Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu sử dụng đất đá thải từ các mỏ than khu vực cẩm phả, quảng ninh làm đường ô tô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ĐỖ VĂN THÁI NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG ĐẤT ĐÁ THẢI TỪ CÁC MỎ THAN KHU VỰC CẨM PHẢ, QUẢNG NINH LÀM ĐƯỜNG Ô TÔ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2019 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ĐỖ VĂN THÁI NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG ĐẤT ĐÁ THẢI TỪ CÁC MỎ THAN KHU VỰC CẨM PHẢ, QUẢNG NINH LÀM ĐƯỜNG Ô TÔ Ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình Giao thơng Mã số: 9.58.02.05 Chuyên ngành: Xây dựng đường ô tô đường thành phố LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: 1.GS.TS PHẠM HUY KHANG 2.PGS.TS NGUYỄN HỮU TRÍ HÀ NỘI - 2019 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật i CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc Hà Nội, tháng 03 năm 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả Luận án Đỗ Văn Thái Luận án tiến sĩ Kĩ thuật ii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận án, tác giả trân trọng cảm ơn quan tạo điều kiện giúp đỡ: Trường Đại học Giao thông vận tải; Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải; Viện Khoa học Công nghệ giao thông vận tải; Tập đồn than khống sản Việt Nam; Ban quản lý bãi đổ thải Đơng Cao Sơn, Cẩm Phả, Quảng Ninh; Phịng VI - LAS 72-Trường Đại học Công nghệ GTVT; Công ty thí nghiệm TECO2 Tác giả xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành, sâu sắc đến hai giáo viên hướng dẫn GS.TS Phạm Huy Khang (Trường ĐH GTVT) PGS.TS Nguyễn Hữu Trí (Viện KH & CN GTVT) tận tình hết lịng giúp đỡ Cám ơn GS.TS Bùi Xuân Cậy; PGS.TS Lã Văn Chăm; PGS.TS Nguyễn Quang Phúc; TS Nguyễn Đình Thạo Thầy Cơ giáo Bộ mơn Đường bộ, Bộ mơn đường Ơ tô Sân bay, Bộ môn đường Giao thông Công chính, Bộ mơn Vật liệu xây dựng – Trường Đại học GTVT đóng góp ý kiến định hướng khoa học có giá trị cho nội dung nghiên cứu luận án Xin cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Công nghệ GTVT đơn vị trực thuộc: Khoa Cơng trình; Xưởng Cơng trình Trung tâm Thí nghiệm vật liệu cơng trình xếp thời gian tạo điều kiện giúp đỡ sở vật chất, thiết bị thí nghiệm mặt thử nghiệm để tác giả hoàn thành luận án Cảm ơn gia đình bạn bè, người đồng nghiệp cộng tác giúp đỡ Hà Nội - 03 /2019 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC BẢNG BIỂU ix DANH MỤC HÌNH VẼ xi MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG ĐẤT, ĐÁ THẢI MỎ THAN TRONG XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ 1.1 Tổng quan đất, đá thải từ mỏ khai thác than 1.1.1 Khai thác than đất đá thải từ mỏ than - giới 1.1.2 Khai thác than thực trạng đất, đá thải từ mỏ than Quảng Ninh, Việt Nam 1.1.3 Quy mô thực trạng bãi đổ thải Đông Cao Sơn, Cẩm Phả, Quảng Ninh 1.2 Tổng quan sử dụng đất, đá thải xây dựng đường ô tô 11 1.2.1 Những kết nghiên cứu dẫn kỹ thuật nước 11 1.2.2 Những kết nghiên cứu bước đầu dẫn kỹ thuật Việt Nam 14 1.3 Tổng hợp, phân tích đề xuất nội dung nghiên cứu 26 1.3.1 Thực trạng đất, đá thải khai thác than giới nước ta 26 1.3.2 Những kết nghiên cứu sử dụng đất, đá thải từ khai thác than nước 26 1.3.3 Phân tích đề xuất nội dung nghiên cứu 27 1.3.4 