Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông: Nghiên cứu ứng dụng vật liệu geofoam xây dựng đường đầu cầu trên đất yếu ở thành phố Hồ Chí Minh

HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN DUY PHONG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VẬT LIỆU GEOFOAM XÂY DỰNG ĐƯỜNG ĐẦU CẦU TRÊN ĐẤT YẾU Ở THÀNH PHỐ... iv TÓM TẮT LUẬN VĂN Đề tài NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG V

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN DUY PHONG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VẬT LIỆU GEOFOAM

XÂY DỰNG ĐƯỜNG ĐẦU CẦU TRÊN ĐẤT YẾU Ở THÀNH PHỐ

i

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG TP HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS TS Trần Nguyễn Hoàng Hùng

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Nguyễn Duy Liêm

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Lê Văn Phúc

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP HCM Ngày 21 tháng 08 năm 2021 (trực tuyến)

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 Chủ tịch hội đồng : PGS TS Nguyễn Mạnh Tuấn

2 Thư ký : TS Nguyễn Xuân Long

3 Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Nguyễn Duy Liêm

4 Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Lê Văn Phúc

5 Ủy viên : TS Lê Bá Khánh

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

PGS TS Lê Anh Tuấn PGS TS Nguyễn Mạnh Tuấn

ii

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Duy Phong MSHV: 1970554

Ngày, tháng, năm sinh: 13/03/1997 Nơi sinh: Tiền Giang Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông Mã số: 8580205

I TÊN ĐỀ TÀI:

Nghiên cứu ứng dụng vật liệu Geofoam xây dựng đường đầu cầu trên đất yếu

ở Thành phố Hồ Chí Minh

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Luận văn nghiên cứu ứng dụng vật liệu Geofoam xây dựng đường đầu cầu trên đất yếu ở Thành phố Hồ Chí Minh Nhiệm vụ cụ thể:

1 Nghiên cứu tổng quan ứng dụng vật liệu Geofoam

2 Thi công thử nghiệm hiện trường xây dựng đường đầu cầu bằng vật liệu Geofoam trên đất yếu ở Thành phố Hồ Chí Minh

3 Kết quả thử nghiệm hiện trường xây dựng đường đầu cầu bằng vật liệu Geofoam trên đất yếu ở Thành phố Hồ Chí Minh

4 Đánh giá chất lượng vật liệu Geofoam xây dựng đường đầu cầu trên đất yếu ở Thành phố Hồ Chí Minh

5 Phác thảo quy trình công nghệ ứng dụng vật liệu Geofoam xây dựng đường đầu cầu trên nền đất yếu

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 22/02/2021

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 13/08/2021

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS TRẦN NGUYỄN HOÀNG HÙNG

TP HCM, ngày 13 tháng 08 năm 2021

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA KĨ THUẬT XÂY DỰNG

PGS TS Lê Anh Tuấn PGS.TS Trần Nguyễn Hoàng Hùng PGS TS Nguyễn Mạnh Tuấn

iii

LỜI CẢM ƠN

Học viên xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến người thầy của học viên – PGS.TS Trần

Nguyễn Hoàng Hùng Học viên đã học được từ thầy rất nhiều, học viên hiểu được

giá trị của một Kỹ sư, một Thạc sĩ Kiến thức, kinh nghiệm, phương pháp luận và các giá trị khoa học đã giúp học viên tự tin hơn trong công việc, học tập, và cuộc sống

“Tự trọng – Nhân văn” là 2 triết lý quý báu học viên được học từ thầy Sự khó khăn,

trắc trở là những điều không thể tránh khỏi trong quá trình làm khoa học Tuy nhiên, việc không ngừng nỗ lực, tôn trọng các giá trị khoa học sẽ tạo ra kết quả mang lại giá trị phục vụ cho lợi ích của cộng đồng Học viên xin gửi đến lời cảm ơn đến Sở Khoa học và Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện, hỗ trợ học viên hoàn thành luận văn Học viên xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy/Cô Bộ môn Cầu – Đường đã truyền đạt những kiến thức quý báu Học viên xin gửi lời cảm ơn đến Anh/Chị/Bạn thuộc nhóm nghiên cứu đã đồng hành và hỗ trợ Học viên cũng xin gửi lời cảm ơn đến quý Anh/Chị thuộc Tổng công ty Xây dựng Công trình Giao thông Cienco 6 -CTCP đã

hỗ trợ học viên Lời cuối cùng học trò xin gửi lời cảm ơn đến Ba, Mẹ, và Em trai luôn

là hậu phương vững chắc để học viên có thể tiếp tục thực hiện giấc mơ trên con đường nghiên cứu của mình

Xin chân thành cảm ơn

TP HCM, ngày 13 tháng 08 năm 2021

Học viên thực hiện

Nguyễn Duy Phong

iv

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Đề tài NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VẬT LIỆU GEOFOAM XÂY DỰNG ĐƯỜNG

ĐẦU CẦU TRÊN ĐẤT YẾU Ở THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Ở Việt Nam, Geofoam ít được biết đến như một loại vật liệu xây dựng trong công trình giao thông ngay cả khi Geofoam là vật liệu đắp có thể xây dựng trực tiếp lên nền đất yếu mà không cần phải xử lý Nghiên cứu ứng dụng vật liệu Geofoam xây dựng đường vào cầu trên nền đất yếu ở thành phố Hổ Chí Minh Mô hình được thử nghiệm bằng xe tải 30 tấn Kết quả cho thấy rằng: (1) Geofoam sản xuất trong nước với khối lượng riêng 21 kg/m3 đã hoạt động tốt cho công tác xây dựng mố cầu trên nền đất yếu để chịu tải trọng xe; (2) Hoạt tải giảm đáng kể thông qua tấm bê tông; (3) Chuyển vị theo phương đứng từ 5-6 mm cho 9 chu kỳ sau, 10 mm đối với chu kỳ gia tải đầu tiên; (4) Hoạt tải giảm nhanh theo chiều sâu; (5) Tấm bê tông phân bố ứng suất do hoạt tải gây ra lớn hơn giả thuyết góc lan truyền 450 Geofoam sau khi thử nghiệm được đánh giá các chỉ tiêu cơ-lý-hóa bằng các thí nghiệm trong phòng Phương pháp thí nghiệm tuân theo các tiêu chuẩn ASTM của Mỹ vì vẫn chưa có các tiêu chuẩn Việt Nam tương ứng Kết quả nghiên cứu cho thấy: 1) Cường độ nén nở

hông tự do (qu) của Geofoam hiện trường có biến dạng tăng tuyến tính dưới 1%, qu

đạt 74 kPa tốc độ nén 1 mm/phút; (2) Geofoam có khả năng tự phục hồi khi gia tải

và dỡ tải trong giai đoạn đàn hồi; (3) Biến dạng lúc phá hoại của mẫu Geofoam ở

1,77%; (4) Mô đun đàn hồi ban đầu Ei 6,08 MPa và mô đun đàn hồi khi dỡ tải Eu 5,94 MPa ở tốc độ nén 1 mm/phút; (5) Hệ số Poisson của Geofoam thử nghiệm ν = 0,1,

nhỏ hơn so với các vật liệu đắp truyền thống như cát, đất đắp, và sét; (6) Geofoam hấp thụ hơn 60% lượng nước trong 7 ngày đầu, hấp thụ hơn 90% lượng nước trong

