C S GIA C N N Đ T Y U B NG C C CÁT - XI MĂNG - VÔIƠ
by Bichuoi on Fri Nov 23, 2007 12:31 am
C S PH NG PHÁP LU N C A VI C NG D NG PH NG PHÁP Ơ ƯƠ ƯƠ gia c
n n đ t y u ế
B NG c c cát - xi măng - VÔI
T Đ C TH NH1, VŨ THI T HÙNG2
i h c M - Đ a ch t, Đông Ng c, T Liêm, Hà N i
2Vi n nghiên c u Đ a ch t và khoáng s n, Thanh Xuân, Hà N i
Tóm t t: Ph ng pháp ươ gia c n n đ t y u ế b ng c c cátxi măng – vôi là m t
ph ng pháp m i đ c áp d ng có hi u qu trong m t s công trình xây d ng. Tuyươ ượ
nhiên, đ có th áp d ng r ng rãi ph ng pháp này các quy mô xây d ng nh và l n ươ
c n ph i xây d ng m t c s ph ng pháp lu n ch c ch n cho ph ng pháp này. ơ ươ ươ
Đi u c b n là ph i d a trên s phân tích c ch các quá trình hoá lý khi gia c n n ơ ơ ế
đ t c a công trình, nh là: quá trình nén ch t c h c, quá trình c k t, quá trình gia ư ơ ế
tăng c ng đ c a c c và đ t n n, cũng nh các nguyên t c đo đ c s c ch u t i vàườ ư
bi n d ng c a n n đ t sau gia c .ế
Đ T V N Đ
N c ta đang b c vào th i kỳ công nghi p hoá, hi n đ i hoá, các khu công nghi pướ ướ
t p trung, c s h t ng k thu t, khu đô th m i … đang đ c xây d ng v i t c đ ơ ượ
ngày càng l n. Các công trình xây d ng th ng t p trung nh ng n i có đi u ki n ườ ơ
kinh t , giao thông thu n l i nh ng l i b t l i v đi u ki n đ a ch t công trình. T iế ư
đây, c u trúc n n th ng r t ph c t p, g m nhi u l p đ t y u, có chi u dày l n, phân ườ ế
b ngay trên m t. Khi xây d ng các công trình có quy mô, t i tr ng v a và nh , vi c
l a ch n gi i pháp n n móng th ng g p nhi u khó khăn. Khó khăn là ch , ch n ườ
gi i pháp c c bê tông c t thép thì giá thành cao, ch n gi i pháp gia c n n b ng c c tre
và c c tràm thì c s lý thuy t không rõ ràng, chi u sâu gia c h n ch , thi công b ng ơ ế ế
ph ng pháp th công nên ti n đ ch m, hi u qu kinh t không cao. Vì v y, nghiênươ ế ế
c u gi i pháp gia c n n móng thích h p cho các công trình có quy mô, t i tr ng v a
và nh xây d ng trên n n đ t y u là nhu c u c p bách và thi t th c. ế ế
M t vài năm g n đây, m t s đ a ph ng đã m nh d n áp d ng ph ng pháp ươ ươ gia c
n n đ t y u ế b ng c c cát - xi măng - vôi ph c v xây d ng các công trình có quy mô
v a và nh [T Đ c Th nh và nnk, 2001. Báo cáo nghiên c u x lý n n đ t y u b ng ế
c c cát - xi măng - vôi. L u tr Đ i h c M - Đ a ch t]. Đây là ph ng pháp m i,ư ươ
phát huy đ c nh ng u đi m c a ph ng pháp gia c b ng ượ ư ươ c c cát, c c đ t - xi
măng, đ t - vôi, t n d ng đ c ngu n nguyên li u t i ch , phù h p v i đi u ki n ượ
Vi t Nam nên làm gi m giá thành công trình, mang l i hi u qu kinh t cao. Tuy nhiên, ế
vi c áp d ng r ng rãi ph ng pháp này v n còn b h n ch , m t ph n là do ch a xây ươ ế ư
d ng đ c c s lý thuy t và th c nghi m v ng ch c, ph n khác là do công ngh thi ượ ơ ế
công còn l c h u. Do đó, bài toán đ t ra là ph i xây d ng đ c c s lý thuy t cho ượ ơ ế
ph ng pháp, ti n hành các nghiên c u th c nghi m đ ki m ch ng và hoàn thi nươ ế
