Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐINH TIẾN ĐÔNG VĂN
ĐỀ TÀI :

MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM THIẾT KẾ
CẤP PHỐI ĐẤT TRỘN XI MĂNG CHO
GIA CƯỜNG NỀN ĐƯỜNG
TRÊN ĐẤT YẾU
Chuyên Ngành : Xây dựng Cầu, Hầm
Mã Số Ngành : 60.58.25

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 11 naêm 2007


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. ĐẬU VĂN NGỌ

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS. TS. NGUYỄN VĂN CHÁNH

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. BÙI TRƯỜNG SƠN

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 20 tháng 01 năm 2008

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày . . . . . tháng . . . . . năm . . . . . .

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: ĐINH TIẾN ĐƠNG VĂN

Giới tính : Nam

Ngày, tháng, năm sinh : 06/07/1980

Nơi sinh : TÂY NINH

Chuyên ngành : XÂY DỰNG CẦU, HẦM
Khoá (Năm trúng tuyển) : 2005
1- TÊN ĐỀ TÀI:

MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM THIẾT KẾ CẤP PHỐI ĐẤT TRỘN XI MĂNG
CHO GIA CƯỜNG NỀN ĐƯỜNG TRÊN ĐẤT YẾU
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

1. Nghiên cứu lý thuyết tính tốn trụ đất – xi măng.
2. Tính tốn ứng dụng cho cơng trình thực tế.
3. Nghiên cứu các đặc tính của vật liệu xi măng - đất và làm rõ các yếu tố ảnh hưởng
tới tính chất của xi măng - đất.

4. Thí nghiệm và tổng hợp các kết quả về cấp phối xi măng - đất thuộc dự án Đại lộ
Đơng Tây Tp. Hồ Chí Minh. Trên cơ sở đó lập các quan hệ tương quan giữa hàm
lượng xi măng với cường độ đất nền khi đã được xử lý, mối tương quan giữa
cường độ xi măng - đất ngoài hiện trường với cường độ của mẫu chế tạo trong
phịng thí nghiệm, …
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 05/02/2007
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 05/11/2007
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. ĐẬU VĂN NGỌ
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy hướng dẫn – TS.
Đậu Văn Ngọ và Th.S Bùi Đức Vinh, những người đã cho tơi những gợi ý hình thành
nên ý tưởng của đề tài, tận tình giúp đỡ và hướng dẫn tơi hồn thành Luận án này.
Tơi cũng xin bày tỏ lịng biết ơn đến các Q Thầy – Cơ đã cống hiến công sức,
thời gian và tâm huyết để truyền đạt những kiến thức bổ ích trong suốt q trình học
tập. Những kiến thức đó là hành trang khơng thể thiếu cho việc hồn thành Luận án
này.
Và tơi khơng thể quên được sự quan tâm giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi của
các anh, chị, em trong Phịng thí nghiệm Xi măng - Đất thuộc Trung tâm Nghiên cứu
Công nghệ và Thiết bị Công Nghiệp - Trường Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh
để tơi hồn thành các nghiên cứu thực nghiệm.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè lớp Cao học Cầu Đường K15 và các

đồng nghiệp trong liên danh Obayashi – P.S Mitsubishi đã động viên và giúp đỡ về
thời gian và công sức cho tơi hồn thành Luận án này.
Tháng 11 năm 2007
Tác giả
ĐINH TIẾN ĐÔNG VĂN


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ
Tên đề tài : “MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM THIẾT KẾ CẤP PHỐI ĐẤT
TRỘN XI MĂNG CHO GIA CƯỜNG NỀN ĐƯỜNG TRÊN ĐẤT YẾU”
1. Tính cấp thiết của đề tài
Nhu cầu phát triển hạ tầng giao thông, đường trên đất yếu bền vững và hiệu quả
đòi hỏi phải nghiên cứu, ứng dụng một số công nghệ mới trong thi công xây dựng
công trình giao thông. Để tăng khả năng chịu tải, giảm độ lún và cải thiện ổn định
của mái dốc ở một số công trình giao thông quan trọng, chúng ta thường sử dụng
các giải pháp thông dụng như đệm cát, giếng cát, cọc cát, bấc thấm, vải địa kỹ
thuật, sàn giảm tải bê tông cốt thép (BTCT) trên nền cọc BTCT. Những công nghệ
đã sử dụng thường khó kiểm soát được biến dạng lún và ổn định công trình, thời
gian thi công kéo dài hoặc không thể thi công trên diện rộng, có giá thành cao mà
vẫn phải xử lý chuyển tiếp giữa cứng và mềm.
Một số công trình cầu đường trong quá trình khai thác đã và đang tồn tại hiện
tượng khá phổ biến là lún lệch hai bên đầu cầu, hai bên cống hộp, … Những biện
pháp đối phó thông thường để giảm thiểu sự lún lệch chỉ mang tính chất là một
loại giải pháp tình thế(như bù lún bằng bê tông nhựa), đòi hỏi chi phí cao làm tăng
tổng vốn đầu tư xây dựng và mất thời gian lâu dài. Mặt khác vấn đề mỹ quan của
công trình cũng không thể nào đảm bảo yêu cầu.
Vì vậy việc nghiên cứu một công nghệ với các ưu điểm nổi trội như phạm vi ứng
dụng rộng, xử lý được lớp đất yếu một cách cục bộmà không ảnh hưởng đến lớp
đất tốt, thi công được trong nước, hạn chế tối đa ảnh hưởng đến các công trình lân
cận, giảm thiểu vấn đề ô nhiễm, và đặc biệt là thi công nhanh, đẩy nhanh được

tiến độ là một vấn đề cần thiết.
2. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết và nền tảng khoa học của công nghệ đất trộn xi măng.
Nghiên cứu tính toán và thiết kế trụ xi măng – đất.
Ứng dụng các tính toán và thiết kế vào công trình thực tế. Nghiên cứu các yếu
tố ảnh hưởng đến cường độ của xi măng – đất.
3. Những đóng góp của Luận văn
-

Mở đầu: đặt ra các vấn đề tại sao cần nghiên cứu đề tài “Mô phỏng và
thực nghiệm thiết kế cấp phối đất trộn xi măng cho gia cường nền đường
đắp cao trên đất yếu”.

-

Chương 1 giới thiệu tổng quan về công nghệ đất trộn xi măng.


-

Chương 2 đưa ra phương pháp thiết kế và tính toán trụ xi măng – đất.

-

Chương 3 nghiên cứu các ứng dụng tính toán cho công trình thực tế.

-

Chương 4 nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ xi măng – đất.


-

Nhận xét, Kết luận: rút ra các kết quả đạt được của Luận văn, đề ra các
kiến nghị và hướng nghiên cứu tiếp theo cho đề tài.

4. Cấu trúc Luận văn
Luận văn bao gồm: Mở đầu, Kết luận và 4 chương, phần phụ lục và tài liệu tham
khảo.
Trong Luận văn có 73 trang thuyết minh, 37 hình vẽ, 11 bảng biểu, 52 công
thức.


