Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu hệ số thấm đất bùn sét vùng Tây Nam Bộ trộn xi măng

NGUYỄN TUẤN DUY KHÁNH

NGHIÊN CỨU HỆ SỐ THẤM ĐẤT BÙN SÉT VÙNG TÂY NAM BỘ TRỘN XI MĂNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số: 60580205

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 10 năm 2020

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 Phan Tô Anh Vũ

2 Thư ký : TS Nguyễn Xuân Long

3 Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Phan Tô Anh Vũ 4 Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS TS Lê Anh Thắng 5 Ủy viên: PGS.TS Trần Nguyễn Hoàng Hùng

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Nguyễn Tuấn Duy Khánh MSHV: 1770396 Ngày tháng năm sinh: 27/11/1993 Nơi sinh: Tiền Giang Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số: 60580205

I TÊN ĐỀ TÀI:

Nghiên cứu hệ số thấm đất bùn sét vùng Tây Nam Bộ trộn xi măng

II NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

1 Nghiên cứu tổng quan về hệ số thấm soilcrete

2 Nghiên cứu chế tạo thiết bị thấm từ những vật liệu sẵn có trong nước

3 Chế tạo mẫu soilcrete từ đất bùn sét trong phòng với các hàm lượng 200, 250, 300, 350 và 400 kg/m3

4 Phân tích ứng xử thấm soilcrete tạo từ đất bùn sét trộn với các hàm lượng xi măng khác nhau

5 Nghiên cứu ứng dụng hệ số thấm để ngăn thấm và tăng ổn định cho đường ven sông

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 10/02/2020

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/06/2020

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

PGS TS TRẦN NGUYỄN HOÀNG HÙNG PGS TS NGUYỄN MẠNH TUẤN TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

PGS TS LÊ ANH TUẤN

Lời cảm ơn đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn đến Thầy hướng dẫn PGS.TS Trần Nguyễn Hoàng Hùng, bộ môn Cầu Đường, khoa Kỹ Thuật Xây Dựng trường Đại Học Bách Khoa Tp HCM Thầy đã truyền đạt những kiến thức quý báu, đóng góp ý kiến, và hướng dẫn tận tình trong suốt thời gian hoàn thành luận văn này Tôi xin cảm ơn các thầy cô giáo trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh nhiệt tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức bổ ích trong suốt quá trình học tập Tôi cũng xin cảm ơn chân thành Trường đại học Bách Khoa TP.HCM đã tài trợ kinh phí nghiên cứu của đề tài loại B - Đại học Quốc gia TP HCM, mã số B2018-20-04 để hoàn thành luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các bạn trong nhóm nghiên cứu đã cùng chia sẻ và hỗ trợ trong suốt quá trình nghiên cứu Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã tin tưởng, động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Đề tài

NGHIÊN CỨU HỆ SỐ THẤM ĐẤT BÙN SÉT VÙNG TÂY NAM BỘ TRỘN XI MĂNG

Ở Việt Nam hiện nay, có rất nhiều các nghiên cứu về cường độ của đất trộn xi măng

(soilcrete) Tuy nhiên, hệ số thấm của soilcrete, ks, hầu như chưa được nghiên cứu Trong nghiên cứu này, hệ số thấm của đất bùn sét, ksoil, và sự thay đổi hệ số thấm của

đất bùn sét trộn xi măng theo thời gian bảo dưỡng và hàm lượng xi măng được xác định Mẫu đất bùn sét nguyên dạng được lấy ở độ sâu 1.7 m từ mặt đất tự nhiên gần cầu Tám Bang trên ĐT 852 ở xã Long Hưng B, huyện Lấp Vò, tỉnh Đồng Tháp Đất bùn sét được trộn với các hàm lượng xi măng 200, 250, 300, 350 và 400 kg/m3 với tỉ

lệ Nước:Xi măng, w:c, là 1.2:1 ksoil và ks được xác định theo phương pháp: “Cột áp vào giảm – cột áp ra không đổi” Kết quả thí nghiệm cho thấy (1) ks theo thời gian

bảo dưỡng giảm từ 1.92 x 10-9 m/s đến 3.4 x 10-10 m/s, ks giảm nhanh trong khoảng 21 ngày tuổi đầu (2) ks có giá trị thấp hơn khoảng 100 lần ksoil (3) Sau 21 ngày tuổi ks

tiếp tục giảm không đáng kể do chỉ có phản ứng pozzolanic của sản phẩm thủy hóa

với các khoán vật có trong đất (4) ks giảm dần khi tăng hàm lượng xi măng nhưng

tăng trở lại khi tăng hàm lượng xi măng ở 350, 400 kg/m3 (4) Thiết bị thấm thành mềm thích hợp cho thí nghiệm thấm soilcrete (5) Chiều cao của mẫu soilcrete ảnh hưởng không rõ ràng đến hệ số thấm soilcrete Dựa trên kết quả thí nghiệm thấm đất trộn xi măng trong phòng, hai biện pháp gia cố đường ven sông bằng công nghệ đất trộn xi măng được đề xuất Phần mềm SEEP/W kết hợp với SLOPE/W được sử dụng tiến hành phân tích thấm và ổn định đường ven sông Kết quả phân tích cho thấy tường soilcrete hiệu quả trong việc chống thấm và gia tăng ổn định đường ven sông Lưu lượng thấm qua thân đường ven sông giảm 15 ÷ 38 lần khi gia cố tường soilcrete

