Thí nghiệm cường độ đất gia cố xi măng cho nền đường khu công nghệ cao Hòa Lạc

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 32 THÍ NGHIỆM CƯỜNG ĐỘ ĐẤT GIA CỐ XI MĂNG CHO NỀN ĐƯỜNG KHU CÔNG NGHỆ CAO HÕA LẠC VŨ BÁ THAO, NGUYỄN THU HƢƠNG, QUÁCH HOÀNG HẢI* Laboratory tests on strength of soil stabilization by cement to build the road foundation at Hoa Lac Hi-Tech industrial zone Abstract: This study aims to investigate reasonable cement contents for stabilizing the soft soil to build the road foundation in Hoa Lac Hi-Tech industrial zone. Strength of four types of clay stabilized with cement contents of 150, 175, 200, and 250 kg/m 3 were tested at curing periods of 3, 7, 14, and 28 days. The results show that the strength of soil stabilization increases with cement content and curing time. Strength of soil-cement meets designated requirement, larger than 1 MPa, when cement content is 200 to 250 kg/m 3 , depending on type of soil. Relation between the soil-cement strength at 28 days and 7 days is qu28 = 1.25qu7 + 191 (kPa). However, in case organic content of soil is greater than 10%, effects of cement on stabilizing the soft soil is quite limited. Từ khóa: Soil cement, Soft soil, Road foundation 1. ĐẶT VẤN ĐỀ* Xi măng đất trộn sâu là phƣơng pháp xử lý đất yếu hiện đang đƣợc các nƣớc trên thế giới đánh giá cao, đặc biệt là Nhật Bản và các nƣớc vùng Scandinaver [1]. Ở Việt Nam, phƣơng pháp này cũng đã đƣợc áp dụng đại trà để gia cố nền đất yếu cho các công trình quan trọng nhƣ: dự án cảng Ba Ngòi (Khánh Hòa) sử dụng 4000m cọc đất - xi măng có đƣờng kính 0.6m, gia cố nền móng cho nhà máy nƣớc Vụ Bản tỉnh Hà Nam, xử lý móng cho bồn chứa xăng dầu ở Đình Vũ thành phố Hải Phòng, dự án sân bay Cần Thơ, dự án cảng Bạc Liêu. Tại thành phố Hồ Chí Minh cọc xi măng đất sử dụng rất phổ biến, nhƣ dự án đại lộ Đông Tây, building Sai Gon Times Square [2]. * Phòng Nghiên cứu Địa kỹ thuật, Viện Thuỷ Công, Viện Khoa h c Thủy lợi Việt Nam Email: vubathao@gmail.com Theo một số kết quả thí nghiệm xi măng - đất ở trong phòng, cƣờng độ nén không hạn chế nở hông qu thƣờng từ 4.08 - 40.8 kG/cm 2 (408 - 4080 kPa), lớn hơn mấy chục đến hàng trăm lần đất tự nhiên, tuy nhiên kết quả này lại phụ thuộc vào nhiều nhân tố nhƣ: thành phần và điều kiện của đất, điều kiện và phƣơng pháp trộn, điều kiện dƣỡng hộ [3]. Do đó với bất cứ công trình nào trƣớc khi thi công cần tiến hành các thí nghiệm trong phòng nhằm biết rõ hiệu quả gia cố đối với từng loại đất nhằm chọn đƣợc hàm lƣợng xi măng phù hợp [3]. Bài báo trình bày các kết quả thí nghiệm trong phòng nén một trục không hạn chế nở hông đối với một số loại đất sét gia cố xi măng với các hàm lƣợng khác nhau