công ngh thi công. Công vi c này đňi h i nhi u th i gian, công s c và kinh phí c a
nhi u t ch c, nhi u cá nhân cùng tham gia. Có nh v y, gi i pháp ư gia c n n đ t
y uế b ng c c cát - xi măng - vôi m i có th đ c áp d ng r ng rãi trong th c t xây ượ ế
d ng, mang l i hi u qu kinh t cao. ế
C S LÝ THUY T C A PH NG PHÁP Ơ ƯƠ gia c n n đ t y u ế B NG
c c cát - xi măng - VÔI
Cũng nh các ph ng pháp c i t o, ư ươ gia c n n đ t y u ế khác, ph ng pháp ươ gia c
n n đ t y u ế b ng c c cát - xi măng - vôi nh m thay đ i tính ch t c lý c a đ t theo ơ
h ng nâng cao s c ch u t i, gi m bi n d ng c a n n. V n đ là c n làm sáng t cướ ế ơ
ch c a quá trình gia tăng c ng đ c a đ t, xác đ nh các quá trình nào s x y ra trongế ườ
đ t khi gia c n n b ng c c cát - xi măng - vôi. Làm sáng t c ch c a nh ng quá ơ ế
trình c h c và hoá lý x y ra trong đ t, hoàn thi n ph ng pháp tính toán n n chính làơ ươ
đã xây d ng đ c c s lý thuy t c a ph ng pháp. ượ ơ ế ươ
Trên c s phân tích lý thuy t các ph ng pháp gia c n n b ng ơ ế ươ c c cát, c c đ t - xi
măng, đ t - vôi có th nh n th y, khi gia c n n đ t y u ế b ng c c cát - xi măng -
vôi, trong n n đ t s di n ra các quá trình c h c và hoá lý sau đây: ơ
1. Quá trình nén ch t c h c ơ
Gia c n n b ng c c cát - xi măng - vôi là dùng thi t b chuyên d ng đ a m t l ngế ư ượ
v t li u vào n n đ t d i d ng c c h n h p cát - ướ xi măng - vôi. L ng v t li u cát,ượ
xi măng và vôi này s chi m ch các l h ng trong đ t làm cho đ l r ng gi m đi, ế
các h t đ t s p x p l i, k t qu là đ t n n đ c nén ch t. Xét m t kh i đ t có th ế ế ượ
tích ban đ u Vo , th tích h t r n Vho , th tích l r ng ban đ u Vro, ta có:
Vo = Vho + Vro (1)
Sau khi gia c , th tích kh i đ t s là V, th tích h t r n là Vh, th tích l r ng Vr :
V = Vh + Vr (2)
Nh v y, s thay đ i th tích kh i đ t là:ư
D V = Vo – V (3)
= (Vho + Vro) - (Vh + Vr)
Th tích các h t r n đ c coi nh không đ i trong quá trình gia c , nghĩa là Vho = Vh , ượ ư
do đó :
D V = Vro - Vr
D V = D Vr (4)
Bi u th c (4) cho th y: s thay đ i th tích kh i đ t khi gia c chính là s thay đ i
th tích l r ng trong kh i đ t.
Nh v y, khi gia c n n b ng ư c c cát - xi măng - vôi quá trình nén ch t đ t s x y ra
t c th i. Hi u qu nén ch t ph thu c vào th tích v t li u đ c đ a vào n n, nghĩa ượ ư
là ph thu c vào s l ng, đ ng kính cũng nh kho ng cách gi a các c c, hình d ng ượ ườ ư
b trí c c. Vi c xác đ nh đ ng kính c c, kho ng cách gi a các c c và s đ b trí ườ ơ
c c hoàn toàn có th xác đ nh nh đ i v i ư c c cát. Còn chi u sâu gia c ph thu c vào
chi u sâu vùng ho t đ ng nén ép d i đáy móng công trình, nghĩa là, t i đ sâu mà ướ
đó tho mãn m t trong các đi u ki n sau đây:
- ng su t nén ép (s z ) nh h n ho c b ng 0,1 ng su t b n thân (s bt) c a đ t. ơ
- ng su t nén ép (s z) nh h n ho c b ng áp l c b t đ u c k t th m c a đ t. ơ ế
- ng su t nén ép s z £ 20 – 30 kPa.