LUẬN VĂN THẠC SĨ

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận văn

1

2. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu

2

3. Nội dung nghiên cứu

3

4. Phương pháp nghiên cứu


3

5. Ý nghóa khoa học và thực tiễn của đề tài

3

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐẤT TRỘN XI MĂNG
1.1. Các đặc trưng địa kỹ thuật của đất yếu

5

1.2. Khái quát một số giải pháp xử lý nền đất yếu hiện nay

5

1.2.1. Cải tạo sự phân bố ứng suất và điều kiện biến dạng của nền

5

1.2.2. Tăng độ chặt đất nền

6

1.2.3. Truyền tải trọng công trình xuống lớp chịu lực tốt

6

1.2.4. Đất có cốt


6

1.3. Tổng quan về giải pháp xử lý nền đất yếu bằng đất trộn xi măng
1.3.1. Giới thiệu sơ lược về trụ đất - xi măng

6
7

1.3.2. Lịch sử hình thành và phát triển

10

1.3.3. Nguyên lý đất trộn xi măng

11

1.3.4. Đặc tính của đất trộn xi măng

13

1.3.5. Các ứng dụng của đất trộn xi măng

14

1.3.6. Bố trí cọc xi măng - đất trên mặt bằng

16

1.3.7. Vấn đề thiết kế vật liệu


17

1.3.7.1. Cường độ thiết kế

17

1.3.7.2. Thiết kế hỗn hợp xi măng – đất

18

1.3.8. Phương pháp thi công đất trộn xi măng

18

1.3.8.1. Thiết bị thi công

19

1.3.8.2. Trình tự thi công

20

1.3.8.3. Kiểm tra và quản lý chất lượng

21

1.3.8.3.1. Kiểm soát quá trình thi công

CHUYÊN NGÀNH: CẦU HẦM


21

Trang i


LUẬN VĂN THẠC SĨ

1.3.8.3.2. Những biện pháp kiểm tra đất được xử lý

21

Chương 2: PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN TRỤ ĐẤT - XI
MĂNG
2.1. Các thí nghiệm phục vụ thiết kế, thi công đất trộn xi măng

23

2.1.1. Khảo sát địa chất phục vụ công trình

23

2.1.2. Các thí nghiệm trong phòng

23

2.1.3. Các thí nghiệm hiện trường

24

2.2. Các phương pháp tính toán trụ đất - xi măng


24

2.2.1. Phương pháp tính toán theo quan điểm trụ đất – xi măng làm việc như cọc 25
2.2.1.1. Đánh giá ổn định trụ đất - xi măng theo trạng thái giới hạn 1

25

2.2.1.2. Đánh giá ổn định trụ đất - xi măng theo trạng thái giới hạn 2

26

2.2.2. Phương pháp tính toán theo quan điểm như nền tương đương

26

2.2.3. Phương pháp tính toán theo quan điểm hỗn hợp

26

2.2.3.1. Cách tính toán của Viện Kỹ thuật Châu Á (AIT)

27

2.2.3.1.1. Khả năng chịu tải của trụ đơn

27

2.2.3.1.2. Khả năng chịu tải giới hạn của nhóm trụ


28

2.2.3.1.3. Tính toán độ lún tổng cộng

29

2.2.3.2. Cách tính toán theo qui phạm Trung Quốc (DBJ 15-38-2005)

33

2.2.3.2.1. Khả năng chịu tải của trụ đơn

33

2.2.3.2.2. Tính toán độ lún

35

2.3. Nhận xét

35

Chương 3: ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH THỰC TẾ
3.1. Giới thiệu

36

3.2. Số liệu địa chất – thủy văn công trình

36


3.2.1. Tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý của đất

38

3.2.2. Mực nước ngầm

39

3.2.3. Hệ số rỗng, chỉ số nén lún và hệ số cố kết

39

3.3. Tính chất của vật liệu xây dựng

39

3.4. Hoạt tải tác dụng

40

3.5. Mặt cắt thiết kế

41

3.6. Tính toán trong trường hợp nền đường chưa được xử lý

41

CHUYÊN NGÀNH: CẦU HẦM


Trang ii


LUẬN VĂN THẠC SĨ

3.6.1. Tính lún

41

3.6.1.1. Tính độ lún cố kết của nền đường

41

3.6.1.2. Tính độ lún tổng cộng của nền đường

42

3.6.2. Tính ổn định
3.7. Tính toán trong trường hợp nền đường đã được xử lý bằng trụ đất – xi măng
3.7.1. Xác định các kích thước cơ bản

43
45
45

3.7.1.1. Chiều dài các trụ đất – xi măng

45


3.7.1.2. Khoảng cách giữa các trụ đất – xi măng

45

3.7.1.3. Phạm vi bố trí nhóm trụ theo phương ngang

47

3.7.1.4. Cường độ thiết kế của trụ đất – xi măng

48

3.7.1.5. Modul biến dạng và cường độ kháng cắt không thoát nước tương đương
của khối gia cố
48
3.7.2. Tính toán sức chịu tải

49

3.7.2.1. Xác định tải trọng tác dụng

49

3.7.2.2. Khả năng chịu tải của trụ đơn đất - xi măng theo vật liệu

50

3.7.2.3. Khả năng chịu tải của trụ đơn đất - xi măng theo đất nền

50


3.7.3. Tính toán độ lún của nền đất yếu được gia cố trụ đất - xi măng

50

3.7.3.1. Tính toán độ lún ∆h1 trong khối gia cố

50

3.7.3.2. Tính toán độ lún ∆h2 dưới khối gia cố

51

3.8. Nhận xét

51

Chương 4: NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CƯỜNG ĐỘ
XI MĂNG - ĐẤT
4.1. Các nhân tố ảnh hưởng tới cường độ xi măng - đất