35 ngày kế tiếp; (7) Geofoam có khả năng hấp thụ nước kém, thể tích nước hấp thụ

bằng 3,12% thể tích của mẫu, khối lượng riêng (ρ) sau khi hấp thụ nước tăng 2,56

lần; (8) Geofoam thoát nước đã hấp thụ nhanh, hơn 90% lượng nước đã hấp thụ thoát

ra trong 3 ngày; (9) Geofoam bị hòa tan nhanh trong xăng, dầu hỏa, không bị hòa tan

trong dầu nhớt, dung dịch axit (pH = 4), và nước phèn (pH = 6,5); (10) Geofoam dễ

v

cháy khi tiếp xúc trực tiếp với lửa; (11) Geofoam có thể bị ảnh hưởng bởi mối; (12) Geofoam sản xuất trong nước phù hợp để ứng dụng xây dựng đường đầu cầu trên nền đất yếu

vi

THESIS SUMMARY

Topic APPLYING GEOFOAM TO CONSTRUCT BRIDGE EMBANKMENTS

DIRECTLY ON SOFT GROUND IN HO CHI MINH CITY

In Vietnam, Geofoam is little known as a construction material for highway embankments even though Geofoam as an embankment fill material can be constructed directly on soft ground without improvement This study investigated Geofoam to construct bridges approaching embankments on soft ground in Ho Chi Minh City A bridge abutment model was constructed using a domestic Geofoam The model was experienced by a 30-Ton truck The results indicate that (1) The domestic Geofoam with a density of 21 kg/m3 worked well for the bridge embankment as the fill material on soft ground to carry the truck load; (2) The live loads were markedly reduced via the concrete slab; (3) The vertical displacement was 5-6 mm for the 9 cycles, and 10 mm for the first live load cycle; (4) The live loads decreased sharply in depth; (5) The concrete slab distributed the live loads much more than the assumption of the distributing angle of 450 Geofoam after field experiment

is evaluated by laboratory tests on Physico-chemical properties The test method follows American ASTM standards since there are no corresponding Vietnamese

standards yet The results show that: (1) Unconfined compressive strength (qu) of the strain field Geofoam linear increase below 1%, qu = 74 kPa with a rate of 1

mm/minute; (2) Geofoam be able to recover when loading and unloading in the elastic

phase; (3) Strain at the failure of Geofoam samples at 1,77%; (4) Initial modulus Ei

= 6,08 MPa and residual modulus E u = 5,94 MPa with a rate of 1 mm/minute; (5)

Poisson ratio (ν) as low as 0,1, which is relatedly low to compare in the literature and

soils; (6) Geofoam absorb more than 60% of the water in the first 7 days, absorbing over 90% of water in 35 the next day; (7) Geofoam has low water absorption, water

absorption volume average 3,12% of the sample volume, the density (ρ) after water

absorption increased by 2,56 times; (8) Geofoam is a material capable of draining the absorbed water quickly, more than 90% of the absorbed water drains out in 3 days;

vii

(9) Geofoam is dissolved in gasoline, diesel fuel, but insoluble with lubricating oils,

acidic solutions (pH = 4), and alum water (pH = 6,5); (10) Geofoam is flammable

when in direct contact with fire; (11) Geofoam can be affected by termites; (12) Geofoam produced domestically is suitable for applying the approaching bridge on soft ground

viii

LỜI CAM ĐOAN

Học viên cam đoan luận văn Thạc sĩ “Nghiên cứu ứng dụng vật liệu Geofoam xây

dựng đường đầu cầu trên đất yếu ở Thành phố Hồ Chí Minh” là do chính cá nhân

học viên thực hiện Luận văn được thực hiện theo đúng nhiệm vụ luận văn thạc sĩ, không sao chép bất kỳ của cá nhân nào, các số liệu trong luận văn là số liệu trung thực Học viên xin chịu trách nhiệm về nội dung của luận văn này

TP HCM, ngày 13 tháng 08 năm 2021

Học viên thực hiện

Nguyễn Duy Phong

Học viên cao học khóa 2019

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao Thông Trường Đại học Bách Khoa –Đại học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh

ix

MỤC LỤC

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT xiv

DANH MỤC BẢNG BIỂU xvi

DANH MỤC HÌNH ẢNH xvii

MỞ ĐẦU 1

1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

2 TÓM TẮT NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 2

3 ĐỘNG LỰC NGHIÊN CỨU 5

4 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 6

5 PHẠM VI NGHIÊN CỨU 7

6 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 7

7 Ý NGHĨA ĐỀ TÀI 8

8 TỔ CHỨC LUẬN VĂN 9

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 10

1.2 THỰC NGHỆM HIỆN TRƯỜNG 10

1.3 THÍ NGHIỆM TRONG PHÒNG 11

1.3.1 Xác định khối lượng riêng của Geofoam 12

1.3.2 Thí nghiệm nén nở hông tự do 13

1.3.3 Thí nghiệm xác định khối lượng nước hấp thụ và thoát nước 15

1.3.4 Thí nghiệm xác định tốc độ hòa tan trong dung môi gốc dầu hỏa 17 1.3.5 Thí nghiệm xác định tốc độ cháy của mẫu Geofoam 18

x

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MỐ CẦU HIỆN TRƯỜNG BẰNG

GEOFOAM 20

2.1 GIỚI THIỆU 20

2.2 VỊ TRÍ NGHIÊN CỨU 20

2.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 23

2.3.1 Vật liệu thí nghiệm hiện trường 23

2.3.2 Thiết bị thí nghiệm 27

2.4 TIẾN ĐỘ THI CÔNG 29

2.5 TRÌNH TỰ THI CÔNG 31

2.5.1 Chuẩn bị mặt bằng 31

2.5.2 Lắp dựng lán trại 33

2.5.3 Chế tạo và lắp dựng tường chắn thép 35

2.5.4 Lắp đặt Geofoam và cảm biến 38

2.5.5 Lắp đặt cốt thép và đổ bê tông 47

2.5.6 Thử tải bằng xe tải 30 Tấn 3 trục 50

2.5.7 Tháo dỡ mô hình thử nghiệm 52

2.5.8 Vệ sinh môi trường và hoàn trả mặt bằng 54

2.6 TÓM TẮT CHƯƠNG 2 55

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 56

3.1 GIỚI THIỆU 56

3.2 ẢNH HƯỞNG TĨNH TẢI THEO CHIỀU SÂU 56

3.3 ẢNH HƯỞNG HOẠT TẢI THEO CHIỀU SÂU VÀ CHIỀU DỌC CẦU 57 3.3.1 Ảnh hưởng của hoạt tải theo chiều sâu 57

xi

3.3.2 Ảnh hưởng của hoạt tải theo chiều dài dọc theo cầu 60

3.4 ẢNH HƯỞNG HOẠT TẢI ĐẾN CHUYỂN VỊ CỦA CÔNG TRÌNH61 3.4.1 Ảnh hưởng của hoạt tải đến chuyển vị đứng 61

3.4.2 Ảnh hưởng của hoạt tải đến chuyển vị ngang 61

3.5 TÓM TẮT CHƯƠNG 3 62

CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG VẬT LIỆU GEOFOAM 63

4.1 GIỚI THIỆU 63

4.2 TIÊU CHUẨN THÍ NGHIỆM 63

4.3 GEOFOAM HIỆN TRƯỜNG 63

4.4 THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 65

4.4.1 Thiết bị chế tạo mẫu trong phòng thí nghiệm 65

4.4.2 Thiết bị nén trong phòng thí nghiệm 66

4.5 QUÁ TRÌNH THÍ NGHIỆM 67

4.5.1 Thí nghiệm xác định khối lượng riêng của Geofoam 67

4.5.2 Thí nghiệm nén nở hông tự do 67

4.5.3 Thí nghiệm xác định khối lượng nước hấp thụ 69

4.5.4 Thí nghiệm xác định thời gian nước hấp thụ thoát ra mẫu Geofoam 70 4.5.5 Thí nghiệm xác định Geofoam hòa tan trong các dung môi hữu cơ, dung dịch axit, và nước phèn 70