Vi c ki m tra đánh giá đ nh l ng tác d ng nén ch t đ t khi gia c n n b ng ượ c c cát -
xi măng - vôi có th th c hi n đ c b ng nhi u ph ng pháp nh khoan l y m u đ t ượ ươ ư
trong ph m vi gi a các c c đ xác đ nh h s r ng cũng nh kh i l ng th tích c a ư ượ
đ t sau gia c ho c dùng thí nghi m xuyên tĩnh hay nén tĩnh n n. Các công vi c này
đ n gi n, d ti n hành.ơ ế
2. Quá trình c k t th m ế
Ngoài tác d ng nén ch t đ t, c c cát - xi măng - vôi còn có tác d ng làm tăng nhanh
quá trình c k t c a đ t n n. ế
Do c c cát - xi măng - vôi đ c đ a vào n n d i d ng khô nên h n h p cát - ượ ư ướ xi
măng - vôi s hút n c trong đ t n n đ t o ra v a ướ xi măng, sau đó bi n thành đá ếxi
măng. Quá trình t o v a xi măng làm t n th t m t l ng n c l n ch a trong l ượ ướ
h ng c a đ t, nghĩa là làm tăng nhanh quá trình c k t c a n n đ t. Quá trình này x y ế
ra ngay sau khi b t đ u gia c và kéo dài cho đ n khi n n đ t đ c gia c xong, toàn ế ượ
b c c cát - xi măng - vôi tr thành m t lo i bê tông . Đây là quá trình bi n đ i hoá lý ế
ph c t p, chia làm hai th i kỳ: th i kỳ ninh k t và th i kỳ r n ch c. Trong th i kỳ ninh ế
k t, v a ế xi măng m t d n tính d o và đ c d n l i nh ng ch a có c ng đ . Trong ư ư ườ
th i kỳ r n ch c, ch y u x y ra quá trình thu hoá các thành ph n khoáng v t c a ế
clinke, g m 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
Các s n ph m ch y u đ c hình thành sau quá trình thu hoá là Ca(OH)2, ế ượ
3CaO.Al2O3.6H2O, 2CaO.SiO2mH2O và CaO.Fe2O3.mH2O. Quá trình r n ch c c a
xi măng có th chia ra làm 3 giai đo n :
a) Giai đo n hoà tan: các ch t Ca(OH)2, 3CaO.Al2O3.6H2O sinh ra sau quá trình thu
hoá hoà tan đ c trong n c s ngay l p t c hoà tan t o thành th d ch bao quanh m tượ ướ
h t xi măng.
b) Giai đo n hoá keo: đ n m t gi i h n nào đó, l ng các ch t Ca(OH)2 , ế ượ
3CaO.Al2O3.6H2O không hoà tan đ c n a s t n t i th keo. Ch t silicat bicalcitượ
(2CaO.SiO2) v n không hoà tan s ch ra d ng phân tán nh trong dung d ch, t o
thành keo phân tán. L ng keo này ngày càng sinh ra nhi u, làm cho các h t keo phânượ
tán t ng đ i nh t l i thành nh ng h t keo l n h n d ng s t khi n cho ươ ơ ế xi măng
m t d n tính d o và ninh k t l i d n d n nh ng ch a hình thành c ng đ . ế ư ư ườ
c) Giai đo n k t tinh: các ch t Ca(OH)2 , 3CaO.Al2O3.6H2O t th ng ng keo chuy n ế ư
sang d ng k t tinh, các tinh th nh đan chéo nhau làm cho ế xi măng b t đ u có c ng ườ
đ , ch t 2CaO.SiO2mH2O t n t i th keo r t lâu, sau đó có m t ph n chuy n thành
tinh th . Do l ng n c ngày càng m t đi, keo d n d n b khô, k t ch t l i và tr nên ượ ướ ế
r n ch c.
Các giai đo n hoà tan, hoá keo và k t tinh không x y ra đ c l p, mà x y ra đ ng th i ế
v i nhau, xen k nhau. Ngoài ra, vôi trong h n h p t o c c có tác d ng nh ch t g n ư
k t gi ng nh ế ư xi măng, đ ng th i có kh năng h p th n c l n và to nhi t làm tăng ướ
s c kháng c t c a c c và tăng nhanh quá trình c k t c a đ t n n. Quá trình thu hoá ế
vôi kèm theo s to nhi t đ c bi u di n b ng ph n ng sau : ượ
CaO + H2O Þ Ca(OH)2 + 15,5 kcalo
C ng đ c a h n h p tăng lên m t ph n do ph n ng silicat, m t ph n do ph n ngườ
carbonat, l ng CaCO3 còn d trong vôi s tr thành nh ng m m k t tinh, bao quanhượ ư ế
b i các h t keo và tinh th , chúng phát tri n và tăng d n c ng đ . ườ
M t khác, n u t l ph i tr n gi a ế xi măng, cát và vôi cũng nh thành ph n h t c aư
cát h p lý thì c c cát - xi măng - vôi sau khi đông c ng v n có th cho n c thoát qua ướ
và làm vi c t ng t nh m t gi ng thu n c th ng đ ng, gi ng nh ươ ư ế ướ ư c c cát. D iướ
tác d ng c a t i tr ng ngoài, cùng v i th i gian, ng su t h u hi u tăng lên, ng su t
trung tính gi m đi, n c trong l r ng c a đ t s th m theo ph ng ngang vào c c r i ướ ươ
sau đó thoát ra ngoài d c theo chi u dài c c.