52

4.1.1. Ảnh hưởng của loại đất

53

4.1.2. Ảnh hưởng của tuổi xi măng – đất

54


4.1.3. Ảnh hưởng của loại xi măng

55

4.1.4. Ảnh hưởng của hàm lượng xi măng

56

4.1.5. Ảnh hưởng của lượng nước

57

4.2. Quá trình thực nghiệm
4.2.1. Thí nghiệm trong phòng

57
57

4.2.1.1. Mẫu đất

57

4.2.1.2. Chất kết dính

58

CHUYÊN NGÀNH: CẦU HẦM

Trang iii



LUẬN VĂN THẠC SĨ

4.2.1.3. Trình tự thí nghiệm

58

4.2.1.4. Các kết quả thực nghiệm

59

4.2.2. Thí nghiệm ngoài hiện trường

60

4.2.3. Phân tích các kết quả thí nghiệm

61

4.2.3.1. Ảnh hưởng của loại đất đến cường độ nén nở hông

61

4.2.3.2. Mối quan hệ giữa cường độ nén nở hông ở tuổi 7 ngày và 28 ngày

62

4.2.3.3. Ảnh hưởng của loại xi măng đến cường độ nén nở hông


63

4.2.3.4. Ảnh hưởng của hàm lượng xi măng đến cường độ nén nở hông

64

4.2.3.5. Ảnh hưởng của độ ẩm đến cường độ nén nở hông

66

4.2.3.6. Ảnh hưởng của độ pH đến cường độ nén nở hông

67

4.2.3.7. Ảnh hưởng của hệ số rỗng đến cường độ nén nở hông

67

4.2.3.8. Mối quan hệ giữa cường độ mẫu trong Phòng thí nghiệm và mẫu ngoài
hiện trường
68
4.3. Nhận xét

69

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Nhận xét, kết luận

70


2. Các kiến nghị

72

3. Các hướng nghiên cứu tiếp theo

72

CHUYÊN NGÀNH: CẦU HẦM

Trang iv


LUẬN VĂN THẠC SĨ

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận văn:
Trong công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước hiện nay, việc phát triển
cơ sở hạ tầng đã, đang và sẽ là nhiệm vụ trọng tâm trong chính sách phát triển kinh tế
xã hội của Đảng và Nhà nước. Trong đó nhu cầu phát triển hạ tầng giao thông, đường
trên đất yếu bền vững và hiệu quả đòi hỏi phải nghiên cứu, ứng dụng một số công
nghệ mới trong thi công xây dựng công trình giao thông. Để tăng khả năng chịu tải,
giảm độ lún và cải thiện ổn định của mái dốc ở một số công trình giao thông quan
trọng như đường cao tốc, đường băng sân bay, đường đầu cầu đắp cao, bãi chứa
container hoặc cống hộp băng ngang đường trên nền đất yếu, chúng ta thường sử
dụng các giải pháp thông dụng như đệm cát, giếng cát, cọc cát, bấc thấm, vải địa kỹ
thuật, sàn giảm tải bê tông cốt thép (BTCT) trên nền cọc BTCT. Những công nghệ đã
sử dụng thường khó kiểm soát được biến dạng lún và ổn định công trình, thời gian thi
công kéo dài (cọc cát, giếng cát, bấc thấm) hoặc không thể thi công trên diện rộng
(sàn giảm tải BTCT trên nền cọc BTCT), có giá thành cao mà vẫn phải xử lý chuyển

tiếp giữa cứng và mềm.
Một số công trình cầu đường trong quá trình khai thác đã và đang tồn tại hiện
tượng khá phổ biến là lún lệch hai bên đầu cầu, hai bên cống hộp, … Sự lún lệch này
là trở ngại lớn trong lưu thông, gây nên hiện tượng nảy, xốc đột ngột rất dễ xảy ra tai
nạn. Mức độ nguy hiểm tùy thuộc vào độ lún lệch tại mỗi công trình. Đồng thời phát
sinh hàng loạt các vấn đề khác như làm giảm năng lực khai thác của công trình do
phải giảm tốc độ khi đi qua những vị trí lún lệch, làm tăng mức độ hao phí (xăng dầu,
hao mòn máy móc, …) của các phương tiện giao thông. Những biện pháp đối phó
thông thường để giảm thiểu sự lún lệch chỉ mang tính chất là một loại giải pháp tình
thế(như bù lún bằng bê tông nhựa), đòi hỏi chi phí cao làm tăng tổng vốn đầu tư xây
dựng và mất thời gian lâu dài. Mặt khác vấn đề mỹ quan của công trình cũng không
thể nào đảm bảo yêu cầu.
Dưới đây là một số công trình điển hình trong quá trình khai thác đã xuất hiện hiện
tượng lún lệch ở hai bên đầu cầu hoặc mất ổn định :
Cầu Văn Thánh 2:
Công trình cầu Văn Thánh 2 và đường dẫn vào cầu đã được thông xe vào
cuối năm 2001 và kết thúc thi công vào đầu năm 2002. Đến tháng 04/2002, hai
hầm chui H1 và H2 đã bị lún nghiêm trọng. Sau khi xử lý, hai hầm chui hầu như
hết lún nhưng đường dẫn đến hầm chui và đoạn giữa hầm chui với cầu vẫn tiếp
tục lún. Từ 24/10/2005 đến 25/01/2006 đã tiếp tục sữa chữa khắc phục các hư
hỏng ở mặt đường, mặt cầu, mố cầu, dầm cầu và đắp bù lún dọc theo dường dẫn
vào cầu. Tuy nhiên, kết quả quan trắc từ tháng 01/2006 đến tháng 08/2006 cho
thấy tốc độ lún tùy vị trí dao động từ 14mm/tháng đến 20mm/tháng. Do lún và
chuyển vị ngang quá lớn dẫn đến các sự cố về lún sụt mặt đường, lún nghiêng
và nứt tường nhà cửa dọc hai bên đường, chuyển vị mố cầu gây nứt nẽ hư hỏng
một số dầm cầu và gối đỡ. Hiện nay UBND Tp. Hồ Chí Minh đã giao cho Tổng
CHUYÊN NGÀNH: CẦU HẦM

Trang 1



LUẬN VĂN THẠC SĨ

công ty Xây dựng số 1 làm tổng thầu EPC dự án sữa chữa cầu Văn Thánh 2 với
tổng vốn đầu tư hơn 140 tỷ đồng.
Cầu vượt Nguyễn Hữu Cảnh:
Hạng mục cầu gồm ba phần: cầu chính dài 55m, cầu dẫn có chiều dài mỗi
bên đầu cầu là 144m, đường dẫn phía Q.1 là 84m và phía Q.Bình Thạnh là
114m. Cuối tháng 4/2002, ngay sau thông xe đưa vào sử dụng cầu đã bị lún.
Hiện tượng lún lệch xuất hiện tại các vị trí tiếp giáp giữa đường dẫn và cầu dẫn.
Độ chênh lệch của đỉnh bệ lan can đo được ở phía Q.1 khoảng 10 – 12cm và
phía Q.Bình Thạnh khoảng 8 – 10cm. Ngoài ra, còn có một số hiện tượng khác
xuất hiện như: có nhiều vết nứt ở phần gạch xây của tường chắn phần đường
dẫn, có một đà giằng bị nứt vỡ, một số vết nứt ở bệ lan can của phần đường dẫn
và cầu dẫn.
Cầu Bình Triệu 2:
Mặc dù mới được đưa vào khai thác sử dụng từ đầu năm 2004 nhưng cầu
Bình Triệu 2 đã có hiện tượng lún lệch hai bên đầu cầu. Nơi tiếp giáp giữa
đường dẫn và mố cầu do hiện tượng lún đã gây trở ngại lớn cho các phương tiện
giao thông mặc dù đã có xử lý bằng bấc thấm. Hiện nay, tại góc bên phải đầu
cầu phía Q.Thủ Đức xuất hiện vết nứt dài hơn 2m. Vị trí vết nứt nằm tại phần
tiếp giáp giữa đường dẫn vào cầu và mố cầu. Đường dẫn đã lún hẳn xuống so
với đầu cầu.
Để giải quyết những vấn đề trên, hiện nay trên thế giới đã ứng dụng công nghệ đất
trộn xi măng bằng phương pháp trộn sâu. Phương pháp này có nhiều ưu điểm:
Phạm vi áp dụng rộng, thích hợp mọi loại đất từ bùn sét đến sỏi cuội.
Có thể xử lý lớp đất yếu một cách cục bộ, không ảnh hưởng đến lớp đất tốt.
Thi công được trong nước.
Mặt bằng thi công nhỏ, ít chấn động, ít tiếng ồn, hạn chế tối đa ảnh hưởng
đến các công trình lân cận.