4.5.6 Thí nghiệm xác định thời gian cháy của Geofoam 73

4.6 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 75

4.6.1 Khối lượng riêng của Geofoam 75

4.6.2 Cường độ nén của Geofoam 75

xii

4.6.3 Khả năng hấp thụ nước của Geofoam 78

4.6.4 Khả năng thoát nước của Geofoam 81

4.6.5 Geofoam tiếp xúc với các dung môi hữu cơ 83

4.6.6 Khả năng cháy của Geofoam 86

4.6.7 Ảnh hưởng côn trùng đến Geofoam 87

4.7 TÓM TẮT CHƯƠNG 4 88

CHƯƠNG 5: PHÁC THẢO QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 90

5.1 GIỚI THIỆU 90

5.2 PHẠM VI ÁP DỤNG 91

5.3 TÀI LIỆU VIỆN DẪN 91

5.4 ĐỊNH NGHĨA VÀ CÁC THUẬT NGỮ 93

5.5 QUY ĐỊNH CHUNG 94

5.5.1 Thiết kế 94

5.5.2 Các bước thi công 95

5.5.3 Liên kết Geofoam 96

5.5.4 Các trường hợp sử dụng liên kết 98

5.5.5 Đẩy nổi trong ứng dụng Geofoam 100

5.5.6 Các thông tin cần thiết 101

5.6 KHẢO SÁT ĐỊA KỸ THUẬT 102

5.6.1 Khảo sát địa kỹ thuật 102

5.6.2 Khảo sát địa hình và thủy văn 103

5.7 VẬT LIỆU SỬ DỤNG 104

5.8 QUY TRÌNH THIẾT KẾ 105

5.8.1 Quy định chung 105

xiii

5.8.2 Thiết kế vật liệu Geofoam xây dựng đường đầu cầu trên nền đất yếu

107

5.9 YÊU CẦU THIẾT KẾ 108

5.10 YÊU CẦU THI CÔNG 108

5.10.1 Công tác chuẩn bị thi công 108

5.10.2 Tổ chức thi công đại trà 109

5.11 CÔNG TÁC GIÁM SÁT 110

5.12 CÁC BƯỚC KIỂM SOÁT CHẤT LƯỢNG 112

5.13 QUY TRÌNH NGHIỆM THU 113

5.13.1 Phần chung 113

5.13.2 Kết quả đánh giá chất lượng 113

5.13.3 Hồ sơ nghiệm thu 114

5.14 BIỆN PHÁP AN TOÀN LAO ĐỘNG 114

5.15 YÊU CẦU VỀ BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG 115

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 117

TÀI LIỆU THAM KHẢO 120

PHỤ LỤC 128

xiv

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

%V - phần trăm thể tích nước hấp thụ (%)

∆L h - chuyển vị thay đổi của mẫu theo phương ngang (mm)

∆L v - chuyển bị thay đổi của mẫu theo phương đứng (mm)

A - diện tích mặt cắt ngang của mẫu (m2)

B s - bề rộng phân bố của các xe thiết kế trên mặt cắt ngang (m)

B w - bề rộng đáy khối đắp (m)

c’ - lực dính có hiệu của đất (kN/m2)

c u - sức chống cắt không thoát nước nền đất yếu (kN/m2)

E i - mô đun đàn hồi ban đầu (kN/m2)

f’ c - cường độ nén quy định của bê tông (MPa)

FS - hệ số an toàn

h - chênh cao mực nước (m)

H y - chiều dày lớp đất yếu (m)

k - tỷ số khối lượng riêng của mẫu sau khi hấp thụ nước so với ban đầu

l, L 0 - chiều dài mẫu ban đầu (mm)

L s - chiều dài của xe thiết kế (m)

m - khối lượng trung bình của mẫu (g)

m 1 - khối lượng ban đầu của mẫu (g)

m 2 - khối lượng của mẫu sau khi đặt trong nước (g)

m 3 - khối lượng mẫu sau khi thoát nước (g)

m a - khối lượng nước hấp thụ (g)

m d - khối lượng nước thoát ra (g)

N - áp lực của nền đắp (kN)

N c - hệ số sức chịu tải

P - lực gia tải (kN)

q uEPS - cường độ nén cho phép của Geofoam (kN/m2)

t 1 - thời gian trước khi cho mẫu tiếp xúc lửa, dung môi, nước (giây, ngày)

t 2 - thời gian đặt trong nước của mẫu (ngày)

t 3 - thời gian đặt ngoài không khí của mẫu (ngày)

xv

t a - thời gian hấp thụ nước (ngày)

t c - thời gian cháy của mẫu (giây)

t d - thời gian hấp thụ nước (ngày)

t s - thời gian hòa tan của mẫu (giây)

u - áp lực nước lỗ rỗng (kN/m2)

U - độ cố kết của nền đường (%)

V - thể tích ban đầu của mẫu (m3)

w - chiều rộng của mẫu (m)

W c - khối lượng riêng của bê tông (kg/m3)

γ 1 - khối lượng riêng ban đầu của mẫu (kg/m3)

γ 2 - khối lượng riêng của mẫu sau khi hấp thụ nước (kg/m3)

γ e - trọng lượng riêng tương đương của các loại vật liệu (kN/m3)

γ w - trọng lượng riêng của nước (kN/m3)

xvi

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Đặc tính của các loại Geofoam có khối lượng riêng khác nhau theo

ASTM D6817 [4] 12

Bảng 2.1 Chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất tại Khu công nghiệp Hiệp Phước (Nguyễn Quốc Khánh 2012 [57]) 23

Bảng 2.2 Kết quả thí nghiệm các tính chất của Geofoam EPS-22 (QUATEST3) 24

Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật của xe thử tải 3 trục nặng 30 tấn 28

Bảng 3.1 Áp lực hoạt tải tính toán và đo đạc 59

Bảng 5.1 Tính chất vật lý yêu cầu của Geofoam 104

Bảng 5.2 Các thông số thi công cần được ghi nhận ở hiện trường 111

Bảng 5.3 Tần suất kiểm tra cường độ nén 112

xvii

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Cảm biến đo áp lực và thiết bị đọc 11

Hình 1.2 Mẫu và thiết bị nén nở hông tự do (UCS) (Puppala et al 2019 [66]) 13

Hình 1.3 Thí nghiệm xác định khối lượng nước hấp thụ 17

Hình 1.4 Thí nghiệm hòa tan Geofoam trong dung môi gốc dầu hỏa 18

Hình 1.5 Thí nghiệm đốt cháy Geofoam 19

Hình 2.1 Vị trí thi công thử nghiệm hiện trường 21

Hình 2.2 Bình đồ từ đường lớn vào vị trí nghiên cứu 22

Hình 2.3 Mặt bằng vị trí nghiên cứu 22

Hình 2.4 Geofoam được tập kết cho thực nghiệm hiện trường 24

Hình 2.5 Thép gia công tường chắn mố 25

Hình 2.6 Thiết bị liên kết khối vật liệu Geofoam (Trần Nguyễn Hoàng Hùng và Phan Phước Vĩnh, Cục SHTT, QĐ số 6762w/QĐ-SHTT ngày 03/06/2020) 26