Mục tiêu nghiên cứu 29 1.3.5 Nội dung nghiên cứu 29 1.3.6 Phương pháp nghiên cứu 30 Chương 2: NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM TRONG PHÒNG VÀ ĐỀ XUẤT SỬ DỤNG ĐẤT, ĐÁ THẢI MỎ THAN QUẢNG NINH LÀM VẬT LIỆU XÂY DỰNG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ 31 2.1 Nghiên cứu sở khoa học sử dụng vật liệu đất, đá gia cố chất kết dính vô xây dựng mặt đường ô tô 33 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật iv 2.1.1 Khái niệm chung gia cố vật liệu 33 2.1.2 Sự hình thành cường độ đất gia cố chất kết dính vơ 34 2.1.3 Sự hình thành cường độ lớp vật liệu gia cố xi măng 37 2.2 Thiết kế thí nghiệm trình tự phân tích thống kê xử lý số liệu 38 2.2.1 Thiết kế thí nghiệm 38 2.2.2 Các cơng thức tính tốn 38 2.2.3 Đánh giá số mẫu tổ mẫu 40 2.2.4 Loại bỏ số liệu ngoại lai đánh giá độ chụm 40 2.2.5 Trình tự thiết kế thí nghiệm xử lý kết thí nghiệm 41 2.3 Khảo sát, lấy mẫu đại diện thí nghiệm xác định tiêu cơ, lý, hóa đất, đá thải mỏ than Quảng Ninh 41 2.3.1 Lựa chọn bãi thải đại diện 41 2.3.2 Đặc điểm chung bãi thải Đông Cao Sơn 42 2.3.3 Lấy mẫu đất, đá thải đại diện 42 2.3.4 Thành phần khống hóa đất, đá bãi thải 43 2.3.5 Xác định thành phần hạt 44 2.3.6 Thí nghiệm xác định tiêu đất, đá thải 45 2.3.7 Nhận xét, đánh giá kết thí nghiệm đất, đá thải để sử dụng làm vật liệu xây dựng đường kết cấu mặt đường 50 2.4 Nghiên cứu đề xuất lựa chọn cấp phối đất, đá thải mỏ than Quảng Ninh làm vật liệu kết cấu mặt đường ô tô 52 2.4.1 Thành phần hạt tiêu lý cấp phối đá nhóm A-ĐCS 52 2.4.2 Thành phần hạt tiêu lý cấp phối đá nhóm AB-ĐCS 55 2.5 Nghiên cứu cấp phối đá dăm nhóm A-ĐCS nhóm AB-ĐCS gia cố xi măng làm vật liệu kết cấu mặt đường ô tô 56 2.5.1 Tóm tắt yêu cầu nội dung nghiên cứu 56 2.5.2 Kế hoạch thí nghiệm 57 2.5.3 Chế bị mẫu thí nghiệm 59 2.5.4 Kết thí nghiệm nhóm A-ĐCS gia cố xi măng 61 2.5.5 Kết thí nghiệm nhóm AB-ĐCS gia cố xi măng 63 2.5.6 So sánh kết thí nghiệm A-ĐCS AB-ĐCS với tỷ lệ xi măng 4%, 6% 67 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật v 2.5.7 So sánh kết thí nghiệm mơ đun đàn hồi A-ĐCS AB-ĐCS 71 2.6 Nhận xét, kết luận chương 72 Chương 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HIỆN TRƯỜNG VỚI KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG SỬ DỤNG ĐẤT, ĐÁ THẢI MỎ THAN QUẢNG NINH GIA CỐ XI MĂNG 73 3.1 Thiết kế đoạn đường thử nghiệm trường 74 3.1.1 Tóm tắt nội dung yêu cần đoạn thử nghiệm trường 74 3.1.2 Lựa chọn vị trí, mặt thơng sơ hình học đoạn đường thử nghiệm 74 3.1.3 Kết cấu mặt đường thử nghiệm 75 3.2 Nghiên cứu sản xuất vật liệu cấp phối đất, đá thải 76 3.2.1 Khai thác, vận chuyển tập kết vật liệu 76 3.2.2 Công tác sản xuất vật liệu thử nghiệm 77 3.3 Thi công đường đoạn thử nghiệm 78 3.3.1 Vật liệu đắp đường 78 3.3.2 Xử lý đường trước đắp 79 3.3.3 Thi công đắp đất đường 79 3.3.4 Kết kiểm tra nghiệm thu đường 80 3.4 Thi công lớp kết cấu áo đường đoạn thử nghiệm 81 3.4.1 Thi cơng lớp móng AB-ĐCS dày 18cm 81 3.4.2 Thi cơng lớp móng AB-ĐCS gia cố xi măng dày 16cm 86 3.5 Thi công lớp đá dăm láng nhựa dày 3.5 cm tiêu chuẩn 4.5 kg/m2 89 3.5.1 Vật liệu 89 3.5.2 Thi công lớp láng nhựa 89 3.6 Nghiên cứu thử nghiệm giải pháp hạn chế vết nứt lớp cấp phối đất, đá gia cố xi măng 90 3.6.1 Giải pháp tạo đường nứt trước (cắt khe giả) 92 3.6.2.