Luận án tiến sĩ Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông: Nghiên cứu ứng xử thấm của đất trộn vữa xi măng trong phòng

Thiết bị thí nghiệm thấm thành mềm đã được chế tạo phù hợp với tiêu chuẩn của Mỹ ASTM D5084 để phục vụ thí nghiệm thấm cho các mẫu soilcrete.. Các kết quả thí nghiệm cho thấy 1 k s của đ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

VIET NAM NATIONAL UNIVERSITY HO CHI MINH CITY

HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

LUONG THI BICH

INVESTIGATION OF PERMEABILITY OF SOILCRETE IN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Phản biện: TS Nguyễn Thị Thu Trà

NGƯỜI HƯỚNG DẪN: PGS.TS TRẦN NGUYỄN HOÀNG HÙNG

i

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu khác đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận án

LƯƠNG THỊ BÍCH

ii

TÓM TẮT LUẬN ÁN

Công nghệ đất trộn xi măng đã được đề xuất và ứng dụng trong các công trình chống

thấm như đê, đập, tường ngăn, vách hố đào, v.v Hệ số thấm (k s) của đất trộn xi măng (soilcrete) là một thông số vật lý quan trọng để đánh giá tính hiệu quả của soilcrete trong các ứng dụng này Tuy nhiên, các nghiên cứu trên thế giới về hệ số thấm của soilcrete chưa nhất quán Ở Việt Nam, hệ số thấm của soilcrete khó xác định, chưa được nghiên cứu chuyên sâu và toàn diện Mục tiêu của đề tài này là nghiên cứu bao quát ứng xử thấm của đất khu vực ĐBSCL trộn xi măng trong phòng Thiết bị thí nghiệm thấm thành mềm đã được chế tạo phù hợp với tiêu chuẩn của Mỹ ASTM D5084 để phục vụ thí nghiệm thấm cho các mẫu soilcrete Đất sử dụng trong nghiên cứu là các loại đất đặc trưng vùng ĐBSCL gồm đất bùn sét, sét dẻo mềm, sét dẻo cứng, và đất cát san lấp được thu thập tại hai tỉnh đại diện là Đồng Tháp và Hậu Giang Hơn 100 mẫu soilcrete được chế tạo từ các loại đất trộn lần lượt với ba loại xi măng gồm Portland thông thường (OPC40), Portland hỗn hợp (PCB40), và xi măng Portland chứa 50% xỉ lò cao (PCS) ở các hàm lượng khác nhau (200, 250, 300, 350, 400 kg/m3), riêng với mẫu đất cát san lấp trộn xi măng có trộn thêm bentonite với các hàm lượng lần lượt 15, 25, 50, 75, 100 kg/m3 Các mẫu soilcrete được thực hiện các thí nghiệm thấm, cường độ, và vi cấu trúc Thí nghiệm thấm được thực hiện theo phương pháp cột áp vào hạ - cột áp ra không đổi hoặc phương pháp cột áp vào hạ - cột áp ra dâng Thí nghiệm xác định cường độ soilcrete bằng máy nén một trục nở hông tự do Vi cấu trúc được khảo sát bằng kính hiển vi điện

tử quét (SEM), phân tích nhiễu xạ tia X (XRD), và phân tích phổ tán sắc năng lượng tia

X (EDS) Các kết quả thí nghiệm cho thấy (1) k s của đất bùn sét trộn xi măng giảm 100

lần so với đất tự nhiên; (2) k s của đất cát san lấp trộn xi măng giảm hơn 1000 lần so với

đất cát đầm chặt; (3) k s của soilcrete giảm theo thời gian bảo dưỡng; (4) k s của soilcrete giảm khi tăng hàm lượng xi măng; (5) đất sét trộn xi măng có hệ số thấm thấp hơn đất cát trộn xi măng 10 lần; (6) bentonite làm giảm hệ số thấm của đất cát san lấp trộn xi măng, nhưng khi hàm lượng bentonite vượt quá giá trị tối ưu, hệ số thấm soilcrete

bentonite tăng nhẹ khi tăng hàm lượng bentonite; (7) k s đất cát trộn xi măng PCS thấp

hơn so với trộn với xi măng OPC và PCB; (8) k s của soilcrete không phụ thuộc vào

gradient thủy lực; (10) cường độ các mẫu soilcrete tăng thì hệ số thấm giảm; (11) k s của soilcrete là thấp, nhỏ hơn 10-9 m/s và được xem là vật liệu không thấm; (12) cấu trúc bề

iii

mặt của mẫu đất cát san lấp trộn xi măng đặc chắc hơn so với mẫu đất cát chưa xử lý và ngày càng đặc chắc dần theo thời gian và hàm lượng xi măng, phù hợp với kết quả thí nghiệm thấm Kết quả nghiên cứu trong phòng về cường độ và hệ số thấm của soilcrete cho thấy hoàn toàn có thể ứng dụng công nghệ đất trộn xi măng để gia cố đường giao thông nông thôn (GTNT) kết hợp đê bao chống lũ ở khu vực ĐBSCL Hàm lượng xi măng để tạo cọc soilcrete cho mục đích ngăn thấm đê bao được đề xuất: đối với các loại

đất bùn sét, sét dẻo mềm, sét dẻo cứng trộn xi măng PCB40 thì A c = 300 kg/m3; đối với

đất cát san lấp trộn xi măng OPC40 hoặc xi măng PCS A c = 250 - 300 kg/m3, hoặc xi măng PCB40 hàm lượng 300 kg/m3 trộn thêm bentonite hàm lượng 25 kg/m3 Khả năng chống thấm, ổn định của đê đất gia cố cọc xi măng đất dưới điều kiện mực nước lũ rút nhanh được mô phỏng và phân tích bằng phần mềm SEEP/W và SLOPE/W Kết quả phân tích cho thấy tường soilcrete có hiệu quả cao trong việc ngăn dòng thấm và gia tăng ổn định cho đê bao Tường soilcrete một hàng cọc dày 0.4 m được áp dụng hiệu quả khi gia cố ở khu vực có khả năng sạt lở thấp Tường soilcrete hai hàng cọc dày 0.8

m có thể ứng dụng các đoạn nguy cơ sạt lở cao đảm bảo chống thấm và ổn định lâu dài

iv

ABSTRACT

The in-situ soils mixed with cement (soilcrete) technology (SCM) has been applied for seepage cutoff purposes such as impermeable cores for embankments, dams, containment walls, or leakage prevention for contamination The hydraulic conductivity

of soilcrete (k s ) is an important property to evaluate the effect of the soilcrete in these

applications However, some researches of authors in the world on the soilcrete permeability remains inconsistent In Vietnam, the soilcrete hydraulic conductivity remains difficult to determine It has not been studied thoroughly and full aspects yet This study aims a better understanding of the soilcrete permeability behaviors made from some typical soils in the Mekong delta mixing with cement in the laboratory The flexible wall permeameters were manufactured according to the ASTM D5084 standard

to conduct the permeability tests of the soilcrete Several typical soil types in the Mekong delta such as soft clay, medium clay, medium stiff clay, and dredging sand were taken in Dong Thap and Hau Giang provinces for this study About 100 soilcrete specimens were created from the soil types mixing with three types of cement including the Ordinary portland cement (OPC40), Portland cement blended (PCB40), and Portland cement slag (PCS) at various contents of 200, 250, 300, 350, 400 kg/m3, respectively For dredging sand mixed with the PCB40 at a content of 300 kg/m3 was additional mixed with bentonite at some contents of 15, 25, 50, 75, and 100 kg/m3, respectively The soilcrete specimens were tested the unconfined compressive strength (UCS), the permeability, and the microstructure The UCS tests were carried out according to the ASTM D2166 standard The permeability tests were performed by the falling head - constant tailwater method or falling head - rising tailwater method The soilcrete microstructure was investigated by a combination of scanning electron microscope (SEM), X-ray powder diffractometer (XRD), and energy-dispersive X-ray spectroscopy

(EDS) methods The results show that: (1) the k s of the soilcrete made from cement -

mixed soft clay was lower 100 times than that of the unmixed soft clay; (2) the k s of the sand soilcrete decreased 1000 times in comparison with the compacted sand sample; (3)

the k s of soilcrete reduced with increasing in cement contents and in curing time; (6)

bentonite reduced the k s of sand soilcrete However, when bentonite content exceeded

an optimum value, the k s of bentonite soilcrete increased slightly with bentonite content;

v

(7) the k s of soilcrete made from the PCS cement was lower than those made from the

OPC and PCB cement; (8) the k s of soilcrete was independent on hydraulic gradient; (9) the more soilcrete strength increases, the more hydraulic conductivity decreases; (10)

the k s of soilcrete was lower than 10-9 m/s; (11) the surface structure of the cement treated dredging sand was denser than that of the untreated sand; (12) the soilcrete structure was gradually dense with the increase in curing time and cement contents The microstructural examination of the soilcrete by XRD, SEM-EDS interpreted for the strength enhancement and the hydraulic conductivity reduction of the soilcrete The results of the SEM examination agreed well with the results from the strength and permeability tests The results of strength and permeability of the soilcrete demonstrated that the soil cement mixing technology can be used to reinforce earth levees against floods in the Mekong delta Cement contents to create seepage cutoff soilcrete wall for

the earth levees were proposed following: for clay soilcrete, A c = 300 kg/m3; for sand

soilcrete made from the OPC40 or the PCS, A c = 250 -300 kg/m3; for sand soilcrete

made from the PCB40, A c = 300 kg/m3, A b = 25 kg/m3 The effectiveness of soilcrete to reinforce the earth levees under rapid drawdown of floodwater was analysed by the SEEP/W and SLOPE/W softwares The results indicate that the soilcrete walls were highly effective in cutting seepage off and increasing stability significantly A 0.4-m single row soilcrete wall can reinforce successfully for earth levees with less slide situation A 0.8-m double row soilcrete wall can reinforce earth levees sustainably