Hệ số ổn định FS tăng 2.36 đến 3.96 lần khi gia cố 1 hàng cọc soilcrete và 2 hàng cọc

soilcrete lần so với đường ven sông không gia cố

Topic

HYDRAULIC CONDUCTIVITY OF SOILCRETE MADE FROM THE SOFT CLAY TAKEN IN THE MEKONG DELTA

Several research on soilcrete strength – a product of the SCM technology in Vietnam

However, soilcrete permeability or hydraulic conductivity, ks, has limit investigation

and databdse This paper investigated hydraulic conductivity of the in-situ soil

samples, ksoil, and the variation of soilcrete permeability made from the soft clay

samples with curing time and cement concent The soft clay samples waere taken at a depth of 1.7 m below the ground surface close to Tam Bang bridge on DT852 in Dong Thap province The soft clay samples were mixed with cement slurry at the cement contents of 200, 250, 300, 350 and 400 kg/m3 with the ratio w:c of 1.2:1 ksoil and ks were tested following the “Falling head-constant tailwater level” method The results indicate that: (1) ks reduced from 1.92 x 10-9 m/s to 2,3 x 10-10 m/s, especially

ks dropped sharply in the first 21 days (2) ks lower 100 times than that of ks (3) ks still decreased slightly after 21 days due to the pozzolanic reseactions (4) ks decreases

with increasing in the cement content, but slightly increases at a cement content of 350,400 kg/m3 (5) the height of soilcrete specimens has unclear effects to the soilcrete permeability Due to the experimental permeability test result, two design option used soil cement deep mixing to reinforce river road embankment The SEEP/W combined with SLOPE/W are used to analyze seepage and slope stability of the river road embankment The result indicate that soilcrete walls cut seepage off and increase slope stability river road embankement Flow of permeable lower than

current solutions 15 ÷ 38times when reinforced soilcrete walls Factor of Safety FS

increase 2.36 to 3.96 times when river road embankment reinforced with 1 row soilcrete and 2 row soilcrete compared unreinforced river road embankment

Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ “NGHIÊN CỨU HỆ SỐ THẤM ĐẤT BÙN SÉT VÙNG TÂY NAM BỘ TRỘN XI MĂNG” là đề tài do chính cá nhân tôi thực hiện Đề tài được thực hiện theo đúng nhiệm vụ luận văn thạc sĩ, không phải sao chép của cá nhân nào, các số liệu trong luận văn là số liệu trung thực

Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về nội dung của luận văn này

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Xây Dựng Giao Thông

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT xiv

2.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ soilcrete 4

2.2.2 Mối quan hệ của hệ số thấm đối với đất rời và đất dính 5 2.2.3 Mối quan của hệ số thấm theo phương đứng và phương ngang trong lớp đất

5 2.2.4 Xác định hệ số thấm trong phòng thí nghiệm 5

: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12

1.2.4 Thí nghiệm xác định hệ số thấm mẫu soilcrete 14

2.2.1 Thông số của hệ thống thí nghiệm và các kiểu thiết bị 22

2.3.2 Quá trình lắp đặt thiết bị loại B 26

3.2.3 Kiểm tra sự ổn định của thiết bị và hệ thống thiết bị thí nghiệm 32

5.3.2 Phân tích ổn định trường hợp mực nước sông thấp nhất 76 5.3.3 Trường hợp mực nước sông cao nhất kết hợp mưa 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 90

 = hàm lượng xi măng (kg/m3)

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

A = diện tích tiết diện mẫu (m2)

H = chiều cao mẫu (mm)

H_cell = chiều cao nước tạo áp lực vào buồng (m)

H_in = chiều cao nước tạo áp lực vào mẫu (m)

H_out = chiều cao nước thoát ra (m) 1

h = độ chênh cột áp tổng vào tại thời điểm t1

h = độ chênh cột áp tổng vào tại thời điểm t2

L = chiều dài mẫu (mm)

m = khối lượng nước (kg)

 = khối lượng riêng của đất ở trạng thái tự nhiên (g/cm3) w = khối lượng riêng của nước (kg/m3)

= góc ma sát trong của lớp đất ở đáy mỗi mảnh (độ)  = trọng lượng riêng tự nhiên (kN/m3)

Soilcrete = đất trộn ximăng

Bảng 1.1 Hệ số quy đổi độ nhớt của nước theo nhiệt độ (ASTM D5084)[42] 17

Bảng 4.2 Chỉ tiêu chất lượng của xi măng pooc lăng PCP40 (TCVN 6260:2009) [57]