Điều chỉnh quy cách bảo dưỡng 93 3.6.3.Đo đạc theo dõi dõi diễn biến vết nứt 94 3.6.4 Những lưu ý thiết kế, thi công bảo dưỡng lớp đá thải gia cố xi măng96 3.7 Theo dõi đánh giá kết cấu mặt đường 96 3.7.1 Công tác kiểm tra nghiệm thu mặt đường 96 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật vi 3.7.2 Khoan mẫu đánh giá cường độ chịu nén ép chẻ 97 3.7.3 Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén cường độ ép chẻ 98 3.7.4 Đánh giá chung đoạn đường thử nghiệm 102 3.8 Nhận xét, kết luận chương 104 Chương 4: NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT MỘT SỐ KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG VÀ PHẠM VI ÁP DỤNG LỚP ĐẤT, ĐÁ THẢI MỎ THAN QUẢNG NINH 106 4.1 Nguyên tắc đề xuất phạm vi áp dụng kết cấu mặt đường 107 4.1.1 Nguyên tắc đề xuất kết cấu mặt đường 107 4.1.2 Phạm vi áp dụng kết cấu mặt đường 108 4.2 Lựa chọn phương pháp thiết kế kết cấu mặt đường 109 4.3 Đề xuất kết cấu mặt đường 110 4.3.1 Kết cấu mặt đường cho đường giao thông nông thôn 110 4.3.2 Kết cấu mặt đường cho đường ô tô công cộng 112 4.3.3 Kết cấu mặt đường cho đường ô tô cao tốc, đường chịu tải trọng nặng 113 4.3.4 Giải pháp chống nứt phản ánh sử dụng lớp móng gia cố xi măng 114 4.4 Các thông số thiết kế kết cấu mặt đường 115 4.4.1 Thông số tải trọng: 116 4.4.2 Thông số đường: 117 4.4.3 Thơng số khí hậu: 119 4.4.4 Thông số vật liệu: 121 4.5 Tính tốn kết cấu mặt đường 127 4.6 Công nghệ sản xuất vật liệu đá thải Quảng Ninh 129 4.7 Công nghệ thi công kết cấu mặt đường sử dụng vật liệu đá thải Quảng Ninh 130 4.8 Nhận xét, kết luận Chương 131 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 132 TÀI LIỆU THAM KHẢO 136 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật vii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT GTVT : Giao thông vận tải TCN : Tiêu chuẩn ngành TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam TCXDVN : Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam ĐCS : Đông Cao Sơn BGTVT : Bộ giao thơng vận tải ANOVA : Phân tích phương sai Ip : Chỉ số dẻo CBR : Chỉ số sức chịu tải California CPĐD : Cấp phối đá dăm CPTN : Cấp phối thiên nhiên BTXM : Bê tông xi măng BTN : Bê tông nhựa GTNT : Giao thông nông thôn A – ĐCS : Cấp phối đá dăm sản xuất từ vật liệu đất, đá thải bãi thải Đông Cao Sơn, Cẩm Phả, Quảng Ninh sau loại bỏ nhóm cỡ hạt có kích thước < 50 mm trở xuống AB – ĐCS : Cấp phối đá dăm sản xuất từ vật liệu đất, đá thải bãi thải Đông Cao Sơn, Cẩm Phả, Quảng Ninh (bao gồm tất nhóm cỡ hạt vốn có trạng thái nguyên khai, kể đất) UTT : Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải Probabllty plot : đồ phân phối xác xuất StDev : độ lệch chuẩn Power curve for : đường cong độ mạnh cho thí nghiệm – t - test Power : Độ mạnh Luận án tiến sĩ Kĩ thuật viii Differ ence : khác biệt Sumple lize : số mẫu Assum ptions : Trung bình Residual plots tor Rn : Biểu đồ phần dư Rn Nor mal probillity plot : Biểu đồ phân phối chuẩn Residual : Phần dư Histogram : Biểu đồ Fitted value : Giá trị Observation order : Thứ tự quan sát Density : Mật độ Data : Nhiệt độ Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 126 South Rn7 ngày 10 Carolina Min: 600 psi Rn7 ngày 11 FAA Min: 400 psi Max: 800 psi Rn28 ngày : Max: 1000 psi LL