Tác giả xin cảm ơn Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM đã hỗ trợ cho nghiên cứu này

Tác giả trân trọng cảm ơn quý lãnh đạo, các thầy cô giáo, bộ môn Cầu đường, khoa Kỹ thuật xây dựng, và phòng đào tạo sau đại học của trường Đại học Bách Khoa TP HCM

đã giúp đỡ tác giả trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trường

Cảm ơn tất cả các thành viên trong nhóm nghiên cứu đã nhiệt tình giúp đỡ để tác giả hoàn thành luận án này

Tác giả xin cảm ơn lãnh đạo, bạn bè đồng nghiệp trường Đại học Xây dựng Miền Trung nơi tác giả đang công tác đã tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành khóa học Cuối cùng là lời cảm ơn thân thương nhất tác giả xin gởi đến gia đình, nguồn động viên

to lớn giúp tác giả hoàn thành luận án

vii

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH xi

DANH MỤC BẢNG BIỂU xiv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT xvi

MỞ ĐẦU 1

1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

2 ĐỘNG LỰC NGHIÊN CỨU 3

3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 4

4 PHƯƠNG PHÁP LUẬN NGHIÊN CỨU 5

4.1 Phương pháp 5

4.2 Trình tự thực hiện 5

5 PHẠM VI NGHIÊN CỨU 6

6 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN 6

6.1 Ý nghĩa khoa học 6

6.2 Ý nghĩa thực tiễn 7

7 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 7

8 CẤU TRÚC LUẬN ÁN 7

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 8

1.2 TÓM TẮT NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 8

1.2.1 Tổng quan về đất trộn xi măng (soilcrete) 8

1.2.2 Tổng quan về thấm của đất 10

1.2.3 Tổng quan về thấm của soilcrete 11

1.2.4 Tổng quan về vi cấu trúc của soilcrete 15

1.3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 16

1.3.1 Các phương pháp xác định hệ số thấm trong phòng 16

1.3.2 Vật liệu chế tạo mẫu soilcrete 25

1.3.3 Phương pháp phân tích vi cấu trúc vật liệu 27

1.3.4 Phương pháp phân tích thấm và ổn định 32

viii

CHƯƠNG 2 CHẾ TẠO THIẾT BỊ VÀ XÂY DỰNG QUY TRÌNH THÍ NGHIỆM

THẤM VẬT LIỆU ĐẤT TRỘN XI MĂNG TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM 37

2.1 GIỚI THIỆU CHUNG 37

2.2 CHẾ TẠO THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM THẤM THÀNH MỀM 37

2.2.1 Lý do chế tạo thiết bị thấm thành mềm 37

2.2.2 Thiết kế hệ thống thí nghiệm thấm 38

2.2.3 Chế tạo và lắp đặt hệ thống thiết bị 42

2.2.4 Kiểm tra và vận hành thử nghiệm 44

2.2.5 So sánh thiết bị thí nghiệm thấm đã chế tạo với thiết bị thấm Humboldt – Mỹ 53

2.3 XÂY DỰNG QUY TRÌNH THÍ NGHIỆM THẤM VẬT LIỆU ĐẤT TRỘN XI MĂNG TRONG PHÒNG 54

2.3.1 Phạm vi áp dụng 54

2.3.2 Tài liệu viện dẫn 55

2.3.3 Thuật ngữ, định nghĩa, ký hiệu, và đơn vị đo 55

2.3.4 Ý nghĩa và sử dụng 56

2.3.4.1 Phương pháp thí nghiệm áp dụng 56

2.3.5 Dụng cụ và thiết bị đo 56

2.3.6 Nước thí nghiệm 62

2.3.7 Mẫu thí nghiệm 62

2.3.8 Quy trình thí nghiệm thấm 64

2.3.9 Phân tích kết quả 67

2.3.10 Báo cáo kết quả thí nghiệm 67

2.3.11 Chú ý sai số xảy ra trong thu thập và xử lý số liệu 68

2.4 TÓM TẮT CHƯƠNG 2 69

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ THẤM ĐẤT ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG TRỘN XI MĂNG 70

3.1 GIỚI THIỆU CHUNG 70

3.2 VẬT LIỆU THÍ NGHIỆM 70

3.2.1 Đất 70

3.2.2 Xi măng 73

ix

3.2.3 Bentonite 73

3.2.4 Nước 73

3.3 PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 74

3.3.1 Chế tạo mẫu 74

3.3.2 Thí nghiệm xác định cường độ 84

3.3.3 Thí nghiệm thấm 84

3.4 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 86

3.5 THẢO LUẬN KẾT QUẢ 87

3.5.1 Cường độ mẫu soilcrete 87

3.5.2 Hệ số thấm mẫu soilcrete 89

3.5.3 Mối quan hệ giữa cường độ và hệ số thấm soicrete 102

3.6 TÓM TẮT CHƯƠNG 3 106

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU VI CẤU TRÚC LÝ GIẢI SỰ GIẢM HỆ SỐ THẤM MẪU ĐẤT CÁT SAN LẤP TRỘN XI MĂNG 107

4.1 GIỚI THIỆU CHUNG 107

4.2 PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 107

4.2.1 Chuẩn bị mẫu và nội dung thí nghiệm 107

4.2.2 Thí nghiệm XRD 108

4.2.3 Thí nghiệm SEM-EDS 109

4.3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 109

4.3.1 Phân tích XRD 109

4.3.2 Phân tích SEM 112

4.3.3 Phân tích EDS 119

4.4 TÓM TẮT CHƯƠNG 4 121

CHƯƠNG 5 PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ SOILCRETE LÀM TƯỜNG NGĂN THẤM VÀ TĂNG ỔN ĐỊNH CHO ĐƯỜNG VEN SÔNG 122

5.1 GIỚI THIỆU CHUNG 122

5.2 PHƯƠNG PHÁP LUẬN 122

5.3 CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU 124

5.3.1 Đê kênh 2/9 thuộc tỉnh Đồng Tháp 125

5.3.2 Đê kênh Mười Cai thuộc tỉnh An Giang 126

x

5.4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 127

5.4.1 Ảnh hưởng của tường soilcrete đến dòng thấm qua đê khi nước sông rút nhanh 127

5.4.2 Ảnh hưởng của tường soilcrete đến độ ổn định mái đắp khi nước sông rút nhanh 130

5.5 TÓM TẮT CHƯƠNG 5 132

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 133

1 KẾT LUẬN 133

1.1 Chế tạo thiết bị thí nghiệm thấm 133

1.2 Ứng xử thấm của đất trộn vữa xi măng 133

2 KIẾN NGHỊ 134

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 136

TÀI LIỆU THAM KHẢO 138

PHỤ LỤC 149

PHỤ LỤC A

KẾT QUẢ PHÂN TÍCH CƯỜNG ĐỘ NÉN CÁC MẪU SOILCRETE 150

PHỤ LỤC B

KẾT QUẢ PHÂN TÍCH HỆ SỐ THẤM CÁC MẪU SOILCRETE 152

PHỤ LỤC C

KẾT QUẢ PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH 197

PHỤ LỤC D

KẾT QUẢ KIỂM ĐỊNH THIẾT BỊ 200

xi

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Phản ứng hoá học giữa đất, nước và xi măng (Saitoh et al 1985 [42]) 9 Hình 1.2 Sơ đồ thí nghiệm thấm phương pháp cột áp vào hạ - cột áp ra không đổi 17 Hình 1.3 Sơ đồ thí nghiệm thấm theo phương pháp cột áp vào hạ - cột áp ra dâng 22 Hình 1.4 Sơ đồ tính cột áp tổng cho thiết bị thấm được tạo áp lực thấm bằng khí 22 Hình 1.5 Sơ đồ hoạt động kính hiển vi quét (SEM) (Goldstein et al 2003 [82]) 28 Hình 1.6 Sơ đồ bố trí các bộ phận của máy đo nhiễu xạ XRD [85] 30

Hình 1.8 Các lực tác dụng lên khối trượt mặt trượt hỗn hợp [88] 36 Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống thủy lực thí nghiệm thấm điều khiển bằng cột nước 39 Hình 2.2 Sơ đồ thiết bị thấm thành mềm chịu cột áp nước 4 m (Thiết bị A) [91] 40 Hình 2.3 Sơ đồ thiết bị thấm thành mềm chịu áp lực khí (Thiết bị B) [93] 42 Hình 2.4 Hệ thống thiết bị thí nghiệm thấm thành mềm theo phương pháp cột áp

Hình 2.5 Hệ thống thiết bị thí nghiệm thấm thành mềm theo phương pháp cột áp

Hình 2.6 Sơ đồ thí nghiệm thấm kiểm tra sự rò rỉ của thiết bị 45 Hình 2.7 Sơ đồ kiểm tra rò rỉ buồng thiết bị bằng áp khí 46 Hình 2.8 Ống nhựa PVD có kích thước tương đồng mẫu thí nghiệm 47 Hình 2.9 Hệ số thấm mẫu đất cát san lấp trộn xi măng hàm lượng 300 kg/m3 và

bentonite hàm lượng 25 kg/m3 thí nghiệm từ hai loại thiết bị khác nhau 48 Hình 2.10 Biểu đồ dao động số đọc đồng hồ đo áp lực khí vào mẫu và vào buồng