Rất sạch sẽ và giảm thiểu vấn đề ô nhiễm.
Thiết bị nhỏ gọn, có thể thi công trong không gian có chiều cao hạn chế.
Và đặc biệt là thi công nhanh, đẩy nhanh được tiến độ.
Đây là một công nghệ mới ở Việt Nam nên đòi hỏi phải có những nghiên cứu sâu
về công nghệ này.
Vì vậy tôi đã chọn đề tài là: “Mô phỏng và thực nghiệm thiết kế cấp phối đất
trộn xi măng cho gia cường nền đường đắp cao trên đất yếu”.

2. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu:
Trước những vấn đề đã trình bày ở phần trên, mục tiêu nghiên cứu của luận văn là:
Phát triển hướng dẫn thực hành thiết kế trụ đất - xi măng để cải tạo đất hiện
trường nhằm gia tăng cường độ, hạn chế biến dạng tạo điều kiện thuận lợi
đưa công nghệ trộn sâu vào Việt Nam hỗ trợ thiết kế và thi công trong xây
CHUYÊN NGÀNH: CAÀU HAÀM

Trang 2


LUẬN VĂN THẠC SĨ

dựng nền đường đắp cao trên đất yếu: Xác định các kích thước cơ bản để
tiến hành bố trí cấu tạo hợp lý của giải pháp xử lý; Trình bày các phương
pháp tính toán trụ đất – xi măng; Ứng dụng tính toán cho công trình thực tế
bằng giải pháp này.
Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ của trụ đất xi măng.
Nghiên cứu mối tương quan giữa cường độ nén nở hông trong phòng thí
nghiệm và ngoài hiện trường.
Để thực hiện mục tiêu trên, phạm vi nghiên cứu của luận văn chỉ thực hiện trên
các công trình thuộc dự án Xây dựng Đại lộ Đông Tây Tp. Hồ Chí Minh (ĐLĐT) với
công nghệ đất trộn sâu theo phương pháp phun khô.


3. Nội dung nghiên cứu:
Chương Mở đầu thể hiện tính cấp thiết của đề tài, mục tiêu và phạm vi nghiên cứu.
Chương 1 (Tổng quan về công nghệ đất trộn xi măng) cung cấp những thông tin cơ
bản về công nghệ trộn sâu, cung cấp những ứng dụng của đất trộn xi măng, các hình
thức bố trí trụ đất - xi măng, công nghệ thi công và các biện pháp kiểm soát chất
lượng cũng được trình bày. Chương 2 (Phương pháp thiết kế, tính toán trụ đất - xi
măng) thể hiện chi tiết các quan điểm tính toán và các vấn đề cần lưu ý. Chương 3
(Ví dụ tính toán) cung cấp từng bước tính toán ví dụ. Chương 4 (Nghiên cứu các yếu
tố ảnh hưởng đến cường độ xi măng - đất) thảo luận các nhân tố ảnh hưởng tới cường
độ của trụ đất - xi măng đất, thể hiện các quan hệ tương quan giữa cường độ xi măng
– đất ngoài thực tế với cường độ của mẫu chế tạo trong phòng thí nghiệm, … Chương
Kết luận đưa ra các nhận xét, kết luận về đề tài nghiên cứu cũng như các hướng
nghiên cứu tiếp theo.

4. Phương pháp nghiên cứu:
Nghiên cứu lý thuyết tính toán trụ đất - xi măng của các tác giả đi trước, các
tài liệu tham khảo của các nhà khoa học trong và ngoài nước, các tiêu chuẩn
nước ngoài để giải quyết các vấn đề luận văn đề cập đến. Tính toán ví dụ cụ
thể cho đường dẫn đầu cầu - cầu Khánh Hội thuộc dự án ĐLĐT.
Nghiên cứu các đặc tính của vật liệu xi măng – đất và làm rõ các yếu tố ảnh
hưởng tới tính chất của xi măng – đất.
Thí nghiệm và tổng hợp các kết quả về cấp phối xi măng - đất thuộc dự án
ĐLĐT. Trên cơ sở đó lập các quan hệ tương quan giữa hàm lượng xi măng
với cường độ đất nền khi đã được xử lý, mối tương quan giữa cường độ xi
măng – đất ngoài thực tế với cường độ của mẫu chế tạo trong phòng thí
nghiệm,...

5. Ý nghóa khoa học và thực tiễn của đề tài:
Trên thực tế hiện nay, việc ứng công nghệ trụ đất – xi măng theo phương pháp trộn

sâu để xử lý nền đất yếu ở Việt Nam còn rất nhiều hạn chế. Một mặt là do chúng ta
vẫn chưa có các nghiên cứu cơ sở khoa học của nó một cách có hệ thống, các thông
tin liên quan đến vấn đề này vẫn chưa được đề cập đúng mức. Mặt khác là do vấn đề
CHUYÊN NGÀNH: CẦU HẦM

Trang 3


LUẬN VĂN THẠC SĨ

bản quyền công nghệ, các công trình trên đất yếu ở Việt Nam được xử lý bằng công
nghệ này là do các nhà thầu nước ngoài thực hiện có chi phí khá cao.
Tuy nhiên hiện nay đã có một số công ty Việt Nam, hoặc mua bản quyền công
nghệ, hoặc hợp tác với nhà thầu nước ngoài nên giá thành thi công trụ đất – xi măng
đã có thể cạnh tranh với các giải pháp xử lý nền đất yếu khác.
Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần đưa ra một cơ sở khoa học cho việc
thiết kế và thi công trụ đất – xi măng ở Việt Nam cũng như cung cấp một số số liệu
mà các kỹ sư thiết kế có thể tham khảo. Từ đó cho phép đánh giá và có cái nhìn thực
tế về công nghệ này, dần đưa vào ứng dụng rộng rãi.

CHUYÊN NGÀNH: CẦU HẦM

Trang 4


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐẤT TRỘN XI MĂNG

1.1. Các đặc trưng địa kỹ thuật của đất yếu:
Đất yếu có thể định nghóa là những loại đất không có khả năng tiếp nhận tải trọng
công trình nếu không có các biện pháp xử lý thích hợp.
Đất yếu là những đất có khả năng chịu lực thấp (R < 1.0kG/cm2), hầu như hoàn
toàn bão hoà nước, có hệ số rỗng lớn (thường e > 1), hệ số nén lún lớn (a tới phần
mười hoặc vài ba đơn vị), môđun tổng biến dạng bé (E0 ≤ 50kG/cm2), trị số sức
chống cắt không đáng kể (góc nội ma sát 5 - 10o, lực dính 0.05 – 0.1kG/cm2). Công
trình xây dựng trên đất yếu buộc phải có các biện pháp xử lý, nếu không khó hoặc
không thể thực hiện được.
Đất yếu có thể là đất bùn sét, đất cát mịn chứa nhiều bột bão hòa nước, bùn, than
bùn, đất hữu cơ, … Đất yếu được thành tạo ở lục địa (tàn tích, sườn tích, lũ tích, lở tích,
do gió, do lầy, do con người), ở vùng vịnh (cửa sông, tam giác châu, vịnh biển) hoặc ở
biển (khu vực nước nông sâu không quá 200m, thềm lục địa sâu 200 – 3000m, biển
sâu trên 3000m). Chiều dày lớp đất yếu thay đổi, có thể từ một vài mét đến 35 –
40m.
Đất yếu có thể được phân làm bốn nhóm chủ yếu như sau:
Các loại đất sét (á sét, sét) ở trạng thái mềm, bão hòa nước thuộc các giai
đoạn đầu của quá trình hình thành đá sét.
Các loại cát hạt nhỏ, các loại cát bụi ở trạng thái tơi xốp, bão hòa nước.
Các loại đất bùn, than bùn và đất than bùn.
Các loại đất hoàng thổ có độ rỗng lớn gây lún sụt.
Các loại đất yếu trên rất đa dạng về thành phần khoáng vật nhưng thường giống
nhau về tính chất cơ lý và chất lượng xây dựng.
Ởû Việt Nam, đất yếu phân bố chủ yếu ở vùng đồng bằng. Các công trình dân dụng,
công nghiệp, giao thông, thuỷ lợi, … gặp phải khó khăn rất lớn khi xây dựng trên các
vùng đất yếu.

