Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu ứng dụng vật liệu nhẹ EPS Geofoam xây dựng đường vào cầu trên nền đất yếu

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG - HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS TRẦN NGUYỄN HOÀNG HÙNG

2 Thư ký: TS Hồ Thu Hiền

3 Phản biện 1: TS Lê Anh Thắng 4 Phản biện 2: TS Lê Văn Phúc 5 Ủy viên: TS Lê Bá Khánh

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên : Phan Phước Vĩnh Phái: Nam

Ngày tháng năm sinh : 31/05/1991 Nơi sinh: Quảng Nam Chuyên ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

II NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

Luận văn nghiên cứu ứng dụng vật liệu nhẹ EPS Geofoam xây dựng đường vào cầu trên nền đất yếu Nhiệm vụ cụ thể:

1 Nghiên cứu tổng quan về vật liệu nhẹ EPS Geofoam ứng dụng xây dựng đường vào cầu trên nền đất yếu

2 Nghiên cứu các đặc trưng cơ-lý-hóa của vật liệu EPS Geofoam trong phòng thí nghiệm

3 Xác định loại EPS Geofoam phù hợp để ứng dụng xây dựng đường vào cầu trên nền đất yếu

4 Phân tích và thiết kế đường vào cầu trên nền đất yếu bằng vật liệu EPS Geofoam

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Ngày 19 tháng 8 năm 2019

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: Ngày 8 tháng 12 năm 2019 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

PGS.TS Trần Nguyễn Hoàng Hùng TS Nguyễn Mạnh Tuấn TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

TS Lê Anh Tuấn

LỜI CẢM ƠN

Lời cảm ơn đầu tiên và quan trọng nhất em xin gửi đến Thầy hướng dẫn chính PGS.TS Trần Nguyễn Hoàng Hùng, Bộ môn Cầu Đường, Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh Thầy là người đã đã truyền đạt cho em niềm đam mê nghiên cứu, dạy em rất nhiều kiến thức, và cho em rất nhiều cảm xúc trong học tập Với sự quan tâm và giúp đỡ thường xuyên của Thầy là một động lực rất lớn giúp em hoàn thành tốt luận văn Em 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 thời gian học tập tại trường Em xin chân thành cảm ơn Sở Khoa học và Công nghệ TP HCM đã cấp kinh phí cho đề tài mã số 45/2018/HĐ-SKHCN, từ đó em có điều kiện thực hiện các thí nghiệm trong phòng và nghiên cứu đưa phương án thiết kế để hoàn thành luận văn Em xin cảm ơn tất cả các bạn trong nhóm nghiên cứu và các anh chị ở phòng thí nghiệm LAS – XD 475 đã chia sẻ kinh nghiệm và hỗ trợ em trong quá trình nghiên cứu Cuối cùng, em xin biết ơn sâu sắc gia đình, bạn bè đã không ngừng động viên, hỗ trợ, và giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện luận văn

(qu) đạt từ 31,6-122,8 kPa ở tốc độ nén 1mm/phút theo khối lượng riêng từ 12,1-28,6 kg/m3; (2) mô đun đàn hồi ban đầu (Ei) đạt từ 2-10 MPa; (3) Hệ số Poisson (ν) của

EPS Geofoam từ 0,06-0,14; (4) EPS Geofoam có khả năng hấp thụ nước kém từ 3,2% thể tích; (5) EPS Geofoam bắt lửa và cháy rất nhanh; (6) EPS Geofoam bị hoà tan dễ dàng trong xăng và dầu hoả, nhưng không tan trong nhớt; (7) Khả năng chịu tải, độ lún cố kết, và độ ổn định tổng thể của nền đường khi xây dựng đường vào cầu bằng EPS Geofoam đảm bảo theo 22TCN 262-2000; (8) EPS Geofoam sản xuất trong nước có khối lượng riêng 20 kg/m3 phủ hợp để ứng dụng xây dựng đường vào cầu trên nền đất yếu

0,4-SUMMARY OF THESIS

Topic

Excessive settlement of bridge approaching embankment has caused differential settlement at the roadway/bridge after construction was used, causing damage to vehicles, goods, exerting a potentially excessive impact traffic loading on the abutment, contributing to added expense and repair time Bridge approach settlement has typically occurred for recent years Bridge approach settlement has occurred not only in Vietnam but also in developed countries like Japan, Norway, France, and USA The main cause of settlement is not yet resolving the consolidate settlement of the soft ground below the embankment load Compared to the solution of directly treating soft ground to increase the bearing capacity, the lightweight material EPS Geofoam is used to replace the traditional embankment material of bridge approaching embankment without having to treat the soft ground below is a solution, which has been applied by many countries around the world More 140 specimens were created from the 9 types of EPS Geofoams collected from domestic manufactures, which were conducted to in laboratory to examine following the