Hình 2.11 Biểu đồ dao động số đọc đồng hồ đo áp lực khí vào mẫu và vào buồng

Hình 2.12 Biểu đồ dao động số đọc đồng hồ đo áp lực khí vào mẫu và vào buồng

Hình 2.13 Hệ thống thiết bị thí nghiệm thấm thành mềm của hãng Humboldt [94] 53 Hình 3.1 Cột áp vào hạ - cột áp ra không đổi (Phương pháp A) 57 Hình 3.2 Cột áp vào hạ - cột áp ra dâng (Phương pháp B) 58 Hình 3.3 Sơ đồ quy trình thí nghiệm thấm mẫu soilcrete 65

Hình 4.6 Quá trình gia công mẫu đất bùn sét nguyên trạng tại hiện trường 76

Hình 4.9 Hệ thống thiết bị thấm thành mềm theo phương pháp cột áp vào hạ - cột

Hình 4.10 Cường độ các mẫu soilcrete tạo từ đất bùn sét theo hàm lượng xi măng

Hình 4.11 Cường độ các mẫu soilcrete tạo từ cát san lấp theo hàm lượng xi măng

Hình 4.12 Cường độ các mẫu soilcrete bentonite theo hàm lượng bentonite tại 7 và

Hình 4.13 Hệ số thấm các mẫu đất tự nhiên và các mẫu soilcrete tạo từ các loại đất

trộn các hàm lượng xi măng khác nhau ở 28 ngày tuổi 92 Hình 4.14 Hệ số thấm các mẫu soilcrete theo thời gian bảo dưỡng 95 Hình 4.15 Hệ số thấm các loại đất khác nhau trộn xi măng PCB hàm lượng 300

Hình 4.16 Hệ số thấm mẫu đất cát san lấp trộn các loại xi măng khác nhau [93] 98 Hình 4.17 Hệ số thấm các mẫu đất cát san lấp trộn xi măng PCB hàm lượng 300

kg/m3 và bentonite theo thời gian bảo dưỡng (Luong et al 2022 [91]) 100 Hình 4.18 Hệ số thấm mẫu đất cát san lấp trộn xi măng theo hàm lượng bentonite

Hình 4.19 Hệ số thấm soilcrete theo gradient thủy lực 102

Hình 4.20 Cường độ (q u ) và hệ số thấm (k s20) của các mẫu soilcrete tạo từ đất bùn

Hình 4.21 Cường độ và hệ số thấm các mẫu soilcrete tạo từ đất cát san lấp trộn xi

Hình 4.22 Mối tương quan giữa hệ số thấm và cường độ mẫu soilcrete tạo từ cát san

xiii

Hình 4.23 Cường độ và hệ số thấm các mẫu soilcrete tạo từ cát san lấp trộn xi măng

PCB40 hàm lượng 300 kg/m3 và các hàm lượng bentonite khác nhau ở 28

Hình 5.1 Dụng cụ nghiền và mẫu được nghiền thành bột 108

Hình 5.3 Thiết bị SEM JSM-IT100 Hình 5.4 Mẫu bên trong thiết bị SEM 109 Hình 5.5 Kết quả XRD của mẫu cát san lấp trước và sau khi trộn xi măng hàm lượng

Hình 5.6 Đỉnh chỉnh thạch anh của mẫu cát san lấp trước và sau khi trộn xi măng

hàm lượng 200, 300, và 400 kg/m3 tại 28 ngày tuổi 111 Hình 5.7 Hình ảnh SEM mẫu đất cát tự nhiên đầm chặt ở độ phóng đại khác nhau 113 Hình 5.8 Hình ảnh SEM của mẫu soicrete ở độ phóng đại thấp (×200 lần) theo các

Hình 5.9 Hình ảnh SEM của mẫu soicrete ở độ phóng đại cao (×3000 lần) theo các

Hình 5.10 Hình ảnh SEM của mẫu soicrete hàm lượng 200 kg/m3 ở 28 ngày tuổi tại

độ phóng đại thấp (×500 lần) và cao (×5000 lần) 118 Hình 5.11 Hình ảnh SEM của mẫu soicrete hàm lượng 300 kg/m3 ở 28 ngày tuổi tại

độ phóng đại thấp (×500 lần) và cao (×5000 lần) 118 Hình 5.12 Hình ảnh SEM của mẫu soicrete hàm lượng 400 kg/m3 ở 28 ngày tuổi tại

độ phóng đại thấp (×500 lần) và cao (×5000 lần) 119 Hình 5.13 Kết quả EDS của các mẫu soilcrete ở 28 ngày tuổi 121 Hình 6.1 Hai phương án thiết kế tường soilcrete gia cố đê bao [129] 123 Hình 6.2 Mặt cắt ngang kênh 2-9 - tỉnh Đồng Tháp [106] 125

Hình 6.4 Đường bão hoà nước trong thân đê ứng với các mực nước rút tại đê kênh

Hình 6.5 Đường bão hoà nước trong thân đê ứng với các mực nước rút tại đê kênh

Hình 6.6 Hệ số FS ứng với các mực nước sông khác nhau tại đê kênh 2/9 - Đồng

Hình 6.7 Hệ số FS ứng với các mực nước sông khác nhau tại đê kênh Mười Cai –

xiv

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Hệ số quy đổi độ nhớt của nước theo nhiệt độ [41] 25 Bảng 2.1 So sánh thiết bị thấm Humboldt và thiết bị chế tạo 54 Bảng 3.1 Chỉ tiêu cơ lý của các loại đất (LAS-XD 475) 72

Bảng 3.4 Mối quan hệ giữa hệ số thấm k (m/s) và thời gian bảo dưỡng t (ngày) ứng

Bảng 3.5 Hệ số thấm tại 28 ngày bảo dưỡng ứng với các loại đất trộn xi măng 97 Bảng 3.6 Cường độ và hệ số thấm các mẫu soilcrete ở 28 ngày tuổi 105 Bảng 4.1 Phần trăm các nguyên tố hoá học của các mẫu soilcrete bằng phân tích

Bảng 5.1 Chỉ tiêu cơ lý của tường soilcrete thiết kế 124 Bảng 5.2 Chỉ tiêu cơ lý các lớp đất tại kênh 2/9 – Đồng Tháp [106] 125 Bảng 5.3 Chỉ tiêu cơ lý các lớp đất tại kênh Mười Cai – An Giang [107] 126 Bảng A.1 Cường độ các mẫu soilcrete ở 7 ngày tuổi 150 Bảng A.2 Cường độ các mẫu soilcrete ở 28 ngày tuổi 151 Bảng B.1 Kết quả phân tích hệ số thấm mẫu SC.200 152

Bảng B.12 Kết quả phân tích hệ số thấm mẫu S.300B 181 Bảng B.13 Kết quả phân tích hệ số thấm mẫu S.300S 183

xv

Bảng B.14 Kết quả phân tích hệ số thấm mẫu soilcrete bentonite B15 185 Bảng B.15 Kết quả phân tích hệ số thấm mẫu soilcrete bentonite B25a 186 Bảng B.16 Kết quả phân tích hệ số thấm mẫu soilcrete bentonite B25b 188 Bảng B.17 Kết quả phân tích hệ số thấm mẫu soilcrete bentonite B50 190 Bảng B.18 Kết quả phân tích hệ số thấm mẫu soilcrete bentonite B75 193 Bảng B.19 Kết quả phân tích hệ số thấm mẫu soilcrete bentonite B100 195 Bảng C.1 Bảng tính tải trọng phân bố tác dụng lên nền đường 197 Bảng C.2 Hệ số an toàn khi nước sông rút nhanh đối với kênh 2/9 - Đồng Tháp 198 Bảng C.3 Hệ số an toàn khi nước sông rút nhanh đối với kênh Mười Cai – An Giang

199 Bảng D.1 Kết quả kiểm định bình khí nén cấp khí vào thiết bị thấm 200 Bảng D.2 Kết quả hiệu chuẩn đồng hồ đo áp suất khí cấp vào buồng trên thiết bị

xvi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

A b - hàm lượng bentonite (kg/m3)

A c - hàm lượng xi măng (kg/m3)

a - diện tích tiết diện ống nước chảy vào mẫu (m2)

a in - diện tích tiết diện ống nước chảy vào mẫu (m2)

a out - diện tích tiết diện ống nước thoát khỏi mẫu (m2)

A - diện tích tiết diện mẫu (m2)

B s - bề rộng phân bố ngang của xe (m)

D - đường kính mẫu (mm)

d - đường kính trong ống dẫn nước (mm)

d k - đường kính trong của khuôn (mm)

FS - Hệ số ổn định

g - gia tốc trọng trường (m/s2)

H - cột áp tổng (m)

H cell - chiều cao cột áp vào buồng (m)

H in - chiều cao cột áp vào mẫu (m)

H out - chiều cao cột áp ra (m)

h - độ chênh cột áp (m)

h o - chiều cao từ mặt đất đến vị trí đặt đồng hồ đo áp suất nước (m)

h in - chiều cao mực nước trong ống nước vào mẫu (m)

h cell - chiều cao mực nước trong ống nước vào buồng (m)

h k - chiều cao của khuôn (mm)

xvii

k y - hệ số thấm theo phương y

k’ - hệ số thấm biến đổi tương đương trong nền di hướng

L - chiều dài mẫu (mm)

L s - phạm vi phân bố tải trọng xe theo hướng dọc (m)

λ - Bước sóng tia X

Ɵ - góc tới của chùm tia X so với lớp nguyên tử

M soil -khối lượng đất ẩm (g)

