rovo (Công ty LSTW - Freiberg - Đức), phụ gia Geostab (Tập đoàn GTM - Australia), phụ gia DB 500 (Worldwise Enterprises, Inc - Mỹ)... Mỗi sản phẩm hóa cứng đất đều có những ưu và nhược điểm nhất định khi sử dụng trên những loại đất khác nhau do những đặc điểm thổ nhưỡng riêng của chúng. Không có sản phẩm nào có thể sử dụng tối ưu cho tất cả các loại đất. Nhằm tăng cường tính chất vật liệu, các sản phẩm này kết hợp với vật liệu vô cơ truyền thống như xi măng, cao lanh, vôi...
+ Chất phụ gia polyme thường được sử dụng ở dạng phân tán trong dung dịch nước (hay còn gọi là latex hoặc nhũ tương).
+ Theo công bố trong các tài liệu của Công ty GTM, Geostab là một loại phụ gia polymer dạng lỏng sử dụng cho các hỗn hợp của đất hoặc/và đá dăm với xi măng và nước. Các hỗn hợp này sau khi được trộn đều, đầm nén và bảo dưỡng sẽ tạo ra dạng vật liệu kiểu bê tông cường độ cao, kháng nứt tốt và đặc biệt có khả năng kháng sự thâm nhập của nước vào trong hỗn hợp.
Hình 3.4: Phụ gia Geostab, màu trắng sữa.
Việc lựa chọn hàm lượng xi măng và loại phụ gia nào là hợp lý được tiến hành trên cơ sở thí nghiệm các mẫu với hàm lượng xi măng khác nhau và sử dụng một số loại phụ gia khác nhau, sau đó so sánh một số chỉ tiêu cơ lý đạt được của mẫu thí nghiệm. Hàm lượng xi măng cũng như loại phụ gia và hàm lượng phụ gia hợp lý được lựa chọn trên cơ sở đánh giá các chỉ tiêu về cường độ hay chỉ tiêu về độ bền của mẫu thí nghiệm. Trong khuôn khổ của bài báo này sẽ không trình bày các thí nghiệm kể trên mà chỉ giới thiệu các kết quả thí nghiệm về hệ số thấm của vật liệu cát biển với hàm lượng xi măng cũng như phụ gia hợp lý (phụ gia Geostab).
3.1.2. Mẫu thí nghiệm
Để tiến hành đánh giá hệ số thấm của cát biển trước khi gia cố và sau khi gia cố, các mẫu thí nghiệm được chế bị để tiến hành 3 nhóm thí nghiệm sau:
- Đối với nhóm thí nghiệm thứ nhất, chế tạo 3 mẫu thí nghiệm cát biển có dung trọng khô như thực tế ngoài hiện trường;
- Đối với nhóm thí nghiệm thứ hai, chế tạo 3 mẫu thí nghiệm cát biển có dung trọng khô như thực tế ngoài hiện trường + xi măng với hàm lượng hợp lý;
- Đối với nhóm thí nghiệm thứ ba, chế tạo 3 mẫu thí nghiệm cát biển có dung trọng khô như thực tế ngoài hiện trường + xi măng + phụ gia Geostab với hàm lượng hợp lý.
3.2. Thí nghiệm xác định hệ số thấm
- Thí nghiệm thấm được thực hiện tại Phòng Thí nghiệm và Kiểm định LAS-XD 799 theo Tiêu chuẩn TCVN 8723:2012.
- Thí nghiệm thấm các mẫu được thực hiện với các cột áp khác nhau để đánh giá khách quan hệ số thấm của mỗi loại vật liệu.
- Kết quả thí nghiệm bao gồm hệ số thấm kth, vận tốc thấm và gradien thủy lực i.
3.3. Nhận xét các kết quả thí nghiệm
Để đánh giá ảnh hưởng của chất gia cố xi măng cũng như phụ gia đến hệ số thấm của cát biển, yêu cầu các thí nghiệm cần xác định được vận tốc thấm, hệ số thấm, gradien thủy lực của các mẫu thí nghiệm.
3.3.1. Kết quả thí nghiệm mẫu cát biển tự nhiên
Bảng 3.1: Bảng xác định hệ số thấm của các mẫu cát tự nhiên.