Bảng 4.3 Hàm lượng tối đa cho phép của các chất trong nước trộn vữa (TCVN

Bảng 5.3 Lưu lượng thấm và hệ số ổn định đường ven sông trong trường hợp mực

Bảng 5.4 Lưu lượng thấm và hệ số ổn định đường ven sông trong trường hợp mực

Hình 1.1 Sơ đồ thí nghiệm thấm cột áp đầu vào thay đổi - cột áp đầu ra không đổi

Hình 1.3 Mô hình phân tích hệ số FS theo phương pháp Bishop [51] 21

Hình 3.1 Sơ đồ thí nghiệm mẫu đất trộn xi măng của thiết bị loại A 31

Hình 3.2 Sơ đồ thí nghiệm mẫu đất trộn xi măng của thiết bị loại B 31

Hình 3.3 Ống nhựa PVD có kích thước tương đồng mẫu thí nghiệm 34

Hình 3.7 Bọc màng cao su vào ống bọc mẫu và cố định bằng vòng ron 37

Hình 3.8 Hút màng cao su bám sát vào ống bọc bằng máy hút chân không 37

Hình 3.11 Đặt mẫu vào bình hút chân không, và đổ nước ngập mẫu 39

Hình 3.13 Ngâm các thiết bị thí nghiệm thấm vào thùng lắp đặt 39

Hình 3.15 Đặt toàn bộ thao chứa mẫu,thiết bị vào thùng nước lắp đặt 40

Hình 3.19 Đóng kín thiết bị và bơm đầy nước vào buồng 42

Hình 3.20 Lắp đặt các thiết bị thấm vào hệ thống thống thí nghiệm 43

Hình 3.22 Quan hệ số thấm và nhiệt độ mẫu soilcrete với hàm lượng xi măng 300

Hình 3.23 Quan hệ hệ số thấm soilcrete và khoảng thời gian ghi nhận số liệu mẫu

soilcrete có hàm lượng xi măng 300 kg/m3 tại thời điểm 10, 14 và 30 ngày tuổi 45

Hình 3.24 Biểu đồ hệ số thấm của thu được từ thiết bị loại A 46

Hình 3.25 Biểu đồ hệ số thấm của thu được từ thiết bị loại B 46

Hình 4.2 Mẫu đất nguyên dạng lấy tại vị trí nghiên cứu để tạo mẫu soilcrete trong

Hình 4.3 Quy trình chế tạo mẫu soilcrete từ đất bùn sét [54] 55

Hình 4.4 Ảnh hưởng thiết bị thấm đến hệ số thấm soilcrete tại hàm lượng xi măng

Hình 4.5 Quan hệ hệ số thấm soilcrete và hàm lượng xi măng 300 kg/m3 tại thời điểm

Hình 4.6 Quan hệ hệ số thấm và hàm lượng xi măng khác nhau tại thời điểm 28 ngày

Hình 4.7 Quan hệ hệ số thấm soilcrete và hàm lượng xi măng khác nhau tại thời điểm

Hình 4.8 Sự thay đổi hệ số thấm soilcrete ở các hàm lượng xi măng khác nhau theo

Hình 5.1 Mặt cắt ngang đường ven sông thiết kế (đoạn kênh 2/9, xã An Hòa, huyện

Hình 5.2 Mặt bằng và sơ đồ bố trí tường soilcrete tại hiện trường [63] 69

Hình 5.3 Kết quả phân tích thấm đường ven sông trong trường hợp mực nước sông

Hình 5.8 Kết quả phân tích thấm đường ven sông trong trường hợp mực nước sông

Hình 5.9 Kết quả phân tích ổn định đường ven sông phía ruộng trong trường hợp

Hình 5.10 Kết quả phân tích ổn định đường ven sông phía sông trong trường hợp

Hình 5.11 Kết quả phân tích thấm đường ven sông trong trường hợp mực nước phía

Hình 5.12 Kết quả phân tích ổn định đường ven sông phía ruộng trong trường hợp

Hình 5.13 Kết quả phân tích ổn định đường ven sông phía sông trong trường hợp

MỞ ĐẦU

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Đất trộn xi măng (soilcrete) là vật liệu được sử dụng gia cố nền đất yếu trên thế giới và ở Việt Nam Gần đây, soilcrete được ứng dụng cho các công trình chống thấm như đê bao ngăn lũ, đập, tường vây hố đào, tường ngăn chống ô nhiễm mực nước ngầm, v.v [1], [2], [3], [4], [5] Vì vậy, hệ số thấm soilcrete là một thông số quan trọng nhưng chưa được nghiên cứu toàn diện

Ở Việt Nam, nhiều công trình áp dụng soilcrete làm vật liệu chống thấm như tường vây và đáy hố đào, tường chống thấm đê đất, v.v., nhưng các kết quả thí nghiệm trong phòng và hiện trường để xác định trực tiếp hệ số thấm soilcrete còn hạn chế [6] Các nguyên nhân có thể là thiết bị đầu tư tốn kém (nếu nhập trực tiếp từ Mỹ khoảng 5.000 USD/bộ hoàn chỉnh, Humboldt), thời gian thí nghiệm có thể kéo dài từ 6-12 tuần/1 thí nghiệm, và quá trình thí nghiệm cần nhiều kinh nghiệm và kiến thức nền của người thực hiện để có kết quả tin cây (như chống rò rỉ dọc thành, cố kết mẫu, v.v.) Vì vậy, hệ số thấm thường được xác định một cách gián tiếp thông qua thí nghiệm nén cố kết cho các loại đất sét Tuy nhiên, giá trị hệ số thấm theo phương pháp này thường thấp hơn 10-100 lần đất nguyên dạng do mẫu đất bị cố kết, hệ số rỗng giảm sau quá trình cố kết dưới áp lực nén cố kết Hơn nữa, việc nghiên cứu xác định hệ số thấm soilcrete trong nước đều có hàm lượng hạt cát cao (vật liệu có hệ số thấm cao) và dùng thiết bị thí nghiệm đơn giản như ống thành cứng với nguyên lý cột áp không đổi [6] Hệ thống thiết bị này tiềm ẩn nguy cơ rò rỉ hay dòng thấm chạy dọc theo thành thay vì phải thấm xuyên qua vật liệu soilcrete trong quá trình thí nghiệm, đặc biệt khi áp đặt độ dốc thuỷ lực cao (ví dụ > 30) Hệ số thấm soilcrete nhận được có thể sẽ cao hơn thực tế Hệ số thấm soilcrete ở Việt Nam vẫn chưa có công trình nghiên cứu chính thức được công bố trong nước và quốc tế

