B¸o c¸o Ph©n tÝch c së lý thuyÕt vµ thùc nghiÖm

c¬ së ph¬ng ph¸p luËn cña viÖc øng dông ph¬ng ph¸p gia cè nÒn ®Êt yÕu b»ng cäc c¸t - xi m¨ng - v«i

T¹ §øc ThÞnh¹, Vò ThiÕt Hïng²

1§¹i häc Má - §Þa chÊt, §«ng Ng¹c, Tõ Liªm, Hµ Néi
²ViÖn nghiªn cøu §Þa chÊt vµ kho¸ng s¶n, Thanh Xu©n, Hµ Néi

Tãm t¾t: Ph¬ng ph¸p gia cè nÒn ®Êt yÕu b»ng cäc c¸t – xi m¨ng – v«i lµ mét ph¬ng ph¸p míi ®îc ¸p dông cã hiÖu qu¶ trong mét sè c«ng tr×nh x©y dùng. Tuy nhiªn, ®Ó cã thÓ ¸p dông réng r·i ph¬ng ph¸p nµy ë c¸c quy m« x©y dùng nhá vµ lín cÇn ph¶i x©y dùng mét c¬ së ph¬ng ph¸p luËn ch¾c ch¾n cho ph¬ng ph¸p nµy. §iÒu c¬ b¶n lµ ph¶i dùa trªn sù ph©n tÝch c¬ chÕ vµ c¸c qu¸ tr×nh ho¸ lý khi gia cè nÒn ®Êt cña c«ng tr×nh, nh lµ: qu¸ tr×nh nÐn chÆt c¬ häc, qu¸ tr×nh cè kÕt, qu¸ tr×nh gia t¨ng cêng ®é cña cäc vµ ®Êt nÒn, còng nh c¸c nguyªn t¾c ®o ®¹c søc chÞu t¶i vµ biÕn d¹ng cña nÒn ®Êt sau gia cè.

§Æt vÊn ®Ò

Níc ta ®ang bíc vµo thêi kú c«ng nghiÖp ho¸, hiÖn ®¹i ho¸, c¸c khu c«ng nghiÖp tËp trung, c¬ së h¹ tÇng kü thuËt, khu ®« thÞ míi … ®ang ®îc x©y dùng víi tèc ®é ngµy cµng lín. C¸c c«ng tr×nh x©y dùng thêng tËp trung ë nh÷ng n¬i cã ®iÒu kiÖn kinh tÕ, giao th«ng thuËn lîi nhng l¹i bÊt lîi vÒ ®iÒu kiÖn ®Þa chÊt c«ng tr×nh. T¹i ®©y, cÊu tróc nÒn thêng rÊt phøc t¹p, gåm nhiÒu líp ®Êt yÕu, cã chiÒu dµy lín, ph©n bè ngay trªn mÆt. Khi x©y dùng c¸c c«ng tr×nh cã quy m«, t¶i träng võa vµ nhá, viÖc lùa chän gi¶i ph¸p nÒn mãng thêng gÆp nhiÒu khã kh¨n. Khã kh¨n lµ ë chç, chän gi¶i ph¸p cäc bª t«ng cèt thÐp th× gi¸ thµnh cao, chän gi¶i ph¸p gia cè nÒn b»ng cäc tre vµ cäc trµm th× c¬ së lý thuyÕt kh«ng râ rµng, chiÒu s©u gia cè h¹n chÕ, thi c«ng b»ng ph¬ng ph¸p thñ c«ng nªn tiÕn ®é chËm, hiÖu qu¶ kinh tÕ kh«ng cao. V× vËy, nghiªn cøu gi¶i ph¸p gia cè nÒn mãng thÝch hîp cho c¸c c«ng tr×nh cã quy m«, t¶i träng võa vµ nhá x©y dùng trªn nÒn ®Êt yÕu lµ nhu cÇu cÊp b¸ch vµ thiÕt thùc.

Mét vµi n¨m gÇn ®©y, ë mét sè ®Þa ph¬ng ®· m¹nh d¹n ¸p dông ph¬ng ph¸p gia cè nÒn ®Êt yÕu b»ng cäc c¸t - xi m¨ng - v«i phôc vô x©y dùng c¸c c«ng tr×nh cã quy m« võa vµ nhá [T¹ §øc ThÞnh vµ nnk, 2001. B¸o c¸o nghiªn cøu xö lý nÒn ®Êt yÕu b»ng cäc c¸t - xi m¨ng - v«i. Lu tr÷ §¹i häc Má - §Þa chÊt]. §©y lµ ph¬ng ph¸p míi, ph¸t huy ®îc nh÷ng u ®iÓm cña ph¬ng ph¸p gia cè b»ng cäc c¸t, cäc ®Êt - xi m¨ng, ®Êt - v«i, tËn dông ®îc nguån nguyªn liÖu t¹i chç, phï hîp víi ®iÒu kiÖn ViÖt Nam nªn lµm gi¶m gi¸ thµnh c«ng tr×nh, mang l¹i hiÖu qu¶ kinh tÕ cao. Tuy nhiªn, viÖc ¸p dông réng r·i ph¬ng ph¸p nµy vÉn cßn bÞ h¹n chÕ, mét phÇn lµ do cha x©y dùng ®îc c¬ së lý thuyÕt vµ thùc nghiÖm v÷ng ch¾c, phÇn kh¸c lµ do c«ng nghÖ thi c«ng cßn l¹c hËu. Do ®ã, bµi to¸n ®Æt ra lµ ph¶i x©y dùng ®îc c¬ së lý thuyÕt cho ph¬ng ph¸p, tiÕn hµnh c¸c nghiªn cøu thùc nghiÖm ®Ó kiÓm chøng vµ hoµn thiÖn c«ng nghÖ thi c«ng. C«ng viÖc nµy ®ßi hái nhiÒu thêi gian, c«ng søc vµ kinh phÝ cña nhiÒu tæ chøc, nhiÒu c¸ nh©n cïng tham gia. Cã nh vËy, gi¶i ph¸p gia cè nÒn ®Êt yÕu b»ng cäc c¸t - xi m¨ng - v«i míi cã thÓ ®îc ¸p dông réng r·i trong thùc tÕ x©y dùng, mang l¹i hiÖu qu¶ kinh tÕ cao.