Quá trình tiến hành đo hệ số thấm trong phòng thí nghiệm thấy có hiện tượng cát chảy qua vào ống đo áp kế.
3.3.2. Kết quả thí nghiệm mẫu cát biển + xi măng 11%
Bảng 3.2: Bảng xác định hệ số thấm của các mẫu cát tự nhiên + xi măng 11%.
Trong quá trình tiến hành đo hệ số thấm trong phòng thí nghiệm, mẫu thí nghiệm ổn định, không còn hiện tượng cát chảy vào ống áp kế.
3.3.3. Kết quả thí nghiệm mẫu cát biển + xi măng 11% + 6% phụ gia Geostab
Bảng 3.3: Bảng xác định hệ số thấm của các mẫu cát tự nhiên + xi măng 11% + 6% phụ gia Geostab.
Trong quá trình tiến hành đo hệ số thấm trong phòng thí nghiệm, mẫu thí nghiệm ổn định, không còn hiện tượng cát chảy vào ống áp kế.
4. Nhận xét các kết quả thí nghiệm
Kết quả thí nghiệm cho thấy, hệ số thấm của 3 loại mẫu thí nghiệm (cát tự nhiên, cát + gia cố xi măng và cát + gia cố xi măng + phụ gia Geostab) có sự khác biệt rõ rệt. Cát biển tự nhiên có hệ số thấm rất lớn kth = 0,0442 cm/s so với hai loại còn lại kth = 0,0239 cm/s (cát + xi măng) và kth = 0,0319 cm/s (cát + xi măng + phụ gia Geostab). Do đó, có thể thấy, việc gia cố cát biển bằng xi măng hay xi măng + phụ gia sẽ làm giảm đáng kể hệ số thấm của cát biển tự nhiên, nhưng để chống hiện tượng cát chảy của cát biển thì cần xét thêm thông số gradien thủy lực.
Theo R.Whitlow, đối với cát hạt trung tới hạt mịn, điều kiện chảy xảy ra khi gradien thủy lực bằng khoảng ic ~ 1,0 . Như vậy, mẫu thí nghiệm cát biển tự nhiên có gradien i = 6,52 sẽ xảy ra hiện tượng cát chảy, mẫu cát + gia cố xi măng có i = 0,81 nên đã giảm khả năng cát chảy nhưng vẫn còn gần với trạng thái giới hạn theo R.Whitlow (ic), mẫu cát + gia cố xi măng + phụ gia Geostab có i = 0,49 << ic = 0,97 nên có thể coi như đã triệt tiêu được hiện trượng cát chảy, mặc dù có hệ số thấm lớn hơn mẫu cát + gia cố xi măng.
5. Kết luận
Thuật ngữ dân gian “cát chảy” xuất phát ở chỗ, hiện tượng này thường xảy ra ở trong các loại đất cát mịn tới cát trung, tại nơi tính thấm và gradien thủy lực có sự kết hợp đặc biệt làm tăng nhanh tới điều kiện chảy.
Kết quả thí nghiệm cho thấy, khi cát biển tự nhiên được gia cố thêm xi măng và phụ gia Geostab với hàm lượng thích hợp đã làm giảm tính thấm và gradien thủy lực từ đó có thể coi như triệt tiêu được hiện tượng cát chảy. Việc triệt tiêu được hiện tượng cát chảy của cát biển gia cố phụ gia cũng có thể được giải thích thông qua việc hàm lượng xi măng và phụ gia thích hợp đã làm tăng sức kháng cắt (đặc trưng bởi các tham số c, φ) của vật liệu.
Như vậy có thể thấy, việc bổ sung thêm chất phụ gia polyme vô cơ, cụ thể trong các thí nghiệm đã nêu là phụ gia Geostab, khi gia cố cát biển bằng xi măng đã làm thay đổi rõ rệt gradien thủy lực và hệ số thấm của cát, nên triệt tiêu được hiện tượng cát chảy. Việc sử dụng chất phụ gia giúp xi măng tăng tính dính kết các hạt cát, từ đó cũng hạn chế được hiện tượng cát bay (do gió) và giúp cho mái dốc được ổn định.
ximang.vn (TH/ Tạp chí KHCN)