Hình 2.7 Cảm biến đo áp lực đất tổng 27

Hình 2.8 Xe 30 tấn có 3 trục 28

Hình 2.9 Tiến độ thi công 30

Hình 2.10 Mặt bằng hiện trạng 31

Hình 2.11 Công tác phát hoang dọn cỏ 32

Hình 2.12 Tôn cao dốc đường vào 33

Hình 2.13 Lắp dựng hệ khung lán trại 34

Hình 2.14 Lán trại được phủ bạt 34

Hình 2.15 Chế tạo khung chống V (50 x 50 x 5) mm 35

xviii

Hình 2.16 Tấm thép (3 x 0,75 x 0,005) m được bố trí và hàn mép lại với

nhau 36

Hình 2.17 Thép tấm (3 x 1,5 x 0,005) m được bố trí dọc theo phần tường chắn 36

Hình 2.18 Công tác lắp tường thép và hệ khung chống V 37

Hình 2.19 Tường thép được mài gỉ và sơn 37

Hình 2.20 Geofoam được vận chuyển đến công trường 38

Hình 2.21 Bảo quản Geofoam ở hiện trường 39

Hình 2.22 Geofoam dễ dàng vận chuyển bởi hai người 39

Hình 2.23 Bố trí và lắp đặt cảm biến lớp 1 42

Hình 2.24 Lắp đặt các khối Geofoam lớp 2 và một số cách liên kết Geofoam 45

Hình 2.25 Lắp đặt cảm biến 3 45

Hình 2.26 Lắp đặt Geofoam lớp 3 và 4 46

Hình 2.27 Geofoam cắt bằng dây nhiệt 46

Hình 2.28 Lắp đặt cảm biến 4 và 5 47

Hình 2.29 Lắp đặt cốt thép 48

Hình 2.30 Đổ bê tông đường dẫn 48

Hình 2.31 Bảo dưỡng bê tông 49

Hình 2.32 Hoàn tất công tác bảo dưỡng bê tông 49

Hình 2.33 Sơ đồ vị trí thử tải 50

Hình 2.34 Xe di chuyển đến vị trí 1 m 51

Hình 2.35 Bộ phận thu dữ liệu Readout 51

Hình 2.36 Tháo dỡ tường thép 52

Hình 2.37 Kiểm tra chiều dày lớp bê tông 53

xix

Hình 2.38 Tháo dỡ các khối Geofoam 53

Hình 2.39 Vệ sinh và hoàn trả mặt bằng 54

Hình 3.1 Áp lực tĩnh tải của tấm bê tông và các khối Geofoam 57

Hình 3.2 Áp lực hoạt tải phân bố theo chiều sâu theo từng vị trí đặt tải 59

Hình 3.3 Áp lực từ cảm biến khi xe di chuyển theo phương dọc cầu 60

Hình 3.4 Vị trí đo chuyển vị đứng 61

Hình 4.1 Geofoam từ thực nghiệm 64

Hình 4.2 Cắt mẫu Geofoam 64

Hình 4.3 Mẫu Geofoam 65

Hình 4.4 Thiết bị cắt Geofoam 65

Hình 4.5 Thiết bị nén 1 trục nở hông tự do (UCS) 66

Hình 4.6 Đo kích thước và cân khối lượng mẫu Geofoam 67

Hình 4.7 Thiết bị nén nở hông tự do các mẫu Geofoam đang vận hành 68

Hình 4.8 Hệ thống đồng hồ đo chuyển vị đứng và chuyển vị ngang trong quá trình nén mẫu Geofoam 68

Hình 4.9 Đo kích thước mẫu Geofoam hấp thụ nước 69

Hình 4.10 Ngâm mẫu Geofoam trong nước và cân mẫu 69

Hình 4.11 Thí nghiệm xác định mẫu Geofoam thoát nước đã hấp thụ 70

Hình 4.12 Kích thước mẫu Geofoam thí nghiệm hòa tan 71

Hình 4.13 Xăng tiếp xúc với Geofoam 71

Hình 4.14 Dầu hỏa tiếp xúc với Geofoam 72

Hình 4.15 Dầu nhớt tiếp xúc với Geofoam 72

Hình 4.16 Nước phèn (pH = 6.5) và dung dịch axit (pH = 4) 72

Hình 4.17 Geofoam tiếp xúc với dung dịch axit và nước phèn 73

xx

Hình 4.18 Đo kích thước mẫu Geofoam thí nghiệm đốt cháy 74

Hình 4.19 Đốt cháy mẫu 74

Hình 4.20 Quan hệ giữa cường độ nén nở hông tự do (qu) và biến dạng dọc trục (ε) của Geofoam trong 5 chu kì gia tải – dỡ tải 76

Hình 4.21 Quan hệ giữa cường độ nén nở hông tự do (qu) và biến dạng dọc trục (ε) 77

Hình 4.22 Khối lượng nước hấp thụ của Geofoam theo thời gian 79

Hình 4.23 Quan hệ giữa thể tích nước hấp thụ (%) và khối lượng riêng của Geofoam trong 90 ngày 80

Hình 4.24 Quan hệ giữa tỷ số khối lượng riêng của mẫu sau khi hấp thụ nước so với ban đầu 80

Hình 4.25 Mối quan hệ giữa thời gian và khối lượng nước thoát ra 83

Hình 4.26 Mẫu Geofoam tiếp xúc với xăng 84

Hình 4.27 Mẫu Geofoam tiếp xúc với dầu hỏa 85

Hình 4.28 Geofoam tiếp xúc với dầu nhớt, dung dịch axit và nước phèn sau 90 ngày 86

Hình 4.29 Geofoam tiếp xúc với lửa 87

Hình 4.30 Geofoam bị ảnh hưởng bởi mối 88

Hình 5.1 Bản vẽ tổng quan giữa Geofoam và liên kết (Trần Nguyễn Hoàng Hùng và Phan Phước Vĩnh, Cục SHTT, QĐ số 6762w/QĐ-SHTT ngày 03/06/2020) 96

Hình 5.2 Cấu tạo chi tiết liên kết (Trần Nguyễn Hoàng Hùng và Phan Phước Vĩnh, Cục SHTT, QĐ số 6762w/QĐ-SHTT ngày 03/06/2020) 97

Hình 5.3 Cấu tạo 6 loại liên kết Geofoam (Trần Nguyễn Hoàng Hùng và Phan Phước Vĩnh, Cục SHTT, QĐ số 6762w/QĐ-SHTT ngày 03/06/2020) 98

Hình 5.4 Cách sắp xếp và sử dụng 6 loại liên kết Geofoam (Trần Nguyễn Hoàng Hùng và Phan Phước Vĩnh, Cục SHTT, QĐ số 6762w/QĐ-SHTT ngày 03/06/2020) 99

xxi

Hình 5.5 Biểu đồ quan hệ giữa mực nước dâng và hệ số an toàn đẩy nổi 100 Hình 5.6 Biểu đồ quan hệ giữa mực nước dâng và chiều dày mặt đường

BTCT với hệ số an toàn đẩy nổi, FS = 1,2 101

Hình 5.7 Quy trình thiết kế ứng dụng vật liệu Geofoam 106

ra hiện tượng lún lệch và tiêu tốn hàng triệu đô cho chi phí sửa chữa (Islam 2010 [46], Thiagarajan 2010 [86]) Trong những thập kỷ qua, các nghiên cứu mở rộng được thực hiện nhằm mục đích tìm hiểu nguyên nhân chính dẫn đến lún lệch đầu cầu (Hopkins