C¬ së lý thuyÕt cña ph¬ng ph¸p gia cè nÒn ®Êt yÕu b»ng
cäc c¸t - xi m¨ng - v«i

Còng nh c¸c ph¬ng ph¸p c¶i t¹o, gia cè nÒn ®Êt yÕu kh¸c, ph¬ng ph¸p gia cè nÒn ®Êt yÕu b»ng cäc c¸t - xi m¨ng - v«i nh»m thay ®æi tÝnh chÊt c¬ lý cña ®Êt theo híng n©ng cao søc chÞu t¶i, gi¶m biÕn d¹ng cña nÒn. VÊn ®Ò lµ cÇn lµm s¸ng tá c¬ chÕ cña qu¸ tr×nh gia t¨ng cêng ®é cña ®Êt, x¸c ®Þnh c¸c qu¸ tr×nh nµo sÏ x¶y ra trong ®Êt khi gia cè nÒn b»ng cäc c¸t - xi m¨ng - v«i. Lµm s¸ng tá c¬ chÕ cña nh÷ng qu¸ tr×nh c¬ häc vµ ho¸ lý x¶y ra trong ®Êt, hoµn thiÖn ph¬ng ph¸p tÝnh to¸n nÒn chÝnh lµ ®· x©y dùng ®îc c¬ së lý thuyÕt cña ph¬ng ph¸p.

Trªn c¬ së ph©n tÝch lý thuyÕt c¸c ph¬ng ph¸p gia cè nÒn b»ng cäc c¸t, cäc ®Êt - xi m¨ng, ®Êt - v«i cã thÓ nhËn thÊy, khi gia cè nÒn ®Êt yÕu b»ng cäc c¸t - xi m¨ng - v«i, trong nÒn ®Êt sÏ diÔn ra c¸c qu¸ tr×nh c¬ häc vµ ho¸ lý sau ®©y:

1. Qu¸ tr×nh nÐn chÆt c¬ häc

Gia cè nÒn b»ng cäc c¸t - xi m¨ng - v«i lµ dïng thiÕt bÞ chuyªn dông ®a mét lîng vËt liÖu vµo nÒn ®Êt díi d¹ng cäc hçn hîp c¸t - xi m¨ng - v«i. Lîng vËt liÖu c¸t, xi m¨ng vµ v«i nµy sÏ chiÕm chç c¸c lç hæng trong ®Êt lµm cho ®é lç rçng gi¶m ®i, c¸c h¹t ®Êt s¾p xÕp l¹i, kÕt qu¶ lµ ®Êt nÒn ®îc nÐn chÆt. XÐt mét khèi ®Êt cã thÓ tÝch ban ®Çu Vo, thÓ tÝch h¹t r¾n Vho , thÓ tÝch lç rçng ban ®Çu Vro, ta cã:

Vo = Vho + Vro (1)

Sau khi gia cè, thÓ tÝch khèi ®Êt sÏ lµ V, thÓ tÝch h¹t r¾n lµ Vh, thÓ tÝch lç rçng Vr :

V = Vh + Vr (2)

Nh vËy, sù thay ®æi thÓ tÝch khèi ®Êt lµ:

D V = Vo – V (3)

= (Vho + Vro) - (Vh + Vr)

ThÓ tÝch c¸c h¹t r¾n ®îc coi nh kh«ng ®æi trong qu¸ tr×nh gia cè, nghÜa lµ Vho = Vh, do ®ã :

D V = Vro - Vr

D V = D Vr (4)

BiÓu thøc (4) cho thÊy: sù thay ®æi thÓ tÝch khèi ®Êt khi gia cè chÝnh lµ sù thay ®æi thÓ tÝch lç rçng trong khèi ®Êt.