Đề tài tập trung nghiên cứu chế tạo và vận hành thiết bị đo thấm, phân tích hệ số thấm soilcrete theo hàm lượng xi măng và theo thời gian bảo dưỡng, và ứng dụng hệ số thấm để tăng ổn định đường ven sông Kết quả nghiên cứu này nhằm khẳng định tính thấm thấp của soilcrete hay soilcrete có khả năng chống thấm tốt sẽ mở ra nhiều ứng dụng thực tiễn 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 TÓM TẮT NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN

Nghiên cứu tổng quan trình bày thông tin khái quát vật liệu soilcrete, thấm và các kết quả nghiên cứu từ nhiều nhà khoa học trên thế giới về hệ số thấm soilcrete trên thế giới Kết quả nghiên cứu tổng quan giúp hiểu rõ khía cạnh hệ số thấm soilcrete trong nước và thế giới đem lại định hướng cho nghiên cứu Phần nghiên cứu tổng quan của

luận văn sẽ được trình bày chi tiết ở Phụ lục A Các điểm nổi bật trong nghiên cứu

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

Tổng quan về vật liệu soilcrete

Soilcrete được tạo ra bằng phương pháp đơn giản dùng đất tại chỗ trộn với xi măng dùng đề cải tạo đất Công nghệ đất trộn xi măng được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực xây dựng như tường ngăn chống thấm, Cải tạo nền đất yếu, Giảm tác động của động đất [7] v.v Các phản ứng hóa học giữa đất và xi măng xảy ra ngay lập tức khi dùng đất trộn với xi măng, làm thay đổi các tính chất cơ-lý hóa của đất, và tạo ra soilcrete giúp cải thiện tăng cường độ, độ cứng và giảm hệ số thấm v.v so với đất chưa xử lý Phản ứng hóa học giữa đất và xi măng tạo ra soilcrete được chia ra làm ba loại: phản ứng thủy hóa, phản ứng trao đổi ion và phản ứng pozzolanic [8], [9], [10]

2.1.1 Các đặc trưng vật lý soilcrete

2.1.1.1 Độ ẩm

Khi gia cố đất bằng xi măng, độ ẩm của đất gia cố giảm so với đất chưa gia cố do phản ứng thủy hóa giữa nước và xi măng gây ra làm giảm lượng nước trong đất [2], Kawasaki et al 1978 (nguồn từ [7]) và Uddin et al 1997 (nguồn từ [9])

2.1.1.2 Khối lượng riêng

Đối với phương pháp trộn ướt, khối lượng riêng của soilcrete tăng khi hàm lượng xi măng nhưng không đáng kể Khi đất trộn xi măng bằng phương pháp trộn khô, khối lượng riêng soilcrete tăng nhanh khi tăng hàm lượng xi măng [2], [7]

2.1.1.3 Hệ số thấm

Trong cùng hàm lượng xi măng và thời gian bảo dưỡng, hệ số thấm soilcrete giảm so với đất chưa gia cố [7], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21] Hệ số thấm soilcrete có giá trị khoảng 10-7 đến 10-11 m/s [7], [22]

2.1.2 Các đặc tính kỹ thuật của soilcrete

2.1.2.1 Mô đun đàn hồi cát tuyến, E50

Tỉ số E50 và qu của vật liệu soilcrete có giá trị khoảng từ 200 - 300 lần trong đất hạt mịn và 1000 lần trong đất hạt thô [23] Khi qu < 2 MPa, soilcrete có E50 cao hơn từ 50 - 300 lần so với qu và từ 300 - 1000 lần so với qu khi qu > 2 MPa [24]

2.1.2.2 Biến dạng lúc phá hoại

Biến dạng lúc phá hoại của soilcrete giảm khi tăng hàm lượng xi măng [2], Uddin et al 1997 nguồn từ [9] Biến dạng lúc phá hoại,f , của soilcrete thường từ 1-3% [7], [25], [26]

2.1.2.3 Hệ số Poison

Hệ số poison không lệ thuộc quá nhiều vào loại đất thí nghiệm và gần như bằng nhau khi đất trộn xi măng trong phòng thí nghiệm hay ngoài hiện trường [7] Hệ số Poison có giá trị khoảng 0.28 đến 0.45 [7], [22]

2.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ soilcrete 2.1.3.1 Hàm lượng xi măng

Khi tăng hàm lượng xi măng cường độ soilcrete tăng [2], Babasaki et al 1980 nguồn từ [7], [27], [28], [29], [30], [31], [32],[33], [34]

Đất có độ pH càng cao thì cường độ soilcrete càng cao [7], [34], [35]

Đất có độ ẩm càng cao thì cường độ soilcrete sẽ càng giảm [24], [28], [37], [38]

2.1.3.4 Điều kiện trộn

Thời gian trộn và đóng khuôn soilcrete thực hiện trong phòng thí nghiệm không nên quá 30 phút [7], [34], [36]