M d - khối lượng đất khô (g)

M w - khối lượng nước tạo mẫu đạt độ ẩm w (g)

M w1 - khối lượng nước thêm vào hỗn hợp tính theo tỉ lệ w/c (g)

M c - khối lượng xi măng (g)

Mb - khối lượng benotnite (g)

m - khối lượng búa (kg)

m w - độ dốc đường cong trữ nước

n - số xe tối đa xếp trên bề rộng đường

n 1 - số lớp đầm

n 2 - số lần đầm mỗi lớp

N f - số kênh dòng

N d - số độ rơi

hT - độ nhớt của nước tại nhiệt độ thí nghiệm

h20 - độ nhớt của nước tại nhiệt độ 20oC

P in - áp lực khí vào mẫu (kN/m2)

P cell - áp lực khí vào buồng (kN/m2)

P w - áp suất nước tại đáy mẫu (kN/m2)

xviii

t - ứng suất cắt trong đất tại một điểm

r - khối lượng riêng của đất ở trạng thái tự nhiên (kg/m3)

rw - khối lượng riêng của nước (kg/m3)

gw - trọng lượng riêng tự nhiên của nước (kN/m3)

V - thể tích khuôn đầm (m3)

V soil - thể tích đất tự nhiên (m3)

V in - thể tích nước thấm vào mẫu (m3)

V out - thể tích nước thoát ra khỏi mẫu (m3)

w/c - tỉ lệ nước/xi măng

w op - độ ẩm tốt nhất của đất (%)

Z - chiều cao từ điểm đang xét đến mốc so sánh (m)

ĐBSCL - Đồng bằng sông Cửu Long

GTNT - Giao thông nông thôn

SCM - Công nghệ đất trộn xi măng

Soilcrete - đất trộn ximăng

Soilcrete bentonite - đất trộn hỗn hợp xi măng – bentonite POM - Nhựa Polyoxymetylen

EDS - Phổ tán sắc năng lượng tia X

SEM - Kính hiển vi điện tử quét

XRD - Nhiễu xạ bột tia X

CSH – calcium silicat hydrated

CAH – calcium aluminat hydrated (Ettringite)

Ca(OH)2 – Calci hydroxit (Portlandite)

Để ứng dụng hiệu quả công nghệ SCM, người thiết kế cần có kiến thức tốt về các ảnh hưởng đến các đặc tính cơ-lý-hoá của đất trộn xi măng (soilcrete) [1], [2], [3] Tuy nhiên, các nghiên cứu về soilcrete chủ yếu tập trung vào các đặc trưng cơ học như cường độ,

độ cứng, và biến dạng khi phá hoại [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12] Các chỉ tiêu này phổ biến được dùng đánh giá chất lượng soilcrete hiện trường Trong khi đó,

hệ số thấm, một thông số vật lý quan trọng của soilcrete, được sử dụng cho các mục đích chống thấm, nhưng thấm của soilcrete vẫn chưa được nghiên cứu chuyên sâu và toàn diện, đặc biệt trong điều kiện của Việt Nam

Hệ số thấm của soilcrete đã được một số tác giả trên thế giới nghiên cứu như Yuzhen et

al 1999 [13], Chew et al 2004 [14], Bellezza & Fratalocchi 2006 [2], Tran et al 2014 [15], Ikhlef et al 2015 [16], Deng et al 2015 [17], Govindasamy & Taha 2016 [18], Mousavi & Wong 2016 [19], Mengue et al 2017 [20], Helson et al 2018 [21], Abbey

et al 2018 [22] Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu hệ số thấm của soilcrete, đặc biệt đối với soilcrete được tạo từ đất hạt mịn vẫn chưa nhận được sự đồng thuận Một số nghiên cứu cho thấy hệ số thấm soilcrete cao hơn so với đất tự nhiên [14], [15], [23] và một số khác cho kết quả ngược lại [24], [20], [25], [26] EuroSoilStab (2002) [23] chỉ ra rằng hệ số thấm tăng từ 100 đến 1000 lần khi đất được ổn định bằng chất kết dính Mengue et al (2017) [20] lại kết luận hệ số thấm của mẫu soilcrete tạo từ đất sét trộn 6% xi măng thấp hơn 9 lần so với đất chưa xử lý Bellezza & Fratalocchi (2006) [2] báo cáo rằng hệ số thấm soilcrete cao hoặc thấp hơn đất tự nhiên phụ thuộc loại đất được trộn với xi măng

Hệ số thấm soilcrete giảm theo hàm lượng xi măng [16], [17], [22], [27], [28] Ngược lại, hệ số thấm của soilcrete tăng khi tăng hàm lượng xi măng [2], [14] Ngoài ra, một

2

số tác giả khác lại cho rằng hệ số thấm của soilcrete giảm khi tăng hàm lượng xi măng đến một giá trị nhất định sau đó tăng ngược trở lại nếu tiếp tục tăng xi măng [18], [20], [29] Đối với đất cát trộn xi măng, nhìn chung các nghiên cứu cho thấy hệ số thấm giảm

so với đất tự nhiên [21], [25], [30], [31]

Ở Việt Nam, công nghệ đất trộn xi măng bắt đầu được ứng dụng từ những năm 2000 [32] chủ yếu cho mục đích xử lý lớp đất yếu (TCVN 9403:2012 [33]) Trong những năm gần đây, cọc đất xi măng đã được sử dụng trong chống thấm nhưng chưa nhiều, một vài công trình sử dụng soilcrete làm tường vây hố đào tầng hầm như Sài Gòn Pearl, tòa nhà Lạc Việt Building ở TP Hồ Chí Minh, các tòa nhà cao tầng ở Vũng Tàu, Nha Trang [34], làm tường đê chống thấm mang cống D10 - Hà Nam, và đê quai nhà máy thủy điện Sơn La [35] Các kết quả thí nghiệm trong phòng và hiện trường để xác định trực tiếp

hệ số thấm soilcrete còn hạn chế Thiết bị thí nghiệm thấm yêu cầu phức tạp, thời gian thí nghiệm kéo dài, và thiết bị chuyên dụng cho thí nghiệm đo thấm soilcrete trong phòng phải nhập khẩu với giá thành cao vì chưa được sản xuất tại Việt Nam Hệ số thấm của vật liệu soilcrete chưa được nghiên cứu toàn diện mà chỉ là một phần nhỏ trong nghiên cứu của một số tác giả Hệ số thấm soilcrete trong nghiên cứu của các tác giả được xác định bằng thiết bị thấm thành cứng (dao vòng) theo tiêu chuẩn TCVN 8723:2012 như nghiên cứu của Mai Thị Hồng 2019 [36] và Nguyễn Hữu Năm 2021 [37] Hệ thống thiết bị này tiềm ẩn nguy cơ nước chảy dọc thành mẫu, đặc biệt đối với mẫu đất trộn xi măng bị co ngót trong quá trình ninh kết, có thể gây sai lệch đáng kể hệ

số thấm

Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) là vùng đất được kiến tạo với lớp đất bùn sét yếu dày ở trạng thái dẻo mềm đến chảy với khả năng chịu tải rất thấp [38] ĐBSCL còn có nguồn vật liệu cát san lấp dồi dào được bơm hút từ đáy các sông Cát san lấp chủ yếu dùng để san lấp mặt bằng, nâng cao độ nền đường, hoặc dùng làm đầy thân đê bao được quây bằng đất sét tạo đê đất chống lũ bảo vệ hoa màu kết hợp làm đường giao thông nông thôn Các đê đất này thường bị hư hỏng sau mùa lũ lụt hàng năm Độ đầm chặt dưới chuẩn của các đê đất tạo nhiều lỗ rỗng, các hạt cát trong thân đê bị rửa trôi dưới tác dụng của dòng thấm thông qua các lỗ rỗng liên kết với nhau Những lỗ rỗng cũng như các vết nứt bên trong đê đất ngày càng phát triển, mở rộng gây ra vỡ đê đất, một

và chế tạo phù hợp phục vụ cho các thí nghiệm thấm soilcrete Phân tích ứng xử thấm soilcrete theo thời gian bảo dưỡng, loại và hàm lượng xi măng, loại đất, và phụ gia bentonite Vi cấu trúc mẫu soilcrete theo thời gian bão dưỡng, theo hàm lượng xi măng được khảo sát bằng kính hiển vi điện tử quét, phép phân tích tia X, và phương pháp phân tích phổ tán sắc năng lượng tia X, để lý giải sự giảm hệ số thấm soilcrete Nghiên cứu này kỳ vọng phát triển cơ sở dữ liệu thấm soilcrete một cách tin cậy ở Việt Nam Kết quả nghiên cứu sẽ mở ra nhiều ứng dụng thực tiễn của soilcrete liên quan đến các ứng dụng chống thấm như sử dụng soilcrete làm lõi chống thấm cho đập đất, chống thấm cho đê bao trong mùa lũ, ngăn nước ngầm trong các hố đào, ngăn thấm dung dịch chứa các chất ô nhiễm của các khu xử lý rác thải có khả năng làm ô nhiễm nước ngầm, v.v

2 ĐỘNG LỰC NGHIÊN CỨU

Hệ số thấm là một đặc trưng vật lý quan trọng của soilcrete, đã được một số tác giả trên thế giới nghiên cứu và ứng dụng soilcrete cho mục đích chống thấm như lõi đê, đập, tường ngăn vách hố đào, v.v Tuy nhiên, các nghiên cứu vẫn chưa có sự thống nhất về

hệ số thấm soilcrete tăng hay giảm so với đất tự nhiên, đặc biệt đối với soilcrete tạo từ đất hạt mịn