Bài toán c k t th m c a n n đ t khi gia c b ng ế c c cát - xi măng - vôi cũng gi ng
nh bài toán c k t th m c a n n khi dùng ư ế c c cát và đã đ c nhi u nhà khoa h cượ
nghiên c u. Năm 1935, L.Rendulic đã đ a ra ph ng trình vi phân c k t đ i x ng đ ư ươ ế
xác đ nh tr s áp l c n c l r ng trong n n và năm 1942, N.Carrillo đã phân bài toán ướ
c k t th m 3 chi u thành t ng h p c a bài toán c k t th m theo chi u th ng đ ng ế ế
và theo h ng xuyên tâm. K.Terzaghi đã dùng ph ng pháp gi i tích đ gi i bài toánướ ươ
c k t th m theo chi u th ng đ ng, còn R.E.Glover, R.A.Barron đã gi i bài toán c ế
k t th m theo h ng xuyên tâm. Năm 1948, R.A.Barron đã đ a ra l i gi i toàn di nế ướ ư
đ u tiên cho bài toán c k t c a tr đ t có ch a m t ế c c cát (cát - xi măng - vôi)
gi a.
Khi trong n n có các c c cát - xi măng - vôi, chi u dài đ ng th m theo ph ng ườ ươ
ngang s nh h n nhi u l n chi u dài đ ng th m theo ph ng đ ng, do đó có th ơ ườ ươ
coi vai trò thoát n c theo ph ng ngang c a ướ ươ c c cát - xi măng - vôi là ch y u. Tuy ế
v y, trong tính toán quá trình c k t c a n n đ t gia c v n th ng xác đ nh đ c k t ế ườ ế
toàn ph n (k t qu t ng h p c a quá trình thoát n c theo ph ng ngang và theo ế ướ ươ
ph ng đ ng) b ng đ nh đ Carrillo:ươ
P = 1 - (1 - Ph)(1 - Pv)
trong đó :
P : đ c k t toàn ph n c a đ t ế
Ph : đ c k t trung bình c a đ t theo ph ng ngang ế ươ
Pv : đ c k t trung bình c a đ t theo ph ng đ ng ế ươ
H s th m c a c c cát - xi măng - vôi nh h ng nhi u đ n quá trình c k t c a ưở ế ế
n n đ t. Theo nhi u nghiên c u, khi h s th m ngang c a n n đ t kh < 1.10-7 cm/s
ho c h s c k t theo ph ng ngang Ch < 1.10-4 m2/ng.đ thì tác d ng c k t c a ế ươ ế
n n đ t s b h n ch . Đ đ m b o ế c c cát - xi măng - vôi làm vi c t t trong quá
trình c k t thì h s th m c a v t li u c c c n l y > 2¸ 3 m/ng.đ. Mu n v y, c n ế
ch t o m u ch b v i các t l ế ế xi măng, cát và vôi khác nhau và ti n hành thíế
nghi m m u xác đ nh h s th m. Đ đánh giá đ nh l ng quá trình c k t c a n n ượ ế
đ t khi gia c b ng c c cát - xi măng - vôi có th đ t các thi t b đo áp l c n c l ế ướ
r ng t i các th i đi m tr c, sau khi gia c và trong th i gian s d ng công trình. ướ
3. Quá trình gia tăng c ng đ c a c c gia c và s c kháng c t c a đ t n nườ
Khi gia c n n đ t y u ế b ng c c cát, s c kháng c t c a c c cát d i tác d ng c aướ
t i tr ng ngoài xác đ nh theo đ nh lu t Coulomb t = s tgj , v i j là góc ma sát trong c a
cát. Khi tr n thêm xi măng và vôi vào cát, do hình thành liên k t ếxi măng - vôi trong
c c nên kh năng ch u l c nén và l c c t c a c c gia c tăng lên đáng k . Lúc đó, s c
kháng c t c a c c cát - xi măng - vôi xác đ nh theo bi u th c t = s tgj + Cxm , v i
Cxm là l c dính đ c t o nên b i liên k t ượ ế xi măng - vôi. Giá tr Cxm có th xác đ nh
đ c nh thí nghi m c t các m u ch b trong phòng.ượ ế
Nh v y, khác v i ư c c cát, c c cát - xi măng - vôi có đ b n l n nh l c dính trong