1.2. Khái quát một số giải pháp xử lý nền đất yếu hiện nay:
1.2.1. Cải tạo sự phân bố ứng suất và điều kiện biến dạng của nền:
Biện pháp này thường dùng khi lớp đất yếu có chiều dày không lớn, nằm trực tiếp

dưới móng công trình. Đất nền được gia cố bằng đệm cát, đệm đất, bệ phản áp, … để
làm tăng khả năng chịu lực và hạn chế mức độ biến dạng (đặc biệt là biến dạng
không đều). Trong thực tế, thường dùng đệm cát, đệm sỏi, … thay thế lớp đất yếu có
chiều dày không lớn hơn 3m dưới móng tường, móng cột trong các công trình dân
dụng - công nghiệp, dưới nền đường, … Bệ phản áp được dùng để khống chế vùng
biến dạng dẻo khi nền đường, nền đất đắp nằm trên lớp bùn.

CHUYÊN NGÀNH: CẦU HẦM

Trang 5


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tuy nhiên các biện pháp trên bị hạn chế khi lớp đất yếu có chiều dày lớn hoặc
trong lớp đất yếu có nước áp lực cao.

1.2.2. Tăng độ chặt đất nền:
Quá trình lún trong đất yếu xảy ra rất phức tạp, bao gồm : lún tức thời, lún cố kết
sơ cấp và lún thứ cấp. Trong đó, quá trình cố kết của đất thường diễn ra rất lâu. Để
rút ngắn thời gian lún cố kết sơ cấp, người ta thường dùng cọc cát, cọc đất, cọc vôi,
giếng cát, bấc thấm kết hợp với gia tải trước bằng tải trọng tónh hay bơm hút chân
không nén chặt đất trên mặt và dưới sâu.
Khi chiều dày lớp đất yếu lớn hơn 2m có thể dùng cọc cát để nén chặt, trị số
môđun biến dạng ở trong cọc cát và ở vùng đất được nén chặt xung quanh là như nhau
nên nền đất khi này được xem như là nền thiên nhiên. Cọc đất dùng để nén chặt đất
có độ rỗng lớn, có tính lún sập. Cọc vôi dùng để nén chặt các lớp sét bão hoà nước,
đất than bùn.
Việc xây dựng các công trình có kích thước móng lớn như nền đường, nền sân bay,
… chịu tải trọng lớn thay đổi theo thời gian được đặt trên bùn, than bùn, đất dính bão

hoà nước, … thì có thể dùng giếng cát, bấc thấm kết hợp với gia tải trước để rút ngắn
thời gian lún nhằm khi đưa công trình vào sử dụng, độ lún còn lại không vượt giới hạn
cho phép.
Tuy vậy, không nên dùng biện pháp này trong trường hợp đất quá nhão (khi hệ số
rỗng nén chặt e > 1) hay đất có hệ số thấm bé. Hơn thế nữa biện pháp này còn ảnh
hưởng tới tiến độ xây lắp các hạng mục tiếp theo do mất thời gian chờ lún.

1.2.3. Truyền tải trọng công trình xuống lớp chịu lực tốt:
Các công trình có tải trọng lớn đặt trên nền đất yếu có chiều dày lớn thì có thể
dùng móng cọc, móng trụ, giếng chìm, … để truyền tải trọng của các kết cấu bên trên
xuống lớp chịu lực nằm ở dưới sâu.
Móng cọc có tính ưu việt ở chổ: khắc phục hoặc hạn chế được biến dạng lún quá
lớn hoặc không đều, đảm bảo ổn định cho công trình khi có tải trọng ngang tác dụng
mà còn rút ngắn thời gian thi công, giảm bớt khối lượng vật liệu xây móng, khối
lượng đào đắp đất, công nghiệp hoá khâu chế tạo cọc và thi công cọc.
Nếu trong đất nền có các chướng ngại vật như đá tảng không thể đóng cọc qua
được hay cọc quá dài không thể hạ xuống được thì cần phải dùng móng sâu: móng
trụ, giếng chìm, …
Tuy móng cọc BTCT có nhiều ưu điểm như hạn chế biến dạng không đều, rút ngắn
thời gian thi công, độ an toàn cao trong quá trình sử dụng nhưng việc áp dụng nó đã
làm tăng giá thành lên từ 30 – 50% so với các giải pháp khác.

1.2.4. Đất có cốt:
Cốt bố trí ở nền đất có thể là các dải kim loại hay các loại vải địa kỹ thuật với mục
đích làm tăng cường độ chống kéo và cường độ chống cắt của đất.

1.3. Tổng quan về giải pháp xử lý nền đất yếu bằng đất trộn xi măng:
CHUYÊN NGÀNH: CẦU HẦM

Trang 6



LUẬN VĂN THẠC SĨ

1.3.1. Giới thiệu sơ lược về trụ đất - xi măng:
Phương pháp trộn dưới sâu là một kỹ thuật cải tạo đất để gia tăng cường độ, kiểm
soát biến dạng, và giảm thấm nhờ đất được trộn với xi măng và/hoặc các vật liệu
khác. Những vật liệu này có liên quan đến chất kết dính trên bình diện quốc tế và có
thể được giới thiệu dưới dang lỏng hoặc khô. Điều đó được thực hiện bởi một chuỗi
các cọc đất ổn định. Sự ổn định của các trụ đất được thực hiện bởi một chuỗi các mũi
khoan (2 tới 4) được dẫn hướng bởi một cần khoan. Cần khoan được đưa vào trong
đất, vữa hoặc xi măng khô được bơm qua các lỗ ở mũi khoan và được phụt vào đất.
Nhóm các mũi khoan và lưỡi trộn trên cần pha trộn đất với vữa hoặc xi măng khô
giống hình thức máy trộn đất sét. Phương pháp này lợi dụng một loạt các phản ứng
hóa học – vật lý xảy ra giữa chất đóng rắn với đất, làm cho đất sét yếu đóng rắn lại
thành một thể trụ có tính chỉnh thể, tính ổn định và có cường độ nhất định. Phương
pháp mà bột xi măng khô được sử dụng như là tác nhân chính làm ổn định được gọi là
phương pháp trộn khô dưới sâu; còn tác nhân làm ổn định là hình thức vữa được qui
vào phương pháp trộn ướt dưới sâu. Đường kính trụ đất - xi măng thường từ 0.6 – 1.6m
và có thể đạt đến 40m chiều sâu
Đất trộn xi măng thì được sử dụng để kiểm soát độ lún của lớp đất yếu dưới nền
đường, đặc biệt là kiểm soát độ lún lệch giữa móng cầu và nền đường. Nó cũng được
sử dụng để ổn định mái dốc, tăng hệ số an toàn và tạo thành một kết cấu trọng lực
hỗn hợp để chống đỡ hố đào thẳng đứng. Trụ đất - xi măng hiệu quả với cả tải trọng
tónh lẫn tải trọng động.