để lựa chọn hàm lƣợng xi măng phù hợp gia cố nền đƣờng khu công nghệ cao Hòa Lạc. 2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Mẫu đất và xi măng ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 33 Hình 1. Ảnh chụp lấy mẫu t i hiện tr ng Bảng 1. Bảng tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý của đất Số hiệu tổ hợp mẫu CP1 CP9 CP19 CP2 CP14 Chỉ tiêu Giá trị Thành phần hạt (%) Sạn(sỏi) 4.1 Cát 13.9 17.2 14.9 6.4 12.6 Bụi 61.3 47.8 55 56.7 44.5 Sét 24.8 30.9 30.1 36.9 42.9 Độ ẩm tự nhiên (W%) 48.6 71.3 64.9 35 37.9 Khối lƣợng thể tích tự nhiên (, g/cm 3 ) 1.69 1.50 1.61 1.82 1.85 Khối lƣợng thể tích khô (c, g/cm 3 ) 1.14 0.89 0.98 1.35 1.35 Tỷ trọng (, g/cm3) 2.66 2.61 2.68 2.72 2.78 Hệ số rỗng (eo) 1.339 1.984 1.745 1.018 1.069 Giới hạn chảy (Wl, %) 50.7 73.7 65.9 43.1 51.7 Giới hạn dẻo (Wp,%) 33.9 41.3 39.7 22.4 29.7 Hệ số nén lún (a1-2,cm 2 /N) 0.0173 0.0115 0.0113 0.005 0.0025 Cƣờng độ kháng nén một trục không hạn chế nở hông (qu, kPa) 30.41 28.5 27.49 65.57 89.73 Hàm lƣợng hữu cơ (%) 7.02 11.0 5.61 3.05 1.39 Phân loại đất Sét hữu cơ, chảy Sét hữu cơ, dẻo chảy Sét dẻo cao chứa hữu cơ, dẻo chảy Sét bụi, dẻo mềm Sét béo, dẻo mềm Theo yêu cầu thiết kế [4], [5], cƣờng độ kháng nén một trục không hạn chế nở hông của mẫu đất thí nghiệm trong phòng phải đạt 1000 kPa trở lên sau 28 ngày tuổi. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 34 Mẫu đất đƣợc chọn gồm 5 tổ hợp mẫu đƣợc lấy từ độ sâu 1.2-2.0 (m), 3.4-4.0 (m) và 11.2- 12.0 (m) tại các hố khoan ABH5 (thuộc tuyến 8), ABH6, ABH7 (thuộc tuyến 9) khu vực Hòa Lạc. Hình ảnh khoan lấy mẫu thể hiện trên Hình 1. Tiến hành phân tích các chỉ tiêu cơ lý của đất. Thí nghiệm xác định thành phần vật chất hữu cơ theo tiêu chuẩn ASTM D294, thí nghiệm nén một trục không hạn chế nở hông theo tiêu chuẩn D2166. Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của mẫu đất đƣợc trình bày trong Bảng 1. Năm loại đất dùng trong nghiên cứu này gồm: Sét hữu cơ, chảy; Sét hữu cơ, dẻo chảy; Sét dẻo cao chứa hữu cơ, dẻo chảy; Sét bụi, dẻo mềm; Sét béo, dẻo mềm. Xi măng đƣợc sử dụng để trộn với đất theo yêu cầu thiết kế là xi măng pooc lăng Bút Sơn PC40. 2.2. Phƣơng pháp thí nghiệm Quy trình thí nghiệm xi măng – đất đƣợc thực hiện theo tiêu chuẩn JGS 0821-2000; TCVN 9403: 2012. Các mẫu đất sau khi đƣợc xác định các chỉ tiêu thí nghiệm trong phòng, đem trộn đều với xi măng theo hàm lƣợng lần lƣợt là 150 kg/m 3 , 175 kg/m 3 , 200 kg/m 3 , 250 kg/m 3 tạo ra 80 tổ hợp mẫu. Mỗi tổ hợp đƣợc chia ra làm 4 phần đều nhau, đúc thành 4 mẫu, tổng cộng tạo ra 320 mẫu. Mẫu thí nghiệm đƣợc ký hiệu theo tổ hợp các chữ và số gồm: tên tổ hợp mẫu – hàm lƣợng xi măng – số thứ tự mẫu