Ở Việt Nam, soilcrete đã được ứng dụng phổ biến nhưng tính đến thời điểm hiện tại chủ yếu cho mục đích gia cố đất nền (TCVN 9403:2012 [33]) Các nghiên cứu về soilcrete phần lớn tập trung về các đặc trưng cơ học như cường độ, độ cứng, và biến dạng khi phá hoại [5], [6], [7], [9] Từ những nghiên cứu tổng quan cho thấy đất trộn xi măng không

4

chỉ làm tăng cường độ, độ cứng, sự ổn định mà có thể còn có khả năng chống thấm cao Soilcrete có tiềm năng áp dụng cho giải pháp chống thấm ở Việt Nam Tuy nhiên, hệ số thấm của soilcrete chưa được nghiên cứu toàn diện và tin cậy ở Việt Nam do sự hạn chế

về thiết bị thí nghiệm thấm Ngoài ra, hệ số thấm soilcrete khó xác định do cấu trúc phức tạp của sản phẩm soilcrete, và chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như loại đất, phân bố thành phần hạt, khoáng chất hạt đất, trạng thái đất, loại xi măng, hàm lượng xi măng, thời gian bảo dưỡng, v.v [40] Bản chất thấm của soilcrete cần được làm rõ Vì vậy, đề tài này tập trung nghiên cứu chế tạo thiết bị thí nghiệm thấm thành mềm phù hợp cho vật liệu soilcrete, thực hiện thí nghiệm thấm, phân tích các thành phần khoáng trong soilcrete, và vi cấu trúc soilcrete để nhắm đến sự hiểu biết toàn diện ứng xử thấm của soilcrete

3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Mục tiêu tổng quát:

Nghiên cứu toàn diện ứng xử thấm của soilcrete tạo ra từ một số loại đất ở ĐBSCL trộn với vữa xi măng trong phòng

Các mục tiêu cụ thể hướng đến:

(1) Nghiên cứu chế tạo hệ thống thiết bị thí nghiệm thấm soilcrete trong phòng

(2) Xây dựng quy trình hướng dẫn thí nghiệm thấm vật liệu soilcrete trong phòng thí nghiệm bằng thiết bị thấm chế tạo

(3) Phân tích ứng xử thấm soilcrete theo các khía cạnh bao gồm: thời gian bảo dưỡng, hàm lượng xi măng, loại xi măng, loại đất, và phụ gia bentonite

(4) Thiết lập bước đầu mối tương quan giữa cường độ và hệ số thấm của soilcrete (5) Khảo sát vi cấu trúc và thành phần khoáng của soilcrete

(6) Mô phỏng và phân tích khả năng sử dụng soilcrete làm tường ngăn thấm, tăng ổn định cho đường ven sông và đê bao ở khu vực ĐBSCL

5

4 PHƯƠNG PHÁP LUẬN NGHIÊN CỨU

4.1 Phương pháp

Đề tài đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu gồm:

Phương pháp nghiên cứu tổng quan: Tổng quan các tài liệu, các cơ sở lý thuyết, các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan đến hệ số thấm của đất trộn xi măng

Phương pháp nghiên cứu thí nghiệm: Thực hiện các thí nghiệm trong phòng xác định hệ

số thấm và cường độ mẫu soilcrete Phân tích ứng xử thấm của mẫu soilcrete theo hàm lượng xi măng, thời gian bảo dưỡng, loại đất, loại xi măng, và phụ gia bentonite Thực hiện thí nghiệm xác định thành phần khoáng và quan sát vi cấu trúc mẫu soilcrete để lý giải kết quả hệ số thấm soilcrete

Phương pháp nghiên cứu mô phỏng: Ứng dụng kết quả nghiên cứu về hệ số thấm soilcrete để mô phỏng và phân tích bài toán ổn định và chống thấm cho công trình đường ven sông, đê bao

• Thực hiện thí nghiệm đo thấm soilcrete trong phòng

+ Thu thập các mẫu đất phân bố phổ biến ở ĐBSCL gồm đất sét dẻo mềm, đất sét dẻo cứng, bùn sét, và cát san lấp

+ Chế tạo các mẫu đất tự nhiên, các mẫu đất trộn xi măng với các hàm lượng khác nhau (như 200, 250, 300, 350, 400 kg/m3), và với nhiều loại xi măng khác nhau (như OCP40, PCB40, và xi măng xỉ)

+ Chế tạo các mẫu đất trộn xi măng hàm lượng 300 kg/m3 và có bổ sung bentonite với hàm lượng lần lượt 15, 25, 50, 75, 100 kg/m3 (tương ứng 1%, 1.62%, 3.2%, 5%, và 6.5%)

• Tổng hợp các kết quả, phân tích và thảo luận kết quả hệ số thấm của soilcrete

• Thực hiện thí nghiệm xác định cường độ nén nở hông của các mẫu soilcrete ở các ngày tuổi 7 và 28 ngày

• Thực hiện thí nghiệm quan sát vi cấu trúc mẫu soilcrete bằng kết hợp kính hiển vi điện tử quét, phương pháp X-Ray, và phương pháp EDS Phân tích vi cấu trúc mẫu soilcrete thay đổi theo thời gian và theo hàm lượng xi măng

• Ứng dụng kết quả thí nghiệm cường độ và hệ số thấm soilcrete thiết kế tường soilcrete gia cố đê bao, đường ven sông Phân tích thấm và ổn định cho công trình đê bao, đường ven sông được gia cố tường soilcrete bằng phần mềm SEEP/W và SLOPE/W

5 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Đề tài giới hạn phạm vi nghiên cứu như sau: Thí nghiệm thấm các mẫu soilcrete trong phòng tạo từ 4 loại đất gồm bùn sét, sét dẻo mềm, sét dẻo cứng, và cát san lấp ở hai tỉnh Đồng Tháp và Hậu Giang Tường soilcrete áp dụng gia cố ngăn thấm cho các công trình vừa và nhỏ như đường giao thông nông thôn ven sông, đập đất, và đê bao chịu tác động dòng nước ngọt

6 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

6.1 Ý nghĩa khoa học

Đề tài cung cấp một cơ sở dữ liệu về hệ số thấm của đất trộn xi măng và đưa ra quy trình hướng dẫn thí nghiệm thấm cho vật liệu soilcrete trong phòng thí nghiệm trên hệ thống thiết bị thành mềm được chế tạo tuân thủ tiêu chuẩn của Mỹ ASTM D5084 [41] có độ tin cậy cao và chi phí hợp lý hiện chưa được sản xuất tại Việt Nam

7

6.2 Ý nghĩa thực tiễn

Khả năng chống thấm tốt của soilcrete được khẳng định, hàng loạt các ứng dụng thực

tiễn được đẩy nhanh dựa trên cơ sở khoa học này như tường vây chống thấm, chống

thấm đáy hố đào, chống thấm đê đập, ngăn rò rỉ các chất ô nhiễm vào nước ngầm trong

bải xử lý rác thải, v.v vì công nghệ đất trộn xi măng có nhiều ưu điểm vượt trội như thi

công đơn giản, thời gian thi công nhanh, tận dụng được nguồn vật liệu tại chỗ (đất) và

vật liệu thêm vào chỉ là xi măng thì đang rất dồi dào ở nước ta

7 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN

- Chế tạo bộ thiết bị thí nghiệm thấm thành mềm và đề xuất quy trình hướng dẫn thí

nghiệm thấm vật liệu đất trộn xi măng trên thiết bị thành mềm áp dụng tại Việt Nam

- Làm sáng tỏ và khẳng định hệ số thấm giảm đáng kể của một số loại đất ĐBSCL trộn

với xi măng và có hoặc không có bentonite

- Đề xuất được hàm lượng xi măng hợp lý trộn với đất tự nhiên tại chỗ (đất sét, cát san

lấp) để tạo vật liệu soilcrete có hệ số thấm nhỏ hơn 10-9 m/s cho phép làm tường chống

thấm cho công trình đê bao kết hợp làm đường giao thông nông thôn ở ĐBSCL

8 CẤU TRÚC LUẬN ÁN

Luận án được tổ chức gồm các phần: mở đầu, 5 chương chính, kết luận - kiến nghị và 4

phụ lục Phần mở đầu luận án giới thiệu các vấn đề liên quan về đề tài nghiên cứu, động

lực nghiên cứu, mục tiêu nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, và kết quả nghiên cứu

Chương 1 - Tổng quan nghiên cứu và cơ sở lý thuyết Chương 2 - Chế tạo thiết bị và

xây dựng quy trình thí nghiệm thấm vật liệu đất trộn xi măng trong phòng thí nghiệm

Chương 3 - Nghiên cứu ứng xử thấm đất ĐBSCL trộn xi măng Chương 4 - Nghiên cứu

vi cấu trúc để lý giải sự giảm hệ số thấm của mẫu đất cát san lấp trộn xi măng Chương

5 - Phân tích hiệu quả soilcrete làm tường ngăn thấm và tăng ổn định cho đường ven

sông Phần kết luận đưa ra những kết luận chính từ quá trình nghiên cứu, một số kiến

nghị, và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo Phụ lục A - Kết quả phân tích cường độ

các mẫu soilcrete Phụ lục B - Kết quả phân tích hệ số thấm các mẫu soilcrete Phụ lục

C - Kết quả phân tích ổn định đường ven sông Phụ lục D - Kết quả kiểm định thiết bị