Hình 1-1. Phương pháp trộn ướt dưới sâu
CHUYÊN NGÀNH: CAÀU HAÀM

Trang 7



LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 1-2. Phương pháp trộn khô dưới sâu

Hình 1-3. Đất trộn sâu với cần khoan ba mũi
CHUYÊN NGÀNH: CẦU HẦM

Trang 8


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Một vài số liệu về trụ vôi/xi măng – đất được sử dụng ở nước ngoài :
1400
1163

Thể tích đất gia cố (m3 x 1000)

1200

1000

800

680

658


580

600

400

638

650

710

730

750

326
147

200
22

33

60

174

196


76

0
1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001

Năm

Hình 1-4. Chi tiết sản lượng trụ vôi/xi măng ở Thụy Điển

500
430

Thể tích đất gia cố (m3 x 1000)

450
400

385

362

395

410

350
300

266


250

262

272

219

197

200

159

150
94

100
50

267

262

115

123

42


0
1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001

Năm

Hình 1-5. Chi tiết sản lượng trụ vôi/xi măng ở Phần Lan

CHUYÊN NGÀNH: CẦU HAÀM

Trang 9


LUẬN VĂN THẠC SĨ

1.3.2. Lịch sử hình thành và phát triển:
Công nghệ trụ đất - xi măng được thi công đại trà ở Thụy Điển và Nhật Bản từ
những năm 1970, tiền thân của công nghệ này là phương pháp đất gia cố bằng vôi
được phát minh bởi giáo sư Richard Handy (Iowa State University). Nguyên lý cơ bản
của phương pháp gia cố đất bằng vôi dựa trên hiện tượng ion Ca++ trong vôi chiếm
chổ các phần tử nước trên bề mặt hạt sét.
Năm 1954, công ty Intrusion Prepakt (Hoa Kỳ) phát triển kỹ thuật cọc trộn tại chổ
(MIP – Mixed in Place Piling Technique) với cần khoan đơn, được sử dụng tại một vài
nơi ở Hoa Kỳ.
Năm 1967, Viện nghiên cứu hải cảng và bến tàu (PHRI – Bộ giao thông vận tải
Nhật Bản) bắt đầu những thí nghiệm trong phòng, sử dụng vôi bột hoặc vôi cục để xử
lý đất biển yếu (Deep Lime Mixing Method – DLM). Nghiên cứu này kéo theo những
theo dõi của Kjeld Paus trên việc thi công cọc vôi lỏng ở Hoa Kỳ. Cũng trong năm
1967, ở Thụy Điển bắt đầu có những nghiên cứu trong phòng và hiện trường trên cọc
vôi để xử lý lớp đất sét yếu bên dưới nền đường sử dụng vôi sống.
Năm 1972, công ty Seiko Kogyo ở Osaka – Nhật Bản bắt đầu phát triển phương

pháp SMW (Soil Mixed Wall) cho tường chắn đất, sử dụng chuỗi các cần khoan chồng
lên nhau (để cải tạo bên cạnh việc giải quyết tính liên tục và đồng nhất/chất lượng
đất xử lý).
Năm 1974, PHRI báo cáo phương pháp trộn vôi dưới sâu (DLM) bắt đầu được ứng
dụng rộng rãi ở Nhật Bản. Ứng dụng đầu tiên trong cải tạo đất sét yếu tại Chiba
(tháng 06) với thiết bị Mark IV được phát triển bởi công ty Fudo Construction.
Năm 1975, những bài báo về phương pháp cọc vôi của các nhà khoa học Thụy
Điển (Brom, Borman) và Nhật Bản (Okumura, Terashi) được trình bày ở hội nghị
Bangolore (Ấn Độ). Cả hai nước đã đi đến thống nhất về phương pháp này. Những
thay đổi giới hạn kỹ thuật xuất hiện sau đó. PHRI tiếp tục những nghiên cứu của mình
từ 1973 đến 1974, phát triển phương pháp trộn xi măng dưới sâu bằng việc sử dụng
vữa xi măng lỏng và sử dụng nó lần đầu tiên trong những dự án có qui mô lớn cho đất
sét yếu bờ biển.
Năm 1976, Viện nghiên cứu công chánh (PWRI) thuộc Bộ Xây Dựng Nhật Bản
hợp tác với viện nghiên cứu máy xây dựng Nhật Bản bắt đầu nghiên cứu phương
pháp DJM sử dụng bột xi măng khô, bước thử nghiệm đầu tiên hoàn thành vào cuối
năm 1980.
Năm 1977, Hiệp hội xi măng trộn sâu được thành lập ở Nhật Bản. Viện Địa kỹ
thuật Thụy Điển (SGI) xuất bản sách hướng dẫn thiết kế, thi công và giám sát cọc vôi
và cũng trong năm này lần đầu tiên phương pháp trộn xi măng dưới sâu được áp dụng
trên thực tế tại Nhật Bản.
Năm 1980, phương pháp DJM được sử dụng cho mục đích kinh tế, sau đó thay thế
phương pháp DLM một cách nhanh chóng.
Năm 1981, giáo sư Jim Mitchell báo cáo những tài liệu tổng quát tại Stockholm về
cọc vôi và vôi-xi măng để xử lý đất dẻo dính.
CHUYÊN NGÀNH: CẦU HẦM

Trang 10



LUẬN VĂN THẠC SĨ

Năm 1986, phương pháp trộn dưới sâu được ứng dụng tại Hoa Kỳ thông qua công
ty Seiko Kogyo.
Năm 1987, công ty Bachy của Pháp phát triển phương pháp trộn và đầm chặt xi
măng - đất, thực hiện được nhờ đảo ngược vòng xoay của cần khoan khi rút lên. Xuất
hiện lần đầu tiên ở Châu u phát triển bên ngoài bán đảo Scandinavia.
Năm 1990, một thiết bị trộn mới được phát triển ở Phần Lan sử dụng xi măng và
vôi (cung cấp và trộn một cách riêng biệt): có khả năng tạo ra những cọc có chiều sâu
hơn 20m, đường kính lớn hơn 800mm, xuyên qua lớp đất chặt. Nhật Bản đưa ra loại
công nghệ thi công trộn dưới sâu mới gọi là phương pháp RR, khi thi công đầu trộn
lên xuống, lắc ngang và quay tròn trộn ngược lên làm thành cọc, một lần làm cọc có
thể trộn được thân cọc có đường kính tới 2m.
Năm 1991, phương pháp Low Displacement Jet (LDis) được phát triển ở Nhật Bản.
Năm 1992, hướng dẫn thiết kế mới được giới thiệu tại Phần Lan dựa trên những
kinh nghiệm từ thập niên 80 và nghiên cứu của Kujuala & Lahtinen.
Năm 1993, Hiệp hội DJM cập nhật những thông tin mới nhất về hướng dẫn thiết kế
và thi công (ở Nhật Bản).
Năm 1995, Chính phủ Thụy Điển thành lập Trung tâm nghiên cứu ổn định dưới sâu
Thụy Điển (Swedish Deep Stabilization Research Center – SDSRC) tại SGI. Tập hợp
bao gồm chủ đầu tư, chính phủ, nhà thầu, tư vấn, trường đại học và các tổ chức nghiên
cứu bởi Holm của SGI và Brom là những nhà khoa học đứng đầu. Kế hoạch nghiên
cứu: tạo cơ sở dữ liệu kinh nghiệm, các tính chất kỹ thuật đất gia cố, mô hình cấu trúc
đất gia cố. Các kết quả được tập hợp lại và xuất bản thành những tập báo cáo.
Năm 1996, cọc vôi xi măng được sử dụng cho mục đích kinh tế lần đầu tiên tại Hoa
Kỳ (công ty Stabilator).
Ở Việt Nam, đầu những năm 80 đã dùng kỹ thuật này của hãng Linden Alimark
(Thụy Điển) thi công cọc vôi đường kính 400mm, dài 10m cho các công trình nhà 3-4
tầng. Tại khu công nghiệp Trà Nóc (Cần Thơ) đã sử công nghệ trụ đất - xi măng dài
đến 20m bằng hệ thống tự động từ khâu khoan, phun xi măng và trộn dưới sâu do