Nh vËy, khi gia cè nÒn b»ng cäc c¸t - xi m¨ng - v«i qu¸ tr×nh nÐn chÆt ®Êt sÏ x¶y ra tøc thêi. HiÖu qu¶ nÐn chÆt phô thuéc vµo thÓ tÝch vËt liÖu ®îc ®a vµo nÒn, nghÜa lµ phô thuéc vµo sè lîng, ®êng kÝnh còng nh kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c cäc, h×nh d¹ng bè trÝ cäc. ViÖc x¸c ®Þnh ®êng kÝnh cäc, kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c cäc vµ s¬ ®å bè trÝ cäc hoµn toµn cã thÓ x¸c ®Þnh nh ®èi víi cäc c¸t. Cßn chiÒu s©u gia cè phô thuéc vµo chiÒu s©u vïng ho¹t ®éng nÐn Ðp díi ®¸y mãng c«ng tr×nh, nghÜa lµ, t¹i ®é s©u mµ ë ®ã tho¶ m·n mét trong c¸c ®iÒu kiÖn sau ®©y:

- øng suÊt nÐn Ðp (s _z) nhá h¬n hoÆc b»ng 0,1 øng suÊt b¶n th©n (s _bt)cña ®Êt.

- øng suÊt nÐn Ðp (s _z)nhá h¬n hoÆc b»ng ¸p lùc b¾t ®Çu cè kÕt thÊm cña ®Êt.

- øng suÊt nÐn Ðp s _z£ 20 – 30 kPa.

ViÖc kiÓm tra ®¸nh gi¸ ®Þnh lîng t¸c dông nÐn chÆt ®Êt khi gia cè nÒn b»ng cäc c¸t - xi m¨ng - v«i cã thÓ thùc hiÖn ®îc b»ng nhiÒu ph¬ng ph¸p nh khoan lÊy mÉu ®Êt trong ph¹m vi gi÷a c¸c cäc ®Ó x¸c ®Þnh hÖ sè rçng còng nh khèi lîng thÓ tÝch cña ®Êt sau gia cè hoÆc dïng thÝ nghiÖm xuyªn tÜnh hay nÐn tÜnh nÒn. C¸c c«ng viÖc nµy ®¬n gi¶n, dÔ tiÕn hµnh.

2. Qu¸ tr×nh cè kÕt thÊm

Ngoµi t¸c dông nÐn chÆt ®Êt, cäc c¸t - xi m¨ng - v«i cßn cã t¸c dông lµm t¨ng nhanh qu¸ tr×nh cè kÕt cña ®Êt nÒn.

Do cäc c¸t - xi m¨ng - v«i ®îc ®a vµo nÒn díi d¹ng kh« nªn hçn hîp c¸t - xi m¨ng - v«i sÏ hót níc trong ®Êt nÒn ®Ó t¹o ra v÷a xi m¨ng, sau ®ã biÕn thµnh ®¸ xi m¨ng. Qu¸ tr×nh t¹o v÷a xi m¨ng lµm tæn thÊt mét lîng níc lín chøa trong lç hæng cña ®Êt, nghÜa lµ lµm t¨ng nhanh qu¸ tr×nh cè kÕt cña nÒn ®Êt. Qu¸ tr×nh nµy x¶y ra ngay sau khi b¾t ®Çu gia cè vµ kÐo dµi cho ®Õn khi nÒn ®Êt ®îc gia cè xong, toµn bé cäc c¸t - xi m¨ng - v«i trë thµnh mét lo¹i bª t«ng . §©y lµ qu¸ tr×nh biÕn ®æi ho¸ lý phøc t¹p, chia lµm hai thêi kú: thêi kú ninh kÕt vµ thêi kú r¾n ch¾c. Trong thêi kú ninh kÕt, v÷a xi m¨ng mÊt dÇn tÝnh dÎo vµ ®Æc dÇn l¹i nhng cha cã cêng ®é. Trong thêi kú r¾n ch¾c, chñ yÕu x¶y ra qu¸ tr×nh thuû ho¸ c¸c thµnh phÇn kho¸ng vËt cña clinke, gåm silicat tricalcit 3CaO.SiO₂, silicat bicalcit 2CaO.SiO₂, aluminat tricalcit 3CaO.Al₂O₃, fero-aluminat tetracalcit 4CaO.Al₂O₃Fe₂O₃:

3CaO.SiO₂ + nH₂O Þ Ca(OH)₂ + 2CaO.SiO₂(n-1)H₂O.

2CaO.SiO₂ + mH₂O Þ 2CaO.SiO₂mH₂O.

3CaO.Al₂O₃ + 6H₂O Þ 3CaO.Al₂O₃.6H₂O.

4CaO.Al₂O₃Fe₂O₃ + nH₂O Þ 3CaO.Al₂O₃.6H₂O +CaO.Fe₂O₃.mH₂O

C¸c s¶n phÈm chñ yÕu ®îc h×nh thµnh sau qu¸ tr×nh thuû ho¸ lµ Ca(OH)₂, 3CaO.Al₂O₃.6H₂O, 2CaO.SiO₂mH₂O vµ CaO.Fe₂O₃.mH₂O. Qu¸ tr×nh r¾n ch¾c cña xi m¨ng cã thÓ chia ra lµm 3 giai ®o¹n :

a) Giai ®o¹n hoµ tan: c¸c chÊt Ca(OH)₂, 3CaO.Al₂O₃.6H₂O sinh ra sau qu¸ tr×nh thuû ho¸ hoµ tan ®îc trong níc sÏ ngay lËp tøc hoµ tan t¹o thµnh thÓ dÞch bao quanh mÆt h¹t xi m¨ng.

