Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu nén của mẫu đất trộn xi măng (P1)

>> Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu nén của mẫu đất trộn xi măng (P2)

1. Giới thiệu

Tân Phú Đông được hình thành và phát triển trên nền đất yếu với những điều kiện hết sức phức tạp của đất nền dọc theo các dòng sông và bờ biển. Do đó, địa chất dưới nền móng của các công trình nhà ở, nhà xưởng, đường sá, đê điều, đập chắn nước và một số công trình khác ở đây thường đặt ra hàng loạt vấn đề cần phải giải quyết như sức chịu tải của nền thấp, độ lún lớn. Nền đất ở khu vực này, đa phần là đất yếu nên nền đất không có khả năng tiếp nhận tải trọng công trình nếu không có các biện pháp xử lý hoặc gia cố thích hợp.

Có nhiều phương pháp xử lý và gia cố nền đất yếu, Han-Georg Kempfert and Berhane Gebreselassie (2006) đã phân loại phương pháp xử lý và gia cố nền đất yếu theo ba nhóm chính là cố kết, thay thế đất và các phần tử dạng trụ [1]. Phương pháp gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng là một trong những phương pháp phần tử dạng trụ trong cách phân loại này. Phương pháp cơ học để thi công trụ gia cố vào đất bằng thiết bị trộn được gọi là phương pháp trộn sâu (DMM - Deep Mixing Method). DMM trở thành một thuật ngữ chung để mô tả kỹ thuật cải tạo đất yếu. Bruce, D. A. (2000) đã đề nghị các kỹ thuật này được phân loại dựa trên các đặc điểm: 1) Phương pháp đưa chất kết dính vào đất, 2) Phương pháp trộn, và 3) Vị trí của các lưỡi trộn [2].

Công nghệ trộn sâu có nhiều thuật ngữ và từ viết tắt. Filz et al. (2005) đã chỉ ra một số từ viết tắt và thuật ngữ dùng trong thi công và nghiên cứu [3]. Một số cụm từ khác đôi khi cũng được dùng như Mixed - in - Place piles, in situ soil mixing và soil cement columns. Trong nghiên cứu này sẽ sử dụng thuật ngữ trộn sâu và sản phẩm của quá trình thi công trộn sâu là trụ đất xi măng (CDM - Cement Deep Mixing).

Mặc dù có nhiều kỹ thuật trộn sâu khác nhau, nhưng phương pháp chung nhất là tạo ra các trụ gia cố bằng thiết bị khoan với một hoặc nhiều cần trộn để đưa chất kết dính vào đất nguyên trạng nơi gia cố (Holm, G., 2003). Chất kết dính thường được sử dụng là một hỗn hợp xi măng, vôi, nước và đôi khi có thêm các thành phần phụ gia. Kết quả của sự trộn chất kết dính và đất tạo ra một vật liệu có cường độ và độ cứng lớn hơn đất tự nhiên nhưng nhỏ hơn bê tông. Mục đích chính của phương pháp trộn sâu là: Giảm tính biến dạng, tăng cường độ của đất, tăng độ cứng động của đất và khắc phục hậu quả của mặt đất bị ô nhiễm [4].

Tính chất cơ học của đất được gia cố bởi phương pháp trộn sâu bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố như lượng nước, sét, hàm lượng chất hữu cơ trong đất; loại, tỉ lệ chất kết dính; và hiệu quả do gia cố đất bằng trụ đất xi măng mang lại. Toshihide Shibi and Yuki Ohtsuka (2021) đã có nghiên cứu ảnh hưởng của ứng áp lực nén trong quá trình bảo dưỡng mẫu đến cường độ chịu nén một trục của đất trộn xi măng [5]. Trong khi Thanakorn Chompoorat et al. (2022) nghiên cứu để cải thiện tính chất cơ học và nứt do co ngót của đất trộn xi măng [6]. Còn Nguyen Anh Tuan and Nguyen Ngoc Thang (2019) sự ảnh hưởng của khoáng vật Montmorillonite đến sức chịu tải của nền đường đất yếu gia cố bằng trụ đất xi măng [7], Nguyễn Ngọc Thắng và Thiệu Ngọc Hồ (2021) nghiên cứu gia cố nền đất yếu ở Tiền Giang bằng trụ đất xi măng cho công trình bể chứa xăng dầu [8]. Việc nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ trụ đất xi măng đóng vai trò quan trọng trong quyết định lựa chọn đặc tính kỹ thuật cũng như giá trị kinh tế của công trình. Terashi, M. (1997), tính chất cơ học của đất trộn xi măng phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố khác nhau như đặc điểm của tác nhân gia cố, đặc điểm và điều kiện của đất, điều kiện trộn, điều kiện bảo dưỡng [9]. Trong các công trình gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng, việc xác định tính chất cơ học và vật lý của vật liệu đất trộn xi măng cần phải được thực hiện.