8

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Nghiên cứu tổng quan giúp có cái nhìn toàn diện về vật liệu soilcrete, lý thuyết thấm

của đất, thiết bị thí nghiệm thấm, và các kết quả nghiên cứu trước đó về thấm, vi cấu

trúc của soilcrete trên thế giới và Việt Nam Kết quả nghiên cứu tổng quan cung cấp các

hiểu biết cơ bản và các định hướng cho nghiên cứu Chương 1 trình bày tóm tắt kết quả

nghiên cứu tổng quan và các cơ sở lý thuyết cơ bản phục vụ cho nghiên cứu bao gồm

các phương pháp thí nghiệm thấm trong phòng thí nghiệm, lý thuyết tính toán khối lượng

vật liệu phục vụ cho việc chế tạo mẫu soilcrete, các phương pháp phân tích vi cấu trúc

được áp dụng trong nghiên cứu, lý thuyết phân tích dòng thấm và ổn định mái dốc

1.2 TÓM TẮT NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN

1.2.1 Tổng quan về đất trộn xi măng (soilcrete)

1.2.1.1 Cơ chế hình thành cường độ soilcrete

Cơ chế hình thành cường độ soilcrete dựa vào các phản ứng hóa học xảy ra theo chiều

hướng có lợi giữa khoáng chất trong đất, xi măng, và nước tạo ra những chất dạng keo

kết dính, và hóa rắn theo thời gian bảo dưỡng Cơ chế phản ứng hoá học giữa đất và xi

măng được tóm tắt theo sơ đồ Hình 1.1 [42] Khi trộn xi măng vào đất ẩm, xi măng ngay

lập tức thuỷ hoá tạo ra một lượng lớn Ca(OH)2 làm tăng độ điện phân, độ pH của nước

trong đất và tạo ra các sản phẩm calcium silicat hydrated (CSH), calcium aluminat

hydrated (CAH) Các sản phẩm này tồn tại ở dạng gel bao xung quanh các hạt đất và

các hạt xi măng chưa thuỷ hoá Ion Ca2+ từ quá trình thuỷ hoá xi măng trao đổi với các

ion hoá trị đơn từ bề mặt hạt sét như Natri, Kali Ion Ca2+ có mật độ điện tích cao hơn

dẫn đến giảm đáng kể độ dày lớp kép khuếch tán của các hạt đất sét [43], lực hấp dẫn

trở nên chiếm ưu thế làm tăng tiếp xúc trực diện giữa các hạt sét kế tiếp nhau [44], [45]

Quá trình này diễn ra nhanh chóng, kèm theo là quá trình kết bông và kết tụ tạo thành

các cụm hạt có kích thước lớn hơn, làm giảm chỉ số dẻo của đất và gia tăng cường độ

hỗn hợp đất xi măng [14], [43], [44] Phản ứng pozzolanic là phản ứng thứ cấp xảy ra

giữa Ca2+ giải phóng từ quá trình thuỷ hoá xi măng với các pozzolan có trong khoáng

9

sét bị hoà tan trong môi trường pH cao [40] Phản ứng pozzolanic tạo ra CSH và CAH, những sản phẩm này hoá cứng lấp đầy các lỗ rỗng trong đất, liên kết các hạt đất lại với nhau và tiếp tục làm tăng cường độ của đất được xử lý Phản ứng pozzolanic là một quá trình lâu dài, diễn ra trong nhiều tháng và nhiều năm [40] Vì vậy, cường độ soilcrete có thể gia tăng trong thời gian dài

Hình 1.1 Phản ứng hoá học giữa đất, nước và xi măng (dịch từ Saitoh et al 1985 [42])

1.2.1.2 Các tính chất cơ học của soilcrete

a Mô đun đàn hồi cát tuyến

Môđun đàn hồi cát tuyến, E 50, của soilcrete tăng gần như tuyến tính với cường độ nén

nở hông tự do, q u [4], [46], [47] Giá trị E 50 cũng chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố ảnh

hưởng đến sự hình thành và phát triển cường độ của soilcrete Tỉ số E 50 /q u có giá trị dao động trong khoảng từ 50 đến 1000 tùy thuộc loại đất khác nhau

b Biến dạng lúc phá hoại

Biến dạng lúc phá hoại của soilcrete giảm khi tăng hàm lượng xi măng [40] Biến dạng

lúc phá hoại, ε f, của soilcrete thường trong khoảng từ 1-3% [48]

10

c Hệ số poisson

Hệ số poison của soilcrete không phụ thuộc nhiều vào loại đất thí nghiệm khi đất trộn

xi măng trong phòng thí nghiệm hay ngoài hiện trường Hệ số Poison soilcrete có giá trị khoảng từ 0.28 đến 0.45 và không phụ thuộc vào cường độ nén nở hông tự do của đất gia cố [4]

d Cường độ kháng cắt không thoát nước

Cường độ kháng cắt không thoát nước (S u) của soilcrete cao hơn so với đất không gia

cố và tăng theo hàm lượng xi măng [4], [40], [49] Tuy nhiên, vẫn có nhiều quan điểm khác nhau trong việc xác định cường độ kháng cắt của soilcrete Ở Nhật Bản, các thông

số sức kháng cắt của soilcrete thường dùng trong thực tế thiết kế là j =0 và S u = c u = 0.5

q u , khi q u < 1 MPa [50]

1.2.2 Tổng quan về thấm của đất

Đất là một vật liệu hỗn hợp của các hạt rắn, nước, và khí Các hạt rắn trong khối đất có kích thước và hình dạng khác nhau phân tán tạo ra các lỗ rỗng thông nhau Nước trong đất hình thành dòng chảy từ nơi có áp suất cao đến nơi có áp suất thấp qua các lỗ rỗng

liên kết Hệ số thấm (k) của đất là thể tích nước trong đất chảy thấm xuyên qua một đơn

vị diện tích của khối đất trong một đơn vị thời gian từ nơi có cột áp tổng cao đến nơi có cột áp tổng thấp hơn (cm/s hoặc m/s) [51] Hệ số thấm của đất phụ thuộc vào các đặc tính của đất và nước như thành phần hạt, hình dạng hạt, sự phân bố lỗ rỗng, độ rỗng, độ bão hòa và độ nhớt của nước [52], [53] Hệ số thấm trong nghiên cứu này áp dụng cho môi trường vật liệu rời bão hoà nước hoàn toàn

1.2.2.1 Phương pháp xác định hệ số thấm đất bão hoà nước

Hệ số thấm của đất được xác định bằng các phương pháp thí nghiệm trong phòng, hiện trường, hoặc xác định gián tiếp thông qua các Công thức thực nghiệm Hệ số thấm của đất cũng có thể được xác định gián tiếp từ thí nghiệm nén cố kết Một số phương pháp phổ biến đo trực tiếp hệ số thấm đất trong phòng thí nghiệm gồm:

• Cột áp đầu vào không đổi - cột áp đầu ra không đổi (Constant-head test): phù hợp cho loại đất hạt thô có hệ số thấm cao (> 10-5 m/s)

1.2.2.2 Thiết bị thí nghiệm thấm đất trong phòng thí nghiệm

Thiết bị đo trực tiếp hệ số thấm đất trong phòng thí nghiệm phổ biến hiện nay gồm thiết

bị thấm thành cứng và thiết bị thấm thành mềm Thiết bị thấm thành cứng thích hợp xác định hệ số thấm của mẫu đất dạng hạt theo phương pháp cột áp không đổi (ASTM D2434 [54]) và có thể áp dụng cho đất hạt mịn theo phương pháp cột áp không đổi hoặc phương pháp cột áp vào hạ (ASTM D5856 [55]) Mẫu thí nghiệm được chế bị trực tiếp trong khuôn thiết bị thành cứng Nhược điểm của thiết bị này là có thể xảy ra hiện tượng nước chảy dọc thành mẫu trong quá trình thí nghiệm làm sai lệch kết quả hệ số thấm Thiết bị thấm thành mềm thích hợp đo thấm cho đất hạt mịn bằng phương pháp cột áp vào hạ (ASTM D5084 [41]) Mẫu được chuẩn bị trước bên ngoài, được bọc màng cao su và đặt trong buồng thiết bị thấm cách thành buồng, mũ chụp được đặt trên đầu mẫu và kết nối với ống dẫn nước thoát ra ngoài Thiết bị được đậy nắp và bơm nước vào buồng Nước trong buồng tạo áp lực tác dụng lên màng cao su, làm màng bám sát vào mẫu giúp hạn chế nước chảy dọc thành mẫu Ở Việt Nam, hệ số thấm của đất được xác định trực tiếp trong phòng thí nghiệm bằng phương pháp cột áp vào hạ - cột áp ra không đổi trên thiết

bị kiểu hộp thấm hoặc phương pháp cột áp không đổi trên thiết bị kiểu ống mẫu thấm (TCVN 8723:2012 [56])

1.2.3 Tổng quan về thấm của soilcrete

1.2.3.1 Nghiên cứu về thấm của soilcrete trên thế giới

Các nghiên cứu trước đây về thấm của đất trộn xi măng trên thế giới tập trung đánh giá một số khía cạnh có ảnh hưởng lên hệ số thấm soilcrete như hàm lượng xi măng, loại xi măng, loại đất, thời gian bảo dưỡng, tỉ lệ nước trên xi măng, và phụ gia Kết quả của các nghiên cứu được trình bày sau đây

12

a Ảnh hưởng của hàm lượng xi măng lên hệ số thấm soilcrete

Hệ số thấm của soilcrete bị tác động bởi hàm lượng xi măng Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng xi măng lên hệ số thấm soilcrete vẫn chưa được đồng thuận cao

a1 Hệ số thấm soilcrete tăng khi tăng hàm lượng xi măng

Chew et al (2004) [14] và Tran et al (2014) [15] đã chỉ ra rằng hệ số thấm của đất trộn

xi măng hoặc vôi cao hơn hệ số thấm đất chưa xử lý và tăng khi tăng hàm lượng xi măng