& Deen 1969 [33], Briaud et al 1997 [15], Long et al 1998 [49], Horvath 2000 [40], White et al 2007 [94], Chen & Chai 2011 [19], Mishra et al 2012 [51]) Các nguyên nhân gây lún chủ yếu thường là do lún cố kết của lớp đất yếu bên dưới chưa được xử

lý triệt để, sự dịch chuyển đất của mái đất đắp trước mố, áp lực ngang lên mố do nền đất đắp tác dụng, thiết kế bản quá độ không hợp lý, v.v (Briaud et al 1997 [15]) Hiện tượng lún đường dẫn gây ra nguy hiểm lớn cho các phương tiện di chuyển, đặc biệt

là các phương tiện vận tải lớn, gây hỏng hóc phương tiện hàng hóa, phát sinh tải trọng xung kích phụ thêm lên mố cầu hoặc cống, tốn kém cho công tác duy tu bảo dưỡng, gây cảm giác khó chịu cho người tham gia giao thông và làm mất an toàn giao thông (Nguyễn Thị Thu Hằng 2015 [56], Quách Hồng Chương và Trần Nguyễn Hoàng Hùng 2016 [72]) Nhiều giải pháp xử lý nền đất yếu đường đầu cầu như: đắp gia tải, giếng cát, cọc đá, cọc cát, bấc thấm, cọc đất trộn xi măng, v.v Tuy nhiên, các phương pháp trên tốn nhiều thời gian và chi phí Việc dùng Geofoam thay cho các loại đất đắp truyền thống mà không cần phải xử lý nền đất yếu bên dưới là một giải pháp mới đang được nhiều nước trên thế giới áp dụng

Expanded Polystyrene (EPS) Geofoam (sau đây gọi tắt là Geofoam) được ứng dụng xây dựng đường vào cầu trên nền đất yếu bằng cách đặt trực tiếp lên nền đất mà không cần phải xử lý nền hay chỉ xử lý tối thiểu Quá trình thi công để nâng cao nền

2004 [77], Mohajerani et al 2017 [52]) Các tuyến đường Nhật bản và Malaysia (Elragi 2006 [26]) Vật liệu Geofoam giảm áp lực tác dụng lên lớp đất bên dưới và kết cấu công trình Geofoam giúp còn giảm tổng chi phí xây dựng, không cần thiết bị đặc biệt, và ít bị ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết Ngoài ra, Geofoam có thể dễ dàng cắt tạo hình ngay công trường

Vật liệu nhẹ Geofoam vẫn chưa được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi vào xây dựng công trình giao thông ở Việt Nam Nghiên cứu ứng dụng vật liệu Geofoam xây dựng đường đầu cầu trên đất yếu là cần thiết Luận văn tập trung vào việc nghiên cứu thực nghiệm xây dựng mô hình mố cầu và đường dẫn vào cầu bằng Geofoam được sản xuất trong nước nhằm nghiên cứu ứng xử của Geofoam đối với áp lực do tĩnh tải, hoạt tải gây ra, và chuyển vị tức thời của toàn bộ công trình trên nền đất yếu tại Thành phố Hồ Chí Minh (TP HCM) Đánh giá chất lượng Geofoam sau thử nghiệm về các đặc trưng cơ-lý-hóa như thí nghiệm nén nở hông tự do (UCS), thí nghiệm hòa tan trong dung môi hữu cơ gốc dầu hỏa, thí nghiệm hấp thụ nước, thoát nước, và thí nghiệm đốt cháy Các kết quả nghiên cứu này sẽ là nền tảng quan trọng để ứng dụng vào thiết kế và thi công vật liệu Geofoam xây dựng các công trình giao thông trên nền đất yếu ở TP HCM nói riêng và Việt Nam nói chung

Nghiên cứu tổng quan nhằm khái quát các kết quả nghiên cứu đã được công bố trên thế giới, trong nước liên quan đến các công trình, thử nghiệm hiện trường và các đặc trưng cơ-lý-hóa của vật liệu Geofoam Kết quả ban đầu của nghiên cứu tổng quan là

3

cơ sở cần thiết để xác định mục tiêu, xây dựng cơ sở lý thuyết, và giúp định hướng phương pháp nghiên cứu để thực hiện đề tài Nội dung nghiên cứu tổng quan của luận

văn được trình bày chi tiết ở Phụ lục A Một số kết quả nổi bật rút ra từ kết quả

nghiên cứu tổng quan được trình bày tóm tắt như sau:

(1) Geofoam có tuổi thọ ước lượng trên 100 năm nếu được bảo vệ tốt và tránh các tác nhân gây hư hỏng trong quá trình thi công và khai thác (Frydenlund & Aabøe 2001 [28], Horvath 2010a [43], Aabøe & Frydenlund 2011 [2], Chena

et al 2015 [20])

(2) Áp lực do tĩnh tải đặt lên Geofoam từ 30-50% cường độ Geofoam để tránh biến dạng do từ biến theo thời gian (Frydenlund & Aabøe 2001 [28], Elragi

2006 [26], Horvath 2010a [43], Aabøe & Frydenlund 2011 [2])

(3) Geofoam giảm áp lực ngang lên tường chắn (Horvath 1991 [34], Trandafir and Erickson 2012 [88], Ertugrul & Trandafir 2013 [24], Özer and Akay 2016 [21],

Ni et al 2017 [54], Dasaka and Gade 2018 [23], Kim et al 2018 [47], Xie et

al 2020 [95])

(4) Tải trọng theo phương đứng tác dụng lên Geofoam không được vượt quá cường độ nén ở biến dạng 1% để tránh biến dạng do từ biến (Srivastava 2019 [83], Horvath 2010a [43])

(5) Áp lực đẩy nổi cần được phân tích để có hệ số an toàn phù hợp và phân tích các chất gây ô nhiễm trong nước gây ảnh hưởng đến độ bền của Geofoam khi Geofoam bố trí nằm dưới mực nước ngầm (Srivastava 2019 [83])

(6) Tải trọng trục tác dụng lên mặt đường thông qua vệt bánh xe lan truyền thông qua tấm bê tông cốt thép không phân bố qua góc 450 (Leshchinsky et al 2004 [50], Tsukamoto 2011 [87], Bartlett 2012 [17])

(7) Geofoam được sử dụng làm vật liệu xây dựng như vật liệu đắp nền đường (Ghotbi Siabil et al 2019 [30], 2020 [32], Puppala et al 2019 [66]), vật liệu đắp trên đường ống hay cống (Bartlett et al 2015 [18], Meguid et al 2017 [53], Ni et al 2018 [55], Plácido and Portelinha 2019 [67], Rasouil and Fatahi

2020 [73], Tafreshi et al 2020 [90], Puppla et al 2020 [66])

4

(8) Giai đoạn ứng xử đàn hồi của Geofoam ở biến dạng 1,14-1,78% tùy vào khối lượng riêng Geofoam (Phan Phước Vĩnh và Trần Nguyễn Hoàng Hùng 2020b [70])

(9) Cường độ nén nở hông tự do của Geofoam tăng theo khối lượng riêng, tăng tuyến tính ở biến dạng ≤ 2% Cường độ ở biến dạng ≤ 2 % được xem là cường

độ nén lớn nhất trong thiết kế, qumax từ 31,6 đến 122,8 kPa cho Geofoam từ

12,1 đến 28,6 kg/m3 (Tran-Nguyen & Phan 2019 [90]), qu đạt từ 40 kPa đến

200 kPa ở biến dạng 10% cho Geofoam theo khối lượng riêng từ 12-29 kg/m3(Duskov 1997 [21], Elragi 2006 [26], Horvath 2010a [43])

(10) Mô đun đàn hồi của vật liệu Geofoam thường ở biến dạng nhỏ hơn hoặc bằng

1%, tăng theo khối lượng riêng Mô đun đàn hồi ban đầu (Ei) đạt từ 2-10 MPa

cho Geofoam theo khối lượng riêng từ 12-29 kg/m3 ở tốc độ nén 1mm/phút

Mô đun đàn hồi khi dỡ tải (Eu) đạt từ 1,85-8,51 MPa ở tốc độ nén 1mm/phút

(Horvath 1994 [35], Elragi 2006 [26], Ossa & Romo 2012 [60], Tran-Nguyen

& Phan 2019 [90])