2. Phương pháp thí nghiệm

Mục đích của việc thiết kế vật liệu đất trộn xi măng là chất lượng sản phẩm phải đạt được cường độ an toàn và các yêu cầu khác của việc thiết kế. Tính chất của trụ đất xi măng thường được xác định bằng hỗn hợp trộn, điều đó rất quan trọng cho người thiết kế hiểu rõ các yếu tố thay đổi cường độ của đất trộn xi măng để đề ra biện pháp thiết kế thi công thích hợp [10].

2.1. Chế tạo và bảo dưỡng mẫu đất trộn xi măng

Đất lấy về được phơi khô, nghiền nhỏ và cho qua rây 5 mm để loại bỏ tạp chất. Mẫu đất trộn xi măng được tạo với các điều kiện khác nhau về: Hàm lượng xi măng, aw = 5%, 10%, 15%, 20% và 25%; Tỉ lệ tổng lượng nước và xi măng, wT/c = 3, 4 và 5; Thời gian bảo dưỡng, t = 7, 14 và 28 ngày; Môi trường bảo dưỡng mẫu trong không khí và nước. Tổng cộng có 30 trường hợp thí nghiệm, với 276 mẫu đất trộn xi măng được chế tạo. Các tính chất vật lý cơ bản của đất và nước được trình bày trong Bảng 1 và Bảng 2.

Xi măng được sử dụng để thí nghiệm là xi măng Hà Tiên Porland PCB40 được sử dụng rộng rãi trên thị trường, có chỉ tiêu cơ lý và hóa học do nhà sản xuất cung cấp như Bảng 3 và Bảng 4.

Các mẫu đất trộn xi măng chế tạo theo A.S.T.M. D1632-96. Thành phần và khối lượng vật liệu: Đất Ws(g), xi măng Wc(g) và tổng lượng nước WT(g) cho một lần trộn được tính toán và lập thành bảng trước khi trộn. Sau khi trộn đều hỗn hợp đất và xi măng, cho nước vào tiếp tục trộn. Thời gian trộn là khoảng 10 phút với tốc độ quay 48 vòng /phút. Cho hỗn hợp vào khuôn nhựa tròn đường kính trong 50 mm, cao 100 mm được bịt kín ở đáy làm 3 lớp. Sau mỗi lớp, đưa mẫu vào bàn rung nhằm giảm bọt khí bên trong mẫu. Gạt bỏ hỗn hợp thừa trên mặt khuôn, tạo phẳng bề mặt và phủ lên bề mặt một lớp vải ni lông chống mất nước. Giữ mẫu trong khuôn 24 giờ. Sau đó tháo khuôn cho mẫu vào môi trường nước ngọt để bảo dưỡng [11, 12].

2.2. Thí nghiệm nén mẫu đất trộn xi măng

Thí nghiệm nén một trục nở hông theo tiêu chuẩn A.S.T.M. D5102-96 cho các mẫu sau khi bảo dưỡng 7 ngày, 14 ngày và 28 ngày [13]. Cường độ nén không hạn chế nở hông là tải dọc trục tối đa đạt được trên một đơn vị diện tích hoặc tải trên một đơn vị diện tích tại biến dạng dọc trục đạt 5%, tùy thuộc trường hợp nào xảy ra trước. Quá trình thí nghiệm bằng cách tăng dần lực nén dọc trục cho đến khi nó phá hoại hoặc biến dạng dọc theo trục đạt 5%. Tốc độ tăng áp lực nén được kiểm soát để tốc độ của biến dạng dọc trục khoảng 0,5% - 2%/ phút. Mức biến dạng cần được xác định để thời gian thực hiện thí nghiệm không vượt quá 15 phút.

Cường độ nén không hạn chế nở hông được tính theo công thức:

Trong đó: qu là áp lực nén dọc trục (kPa), P là lực nén dọc trục (kN), và A là diện tích mặt cắt ngang của mẫu (m²).

ximang.vn (TH/ Tạp chí KHCNXD)