ASTM standards The results show that: (1) Compressive strength (qu) is from 122.8 kPa with a rate of 1mm/minute for EPS densities of 12.1 to 28.6 kg/m3; (2) Initial modulus varying from 2-10 MPa with density; (3) Poisson ratio around 0,06-0,14; (4) Volumetric water absorption from 0,4-3,2%; (6) Geofoam can be quickly fired; (6) Geofoam is dissolved in gasoline and diesel fuel, but no reaction with lubricating oils; (7) Bearing capacity, consolidate settlement, and slope stability meet requirements of the 22TCN 262-2000 Code when applications of EPS geofoam to construct bridge approaching embankments on soft ground; (8) EPS Geofoams made in Vietnam with density 20 kg/m3 can be applied to construct bridge approaching embankments on soft ground

31.6-LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ “NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VẬT LIỆU NHẸ EPS GEOFOAM XÂY DỰNG ĐƯỜNG VÀO CẦU TRÊN NỀN ĐẤT YẾU” 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

PHAN PHƯỚC VĨNH

Học viên cao học khóa 2016

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

MỤC LỤC

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT xi

DANH MỤC BẢNG BIỂU xiv

4 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 6

5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 6

1.1.3 Thí nghiệm xác định khối lượng nước hấp thụ và thoát nước 12

1.1.4 Thí nghiệm xác định tốc độ hòa tan trong dung môi gốc dầu hỏa 14

1.1.5 Thí nghiệm xác định tốc độ cháy của mẫu EPS Geofoam 15

1.2 LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH KHẢ NĂNG CHỊU TẢI 15

1.2.1 Khả năng chịu tải của nền đường 15

1.2.2 Khả năng chịu tải của vật liệu EPS Geofoam 18

1.6.1 Ứng suất do trọng lượng bản thân 28

1.6.2 Ứng suất do tải trọng ngoài hình băng 29

CHƯƠNG 2: THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ-LÝ-HÓA CỦA VẬT LIỆU EPS GEOFOAM 31

2.1 TIÊU CHUẨN THÍ NGHIỆM 31

2.2 VẬT LIỆU THÍ NGHIỆM 31

2.3 THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 33

2.3.1 Thiết bị chế tạo mẫu trong phòng thí nghiệm 33

2.3.2 Thiết bị nén trong phòng thí nghiệm 33

2.4 TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM 34

2.4.1 Xác định khối lượng riêng của EPS Geofoam 34

2.4.2 Thí nghiệm nén EPS Geofoam 35

2.4.3 Xác định khối lượng nước hấp thụ 37

2.4.4 Xác định thời gian nước hấp thụ thoát ra mẫu EPS Geofoam 38

2.4.5 Thí nghiệm xác định EPS Geofoam hòa tan trong các dung môi hữu

cơ 39

2.4.6 Xác định thời gian cháy của EPS Geofoam 40

2.5 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 42

2.5.1 Xác định khối lượng riêng của EPS Geofoam 42

2.5.2 Xác định cường độ nén của EPS Geofoam 42

2.5.3 Xác định khối lượng nước hấp thụ 52

2.5.4 Xác định thời gian nước hấp thụ thoát ra mẫu EPS Geofoam 56

2.5.5 EPS Geofoam tiếp xúc với các dung môi hữu cơ 58

2.5.6 Xác định thời gian cháy của EPS Geofoam 62

3.3.4 Vật liệu EPS Geofoam 71

3.4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 72

3.4.1 Kiểm toán khả năng chịu tải của nền đường 73

3.4.2 Kiểm toán khả năng chịu tải của EPS Geofoam 73

KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ, VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO 88

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

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

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

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

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

B - bề rộng tương đương hình chữ nhật so với nền đường (m)

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

Bw - bề rộng đáy khối đắp (m)

c’ - lực dính có hiệu của đất (kN/m2)

C - chỉ số nén lún

C - chỉ số nén lún phục hồi khi dỡ tải

C - hệ số cố kết trung bình theo phương đứng (m2/ngày.đêm)

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

e - hệ số rỗng của lớp đất thứ i ở trạng thái tự nhiên ban đầu

Ei - 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)

He - chiều cao thiết kế của nền đường (m)