2.1.3.5 Thời gian bảo dưỡng

Cường độ đất gia cố tăng theo thời gian bảo dưỡng [7], [10], [34], [26], [36], [39]

và nhiệt độ của nước

2.2.2 Mối quan hệ của hệ số thấm đối với đất rời và đất dính

Một số công thức thực nghiệm cho hệ số thấm được đề xuất dựa trên các nghiên cứu : Hazen (1930), Carrier (2003) thí nghiệm trên đất cát; Mesri and Olson (1971), Taylor (1948), Samarsinghe et al.(1982), Raju et al.(1995), Tavenas et al.(1983a,b)

thí nghiệm trên đất sét (nguồn từ [40])

2.2.3 Mối quan của hệ số thấm theo phương đứng và phương ngang trong lớp đất

Đất có tính dị hướng với hệ số thấm, hướng của thấm đứng và ngang vuông góc với nhau, độ thấm tối đa theo hướng nằm ngang Đối với đất có nhiều lớp, hệ số thấm

tương đương quy đổi phụ thuộc vào hướng dòng chảy trong đất

2.2.4 Xác định hệ số thấm trong phòng thí nghiệm

Hệ số thấm thí nghiệm trong phòng thường xác định theo 3 phương pháp phổ biến [40]:

 Thí nghiệm 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

 Thí nghiệm cột áp đầu vào thay đổi - cột áp đầu ra không đổi (Falling-head test): phù hợp cho loại đất hạt mịn có hệ số thấm thấp

 Xác định gián tiếp từ thí nghiệm cố kết (Consolidation test): Thí nghiệm cố kết có thể sử dụng để xác định hệ số thấm cho loại đất dính

2.2.5 Thiết bị đo thấm trong phòng thí nghiệm

Trên thế giới, các thiết bị để xác định hệ số thấm trực tiếp được sử dụng phổ biến như thiết bị thấm thành cứng (ASTM D5856) [41] và thiết bị thấm thành mềm (ASTM D5084) [42] Quá trình lắp đặt vận hành thiết bị thấm thành cứng có phần đơn giản hơn thiết bị thấm thành mềm Tuy nhiên, thiết bị thấm thành mềm có sử dụng nhiều loại mẫu khác nhau, màng cao su giúp bám sát thành mẫu giúp hạn chế rò rỉ dọc thành mẫu Ở Việt Nam, hệ số thấm đa số xác định gián tiếp bằng thí nghiệm nén cố kết Việc xác định hệ số thấm trực tiếp còn hạn chế do chi phí cao và cần nhiều kinh nghiệm Chi phí nhập một bộ thiết bị thấm thành cứng khoảng 25 triệu (Humboldt, Gilson) và khoản 230 triệu đối với trọn bộ thiết bị thấm thành mềm (Humboldt, Gilson)

2.2.6 Xác định hệ số thấm ngoài hiện trường

Hệ số thấm ở ngoài hiện trường có thể được xác định bằng thí nghiệm giếng bơm và thí nghiệm bơm từ hố khoan khảo sát

Tổng quan về thấm soilcrete 2.3.1 Hàm lượng xi măng

Hệ số thấm soilcrete giảm khi tăng hàm lượng xi măng [7], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21] Ngoài ra, một số nghiên cứu khác cho thấy hệ số thấm tăng trở lại khi hàm lượng xi măng tăng [43], [44], [45]

2.3.2 Thời gian bảo dưỡng

Thời gian bảo dưỡng là yếu tố quan trọng tác động đến hệ số thấm của soilcrete Dựa trên các nghiên cứu của nhiều tác giả, hệ số thấm của soilcrete giảm khi tăng thời gian bảo dưỡng [20], [21], [44], [45], [46], [47], [48]

2.3.3 Phụ gia

Phụ gia được sử dụng rộng rãi trên thế giới giúp cải thiện đặc trưng cơ học của soilcrete trong đó có tác động đến khả năng thấm Các loại phu gia như Metakaolin, Bentonite, Silica fume và water reducer giúp giảm hệ số thấm của đất trộn xi măng [15], [18], [21]

2.3.4 Loại đất

Đất sét có thành phần hạt mịn nên có hệ số thấm thấp hơn đất cát Khi gia cố bằng xi măng, hệ số thấm soilcrete tạo từ đất sét thấp hơn so với hệ số thấm soilcrete tạo tử đất cát ([43] nguồn từ Huddleston 1996) Hệ số thấm soilcrete tạo từ đất sét chưa có sự đồng thuận cao Một số nghiên cứu cho thấy hệ số thấm soilcrete tạo từ đất sét cho kết quả giảm 10-100 lần so với đất sét chưa xử lý [7], [19], [44], [45] Một số nghiên cứu khác kết quả hệ số thấm soilcrete tăng so với đất sét tự nhiên khi dùng vôi và xi măng để trộn [49], [50]