Hệ số thấm của đất có thể tăng lên từ 100 đến 1000 lần khi ổn định với chất kết dính [23]

a2 Hệ số thấm soilcrete giảm khi tăng hàm lượng xi măng

Hệ số thấm soilcrete thấp hơn hệ số thấm đất tự nhiên và giảm khi hàm lượng xi măng tăng [16], [17], [22], [27], [28] Abbey et al (2018) [22] đã báo cáo hàm lượng xi măng

càng cao, k s soilcrete càng nhỏ khi thực hiện thí nghiệm thấm trên mẫu đất bùn trộn với các hàm lượng xi măng khác nhau 4, 8, 12, và 16% Theo kết quả nghiên cứu của Rahman et al (2016) [28] đất than bùn trộn xi măng với hàm lượng tăng từ 0% đến 40%,

hệ số thấmgiảm từ 1.72×10-5 m/s đến 8.38×10-8 m/s Tương tự Ikhlef et al (2015) [16] cũng kết luận hệ số thấm giảm từ 4.93×10-7 m/s xuống 6.15×10-9 m/s khi đất bùn trộn

xi măng với hàm lượng tăng từ 2 đến 6% Deng et al (2015) [17] đã khảo sát đất sét ở trạng thái dẻo chảy trộn xi măng với hàm lượng tăng từ 12% đến 15% cho hệ số thấm giảm từ 9.97×10-11 m/s đến 5.83×10-12 m/s Amhadi & Assaf (2020) [25] công bố hệ số thấm đất cát sa mạt giảm từ 8.63×10-7 m/s đến 1.33×10-7 m/s khi trộn với xi măng hàm lượng từ 3% đến 7% Keramatikerman et al (2020) [26] chỉ ra rằng việc thêm xi măng

và vôi làm giảm hệ số thấm của cát Alkaya & Esener (2011) [30] kết luận hệ số thấm mẫu soilcrete tạo từ đất cát trộn 5%, 10% xi măng là rất thấp khoảng 10-10 m/s Bahar et

al (2004) [57] đã báo cáo hệ số thấm của soilcrete tạo từ đất cát giảm từ 14×10-8 m/s đến 0.27×10-8 m/s khi xi măng tăng từ 5% đến 20%

13

a3 Hệ số thấm soilcrete thay đổi theo hàm lượng xi măng

Govindasamy & Taha (2016) [18], Latt & Giao (2016) [29], và Mengue et al (2017) [20] cùng kết luận hệ số thấm của soilcrete giảm khi tăng hàm lượng xi măng đến một giá trị nhất định sau đó tăng ngược trở lại nếu tiếp tục tăng xi măng Mengue et al (2017)

[20] thí nghiệm thấm trên mẫu đất laterit trộn xi măng có k s nhỏ nhất tại 6% xi măng Theo kết quả nghiên cứu của Latt & Giao (2016) [29] hệ số thấm soilcrete giảm từ 1.75×10-11 m/s đến 3.62×10-12 m/s và tăng trở lại đạt giá trị 4.47×10-12 m/s khi trộn đất bùn sét Bangkok với xi măng tại các hàm lượng lần lượt 150, 200, 250 kg/m3

Govindasamy & Taha (2016) [18] kết luận k s của soilcrete giảm từ 4.16×10-8 m/s xuống 2.78×10-8 m/s, 6.83×10-9 m/s khi tăng hàm lượng xi măng từ 1%, 3%, 5% lần lượt và tăng ngược lên 2.78×10-8 m/s khi trộn thêm 10% xi măng

b Ảnh hưởng của loại xi măng lên hệ số thấm soilcrete

Xi măng có độ mịn lớn hơn trộn với đất cho hệ số thấm thấp hơn [58] [59]) Markou & Droudakis (2013) [58] đã sử dụng ba loại xi măng khác nhau là xi măng Portland thông thường, xi măng Portland hỗn hợp, và xi măng pozzolan lần lượt trộn với đất cát Kết quả chỉ ra rằng hệ số thấm của soilcrete tạo từ xi măng Portland thông thường là cao nhất và từ xi măng pozzolan là thấp nhất Tuy nhiên, chênh lệch hệ số thấm của đất cát trộn 3 loại xi măng này là không lớn

c Ảnh hưởng của thời gian bảo dưỡng lên hệ số thấm soilcrete

Hệ số thấm của soilcrete giảm theo thời gian bảo dưỡng Latt & Giao (2017) [29] đã làm thí nghiệm thấm trên các mẫu soilcrete tạo từ đất bùn sét trộn với xi măng Portland thông thường hàm lượng lần lượt 150, 200, 250 kg/m3 Các mẫu được bảo dưỡng 3, 7, 14, 28 ngày tuổi Kết quả cho thấy tất cả các mẫu soilcrete đều có hệ số thấm giảm theo thời gian bảo dưỡng từ 2.29×10-11 m/s đến 1.75×10-11 m/s (150 kg/m3), từ 3.13×10-11 m/s đến 3.62×10-12 m/s (200 kg/m3) và giảm từ 7.46×10-12 m/s đến 4.47×10-12 m/s (250 kg/m3)

Xu hướng tương tự cũng được báo cáo bởi Bhattacharja & Bhatty (2003) [60], Akbulut

& Saglamer (2004) [61], Wong et al (2008) [24], Rahman et al (2016) [28], Helson et

al (2018) [21], Avci (2019 [62]

14

d Ảnh hưởng hàm lượng bentonite lên hệ số thấm soilcrete

Hỗn hợp cát - xi măng - bentonite cũng đã được nghiên cứu về cường độ và tính thấm Kumar (2010) [63] đã nghiên cứu về thấm của mẫu đất cát trộn xi măng được trộn thêm các hàm lượng bentonite lần lượt từ 0.2% đến 1.5% (phần trăm theo trọng lượng hỗn hợp cát và xi măng), kết quả cho thấy hệ số thấm soilcrete giảm theo hàm lượng bentonite Iravanian (2015) [31] đã báo cáo hỗn hợp vật liệu với tỉ lệ 80% cát - 15% bentonite - 5% xi măng có hệ số thấm thấp < 10-9 m/s và cho rằng với giá trị hệ số thấm này hỗn hợp vật liệu cát trộn xi măng - bentonite có thể phù hợp sử dụng trong các công trình ngăn nước Đất cát trộn 10% bentonite - 5% xi măng có hệ số thấm thấp hơn 10 lần so với đất cát trộn 10% bentonite theo Alkaya & Esener 2011 [30]

e Ảnh hưởng của tỉ lệ nước/xi măng (w/c) lên hệ số thấm soilcrete

Hệ số thấm soilcrete tăng khi tăng tỉ lệ w/c [58], [61], [62], [64] Theo kết quả nghiên

cứu của Pantazopoulos et al (2013) [64] cho thấy hệ số thấm soilcrete tạo từ đất cát tăng

5 lần khi tăng tỉ lệ w/c từ 0.6 đến 3

f Ảnh hưởng gradient thủy lực (i) lên hệ số thấm một số vật liệu

Sự ảnh hưởng của độ lớn gradient thủy lực lên hệ số thấm đất hoặc đất gia cố đã được

đánh giá bởi một số tác giả trên thế giới Một số tác giả cho rằng i tăng dẫn đến k giảm

do tăng áp lực thấm gây cố kết mẫu đất [65], [66] Dunn & Mitchell (1984) [67] cho rằng đối với mẫu đất sét được đầm chặt bằng 90% dung trọng khô lớn nhất thì hệ số

thấm giảm đi 2.5 lần khi tăng i từ 20 đến 200 và kết luận mẫu càng đặc chắc thì hệ số

thấm ít bị ảnh hưởng hơn bởi gardient thủy lực Ngược lại, Tong & shackeford (2016)

[68] lại cho kết quả k s tăng khi tăng i trên mẫu đất cát trộn bentonite Một số nghiên cứu

khác cho rằng gradient thủy lực ảnh hưởng không đáng kể lên hệ số thấm và định luật Darcy là phù hợp [69], [70], [71] Gueddouda et al 2010 [69] đã báo cáo gradient thủy

lực ảnh hưởng nhỏ lên hệ số thấm khi làm thí nghiệm trên mẫu cát trộn bentonite với i

tăng từ 57.14 đến 214.28 Picandet et al (2011) [70] và Assaad & Harb (2013) [71] cũng

đã khảo sát ảnh hưởng của gradient thủy lực lên hệ số thấm của các mẫu vữa xi măng

và bê tông xi măng Kết quả cho thấy hệ số thấm thay đổi không đáng kể (< 5%) khi i

thay đổi từ 10 đến 55 Yuzhen et al (1999) [13] đã thí nghiệm thấm trên mẫu đất trộn

xi măng và bentonite cho rằng sự thay đổi áp lực buồng và áp lực thấm ít ảnh hưởng đến