(11) Hệ số Poisson của Geofoam tăng theo khối lượng riêng, và không phụ thuộc vào tốc độ nén, nằm trong khoảng 0,05-0,2, nhỏ hơn các vật liệu đắp truyền thống như cát, đất đắp, và sét (Elragi 2006 [26], Ossa & Romo 2009 [58], Stark

et al 2012 [78], Tran-Nguyen & Phan 2019 [90])

(12) Dưới tác dụng tải trọng trùng phục, Geofoam biến dạng đàn hồi khi tải trọng trùng phục nhỏ hơn 80% cường độ của vật liệu (Elragi 2006 [26], Horvath 2010a [43], Trandafir et al 2010 [85])

(13) Geofoam có khả năng hấp thụ nước kém, khả năng hấp thụ nước của Geofoam giảm khi khối lượng riêng tăng, thể tích nước hấp thụ từ 3,3-5% theo thể tích trong 1 năm và thể tích nước hấp thụ tối đa từ 8-9% (Duskov 1997 [21], Elragi 2006 [26], Ossa & Romo 2011 [59]) Geofoam hấp thụ hơn 60% lượng nước trong 7 ngày đầu, hấp thụ hơn 90% lượng nước trong 35 ngày kế

tiếp và dưới 10% lượng nước hấp thụ ở thời gian còn lại Khối lượng riêng (ρ)

sau khi hấp thụ tăng từ 1,3-3,7 lần (Phan Phước Vĩnh và Trần Nguyễn Hoàng Hùng 2020a [69])

5

(14) Geofoam là loại vật liệu cách âm, cách nhiệt tốt (Elragi 2006 [26], Stark et

al 2012 [78], Mohajerani et al 2017 [52])

(15) Geofoam bị phá hủy cấu trúc, làm giảm lực ma sát bề mặt, và giảm cường độ nén bởi tia cực tím khi cho tiếp xúc trực tiếp với ánh sáng mặt trời (Horvath

2001 [41], Elragi 2006 [26], Mohajerani et al 2017 [52])

(16) Geofoam là vật liệu dễ cháy nên không để gần ngọn lửa hoặc các nguồn gây cháy, Geofoam chỉ được sử dụng trong môi trường có nhiệt độ thấp hơn 80oC (Elragi 2006 [26], Horvath 2001 [41], Mohajerani et al 2017 [52], Phan Phước Vĩnh và Trần Nguyễn Hoàng Hùng 2020a [69])

(17) Geofoam có khả năng bị ăn mòn và hòa tan bởi các dung dịch có tính axit mạnh, oxy hóa mạnh, và dung môi gốc hữu cơ như xăng, dầu hỏa, dầu diesel, axit sulfuaric, v.v (Elragi 2006 [26], Horvath 2010a [43], Mohajerani et al

2017 [52]) Geofoam bị hòa tan nhanh trong xăng và dầu hỏa, không bị hòa tan trong dầu nhớt (Phan Phước Vĩnh và Trần Nguyễn Hoàng Hùng 2020a [69])

(18) Geofoam là vật liệu không có chất dinh dưỡng, không thu hút kiến, mối, và các động vật gặm nhắm nhưng các loại động vật này có thể đào xuyên qua Geofoam để tiếp cận nguồn thức ăn khác hoặc dùng làm chỗ ở (Elragi 2006 [26], Horvath 2010a [43], Mohajerani et al 2017 [52])

(19) Geofoam không bị phân huỷ sinh học, trơ ở môi trường đất, nước, và không gây ô nhiễm môi trường (Horvath 1994 [35], Elragi 2006 [26], Mohajerani et

al 2017 [52])

Xây dựng nền đường đắp và đường đầu cầu trên nền đất yếu bắt buộc phải xử lý lún

cố kết trong quá trình thi công và khai thác Hiện nay, nhiều phương pháp xử lý nền đất yếu được sử dụng như làm tăng nhanh quá trình cố kết trong nền đất bằng bấc thấm hoặc giếng cát kết hợp gia tải trước, gia cố nền đất yếu bằng cọc đất trộn xi măng, cọc cát đầm, hoặc cọc đá Tuy nhiên, các phương pháp xử lý nền đất yếu hiện

6

nay đòi hỏi phải có thiết bị đặc biệt, đội ngũ kỹ sư có kinh nghiệm, và tiêu tốn phần lớn thời gian, và chi phí xây dựng công trình Các ảnh hưởng từ tiếng ồn do thiết bị thi công và quá trình cung ứng vật liệu, ô nhiễm bởi bụi và khí thải, v.v., làm hạn chế

áp dụng trong khu vực đông dân cư Vật liệu nhẹ được đề xuất sử dụng trong ngành xây dựng nhằm khắc phục các nhược điểm của vật liệu đắp thông thường như Geofoam (Horvath 1997 [36], Athanasopoulos et al 1999 [1], Bathurst et al 2007 [16], Bartlett et al 2015 [18], El-kady et al 2018 [25])

Công trình giao thông xây dựng bên trên các lớp đất yếu sử dụng các khối Geofoam nhằm giảm tối thiểu độ lún cố kết được xem như một công nghệ mới đã và đang được nhiều nước trên thế giới áp dụng (Thompsett et al 1995 [84], Beinbrech

& Hillmann 1997 [14], Perrier 1997 [63], Aabøe & Frydenlund 2011 [2], Papacharalampous & Sotiropoulos 2011 [64], Tsukamoto 2011 [87], Vardhanabhuti

et al 2015 [93], Özer & Akinay 2019 [62], Giuliani et al 2020 [31], Tafreshi and Siabil 2020 [91]) Tuy nhiên, Geofoam vẫn chưa được nghiên cứu một cách toàn diện

và ứng dụng rộng rãi vào xây dựng công trình giao thông ở Việt Nam Đề tài này tập trung vào thực nghiệm Geofoam xây dựng đường đầu cầu trên nền đất yếu ở TP HCM

và đánh giá chất lượng Geofoam sau thực nghiệm Kết quả nghiên cứu này sẽ là nền tảng quan trọng để xây dựng quy trình công nghệ, tiêu chuẩn cơ sở, tiêu chuẩn Việt Nam và ứng dụng đại trà vật liệu Geofoam xây dựng các công trình giao thông ở Việt Nam

4 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu ứng dụng vật liệu Geofoam xây dựng đường đầu cầu trên đất yếu ở TP HCM Geofoam sử dụng trong nghiên cứu này dùng làm vật liệu đắp nền thay cho vật liệu đắp truyền thống như đất, cát san lấp v.v Các mục tiêu chi tiết giúp từng bước đạt được mục tiêu chính

(1) Tổng quan về ứng dụng vật liệu Geofoam xây dựng đường vào cầu trên nền đất yếu được nghiên cứu

(4) Đánh giá chất lượng Geofoam sau khi thực nghiệm hiện trường về các chỉ tiêu cơ-lý-hóa

(5) Phác thảo quy trình công nghệ ứng dụng vật liệu Geofoam xây dựng đường

đầu cầu

5 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Thi công thử nghiệm hiện trường ứng dụng vật liệu Geofoam được sản xuất trong

nước có khối lượng riêng γ = 21± 1 kg/m3 xây dựng mố cầu và đường dẫn đầu cầu kích thước cao 2,5 m, rộng 3 m, dài 25 m với độ dốc dọc 10% trên nền đất yếu tại Khu Công nghiệp Hiệp Phước, TP HCM Các thí nghiệm trong phòng đánh giá chất lượng Geofoam thực nghiệm về các đặc trưng cơ-lý-hóa như cường độ chịu nén (UCS), khả năng hấp thụ nước, khả năng thoát nước, tốc độ hòa tan trong dung môi

gốc dầu hỏa (xăng, dầu hỏa, và dầu nhớt), ảnh hưởng của dung dịch axit (pH = 4), nước phèn (pH = 6.5), và tốc độ cháy