b) Giai ®o¹n ho¸ keo: ®Õn mét giíi h¹n nµo ®ã, lîng c¸c chÊt Ca(OH)₂ , 3CaO.Al₂O₃.6H₂O kh«ng hoµ tan ®îc n÷a sÏ tån t¹i ë thÓ keo. ChÊt silicat bicalcit (2CaO.SiO₂) vèn kh«ng hoµ tan sÏ t¸ch ra ë d¹ng ph©n t¸n nhá trong dung dÞch, t¹o thµnh keo ph©n t¸n. Lîng keo nµy ngµy cµng sinh ra nhiÒu, lµm cho c¸c h¹t keo ph©n t¸n t¬ng ®èi nhá tô l¹i thµnh nh÷ng h¹t keo lín h¬n ë d¹ng sÖt khiÕn cho xi m¨ng mÊt dÇn tÝnh dÎo vµ ninh kÕt l¹i dÇn dÇn nhng cha h×nh thµnh cêng ®é.

c) Giai ®o¹n kÕt tinh: c¸c chÊt Ca(OH)₂ , 3CaO.Al₂O₃.6H₂O tõ thÓ ngng keo chuyÓn sang d¹ng kÕt tinh, c¸c tinh thÓ nhá ®an chÐo nhau lµm cho xi m¨ng b¾t ®Çu cã cêng ®é, chÊt 2CaO.SiO₂mH₂O tån t¹i ë thÓ keo rÊt l©u, sau ®ã cã mét phÇn chuyÓn thµnh tinh thÓ. Do lîng níc ngµy cµng mÊt ®i, keo dÇn dÇn bÞ kh«, kÕt chÆt l¹i vµ trë nªn r¾n ch¾c.

C¸c giai ®o¹n hoµ tan, ho¸ keo vµ kÕt tinh kh«ng x¶y ra ®éc lËp, mµ x¶y ra ®ång thêi víi nhau, xen kÏ nhau. Ngoµi ra, v«i trong hçn hîp t¹o cäc cã t¸c dông nh chÊt g¾n kÕt gièng nh xi m¨ng, ®ång thêi cã kh¶ n¨ng hÊp thô níc lín vµ to¶ nhiÖt lµm t¨ng søc kh¸ng c¾t cña cäc vµ t¨ng nhanh qu¸ tr×nh cè kÕt cña ®Êt nÒn. Qu¸ tr×nh thuû ho¸ v«i kÌm theo sù to¶ nhiÖt ®îc biÓu diÔn b»ng ph¶n øng sau :

CaO + H₂O Þ Ca(OH)₂ + 15,5 kcalo

Cêng ®é cña hçn hîp t¨ng lªn mét phÇn do ph¶n øng silicat, mét phÇn do ph¶n øng carbonat, lîng CaCO₃ cßn d trong v«i sÏ trë thµnh nh÷ng mÇm kÕt tinh, bao quanh bëi c¸c h¹t keo vµ tinh thÓ, chóng ph¸t triÓn vµ t¨ng dÇn cêng ®é.

MÆt kh¸c, nÕu tû lÖ phèi trén gi÷a xi m¨ng, c¸t vµ v«i còng nh thµnh phÇn h¹t cña c¸t hîp lý th× cäc c¸t - xi m¨ng - v«i sau khi ®«ng cøng vÉn cã thÓ cho níc tho¸t qua vµ lµm viÖc t¬ng tù nh mét giÕng thu níc th¼ng ®øng, gièng nh cäc c¸t. Díi t¸c dông cña t¶i träng ngoµi, cïng víi thêi gian, øng suÊt h÷u hiÖu t¨ng lªn, øng suÊt trung tÝnh gi¶m ®i, níc trong lç rçng cña ®Êt sÏ thÊm theo ph¬ng ngang vµo cäc råi sau ®ã tho¸t ra ngoµi däc theo chiÒu dµi cäc.

Bµi to¸n cè kÕt thÊm cña nÒn ®Êt khi gia cè b»ng cäc c¸t - xi m¨ng - v«i còng gièng nh bµi to¸n cè kÕt thÊm cña nÒn khi dïng cäc c¸t vµ ®· ®îc nhiÒu nhµ khoa häc nghiªn cøu. N¨m 1935, L.Rendulic ®· ®a ra ph¬ng tr×nh vi ph©n cè kÕt ®èi xøng ®Ó x¸c ®Þnh trÞ sè ¸p lùc níc lç rçng trong nÒn vµ n¨m 1942, N.Carrillo ®· ph©n bµi to¸n cè kÕt thÊm 3 chiÒu thµnh tæng hîp cña bµi to¸n cè kÕt thÊm theo chiÒu th¼ng ®øng vµ theo híng xuyªn t©m. K.Terzaghi ®· dïng ph¬ng ph¸p gi¶i tÝch ®Ó gi¶i bµi to¸n cè kÕt thÊm theo chiÒu th¼ng ®øng, cßn R.E.Glover, R.A.Barron ®· gi¶i bµi to¸n cè kÕt thÊm theo híng xuyªn t©m. N¨m 1948, R.A.Barron ®· ®a ra lêi gi¶i toµn diÖn ®Çu tiªn cho bµi to¸n cè kÕt cña trô ®Êt cã chøa mét cäc c¸t (c¸t - xi m¨ng - v«i) ë gi÷a.