15

hệ số thấm, hơn nữa đất trộn xi măng có thể chịu được gradient thủy lực cao lên đến 400

mà không phá hoại mẫu

1.2.3.2 Nghiên cứu về thấm của soilcrete ở Việt Nam

Ở Việt Nam, hệ số thấm của đất trộn xi măng được nghiên cứu trong những năm gần đây Mai Thị Hồng (2019) [36] đã nghiên cứu sử dụng xi măng và vôi làm giảm tính thấm của đất sét pha chứa nhiều dăm sạn để phục vụ nâng cấp hoặc xây dựng đập đất vùng Tây Nguyên Tác giả đã sử dụng thiết bị kiểu hộp thấm thí nghiệm xác định hệ số thấm các mẫu đất trộn xi măng và vôi Kết quả cho thấy, hệ số thấm của mẫu đất gia cố giảm khi tăng hàm lượng xi măng và vôi Tác giả phát hiện phụ gia vôi có hiệu quả giảm thấm tốt hơn so với xi măng và đề xuất sử dụng hỗn hợp chất kết dính với tỉ lệ 3% vôi – 2% xi măng trộn đất sét pha có chứa nhiều dăm sạn để đắp đập hoặc nâng cấp đập Nguyễn Hữu Năm (2021) [37] nghiên cứu cải tạo đất Bazan Tây Nguyên bằng puzolan

tự nhiên, xi măng, và vôi làm tường nghiêng chống thấp đập đất vùng Tây Nguyên Tác giả đã sử dụng phương pháp thí nghiệm thấm địa kỹ thuật trên thiết bị hộp thấm tuân theo TCVN 8723:2012 [56] và phương pháp thí nghiệm thấm bê tông theo tiêu chuẩn TCVN 8219:2009 [72] để đánh giá hệ số thấm của hỗn hợp vật liệu Kết quả cho thấy, quy luật tăng giảm hệ số thấm ứng với các tỷ lệ cấp phối chất kết dính khác nhau của hai phương pháp thí nghiệm tương đồng với nhau về định tính nhưng về định lượng hệ

số thấm của đất gia cố thí nghiệm theo phương pháp bê tông lớn hơn so với phương pháp địa kỹ thuật

1.2.4 Tổng quan về vi cấu trúc của soilcrete

Cấu trúc của đất là thuật ngữ được sử dụng để chỉ sự sắp xếp hình học của các hạt rắn khác nhau và các lỗ rỗng trong một khối đất [73], [74] Cấu trúc đất có hai phần gồm cấu trúc vĩ mô và cấu trúc vi mô đất [73], [74] Cấu trúc vĩ mô của đất có thể được nhìn thấy bằng mắt thường tại thực địa, bao gồm các hạt rắn và lỗ rỗng lớn hơn 0.5 mm Cấu trúc vi mô của đất là một phần cấu trúc đất không thể quan sát được bằng mắt thường

Vi cấu trúc của đất mô tả kích thước, hình dạng, sự sắp xếp của các hạt rắn, và lỗ rỗng nhỏ hơn 0.5 mm [73] và có xét đến lực tương tác tại các điểm tiếp xúc giữa các hạt [74], [75] Nghiên cứu vi cấu trúc của đất trước và sau khi được gia cố cho phép lý giải sự thay đổi các đặc tính kỹ thuật của chúng

16

Vi cấu trúc của soilcrete tạo từ đất sét trộn xi măng, vôi, hay tro bay, v.v., đã được một

số tác giả trên thế giới nghiên cứu bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) hoặc kết hợp giữa SEM và phương pháp nhiễu xã bột tia X (XRD) để lý giải sự thay đổi các ứng xử

cơ - lý - hoá của đất trước và sau khi được xử lý như Choquette et al 1987 [76], Kamruzzaman 2002 [40], Onitsuka et al 2003 [77], Nontananandh et al 2005 [78], Horpibulsuk 2012 [79], Mousavi & Wong 2016 [19], Mengue et al 2017 [20], Sekhar

& Nayak 2017 [80] Thông qua hình ảnh SEM, các nghiên cứu phát hiện hình dạng các tinh thể của các sản phẩm được hình thành từ các phản ứng thủy hóa xi măng và phản ứng pozzolanic Sản phẩm Calcium silicat hydrated (CSH) ban đầu hình thành có dạng hình que kim kết tinh thành từng chùm CSH tồn tại dạng phiến tobermorite theo thời gian Calcium aluminat hydrated (CAH) còn gọi ettringite tồn tại ở dạng que hình thoi Calci hydroxit Ca(OH)2 dạng khối hình đa giác portlandite Các sản phẩm này gia tăng theo thời gian bảo dưỡng, theo hàm lượng xi măng hoá cứng bao phủ các hạt cốt liệu và chèn lấp các lỗ rỗng trong đất làm thay đổi cấu trúc của đất sau khi được xử lý

1.3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.3.1 Các phương pháp xác định hệ số thấm trong phòng

Trong nghiên cứu này, hệ số thấm được đo trực tiếp trong phòng thí nghiệm Đối với đất cát đầm chặt được xác định trên thiết bị thành cứng theo phương pháp cột áp đầu vào hạ - cột áp đầu ra không đổi tuân theo tiêu chuẩn ASTM D5856 [55] Đối với mẫu soilcrete được xác định bằng thiết bị thấm thành mềm theo phương pháp cột áp đầu vào

hạ - cột áp đầu ra không đổi và phương pháp cột áp đầu vào hạ - cột áp đầu ra dâng tuân theo tiêu chuẩn ASTM D5084 [41] Các phương pháp xác định hệ số thấm trong phòng thí nghiệm tuân thủ theo các giả thiết sau [53]

• Dòng chảy trong đất là chảy tầng

• Định luật Darcy là có hiệu lực, tốc độ dòng chảy tỉ lệ với gradient thủy lực

• Mẫu đất phải được bão hòa hoàn toàn

17

1.3.1.1 Phương pháp cột áp đầu vào hạ – cột áp đầu ra không đổi

a Nguyên lý hoạt động

Nước được cung cấp vào đường ống tạo áp lực vào mẫu Trong quá trình thí nghiệm,

cột áp đầu vào hạ theo thời gian: tại thời điểm t = t 1 , cột áp là H in1, cho nước thấm qua

mẫu đến thời điểm t = t 2 , đo cột áp là H in2 (H in2 < H in1) Cột áp đầu ra không đổi trong

suốt quá trình thí nghiệm (H out) (Hình 1.2)

Hình 1.2 Sơ đồ thí nghiệm thấm theo phương pháp cột áp vào hạ - cột áp ra không đổi

- Theo mô hình thí nghiệm Hình 1.2, trong khoảng thời gian dt, chiều cao nước trong ống vào giảm một đoạn là dh, và lượng nước giảm là dQ:

18

hay

Hệ số thấm được xác định theo Công thức (1.4)

(1.4)

trong đó: a - diện tích mặt cắt ngang ống nước chảy vào mẫu (m2), A - diện tích mặt cắt

ngang mẫu (m2), t – khoảng thời gian đo thấm (giây), L - Chiều cao mẫu đất (m), h 1 - độ

chênh cột áp tại thời điểm t 1 (h 1 = H in1 – H out ) (m), h 2 - độ chênh cột áp tại thời điểm t 2

- Trước khi chế bị mẫu trong ống thành cứng của thiết bị, tiến hành đo đường kính

trong của ống, chính là đường kính của mẫu đất (D)

- Đặt một tấm đá bọt và giấy lọc ở đáy thiết bị

- Mẫu đất được chế tạo trong ống thành cứng bằng thiết bị đầm nén

- Đặt trên mặt mẫu tấm giấy lọc và một viên đá bọt

- Đo chiều cao của mẫu đất bên trong thiết bị (L) (lưu ý trừ chiều dày các tấm đá

19

(5) Cấp nước vào ống dẫn, mở van cho nước chảy qua mẫu

(6) Thiết lập trạng thái ban đầu đo thấm: ghi lại thời điểm (t 1), đo chiều cao cột nước

trong ống vào (H in1), nước thấm qua mẫu được chứa trong bình chia vạch

(7) Tại thời điểm t 2 , đo chiều cao cột nước trong ống vào (H in2), chiều cao cột áp đầu

ra (H out ), thể tích nước thoát trong bình (V out ), nhiệt độ phòng (T)

(8) Tính lượng nước thấm qua mẫu (V in) theo Công thức (1.5)

(1.5)

+ Nếu V in ≠ V out, dòng chảy chưa ổn định

+ Nếu V in = V out, dòng chảy ổn định, phân tích hệ số thấm theo bước (9)

(9) Phân tích kết quả hệ số thấm:

- Diện tích mặt cắt ngang mẫu: A = π.D2/4

- Diện tích mặt cắt ngang ống dẫn nước cấp vào mẫu: a = π.d2/4

- Độ chênh cột áp tại thời điểm t 1 : h 1 = H in1 – H out

- Độ chênh cột áp tại thời điểm t 2 : h 2 = H in2 – H out

- Tính hệ số thấm ở nhiệt độ phòng theo Công thức (1.4)

- Lập lại thí nghiệm 3 lần với các cột áp vào khác nhau

c2 Đối với thiết bị thành mềm

(1) Chuẩn bị mẫu: Mẫu đất nguyên trạng được lấy tại hiện trường bằng ống lấy mẫu, mẫu đất xáo trộn được chế bị trong khuôn đã chuẩn bị trước bằng thiết bị đầm

Mẫu sau đó được đẩy ra khỏi khuôn, tiến hành đo chiều cao mẫu (L), đường kính mẫu (D)

(2) Bão hòa mẫu: ngâm mẫu trong nước đã khử khí kết hợp hút chân không

(3) Bọc màng cao su xung quanh mẫu, ở hai đầu mẫu có giấy lọc và đá bọt

(4) Lắp đặt mẫu đã bọc màng cao su vào thiết bị thí nghiệm thấm thành mềm, kết nối các ống dẫn nước tạo áp lực vào mẫu và vào buồng Cấp nước đầy buồng Đo

đường kính ống dẫn nước vào mẫu (d)

( 1 2) 2

4

in in in

d