3 ĐỘNG LỰC NGHIÊN CỨU

Gia cố bằng công nghệ đất trộn xi măng đã được ứng dụng chống thấm cho đê bao đất ở đồng bằng sông Cửu Long Tuy nhiên, hệ số thấm soilcrete chưa được nghiên cứu một cách toàn diện ở Việt Nam Kết quả nghiên cứu này nhằm khẳng định tính thấm thấp của soilcrete hay soilcrete có khả năng chống thấm tốt sẽ mở ra nhiều ứng dụng thực tiễn như sử dụng soilcrete tăng ổn định cho đường ven sông, 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 Ở Việt Nam, hệ số thấm soilcrete còn hạn chế trong việc xác định trực tiếp bằng thí nghiệm trong phòng và hiện trường do chi phí nhập thiết bị từ nước ngoài tốn kém Thiết bị thấm được thiết kế và gia công chế tạo dựa trên nguyên lý của ASTM D5084 và ASTM D5856 giúp giảm chi phí nhập thiết bị thí nghiệm thấm từ nước ngoài và tự chủ công nghệ

4 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Mục tiêu nghiên cứu là xác định hệ số thấm đất bùn sét ở khu vực cầu Tám Bang, ĐT 852, xã Long Hưng B, huyện Lấp Vò, tỉnh Đồng Tháp trộn xi măng bằng thiết bị đo thấm chế tạo được và ứng dụng kết quả hệ số thấm để ngăn thấm và tăng ổn định đường ven sông Mục tiêu cụ thể bao gồm:

1 Tổng quan về hệ số thấm soilcrete được nghiên cứu 2 Chế tạo thiết bị đo thấm soilcrete

3 Vận hành thiết bị thấm soilcrete

4 Phân tích hệ số thấm soilcrete theo hàm lượng xi măng khác nhau và theo thời gian bảo dưỡng

5 Ứng dụng hệ số thấm để ngăn thấm và tăng ổn định cho đường ven sông

5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 5.1 Phương pháp

Phương pháp thí nghiệm trong phòng tuân theo các tiêu chuẩn ASTM D5084, D5856 của Mỹ Dựa trên kết quả thí nghiệm để tiến hành phân tích kết quả hệ số thấm đất bùn sét ở khu vực cầu Tám Bang, ĐT 852, xã Long Hưng B, huyện Lấp Vò, tỉnh Đồng Tháp trộn xi măng.

5.2 Trình tự thực hiện

Thiết bị chế tạo mẫu trong phòng (khuôn đầm mẫu, cân điện tử, bình đong thể tích, dao gọt, thùng chứa mẫu, v.v.) tuân theo TCVN 9403:2012 Kết quả thí nghiệm được phân tích theo tiêu chuẩn ASTM 5084, ASTM 5856.

 Vật liệu thực hiện: Mẫu đất bùn sét được lấy ở độ sâu 1.7m ÷ 2m tính từ mặt đất tự nhiên, thuộc khu vực cầu Tám Bang, ĐT 852, xã Long Hưng B, huyện Lấp Vò, tỉnh Đồng Tháp Trình tự thực hiện:

 Nghiên cứu tổng quan hệ số thấm soilcrete

 Nghiên cứu chế tạo thiết bị thấm

 Vận hành thử nghiệm và cân chỉnh các hệ thống thiết bị thấm trong phòng

 Thí nghiệm trong phòng:

 Thu thập đất bùn sét tại hiện trường

 Bảo dưỡng mẫu đất nguyên trạng độ ẩm

 Bảo hòa mẫu bằng hút chân không

 Chế tạo mẫu đất nguyên dạng

 Nghiên cứu ứng xử thấm soilcrete tạo ra từ đất bùn sét theo các hàm lượng xi măng (200, 250, 300, 350, 400 kg/m3)

 Nghiên cứu ứng xử thấm soilcrete tạo ra từ đất bùn sét theo thời gian bảo dưỡng (7, 14, 28, 60, và 90 ngày)

 Nghiên cứu ứng dụng hệ số thấm để ngăn thấm và tăng ổn định cho đường ven sông

6 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Vật liệu thí nghiệm là đất bùn sét ở thuộc khu vực cầu Tám Bang, ĐT 852, xã Long Hưng B, huyện Lấp Vò, tỉnh Đồng Tháp Chế tạo và vận hành thiết bị thấm Phạm vi thí nghiệm xác định hệ số thấm soilcrete tạo từ đất bùn sét theo hàm lượng xi măng khác nhau và thời gian bảo dưỡng Ứng dụng hệ số thấm để ngăn thấm và tăng ổn định cho đường ven sông

7 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

Kết quả nghiên cứu dự kiến đưa ra bao gồm nghiên cứu chế tạo và vận hành thiết bị thấm Ứng xử thấm soilcrete tạo từ đất bùn sét theo hàm lượng xi măng khác nhau và theo thời gian bảo dưỡng Nghiên cứu ứng dụng hệ số thấm để ngăn thấm và tăng ổn định cho đường ven sông

8 Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa khoa học là đưa ra quy trình vận hành thí nghiệm thấm cho vật liệu soilcrete và tài liệu tham khảo cho những nghiên cứu thấm soilcrete về sau Ngoài ra, kết quả nghiên cứu này về mặt ứng dụng tính thấm thấp của soilcrete có khả năng ngăn thấm và tăng ổn định cho đường ven sông