công ty Hercules (Thụy Điển) thi công với tổng chiều dài cọc gần 50.000m.

1.3.3. Nguyên lý đất trộn xi măng:
Hạt xi măng Portland là một hợp chất bao gồm Tricalcium Silicate (C3S),
Dicalcium Silicate (C2S), Tricalcium Aluminate (C3A) và các chất rắn hòa tan như
Tetracalcium Alumino-Ferrit (C4A). Bốn phần tử chính này tạo nên sản phẩm hỗn hợp
tạo độ bền chủ yếu. Khi nước lỗ rỗng của đất gặp xi măng, thủy hóa xi măng xảy ra
nhanh chóng và sản phẩm của sự thủy hóa chính yếu ban đầu này là Hydrated
Calcium Silicate (C3SHx, C3S2Hx), Hydrated Calcium Aluminate (C3SAx, C3S2Ax) và
hydrocid vôi Ca(OH)2. Hai sản phẩm kết dính xi măng chính được hình thành và thủy
hóa vôi được sử dụng như pha tinh thể rắn tách biệt. Những phần tử xi măng này kết
hợp các hạt xi măng nằm kế bên với nhau trong suốt quá trình hóa cứng để tạo thành
hỗn hợp bộ khung bao quanh các hạt đất nguyên vẹn. Các pha Silicate và Aluminate
CHUYÊN NGÀNH: CẦU HẦM

Trang 11


LUẬN VĂN THẠC SĨ

được kết hợp nội tại, do đó hầu như không có pha nào kết tinh hoàn toàn. Một phần
của Ca(OH)2 cũng có thể kết hợp với các pha hydrate khác, chỉ một phần được kết
tinh. Hơn nữa, thủy hóa xi măngdẫn đến gia tăng độ pH của nước lỗ rỗng gây ra bởi
sự phân ly của vôi hydrate. Các bazơ mạnh hòa tan Silicate và Aluminate từ cả
khoáng vật sét và các chất vô định hình khác trên những mặt của các hạt sét, theo
cách tương tự như phản ứng acid yếu và bazơ mạnh. Các Silica và Alumina ngậm
nước sau đó sẽ từ từ phản ứng với các ion Calcium tự do từ sự thủy phân xi măng để
tạo thành hợp chất không hòa tan. Phản ứng thứ yếu này được gọi là phản ứng
puzzolan. Hợp chất thủy hóa xi măng thì vẫn chưa được xác định rõ ràng bởi các công
thức hóa học, vì thế quan tâm đến các biến thể là khả thi. Các hợp chất trong xi măng

Portland được biến thể khi có nước như sau:
2(3CaO.SiO2) + 6H2O = 3CaO.SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2

(2-1)

2(2CaO.SiO2) + 4H2O = 3CaO.SiO2.3H2O + Ca(OH)2

(2-2)

4CaO.Al2O3.Fe2O3 + 10H2O + 2Ca(OH)2 = 6CaO. Al2O3.Fe2O3.12H2O

(2-3)

3CaO.Al2O3 + 12 H2O + 2Ca(OH)2 = 6CaO. Al2O3. Ca(OH)2.12H2O

(2-4)

3CaO.Al2O3 + 10 H2O + CaSO4.2H2O = 3CaO.Al2O3.CaSO4. 12H2O

(2-5)

Hai phaûn ứng (1-1) và (1-2), những chất của chúng hợp thành từ 75% xi măng
Portland, chỉ ra rằng sự thủy hóa của hai loại Calcium Silicate tạo ra các hợp chất
mới: vôi và tobermorite gel, sau đó đóng vai trò quan trọng liên quan đến cường độ
và thể tích thì chủ yếu được quyết định bởi vôi và tobermorite gel. Những phản ứng
diễn ra trong gia cố xi măng - đất có thể được trình bày trong những phương trình
được đưa ra sau đây:
C 3S + H 2O

C3S2Hx (hydrated gel) + Ca(OH)2


Ca(OH)2
++

Ca + 2(OH)

Ca
-

Ca++ + 2(OH)- +Al2O3

++

+ 2(OH)

-

CSH

(2-6)
(2-7)
(2-8)

CAH

(2-9)

Khi độ pH <12.6 thì phản ứng sau xảy ra :
C 3S 2H x + H 2O


C2S2Hx + Ca(OH)2

(2-10)

Để có thêm các lực liên kết được tạo ra trong hỗn hợp xi măng – sét, thành phần
silicate và aluminate trong vật liệu phải hòa tan được. Tính tan được của các khoáng
vật sét thì chịu ảnh hưởng như nhau bởi sự hiện diệncủa những tạp chất, bởi mức độ
kết tinh của các vật liệu liên quan, bởi cỡ hạt v.v… Trong những phương trình trên, lực
dính kết của những sản phẩm làm cứng bề mặt chủ yếu chủ yếu thì mạnh hơn nhiều
CHUYÊN NGÀNH: CAÀU HAÀM

Trang 12


LUẬN VĂN THẠC SĨ

so với sản phẩm thư yếu. Với độ pH thấp (pH < 12.6), phản ứng tạo C3S2Hx (1-6) có
thể xảy ra. Tuy nhiên, độ pH hạ xuống trong suốt phản ứng puzzolan và giảm pH có
khuynh hướng thúc đẩy sự thủy phân để tạo thành CSH. Sự hình thành của CSH chỉ
có ích khi nó được hình thành bởi phản ứng puzzolan của vôi và silica trong đất (1-8),
nhưng nó sẽ bất lợi khi CSH được tạo thành từ sự tiêu hủy C3S2Hx. Những đặc tính độ
bền phát sinh của C3S2Hx thì ưu việt hơn CSH. Sự thủy hóa xi măng và phản ứng
puzzolan có thể kéo dài hàng tháng, hoặc thậm chí một năm sau khi trộn, và vì thế độ
bền của đất được gia cố xi măng sẽ tăng theo thời gian.
Điều này có nghóa trong xi măng - đất bao gồm những hạt sét mịn, những hợp chất
hóa cứng chủ yếu và thứ yếu được tạo thành. Những sản phẩm chủ yếu hóa rắn thành
những phụ gia cường độ cao và nó khác xi măng thông thường trong bê tông. Các quá
trình thứ yếu làm gia tăng cường độ và tính bền vững của xi măng - đất bởi việc sản
sinh ra thêm những chất hóa cứng khác để nâng cao độ bền liên kết.
Quá trình phản ứng lý – hóa của việc cải tạo đất bằng xi măng khác với nguyên lý