6 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

Mô hình mố cầu bằng Geofoam được xây dựng tại hiện trường Kết quả phân tích số liệu thu được từ thực nghiệm Các đặc trưng cơ-lý-hóa của vật liệu Geofoam sau khi thử nghiệm được đánh giá như khối lượng riêng, cường độ chịu nén, mô đun đàn hồi,

hệ số poisson, khả năng hòa tan trong dung môi gốc dầu hỏa, khả năng hấp thụ nước,

và thời gian cháy Quy trình công nghệ ứng dụng vật liệu Geofoam được phác thảo

Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả của nghiên cứu là là cơ sở khoa học quan trọng giúp các chủ đầu từ như các

Sở giao thông vận tải (GTVT) TP HCM và các tỉnh, các Ban quản lý dự án, các đơn

vị tư vấn thiết kế, hay các nhà đầu tư tư nhân tự tin áp dụng rộng rãi vật liệu nhẹ Geofoam nhằm tối ưu hoá và đa dạng hoá các giải pháp xây dựng đường đầu cầu trên đất yếu Nếu đề tài nghiên cứu thành công, Geofoam sẽ trở thành vật liệu mới ưu tiên hàng đầu trong xây dựng các công trình cầu đường ở TP HCM

Khả năng chuyển giao kết quả hay ứng dụng đại trà là rất cao vì hai lý do: (1) vật liệu nhẹ Geofoam hoàn toàn có thể sản xuất trong nước theo yêu cầu của đơn đặt hàng về các thông số kỹ thuật và khối lượng; (2) công tác thi công rất đơn giản và nhanh chóng không yêu cầu cao về thiết bị thi công Sự thành công của đề tài giúp khẳng định: (a) Vật liệu nhẹ Geofoam hoàn toàn phù hợp với điều kiện Việt Nam như khí hậu, không tác hại môi trường, và nguồn cung cấp trong nước (b) Mô hình mố cầu và đường đầu cầu được thử nghiệm hiện trường là minh chứng đủ sức thuyết phục

về tính khả thi của vật liệu nhẹ Geofoam (c) Quy trình hướng dẫn sử dụng hoàn chỉnh được xây dựng như một tiêu chuẩn ngành

cơ sở lý thuyết phục vụ cho tính toán thực nghiệm hiện trường và các thí nghiệm đánh giá chất lượng Geofoam trong phòng Quá trình xây dựng mô hình mố cầu hiện trường bằng Geofoam được trình bày trong Chương 2 Chương 3 trình bày các kết quả từ thực nghiệm Đánh giá chất lượng vật liệu Geofoam bằng các thí nghiệm trong phòng

về các chỉ tiêu cơ-lý-hóa được trình bày trong Chương 4 Chương 5 trình bày Quy trình công nghệ ứng dụng vật liệu Geofoam Phần kết luận dựa trên những kết luận chính từ quá trình nghiên cứu thực nghiệm và các thí nghiệm đánh giá chất lượng, một số kiến nghị và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo Phụ lục A – Tổng quan về vật liệu và thực nghiệm Geofoam

10

CHƯƠNG 1:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Chương 1 trình bày cơ sở lý thuyết phục vụ cho đề tài “Nghiên cứu ứng dụng vật liệu Geofoam xây dựng đường đầu cầu trên đất yếu ở Thành phố Hồ Chí Minh” được thực hiện bằng 2 phương pháp gồm Thực nghiệm hiện trường và Thí nghiệm trong phòng

Cơ sở lý thuyết tính toán dữ liệu thu được từ các cảm biến đo áp lực đất tổng được lắp đặt trong mô hình mố cầu ở hiện trường và đánh giá chất lượng Geofoam sau thực nghiệm

Sơ đồ bố trí chi tiết được trình bày trong Mục 2.5.4 Cảm biến được sử dụng đo áp lực gồm có hai đĩa hình tròn làm bằng thép không gỉ được hàn lại với nhau xung quanh chu vi, bên trong là một không gian hẹp chứa đầy dầu đã hút chân không Sự thay đổi áp lực sẽ nén ép hai tấm đĩa lại với nhau làm tăng áp lực dầu bên trong tấm

đo Một bộ chuyển đổi áp lực dây rung sẽ chuyển đổi áp lực này thành tín hiệu điện

để truyền tới máy đọc Ngoài ra, thiết bị đọc cũng ghi nhận giá trị của nhiệt độ và áp suất tại thời điểm đọc để xét đến các ảnh hưởng về nhiệt độ và không khí cho phân

tích dữ liệu Giá trị số đọc ban đầu R0, nhiệt độ T0, và áp suất không khí S0 được ghi nhận khi vừa lắp đặt thiết bị Các giá trị số đọc R1, nhiệt độ T1, và áp suất không khí

S 1 ghi nhận tại thời điểm đọc lần thứ 1 Ứng suất từ các cảm biến được phân tích theo

hướng dẫn của nhà sản xuất “Báo cáo hiệu chuẩn bộ chuyển đổi áp lực dây rung” cho

11

từng cảm biến được trình bày trong Phụ lục A.8 Ứng suất tuyến tính hoặc đa thức

của cảm biến được phân tích theo Công thức (1.1), Công thức (1.2):

(0C); T1 – Nhiệt độ khi đọc R1 (0C); S0 – áp suất không khí ban đầu (kPa); S1 – áp suất không khí ứng với lần đọc R1 (kPa) A, B, C – Hệ số đa thức ứng với mỗi cảm biến

12

tuân theo các tiêu chuẩn ASTM C203-05a [9], C303-10 [5], D1621-16 [6],

D2842-12 [8], D2863-13 [7], D6817-15 [4]

1.3.1 Xác định khối lượng riêng của Geofoam

Thí nghiệm xác định khối lượng riêng của Geofoam được thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM C303 [5] và tham khảo tiêu chuẩn ASTM D6817 [4] về giá trị khối lượng riêng của một số loại Geofoam khi chưa có các tiêu chuẩn thay thế (Bảng 1.1) Mẫu thí nghiệm có kích thước dài tối thiểu 200 mm, rộng tối thiểu 100 mm, cao tối thiểu

100 mm, và số lượng không ít hơn 5 mẫu được gia công cắt gọt từ khối Geofoam của nhà sản xuất, được kiểm tra độ đồng đều và làm phẳng trước khi tiến hành thí nghiệm Mẫu được đo chiều dài, chiều rộng, chiều cao mẫu với kích thước mỗi chiều lần lượt tại các vị trí: 2 vị trí góc, 2 vị trí cách góc từ 25 đến 75 mm, vị trí giữa 2 góc của 1 cạnh, và đo 2 cạnh bằng thước kẹp có độ chính xác đến ±1% Cân điện tử có độ chính xác đến 5 gam hoặc 1% (tùy điều kiện nào nhỏ hơn) để xác định khối lượng mẫu, mỗi mẫu cân tối thiểu 3 lần Giá trị trung bình của các lần đo và tính khối lượng riêng của mẫu Geofoam theo Công thức (1.3):