9 TỔ CHỨC LUẬN VĂN

Luận văn được tổ chức gồm năm chương chính và ba phụ lục Chương mở đầu luận văn giới thiệu các vấn đề liên quan về đề tài nghiên cứu, mục tiêu nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu và kết quả nghiên cứu Chương 1 – Cơ sở lý thuyết – trình bày các cơ sở lý thuyết ứng dụng trong quá trình nghiên cứu Chương 2 – Chế tạo thiết bị thấm – trình bày quá trình chế tạo và lắp đặt hệ thống thiết bị thấm Chương 3 –Vận hành thử nghiệm thiết bị thấm – trình bày quá trình thử nghiệm thiết bị thấm và vận

hành thử nghiệm thiết bị thấm Chương 4 – Nghiên cứu hệ số thấm đất bùn sét ở Đồng Tháp trộn xi măng – trình bày phân tích ứng xử thấm đất trộn xi măng theo thời gian bảo dưỡng và hàm lượng xi măng khác nhau Chương 5 – Phân tích và ứng dụng hệ số thấm tăng ổn định đường ven sông – trình bày phân tích thấm và ổn định tổng thể đường ven sông gia cố bằng tường soilcrete bằng phần mềm SEEP/W và SLOPE/W Phần kết luận dựa trên những kết luận chính từ quá trình nghiên cứu thử nghiệm, một số kiến nghị và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo Phụ lục A – Nghiên cứu tổng quan – trình bày tổng quan về vật liệu soilcrete, thấm và thấm đất trộn xi măng Phụ lục B- Nhật kí tạo mẫu – trình bày các thông số đầu vào chế tạo mẫu soilcrete trong phòng Phụ lục C – Kết quả tính toán- trình bày kết quả tính toán hệ số thấm soilcrete trong phòng và kết quả tính toán phân tích ổn định đường ven sông

: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

GIỚI THIỆU

Chương 1 trình bày cơ sở lý thuyết thí nghiệm trong phòng phục vụ cho thực hiện thí nghiệm thấm cho đất bùn sét ở Đồng Tháp trộn xi măng với các hàm lượng xi măng khác nhau Cơ sở lý thuyết dòng thấm trong đất và hệ số ổn định, mô phỏng phục vụ cho phân tích mô phỏng đường ven sông gia cố bằng tường soilcrete

THÍ NGHIỆM TRONG PHÒNG 1.2.1 Xác định khối lượng đất

Khối lượng đất cần thiết để đúc mẫu soilcrete cho một lần trộn được xác định theo công thức (1.1):

( 1   1 2 2   ) 

trong đó: msoil là khối lượng đất cần dùng cho một khuôn (g), n1 là số lượng khuôn

đúc mẫu loại 1, V1 là thể tích khuôn đúc mẫu loại 1(cm3), n2 là số lượng khuôn đúc

mẫu loại 2, V2 là thể tích khuôn đúc mẫu loại 2 (cm3), nn là số lượng khuôn đúc mẫu

loại n, Vn là thể tích khuôn đúc mẫu loại n (cm3),  là khối lượng riêng của đất ở trạng thái tự nhiên (g/cm3), k là hệ số lấy bằng 1.05 ÷ 1.1, nhằm đảm bảo lượng đất

đúc mẫu không bị thiếu

1.2.2 Xác định khối lượng xi măng

Hàm lượng xi măng được định nghĩa là tỉ số giữa khối lượng xi măng khô trên một thể tích đất cần gia cố, có đơn vị là kg/m3 [7]

Khối lượng xi măng sẽ được xác định theo công thức (1.2):

trong đó: msoil là khối lượng đất cần dùng (g),  là khối lượng riêng của đất ở trạng

thái tự nhiên (kg/m3), Vsoil là thể tích đất (m3 )

1.2.3 Xác định khối lượng nước

Tỉ lệ nước: xi măng (w c ) là khối lượng xi măng trên một lít nước, có đơn vị là (%) :Khối lượng nước được tính theo công thức (1.4):

   

wc

1.2.4 Thí nghiệm xác định hệ số thấm mẫu soilcrete

Thí nghiệm thấm sẽ được thực hiện theo phương pháp cột áp đầu vào thay đổi-cột áp đầu ra không đổi, và gradient thủy lực áp dụng phù hợp cho thí nghiệm nằm trong khoảng 20 đến 30 (ASTM – D5084, ASTM – D5856)

Hình 1.1 mô tả thí nghiệm thấm cột áp đầu vào thay đổi - cột áp đầu ra không đổi Độ chênh cột áp tổng h1 vào tại thời điểm t1 (m) được xác định theo công thức (1.6)

Hệ số thấm tại nhiệt độ thí nghiệm sẽ được xác định theo công thức (1.8) (Das 2010):

trong đó: a là diện tích tiết diện ống nước chảy vào mẫu (m2); L là chiều dài của mẫu

(m); A là diện tích tiết diện mẫu (m2); t là khoảng thời gian xác định cột áp nước

vào h1 và h2 (giây); h1 là độ chênh cột áp tổng vào tại thời điểm t1 (m) ; h2 là độ

chênh cột áp tổng vào tại thời điểm t2 (m)

Hệ số thấm được quy đổi về nhiệt độ chuẩn 200C theo công thức (1.9) (Das 2010):

20 T

trong đó: k20 là hệ số thấm ở nhiệt độ chuẩn 200C; k là hệ số thấm ở nhiệt độ thí

nghiệm t; RT là hệ số quy đổi độ nhớt của nước theo nhiệt độ được xác định theo Bảng 1.1

Hình 1.1 Sơ đồ thí nghiệm thấm cột áp đầu vào thay đổi - cột áp đầu ra không đổi

Bảng 1.1 Hệ số quy đổi độ nhớt của nước theo nhiệt độ (ASTM D5084)[42]