đóng rắn của bê tông. Đóng rắn của bê tông chủ yếu là xi măng thực hiện tác dụng
thủy giải và thủy hóa trong cốt liệu thô và cốt liệu nhỏ, do đó tốc độ đóng rắn khá
nhanh. Khi dùng xi măng gia cố đất, do lượng xi măng trộn vào trong đất rất ít (chỉ
chiếm từ 7 – 15% trọng lượng đất gia cố), phản ứng thủy giải và thủy hóa của xi
măng hoàn toàn thực hiện trong môi trường có hoạt tính nhất định – sự quây kín của
đất, do đó tốc độ đóng rắn chậm và tác dụng phức tạp cho nên quá trình tăng trưởng
cường độ của xi măng gia cố đất cũng chậm hơn bê tông.
Nguyên lý cơ bản của việc gia cố xi măng – đất: xi măng sau khi trộn với đất sẽ
sinh ra một loạt các phản ứng hóa học rồi dần đóng rắn lại. Các phản ứng chủ yếu
của chúng là:
Phản ứng thủy giải và thủy hóa của xi măng.
Tác dụng của các hạt đất với các chất thủy hóa của xi măng.
Tác dụng Cacbonat hóa.
Từ nguyên lý trên có thể thấy, do tác dụng cắt gọt và nhào trộn của cần khoan trên
thực tế không thể nào tránh khỏi đất còn sót lại một ít cục chưa bị đập vỡ, khi trộn
vào với xi măng sẽ có hiện tượng xi măng bao lấy cục đất, khe rỗng to giữa các cục
đất trên co bản được lấp kín bằng các hạt xi măng. Cho nên trong đất xi măng sau khi
gia cố hình thành tình huống là bên trong các cục đất lớn nhỏ khác nhau thì không có
xi măng mà ở xung quanh thì lại khá nhiều. Chỉ có qua một thời gian tương đối dài,
các hạt đất ở trong cục xi măng dưới tác dụng thẩm thấu của các chất thủy giải của xi
măng mới dần dần cải biến được tính chất của nó. Do đó trong xi măng - đất sẽ không
tránh khỏi tình trạng có những vùng có cường độ khá cao và tính ổn định nước khá tốt,
trong khi có những vùng đất cục có cường độ thấp hơn. Hai loại này xen kẽ nhau
trong không gian, hình thành một dạng xi măng - đất đặc biệt. Có thể nói một cách
định tính là việc trộn cưỡng bức giữa xi măng và đất càng kỹ thì đất bị đập vỡ càng
nhỏ, xi măng phân bố vào trong đất càng nhiều thì tính ly tán về cường độ xi măng đất càng nhỏ, cường độ tổng thể trên phạm vi rộng rãi sẽ càng cao.
CHUYÊN NGÀNH: CẦU HẦM

Trang 13



LUẬN VĂN THẠC SĨ

1.3.4. Đặc tính của đất trộn xi măng:
Trong đất trộn xi măng thường dùng xi măng silicate phổ thông M425 hoặc xi
măng xỉ quặng. Lượng xi măng trộn vào là 7 – 15% trọng lượng đất gia cố hoặc trọng
lượng xi măng từ 150 – 250kg/m3 đất gia cố.
Theo một số kết quả thí nghiệm xi măng - đất ở trong phòng : dung dịch của xi
măng - đất lớn hơn đất mềm từ 0.7 – 2.3% và hàm lượng nước nhỏ hơn đất mềm.
Cường độ chịu nén nở hông qu thường từ 4.08 – 40.8kG/cm2, cường độ chịu kéo σt =
0.15 – 0.25qu, lực dính kết C = 0.2 – 0.3qu, góc ma sát trong ϕ = 20 – 30o, modul biến
dạng khi ứng suất của đất - xi măng đạt đến 50% trị số phá hủy E50 = 120 – 150qu, hệ
số thấm k = 10-7 – 10-6cm/s.
Cường độ nén nở hông của xi măng - đất lớn hơn mấy chục lần cho đến hàng trăm
lần đất mềm tự nhiên. Đặc trưng biến dạng của nó tùy thuộc sự khác nhau về cường
độ và thường vào khoảng giữa của vật thể dòn và vật thể đàn hồi dẻo.
Giai đoạn bắt đầu khi đất - xi măng chịu lực, quan hệ giữa ứng suất - biến dạng về
cơ bản là phù hợp với định luật Hooke, khi ngoại lực đạt đến 70 – 80% cường độ giới
hạn thì quan hệ ứng suất – biến dạng không còn tuyến tính nữa. Khi ngoại lực đạt đến
cường độ giới hạn, loại xi măng - đất có cường độ cao xuất hiện sự phá hủy dòn rất
nhanh chóng, cường độ tồn dư sau phá hủy rất nhỏ, khi đó biến dạng trục là khoảng
0.8 – 1.2%.

1.3.5. Các ứng dụng của trụ đất - xi măng:
Cải tạo nền đất yếu dưới nền đường vào cầu: việc thi công công trình trên
nền đất sét mềm hoặc hữu cơ có những khó khăn và phức tạp rất lớn. Nhất
là sự nguy hiểm do biến dạng thẳng đứng và biến dạng ngang lớn. Bằng
cách sử dụng trụï đất - xi măng thì các đặc trưng độ bền và biến dạng của đất
có thể được cải thiện.
Làm chặt lại nền đất yếu.

Gia cố mái taluy công trình: khi mái dốc công trình có độ ổn định kém, đất
chịu ứng suất cắt lớn, hệ số an toàn về phá hoại có thể được cải thiện bằng
cách gia cố đất nếu tải trọng gây các ứng suất cắt có thể truyền đến các lớp
đất có sự chịu tải phù hợp thông qua các trụ đất - xi măng.
Làm móng vững chắc cho công trình nhà cao tầng, công trình công nghiệp,
làm tường chắn đất, làm bờ kè.
Gia cố thành hố đào.
…

CHUYÊN NGÀNH: CẦU HẦM

Trang 14


LUẬN VĂN THẠC SĨ

1

2

3

4

5

6

Hình 1-6. Các ứng dụng chính của công nghệ trộn sâu (Hiệp hội DJM Nhật Bản)
1. Ngăn ngừa sự phá hoại trượt của đê cao.

2. Ngăn ngừa sự phá hoại trượt và giảm lún nền đường.
3. Ngăn ngừa sự phá hoại trượt của mố cầu và giảm lún cho đường đầøu cầu.
4. Ổn định của mái dốc hố đào.
5. Ngăn ngừa hiện tượng lún của công trình ngầm.
6. Ngăn ngừa ảnh hưởng bất lợi của công trình lân cận.

CHUYÊN NGÀNH: CẦU HẦM

Trang 15