Khi trong nÒn cã c¸c cäc c¸t - xi m¨ng - v«i, chiÒu dµi ®êng thÊm theo ph¬ng ngang sÏ nhá h¬n nhiÒu lÇn chiÒu dµi ®êng thÊm theo ph¬ng ®øng, do ®ã cã thÓ coi vai trß tho¸t níc theo ph¬ng ngang cña cäc c¸t - xi m¨ng - v«i lµ chñ yÕu. Tuy vËy, trong tÝnh to¸n qu¸ tr×nh cè kÕt cña nÒn ®Êt gia cè vÉn thêng x¸c ®Þnh ®é cè kÕt toµn phÇn (kÕt qu¶ tæng hîp cña qu¸ tr×nh tho¸t níc theo ph¬ng ngang vµ theo ph¬ng ®øng) b»ng ®Þnh ®Ò Carrillo:

P = 1 - (1 - P_h)(1 - P_v)

trong ®ã :

P : ®é cè kÕt toµn phÇn cña ®Êt

P_h: ®é cè kÕt trung b×nh cña ®Êt theo ph¬ng ngang

P_v: ®é cè kÕt trung b×nh cña ®Êt theo ph¬ng ®øng

HÖ sè thÊm cña cäc c¸t - xi m¨ng - v«i ¶nh hëng nhiÒu ®Õn qu¸ tr×nh cè kÕt cña nÒn ®Êt. Theo nhiÒu nghiªn cøu, khi hÖ sè thÊm ngang cña nÒn ®Êt k_h< 1.10^-7 cm/s hoÆc hÖ sè cè kÕt theo ph¬ng ngang C_h < 1.10^-4 m²/ng.® th× t¸c dông cè kÕt cña nÒn ®Êt sÏ bÞ h¹n chÕ. §Ó ®¶m b¶o cäc c¸t - xi m¨ng - v«i lµm viÖc tèt trong qu¸ tr×nh cè kÕt th× hÖ sè thÊm cña vËt liÖu cäc cÇn lÊy > 2¸ 3 m/ng.®. Muèn vËy, cÇn chÕ t¹o mÉu chÕ bÞ víi c¸c tû lÖ xi m¨ng, c¸t vµ v«i kh¸c nhau vµ tiÕn hµnh thÝ nghiÖm mÉu x¸c ®Þnh hÖ sè thÊm. §Ó ®¸nh gi¸ ®Þnh lîng qu¸ tr×nh cè kÕt cña nÒn ®Êt khi gia cè b»ng cäc c¸t - xi m¨ng - v«i cã thÓ ®Æt c¸c thiÕt bÞ ®o ¸p lùc níc lç rçng t¹i c¸c thêi ®iÓm tríc, sau khi gia cè vµ trong thêi gian sö dông c«ng tr×nh.

3. Qu¸ tr×nh gia t¨ng cêng ®é cña cäc gia cè vµ søc kh¸ng c¾t cña ®Êt nÒn

Khi gia cè nÒn ®Êt yÕu b»ng cäc c¸t, søc kh¸ng c¾t cña cäc c¸t díi t¸c dông cña t¶i träng ngoµi x¸c ®Þnh theo ®Þnh luËt Coulomb t = s tgj , víi j lµ gãc ma s¸t trong cña c¸t. Khi trén thªm xi m¨ng vµ v«i vµo c¸t, do h×nh thµnh liªn kÕt xi m¨ng - v«i trong cäc nªn kh¶ n¨ng chÞu lùc nÐn vµ lùc c¾t cña cäc gia cè t¨ng lªn ®¸ng kÓ. Lóc ®ã, søc kh¸ng c¾t cña cäc c¸t - xi m¨ng - v«i x¸c ®Þnh theo biÓu thøc t = s tgj + C_xm , víi C_xm lµ lùc dÝnh ®îc t¹o nªn bëi liªn kÕt xi m¨ng - v«i. Gi¸ trÞ C_xm cã thÓ x¸c ®Þnh ®îc nhê thÝ nghiÖm c¾t c¸c mÉu chÕ bÞ ë trong phßng.

Nh vËy, kh¸c víi cäc c¸t, cäc c¸t - xi m¨ng - v«i cã ®é bÒn lín nhê lùc dÝnh trong hçn hîp t¹o cäc t¨ng lªn. §é bÒn cña cäc c¸t - xi m¨ng - v«i phô thuéc vµo lùc dÝnh trong liªn kÕt xi m¨ng - v«i, nghÜa lµ phô thuéc vµo hµm lîng xi m¨ng vµ v«i trong hçn hîp t¹o cäc.