Nhiệt độ (0C) RT Nhiệt độ (0C) RT

0 1.783 25 0.889 1 1.723 26 0.869 2 1.664 27 0.850 3 1.611 28 0.852 4 1.560 29 0.814 5 1.511 30 0.797 6 1.465 31 0.780 7 1.421 32 0.764 8 1.379 33 0.749 9 1.339 34 0.733 10 1.301 35 0.719 11 1.265 36 0.705 12 1.230 37 0.692 13 1.197 38 0.678 14 1.165 39 0.665 15 1.135 40 0.653 16 1.106 41 0.641 17 1.077 42 0.629 18 1.051 43 0.618 19 1.025 44 0.607 20 1.000 45 0.598 21 0.976 46 0.585 22 0.953 47 0.575 23 0.931 48 0.565 24 0.910 49 0.556

LÝ THUYẾT DÒNG THẤM TRONG ĐẤT

Một khối đất bất kì chứa các thành phần hạt đất có kích thước khác nhau được liên kết với nhau thông qua các lỗ rỗng trong đất Các lỗ rỗng liên tục trong đất cho phép nước chảy từ nơi có áp lực cao đến nơi có áp lực thấp Thấm được định nghĩa là đặc trưng của đất cho phép nước chảy qua các lỗ rỗng trong đất liên kết với nhau khi có độ chênh cột áp tổng ở 2 vị trí bất kì

Phân tích dòng thấm trong đất được thực hiện bằng phần mềm SEEP/W Phần mềm SEEP/W là phần mềm phân tích thấm ổn dịnh và không ổn định dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn Đây là phần mềm dựa trên quy luật cơ bản dòng thấm chảy trong đất dựa trên định luật Darcy thể hiện qua công thức (1.10) (Das 2010)

trong đó: v là vận tốc thấm (m/s); k là hệ số thấm (m/s); i là gradient thủy lực,

L ;hlà độ chênh cột nước áp lực trên chiều dài dòng thấm L Lưu lượng thấm được tính qua biểu thức (Das 2010)

 fe

Hình 1.2 Dòng thấm chảy qua các kênh lưới thấm [51]

HỆ SỐ ỔN ĐỊNH

Nhiệm vụ quan trọng của kỹ sư xõy dựng khi phõn tớch độ ổn định của cụng trỡnh là

xỏc định hệ số ổn định Phõn tớch hệ số ổn định FS (Factor of Safety) nhằm đỏnh giỏ

những rủi ro tiềm ẩn cho cụng trỡnh như tải trọng tỏc dụng, ỏp lực nước lỗ rỗng v.v.từ đú đưa ra những biện phỏp để gia cố Hệ số ổn định được định nghĩa là tỉ số giữa mụ men gõy trượt và mụ men chống trượt được thể hiện qua cụng thức (1.14) (Trần

Nguyễn Hoàng Hựng 2019) Nền đường được xem ổn định khi FS >1 và ngược lại

Phõn tớch độ ổn định đường ven sụng được mụ phỏng dựa trờn phần mềm SLOPE/W

2012 theo phương phỏp Bishop Tiờu chuẩn TCVN 262-2000 quy định FS phải lớn

hơn hoặc bằng 1.4 nếu tớnh theo phương phỏp Bishop [53]

MMoment chống trượt

Hỡnh 1.3 thể hiện mụ hỡnh phõn tớch toỏn hệ số ổn định FS theo phương phỏp Bishop

Hệ số ổn định xỏc định theo phương phỏp Bishop được biểu diễn qua cụng thức (1.15) (Das 2010)

 

Hình 1.3 Mô hình phân tích hệ số FS theo phương pháp Bishop [51]

PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN

2.2.1 Thông số của hệ thống thí nghiệm và các kiểu thiết bị

Hệ thống thiết bị thí nghiệm được nghiên cứu chế tạo tuân thủ tiêu chuẩn ASTM

D5084 và ASTM D5856 Hệ thống thiết bị phục vụ việc xác định k theo hai nguyên

lý: (1) cột áp đầu vào giảm - cột áp đầu ra không đổi; và (2) cột áp đầu vào giảm - cột áp đầu ra dâng Hệ thống thí nghiệm gồm một bảng gỗ được lắp đặt thước đo và hai ống dẫn bằng nhựa có đường kính trong 8 mm Thước đo có độ chính xác ±1 mm Các ống dẫn không co giãn bởi nhiệt độ phòng Hệ thống được lắp đặt sao cho có thể tạo được gradient thủy lực từ 20 đến 30 Toàn bộ hệ thống được treo trên tường bởi hệ thống ròng rọc sao cho cao độ mực nước trong ống có thể đạt được là 4-4.2 m Chiều cao cột áp trong các ống dẫn sẽ được xác định bằng thước đo lắp trên bảng gỗ kết hợp với thước đo lắp trên trường (Hình 2.1)

Thiết bị được chế tạo xác định hệ số thấm đất có hệ số thấm thấp từ 10-8 - 10-10 m/s, và đặc biệt là đất trộn xi măng Thiết bị được phân thành hai loại Thiết bị loại A, là sự kết hợp giữa thiết bị thành cứng và thành mềm, có thể gọi là thiết bị thí nghiệm thấm có thành bán cứng Thiết bị được chế tạo dựa trên sự kết hợp hai tiêu chuẩn