EPS12 EPS15 EPS19 EPS22 EPS29 EPS39

Khối lượng riêng (kg/m3) 11,2 14,4 18,4 21,6 28,8 38,4 Cường độ nén ở biến dạng

13

1.3.2 Thí nghiệm nén nở hông tự do

Thí nghiệm nén một trục nở hông tự do (UCS) xác định cường độ nén nở hông tự do

(qu) trong giai đoạn đàn hồi, qu tại lúc phá hoại, mô đun đàn hồi ban đầu (Ei), mô đun đàn hồi khi dỡ tải (Eu) và hệ số Poisson của mẫu (ν) Thí nghiệm UCS được thực hiện

tuân theo tiêu chuẩn ASTM D1621 [6] Mẫu thí nghiệm có dạng hình lập phương hoặc hình trụ với diện tích mặt cắt ngang tối thiểu là 25,80 cm2 và tối đa là 232 cm2 Chiều cao tối thiểu phải là 2,54 cm và chiều cao tối đa không được lớn hơn chiều rộng hoặc đường kính của mẫu Tải trọng phải được đặt thẳng góc với bề mặt tiếp xúc của mẫu Các bề mặt mẫu được kiểm tra độ đồng đều và làm phẳng trước khi tiến hành thí nghiệm UCS Mỗi loại cần kiểm tra số lượng tối thiểu là 5 mẫu Tốc độ nén gia tải nhỏ hơn 10% chiều cao mẫu/phút, ghi lại số đọc giá trị lực, biến dạng dọc trục,

và biến dạng ngang ở mỗi cấp biến dạng dưới 0,5% Quá trình gia tải được tiếp diễn cho đến khi mẫu bị phá hoại hoặc đạt biến dạng tối thiểu 13%, tùy theo điều kiện nào xảy ra trước Khi nén, lực nén phải được gia tải liên tục và không tăng đột biến Hình 1.2 trình bày thiết bị nén UCS mẫu hình trụ của tác giả Puppala và cộng sự 2019

Hình 1.2 Mẫu và thiết bị nén nở hông tự do (UCS) (Puppala et al 2019 [66])

trong đó: P – lực gia tải (kN); A – diện tích mặt cắt ngang của mẫu (m2)

1.3.2.2 Mô đun đàn hồi ban đầu, E i

E i được tính theo Công thức (1.5):

trong đó: ∆L – chiều dài thay đổi của mẫu hay biến dạng đọc từ thiết bị đo (mm); L0

– chiều dài mẫu ban đầu (mm)

15

trong đó: ∆Lh – chuyển vị thay đổi của mẫu đọc từ thiết bị đo theo phương ngang (mm); ∆Lv – chuyển bị thay đổi của mẫu đọc từ thiết bị đo theo phương đứng (mm)

1.3.3 Thí nghiệm xác định khối lượng nước hấp thụ và thoát nước

Thí nghiệm đo khối lượng nước hấp thụ nhằm mục đích xác định khả năng hấp thụ nước của Geofoam (Hình 1.3) Khối lượng riêng của Geofoam trước và sau khi hấp thụ nước được thu thập để đánh giá tải trọng của Geofoam tác dụng lên nền đường trong trường hợp đặt ở công trình ảnh hưởng bởi mực nước ngầm, mực nước dâng lên và rút xuống trong mùa mưa lũ Thí nghiệm xác định khối lượng nước hấp thụ được thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM D2842 Mẫu thí nghiệm có dạng hình khối với kích thước dài x rộng x cao là 150 x 150 x 75 ± 0,75 mm Trước khi ngâm nước, các

bề mặt mẫu phải được kiểm tra độ đồng đều và được làm phẳng, mẫu được cân để xác định khối lượng ban đầu, dụng cụ cân điện tử có độ chính xác ±0,1 g Mẫu được ngâm vào trong nước và duy trì ổn định ở 3 mực nước: cao hơn mặt trên cùng của mẫu là 51 mm, bằng mặt trên cùng của mẫu và cao bằng 50% chiều cao mẫu Sau 24 giờ, đọc và ghi lại số liệu cho đến khi khối lượng mẫu ổn định

1.3.3.1 Xác định thể tích của mẫu Geofoam theo Công thức (1.9)

trong đó: k – tỷ số khối lượng riêng của mẫu sau khi hấp thụ nước so với ban đầu; γ2

– khối lượng riêng của mẫu sau khi hấp thụ nước (kg/m3); γ1 – khối lượng riêng ban

đầu của mẫu (kg/m3)

1.3.3.6 Khối lượng nước hấp thụ của mẫu Geofoam được xác định theo Công thức

17

Hình 1.3 Thí nghiệm xác định khối lượng nước hấp thụ 1.3.4 Thí nghiệm xác định tốc độ hòa tan trong dung môi gốc dầu hỏa

Thí nghiệm xác định tốc độ hòa tan của mẫu Geofoam trong dung môi gốc dầu hỏa

nhằm mục đích xác định thời gian của Geofoam thử nghiệm hòa tan trong các dung

môi có khả năng tiếp xúc trong quá trình xây dựng công trình và khai thác như xăng,

dầu hỏa, và dầu nhớt do các thiết bị, phương tiện gặp sự cố rò rỉ Thí nghiệm xác định

tốc độ hòa tan của mẫu Geofoam lần lượt trong 3 dung môi xăng, dầu hỏa, và dầu

nhớt (Hình 1.4) Mẫu thí nghiệm có dạng hình khối với kích thước 60 x 30 x 30 ± 0,5

mm Các bề mặt mẫu phải được kiểm tra độ đồng đều và được làm phẳng trước khi

cho tiếp xúc với dung môi Mẫu được đặt vào trong các ly nhựa, lần lượt cho mẫu

tiếp xúc với xăng, dầu hỏa, và dầu nhớt Tốc độ hòa tan và thời gian hòa tan của mẫu

Geofoam trong từng dung môi được ghi lại Thời gian hòa tan mẫu Geofoam trong

dung môi gốc dầu hỏa được xác định theo Công thức (1.16):

s

trong đó: ts – thời gian hòa tan của mẫu (giây); t2 – thời gian sau khi hòa tan mẫu

(giây); t1 – thời gian trước khi đặt mẫu vào dung môi (giây)

18

Hình 1.4 Thí nghiệm hòa tan Geofoam trong dung môi gốc dầu hỏa

1.3.5 Thí nghiệm xác định tốc độ cháy của mẫu Geofoam

Thí nghiệm xác định tốc độ cháy của mẫu Geofoam nhằm mục đích xác định thời gian cháy của các loại Geofoam thử nghệm khi tiếp xúc với ngọn lửa và các nguồn gây cháy trong quá trình xây dựng công trình (Hình 1.5) Thí nghiệm xác định tốc độ cháy của mẫu Geofoam được thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM D2863 [7] Thí nghiệm xác định thời gian cháy của mẫu Geofoam khi tiếp xúc với lửa trong phòng ở điều kiện nhiệt độ 29oC và áp suất không khí Mẫu thí nghiệm có dạng hình khối với kích thước 100 x 10 x 10 ± 0,1 mm Các bề mặt mẫu phải được kiểm tra độ đồng đều và được làm phẳng trước khi cho tiếp xúc với ngọn lửa Mẫu được giữ cố định theo hướng thẳng đứng so với mặt đất Lửa tiếp xúc với mẫu ở mặt trên cùng, quan sát tốc

độ cháy, và ghi lại thời gian cháy của mẫu cho đến khi mẫu cháy hoàn toàn Thời gian cháy của mẫu Geofoam được xác định theo Công thức (1.17):

c

trong đó: tc – thời gian cháy của mẫu (giây); t2 – thời gian sau khi cháy mẫu (giây); t1

– thời gian trước khi cho mẫu tiếp xúc lửa (giây)