MÆt kh¸c, khi trén xi m¨ng, v«i vµo trong c¸t vµ ®a vËt liÖu vµo nÒn ®Êt, ë mÆt tiÕp xóc gi÷a cäc vµ ®Êt nÒn sÏ x¶y ra qu¸ tr×nh trao ®æi ion vµ ph¶n øng puzolan. C¸c ion calci ho¸ trÞ 2 thay thÕ c¸c ion natri vµ hydro ho¸ trÞ 1 ë trong líp ®iÖn kÐp bao quanh mçi h¹t kho¸ng vËt sÐt. V× cÇn Ýt h¬n calci ho¸ trÞ 2 ®Ó trung hoµ líi ®iÖn ©m trªn mÆt cña mçi kho¸ng vËt sÐt nªn gi¶m ®îc kÝch thíc cña líp ®iÖn kÐp vµ do ®ã lµm t¨ng lùc hót cña c¸c h¹t sÐt, dÉn ®Õn lùc dÝnh cña ®Êt t¨ng lªn. H¬n n÷a, silic vµ nh«m trong kho¸ng vËt sÐt sÏ ph¶n øng víi silicat calci vµ hydrat nh«m calci trong ph¶n øng puzolan, t¹o ra c¸c hîp chÊt cã ®é bÒn cao vµ rÊt bÒn trong m«i trêng níc. Nh÷ng qu¸ tr×nh nµy lµm t¨ng lùc ma s¸t vµ lùc dÝnh cña ®Êt xung quanh cäc gia cè, dÉn ®Õn lµm gia t¨ng cêng ®é cña ®Êt nÒn.

CÇn ph¶i nhÊn m¹nh r»ng, tÊt c¶ c¸c qu¸ tr×nh nÐn chÆt c¬ häc, qu¸ tr×nh cè kÕt, qu¸ tr×nh gia t¨ng cêng ®é cña cäc vµ ®Êt nÒn khi gia cè b»ng cäc c¸t - xi m¨ng - v«i ®Òu cã liªn hÖ h÷u c¬ víi nhau. C¸c qu¸ tr×nh nµy kh«ng ®éc lËp víi nhau mµ diÔn ra ®ång thêi víi nhau, lµ ®éng lùc thóc ®Èy ph¸t triÓn cña nhau.

4. TÝnh to¸n søc chÞu t¶i vµ biÕn d¹ng cña nÒn ®Êt sau gia cè

HiÖn nay, viÖc tÝnh to¸n søc chÞu t¶i vµ biÕn d¹ng cña nÒn gia cè b»ng cäc c¸t - xi m¨ng - v«i ®ang cßn lµ vÊn ®Ò tranh c·i. Mét sè nhµ khoa häc kiÕn nghÞ tÝnh to¸n nh ®èi víi cäc cøng, sè kh¸c l¹i ®Ò nghÞ tÝnh to¸n nh ®èi víi nÒn thiªn nhiªn, cã t¸c gi¶ l¹i ®Ò nghÞ tÝnh to¸n søc chÞu t¶i nh ®èi víi cäc cøng, cßn biÕn d¹ng th× tÝnh to¸n theo nÒn. Së dÜ cßn nhiÒu nh÷ng quan ®iÓm tr¸i ngîc nhau lµ v× b¶n th©n vÊn ®Ò rÊt phøc t¹p, cÇn ph¶i cã nhiÒu c«ng tr×nh nghiªn cøu lý thuyÕt vµ thùc nghiÖm lµm s¸ng tá vai trß mang t¶i cña cäc, cña ®Êt nÒn xung quanh cäc, nghÜa lµ xem cäc vµ nÒn cïng ®ång thêi lµm viÖc. Theo chóng t«i, vÊn ®Ò sÏ ®¬n gi¶n h¬n nhiÒu nÕu quan niÖm nÒn ®Êt yÕu ®· ®îc gia cè lµ mét nÒn míi, cã tÝnh chÊt c¬ lý míi. Râ rµng lµ, tríc khi gia cè, nÒn thiªn nhiªn lµ mét nÒn ®Êt yÕu víi c¸c tÝnh chÊt c¬ lý kh«ng ®¸p øng ®îc yªu cÇu x©y dùng. Sau khi gia cè, c¸c chØ tiªu c¬ lý ®· thay ®æi mét c¸ch ®¸ng kÓ nh ®é Èm, hÖ sè rçng gi¶m, khèi lîng thÓ tÝch, lùc dÝnh, gãc ma s¸t trong t¨ng nhê c¸c qu¸ tr×nh nÐn chÆt c¬ häc, cè kÕt vµ t¸c dông cña c¸c ph¶n øng ho¸ lý gi÷a xi m¨ng, v«i vµ ®Êt nÒn trong qu¸ tr×nh gia cè. V× vËy, viÖc tÝnh to¸n søc chÞu t¶i vµ ®é lón cña nÒn sau gia cè cã thÓ tÝnh nh ®èi víi nÒn thiªn nhiªn. Tuy nhiªn, cÇn ph©n biÖt hai trêng hîp lµ trêng hîp thi c«ng nhanh vµ trêng hîp thi c«ng chËm.

a. Trêng hîp thi c«ng chËm:

Khi gia cè nÒn, tøc lµ ®· t¸c dông mét t¶i träng ngoµi vµo nÒn ®Êt (t¶i träng ®ã lµ khèi lîng vËt liÖu c¸t - xi m¨ng - v«i ®a vµo nÒn) g©y ra qu¸ tr×nh nÐn chÆt c¬ häc (do thÓ tÝch vËt liÖu c¸t - xi m¨ng - v«i chiÕm chç thÓ tÝch lç rçng trong ®Êt), qu¸ tr×nh cè kÕt cña ®Êt nÒn (do hót níc lµm ®«ng cøng v÷a xi m¨ng, tho¸t níc do ¸p lùc h÷u hiÖu t¨ng, ¸p lùc níc lç rçng gi¶m) vµ c¸c ph¶n øng ho¸ lý cña xi m¨ng, v«i víi m«i trêng ®Êt yÕu. C¸c qu¸ tr×nh nµy x¶y ra ®ång thêi ngay sau khi b¾t ®Çu gia cè nÒn nhng kÕt thóc vµo c¸c thêi ®iÓm kh¸c nhau. Qu¸ tr×nh nÐn chÆt c¬ häc sÏ kÕt thóc ngay sau khi hoµn thµnh gia cè. Qu¸ tr×nh cè kÕt cña ®Êt nÒn vµ t¸c dông ho¸ lý cña xi m¨ng, v«i víi ®Êt nÒn sÏ kÕt thóc muén h¬n vµ sau bao l©u sÏ kÕt thóc th× cÇn ph¶i cã nghiªn cøu chi tiÕt. Do vËy, nÕu sau khi gia cè mét thêi gian, khi mµ qu¸ tr×nh cè kÕt vµ c¸c ph¶n øng ho¸ lý cña m«i trêng ®· kÕt thóc, míi x©y dùng c«ng tr×nh th× râ rµng lµ, nÒn ®Êt gia cè ®· trë thµnh mét nÒn míi, øng suÊt trong nÒn gia cè ®· ®îc ph©n bè l¹i, tÝnh chÊt c¬ lý cña nÒn ®· thay ®æi víi c¸c gi¸ trÞ míi.

b. Trêng hîp thi c«ng nhanh:

Trêng hîp thi c«ng nhanh, nghÜa lµ, sau khi qu¸ tr×nh gia cè nÒn kÕt thóc th× tiÕn hµnh x©y dùng c«ng tr×nh ngay. Lóc nµy, chØ cã qu¸ tr×nh nÐn chÆt c¬ häc lµ kÕt thóc, cßn qu¸ tr×nh cè kÕt vµ c¸c ph¶n øng ho¸ lý cña m«i trêng vÉn tiÕp diÔn. Tuy nhiªn, qu¸ tr×nh nÐn chÆt c¬ häc míi lµ chñ yÕu, mµ qu¸ tr×nh nµy th× ®· kÕt thóc ngay sau khi gia cè. Do vËy, viÖc tÝnh to¸n nÒn, theo chóng t«i, vÉn cã thÓ tiÕn hµnh nh ®èi víi trêng hîp thi c«ng chËm, nhng cã lu ý ®Õn t¸c dông cña qu¸ tr×nh cè kÕt vµ ph¶n øng ho¸ lý cña m«i trêng cßn cha kÕt thóc, b»ng c¸ch ®a thªm vµo ¸p lùc g©y lón mét trÞ sè nµo ®ã cña "¸p lùc gia cè" do träng lîng vËt liÖu c¸t - xi m¨ng - v«i g©y ra. TrÞ sè nµy cã thÓ íc tÝnh b»ng 1/2 "¸p lùc gia cè". Mét sè nhµ chuyªn m«n cã thÓ th¾c m¾c, khi tÝnh nh vËy th× khèi lîng c¸t - xi m¨ng - v«i ®a vµo nÒn mÊt ®i ®©u ? T¹i sao l¹i kh«ng ®a toµn bé t¶i träng nµy vµo gi¸ trÞ ¸p lùc g©y lón cña c«ng tr×nh mµ l¹i chØ ®a vµo mét gi¸ trÞ nµo ®ã ? Thùc ra, viÖc ®a thªm vµo trÞ sè ¸p lùc g©y lón mét gi¸ trÞ b»ng 1/2 "¸p lùc gia cè" còng chØ mang tÝnh quy íc dùa vµo c¸c ph©n tÝch c¬ së ph¬ng ph¸p luËn cña vÊn ®Ò.

Chóng t«i cho r»ng, khèi lîng c¸t - xi m¨ng - v«i ®a vµo nÒn cã thÓ coi lµ mét t¶i träng ngoµi. Díi t¸c dông cña t¶i träng nµy, trong nÒn ®Êt sÏ xuÊt hiÖn øng suÊt phô thªm s _zg©y biÕn d¹ng nÒn (c¶ theo ph¬ng däc vµ ph¬ng ngang). TrÞ sè cña øng suÊt phô thªm b»ng :