thí nghiệm. Các mẫu đƣợc bảo dƣỡng trong tủ bảo dƣỡng mẫu ở nhiệt độ 20±3 độ C, độ ẩm 90%. Mỗi tổ hợp mẫu đƣợc bảo dƣỡng theo các ngày tuổi 3, 7, 14, 28. Tại thời điểm theo các ngày tuổi, mẫu thí nghiệm đƣợc lấy ra khỏi tủ bảo dƣỡng, tiến hành cân xác định khối lƣợng, đo đƣờng kính, chiều cao và nén một trục không hạn chế nở hông xác định qu. Thí nghiệm xác định qu theo tiêu chuẩn ASTM D2166. Một số hình ảnh thiết bị và mẫu thí nghiệm thể hiện trên Hình 2. Hình 2: Thiết bị và các mẫu thí nghiệm nén một trục. 3. PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Kết quả thí nghiệm nén một trục không hạn chế nở hông của các mẫu hỗn hợp xi măng đất khu vực tuyến 8 và tuyến 9 – khu công nghệ cao Hòa Lạc đƣợc trình bày trong Bảng 2. Bảng 2. Kết quả qu của các mẫu đất gia cố xi măng Tên tổ hợp Hàm lƣợng xi măng (kg/m 3 ) 150 175 200 250 CP1 Tuổi (ngày) qu(kPa) 3 156.95 183.71 222.12 384.29 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 35 Tên tổ hợp Hàm lƣợng xi măng (kg/m 3 ) 150 175 200 250 7 182.87 213.76 357.58 649.81 14 246.97 395.77 515.18 783.35 28 355.81 488.16 594.93 957.55 CP9 Tuổi (ngày) qu(kPa) 3 54.29 77.3 94.74 149.78 7 76.86 102.96 121.67 182.76 14 99.95 128.69 181.2 218.83 28 116.26 212.51 359.76 417.97 CP19 Tuổi (ngày) qu(kPa) 3 125.22 177.45 215.9 307.34 7 148.96 257.91 319.04 433.31 14 214.81 363.63 481.86 610.55 28 412.8 542.85 774.01 1024.75 CP2 Tuổi (ngày) qu(kPa) 3 339.96 412.54 540.44 649.75 7 454.14 500.53 799.43 1023.14 14 505.76 659.35 947.86 1208.74 28 611.44 757.43 1043.5 1410.25 CP14 Tuổi (ngày) qu(kPa) 3 306.46 388.71 455.48 565.25 7 356.26 469.99 611.24 743.79 14 509.74 626.02 805.14 963.18 28 666.87 874.7 934.94 1238.99 Qua Bảng 2 nhận thấy cƣờng độ nén một trục không hạn chế nở hông của các mẫu đất phụ thuộc vào hàm lƣợng xi măng, thời gian dƣỡng hộ và hàm lƣợng hữu cơ của đất. Các yếu tố ảnh hƣởng đến cƣờng độ sẽ lần lƣợt đƣợc phân tích trong các mục dƣới đây. 3.1. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng xi măng đến cƣờng độ đất xi măng Quan hệ giữa cƣờng độ nén không hạn chế nở hông của các tổ hợp mẫu thí nghiệm CP1, CP2, CP9, CP14, CP19 và hàm lƣợng xi măng đƣợc trình bày ở Hình 3. Trên cơ sở đồ thị Hình 13 và Bảng 2 nhận thấy cƣờng độ của các loại đất gia cố xi măng đều tăng theo hàm lƣợng xi măng và thời gian dƣỡng hộ. Khi hàm lƣợng xi măng 250 kg/m3, cƣờng độ nén không hạn chế nở hông 28 ngày của tổ hợp mẫu CP2 đạt giá trị cao nhất 1410.25 kPa, của tổ hợp mẫu CP9 đạt giá trị thấp nhất 417.97 kPa. Mẫu đất CP9 là đất sét hữu cơ trạng thái dẻo chảy, hàm lƣợng hữu cơ cao nhất (11%) trong các loại đất thí nghiệm. Trong khi đó mẫu đất sét dẻo mềm CP2 và CP14 có hàm lƣợng hữu cơ nhỏ (3%), có giá trị cƣờng độ cao nhất. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 36 (a) Tổ hợp mẫu CP1 (b) Tổ hợp mẫu CP9 (c) Tổ hợp mẫu CP14 (d) Tổ hợp mẫu CP19 (e) Tổ hợp mẫu CP2 Hình 3. Quan hệ giữa c ng độ đất gia c và hàm l ợng xi măng. 3.2. Ảnh hƣởng của thời gian dƣỡng hộ đến cƣờng độ của đất xi măng. Quan hệ giữa thời gian dƣỡng hộ và cƣờng độ nén không hạn chế nở hông của các mẫu đƣợc trình bày ở Hình 4. Từ các đồ thị Hình 4 có thể nhận thấy cƣờng độ nén không hạn chế nở hông qu của xi măng đất tăng theo thời gian dƣỡng hộ và hàm lƣợng xi măng. Tuy nhiên, tùy từng loại đất khác nhau sẽ cho giá trị qu khác nhau. Xu hƣớng tăng cƣờng độ theo thời gian của các mẫu đất gia cố tƣơng đối tuyến tính, riêng tổ hợp mẫu CP9 có sự tăng vọt của qu giữa 14 và 28 ngày tuổi. Tuy vậy, cƣờng độ 28 ngày của mẫu đất CP9 nhỏ hơn 1MPa nên không đạt yêu cầu làm nền đƣờng. Cƣờng độ của xi măng - đất tăng theo thời gian [3], nhƣng mối tƣơng quan về sự phát triển cƣờng độ lại phụ thuộc vào loại đất và loại/lƣợng chất kết dính. Do đó với mỗi công trình, việc đƣa ra đƣợc mối tƣơng quan giữa ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 37 cƣờng độ nén 7 ngày (qu7) và cƣờng độ nén 28 ngày (qu28) có ý nghĩa cho áp dụng đại trà và địa chất tƣơng tự; đồng thời làm căn cứ để dự đoán cƣờng độ ngày muộn dựa vào cƣờng độ nén 7 ngày, giảm bớt đƣợc khối lƣợng thí nghiệm cho các công trình có điều kiện địa chất tƣơng tự. (a) Tổ hợp mẫu CP1 (b) Tổ hợp mẫu CP9 (c) Tổ hợp mẫu CP14 (d) Tổ hợp mẫu CP19 (e) Tổ hợp mẫu CP2 Hình 4: uan hệ giữa c ng độ đất gia c và th i gian d ỡng hộ Kawasaki (1981) đã xây dựng quan hệ dựa trên phân tích tƣơng quan hiệu chỉnh cƣờng độ nén nở hông cho đất sét biển vùng vịnh Tokyo trộn với xi măng Pooc lăng nhƣ trong công thức (1): 0.49qu28 – 64 < qu7< 0.71qu28 + 5% (1) Ở đây, qu7, qu28 tính theo kPa. Hiệp hội CDMA (Cement Deep Mixing Association of Japan) của Nhật Bản (1994) đã hiệu chỉnh quan hệ trên thành: qu28 = (1.49-1.56) qu7 (2) Ở Việt Nam cũng có một số công trình nghiên cứu đã chỉ ra mối tƣơng quan này, nhƣ Đậu Văn Ngọ với đất bùn sét hữu cơ trong dự án Đại lộ Đông tây Sài Gòn: qu28 = 1.26qu7 + 401.5 (kN/m 2 ) (3) Đối với vùng nghiên cứu – tuyến 8, tuyến 9 khu công nghệ cao Hòa Lạc, quan hệ giữa ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 38 cƣờng độ đất gia cố xi măng tuổi 28 ngày và 7 ngày có thể đạt đƣợc nhƣ trên Hình 5. Quan hệ này có thể tham khảo cho các dự án có điều kiện địa chất tƣơng tự. qu28 = 1.25qu7 + 191 (kN/m 2 ) (4) Hình 5: M i t ơng quan giữa c ng độ đất xi măng 28 và 7 ngày tuổi. 3.3. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng hữu cơ trong đất đối với cƣờng độ của đất xi măng. Quan hệ giữa hàm lƣợng hữu cơ trong đất và qu đƣợc thể hiện trong Hình 6. Hình 6 cho thấy, hàm lƣợng hữu cơ càng cao cƣờng độ của xi măng đất càng có xu hƣớng giảm. Khi hàm lƣợng hữu cơ lớn hơn 10%, ảnh hƣởng của hàm lƣợng xi măng đối với qu28 giảm rõ rệt, tác dụng của xi măng trong gia cố đất thấp. Do đó, đối với đất yếu khu vực tuyến 8, tuyến 9 khu công nghệ cao Hòa Lạc, loại đất có hàm lƣợng hữu cơ lớn hơn 10% cần xem xét việc dùng xi măng để gia cố. Hình 6: uan hệ giữa c ng độ mẫu thử 28 ngày tuổi và thành phần hữu cơ trong đất 4. KẾT LUẬN Trên cơ sở các kết quả thí nghiệm nén một trục không hạn chế nở hông của năm tổ hợp xi măng - đất ở các hàm lƣợng xi măng khác nhau thuộc tuyến 8 và tuyến 9 dự án phát triển hạ tầng khu công nghệ cao Hòa Lạc, có thể rút ra một số kết luận sau: ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2018 39  Gia cố nền đất yếu bằng xi măng là phƣơng pháp tƣơng đối phù hợp với tính chất đất yếu của khu công nghệ cao Hòa Lạc. Tùy theo từng loại đất khác, để đạt yêu cầu thiết kế cƣờng độ đất gia cố tuổi 28 ngày 1 MPa, hàm lƣợng xi măng cần dùng là 200 kg/m3 hoặc 250 kg/m 3 .  Cƣờng độ kháng nén một trục không hạn chế nở hông của các tổ hợp mẫu tăng theo hàm lƣợng xi măng và thời gian dƣỡng hộ mẫu. Mối tƣơng quan giữa qu7 và qu28 nhƣ sau: qu28 = 1.25 qu7+191 (kPa).  Cƣờng độ nén không hạn chế nở hông của đất sét gia cố xi măng phụ thuộc nhiều vào hàm lƣợng hữu cơ trong đất. Khi hàm lƣợng hữu cơ trong đất lớn hơn 10%, ảnh hƣởng của hàm lƣợng xi măng đến cƣờng độ gần nhƣ không đáng kể, ở hàm lƣợng xi măng 250 kg/m 3 vẫn không đạt đƣợc yêu cầu cƣờng độ thiết kế. Do đó, khi hàm lƣợng hữu cơ lớn hơn 10% cần có những nghiên cứu sâu hơn để có biện pháp gia cố đất yếu cho phù hợp đảm bảo yêu cầu thiết kế đã đặt ra. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Thái Hồng Sơn, Trịnh Minh Thụ, Trịnh Công Vấn (2014). Lựa chọn hàm lƣợng xi măng và tỷ lệ nƣớc - xi măng hợp lý cho gia cố đất yếu vùng ven biển Đồng bằng Sông Cửu Long. Tạp chí khoa học kỹ thuật thủy lợi và môi trƣờng, số 44 (3/2014). 2. Nguyễn Mạnh Thủy, Ngô Tấn Phong (2007). Một số kết quả nghiên cứu gia cố đất yếu khu vực quận 9, TP.HCM bằng vôi, xi măng. Science & Technology Development, Vol 10, No.10 - 2007. 3. Đậu Văn Ngọ (2009). Các nhân tố ảnh hƣởng đến cƣờng độ xi măng đất. Science & Technology Development, Vol 12, No.05 - 2009. 4. Factual Report On Soil Investigation at Project CP1A - Line 8. 5. Factual Report On Result of Lab. Soil Cement Mixing Test at Line 9. 6. Đoàn Thế Mạnh - Khoa công trình thủy, trƣờng ĐHHH - Phƣơng pháp gia cố nền đất yếu bằng trụ đất - xi măng. Ng i phản biện: PGS.TSKH TRẦN MẠNH LIỂU