s _z= s + U

trong ®ã, s - øng suÊt h÷u hiÖu do h¹t ®Êt tiÕp thu

U - øng suÊt trung tÝnh do níc tiÕp thu

Cïng víi thêi gian, øng suÊt h÷u hiÖu t¨ng lªn, øng suÊt trung tÝnh gi¶m ®i, nhng ë bÊt kú thêi ®iÓm nµo trong nÒn ®Êt vÉn tån t¹i mèi t¬ng quan trªn. Trong trêng hîp thi c«ng chËm, c¸c qu¸ tr×nh nÐn chÆt c¬ häc, cè kÕt vµ ph¶n øng ho¸ lý gi÷a xi m¨ng vµ m«i trêng ®· kÕt thóc. Khi ®ã toµn bé t¶i träng ngoµi (lîng c¸t - xi m¨ng - v«i) do h¹t ®Êt tiÕp thu (s _z= s ), øng suÊt trung tÝnh bÞ triÖt tiªu (U=0), biÕn d¹ng nÒn ®¹t trÞ sè æn ®Þnh, nÒn ®îc nÐn chÆt hoµn toµn, trë thµnh mét nÒn míi. Trong trêng hîp thi c«ng nhanh, chØ qu¸ tr×nh nÐn chÆt c¬ häc lµ kÕt thóc, cßn qu¸ tr×nh cè kÕt vµ c¸c ph¶n øng ho¸ lý gi÷a xi m¨ng, v«i vµ nÒn cha kÕt thóc, nÒn ®Êt chØ biÕn d¹ng mét phÇn, phÇn cßn l¹i vÉn tiÕp tôc diÔn ra cïng víi qu¸ tr×nh nÐn lón do t¶i träng c«ng tr×nh x©y dùng. Nh vËy, cã thÓ quy íc, mét nöa lîng c¸t - xi m¨ng - v«i ®· truyÒn cho h¹t ®Êt lµm nÒn bÞ biÕn d¹ng, t¬ng øng víi qu¸ tr×nh nÐn chÆt c¬ häc ®· kÕt thóc; cßn mét nöa lîng c¸t - xi m¨ng - v«i sÏ vÉn tiÕp tôc g©y ra biÕn d¹ng nÒn, t¬ng øng víi qu¸ tr×nh cè kÕt vµ t¸c dông ho¸ lý gi÷a xi m¨ng, v«i vµ ®Êt nÒn. Do ®ã, khi tÝnh lón c«ng tr×nh cÇn thªm vµo trÞ sè ¸p lùc g©y lón mét gi¸ trÞ b»ng mét nöa khèi lîng c¸t - xi m¨ng - v«i ®a vµo nÒn.

Víi quan niÖm nh vËy, ®é lón cña nÒn sau gia cè cã thÓ ®îc tÝnh b»ng ph¬ng ph¸p céng lón tõng líp theo c«ng thøc :

b - hÖ sè kh«ng thø nguyªn, phô thuéc vµo hÖ në h«ng cña ®Êt

E_0i- m«®un tæng biÕn d¹ng cña líp ®Êt thø i, x¸c ®Þnh b»ng bµn nÐn ë hiÖn trêng.

Còng cã thÓ tÝnh ®é lón theo c«ng thøc:

trong ®ã : C_c- chØ sè nÐn cña ®Êt, x¸c ®Þnh theo ®êng cong nÐn lón trong hÖ to¹ ®é b¸n logarit

h - chiÒu dµy líp ®Êt tÝnh lón

e ₀ - hÖ sè rçng ban ®Çu cña ®Êt

D s - ¸p lùc do t¶i träng ngoµi t¸c dông lªn líp tÝnh lón.

KÕt luËn

Tõ nh÷ng vÊn ®Ò ®· tr×nh bµy ë trªn cã thÓ kh¼ng ®Þnh r»ng, hoµn toµn cã thÓ x©y dùng ®îc c¬ së ph¬ng ph¸p luËn cña ph¬ng ph¸p gia cè nÒn ®Êt yÕu b»ng cäc c¸t - xi m¨ng - v«i. C¸c c¬ së nµy lµ c¸c qu¸ tr×nh nÐn chÆt c¬ häc, qu¸ tr×nh cè kÕt, qu¸ tr×nh gia t¨ng cêng ®é cña cäc vµ cña ®Êt nÒn khi gia cè còng nh nguyªn lý tÝnh to¸n søc chÞu t¶i vµ biÕn d¹ng cña nÒn sau gia cè. NÕu c¸c c¬ së lý thuyÕt nµy ®îc minh ho¹ vµ kiÓm chøng b»ng c¸c sè liÖu nghiªn cøu thùc nghiÖm ®Çy ®ñ th× ph¬ng ph¸p gia cè nÒn ®Êt yÕu b»ng cäc c¸t - xi m¨ng - v«i cã thÓ ®îc ¸p dông réng r·i trong x©y dùng c¸c c«ng tr×nh cã quy m«, t¶i träng võa vµ nhá, mang l¹i hiÖu qu¶ kinh tÕ cao.

V¨n liÖu

1. Bergado D. T., Chai J. C., Alfaro M. C., Balasubramanian A. S., 1994. Nh÷ng biÖn ph¸p kÜ thuËt míi c¶i t¹o ®Êt yÕu trong x©y dùng. Nxb Gi¸o dôc, Hµ Néi.

2. Hoµng V¨n T©n, TrÇn §×nh Ng« vµ nnk, 1973. Nh÷ng ph¬ng ph¸p x©y dùng c«ng tr×nh trªn nÒn ®Êt yÕu. Nxb Khoa häc kü thuËt, Hµ Néi.

3. NguyÔn TrÊp, NguyÔn M¹nh D©n, NguyÔn Hång Sinh, Ph¹m Quy H¶o, NguyÔn Anh Dòng, 1985. Gia cè nÒn ®Êt yÕu b»ng c¸c ph¬ng ph¸p cäc ®Êt - v«i, ®Êt - xi m¨ng vµ cèt tho¸t níc chÕ t¹o s½n. Ch¬ng tr×nh øng dông tiÕn bé KHKT 26-03-03-07. ViÖn KHKT X©y dùng, Hµ Néi.