Hi - chiều dày lớp đất tính lún thứ i (m)

Hy - chiều dày lớp đất yếu (m)

I - hệ số phân bố tải trọng theo chiều sâu

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

l, L0 - chiều dài mẫu ban đầu (mm)

Ls - chiều dài của xe thiết kế (m)

m - khối lượng trung bình của mẫu (g)

m1 - khối lượng ban đầu của mẫu (g)

m2 - khối lượng của mẫu sau khi đặt trong nước (g)

m3 - khối lượng mẫu sau khi thoát nước (g)

ma - khối lượng nước hấp thụ (g)

md - khối lượng nước thoát ra (g)

qo - tổng tải trọng tác dụng của nền đường (kN/m2)

qL - tải trọng tác dụng phía trên EPS Geofoam (kN/m2)

qs - tải trọng xe thiết kế quy đổi tương đương (kN/m2)

Qs - tổng tải trọng của một xe thiết kế (kN/m2)

Se - độ lún tức thời (m)

Se - độ lún cố kết (m)

Se - độ lún từ biến (m)

t1 - thời gian trước khi cho mẫu tiếp xúc lửa, dung môi, nước (giây, ngày)

t2 - thời gian đặt trong nước của mẫu (ngày)

t3 - thời gian đặt ngoài không khí của mẫu (ngày)

ta - thời gian hấp thụ nước (ngày)

tc - thời gian cháy của mẫu (giây)

td - thời gian hấp thụ nước (ngày)

ts - thời gian hòa tan của mẫu (giây)

Tv - nhân tố thời gian

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)

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

WEPS - trọng lượng của khối đắp EPS (kN)

Wn - trọng lượng có hiệu của mỗi mảnh trượt (kN)

WW, W’W - trọng lượng của nước bên trên nền đắp truyền xuống (kN)

Za - phạm vi chiều sâu chịu lún (m)

αn - góc nghiêng của đáy mỗi mảnh theo phương ngang (o)

γ1 - khối lượng riêng ban đầu của mẫu (kg/m3)

γ2 - khối lượng riêng của mẫu sau khi hấp thụ nước (kg/m3)

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

γw - trọng lượng riêng của nước (kN/m3)

Δl - chiều dài mỗi mảnh dọc theo cung trượt (m) ε - biến dạng dọc trục (%)

ν - hệ số Poisson

ρ - khối lượng riêng của mẫu (kg/m3)

σ - ứng suất nén dọc trục (kN/m2)

σ - áp lực của tải trọng nền đường theo chiều sâu (kN/m2)

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Độ lún cố kết cho phép còn lại tại trục tim của nền đường sau khi hoàn

thành công trình 21

Bảng 2.1: Khối lượng riêng của các loại EPS Geofoam khác nhau 42

Bảng 3.1: Các chỉ tiêu cơ lý của cầu rạch Dộp I 67

Bảng 3.2: Phân tích lún nền đất 74

Bảng 3.3: Bảng phân tích độ lún cố kết sau 15 năm 75

DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Khối EPS Geofoam 2

Hình 1.1: Hệ số chịu tải Nc của đất yếu dưới nền đường rộng tương đương B 16

Hình 1.2: Sơ đồ xếp xe và cách xác định tải trọng xe thiết kế quy đổi 17

Hình 1.3: Nguyên lý tính toán độ lún cố kết cho đất cố kết trước 21

Hình 1.4: Mô hình phân tích hệ số ổn định FS bằng phương pháp phân mảnh cổ điển 24

Hình 1.5: Mô hình phân tích hệ số ổn định FS bằng phương pháp Bishop đơn giản 25

Hình 1.6: Mô hình xác định áp lực nước đẩy nổi trường hợp mực nước cân bằng

2 bên 26

Hình 1.7: Mô hình xác định áp lực nước đẩy nổi trường hợp mực nước 1 bên 27Hình 1.8: Tải trọng nền đắp phân bố dạng hình chữ nhật 30

Hình 2.1: Khối EPS Geofoam do các nhà sản xuất cung cấp 31

Hình 2.2: Cắt mẫu EPS Geofoam 32

Hình 2.3: Mẫu EPS Geofoam 32

Hình 2.4: Thiết bị cắt EPS Geofoam 33

Hình 2.5: Thiết bị nén 1 trục nở hông tự do (UCS) 34

Hình 2.6: Đo kích thước và cân khối lượng mẫu EPS Geofoam 35

Hình 2.7: Thiết bị nén nở hông tự do các mẫu EPS Geofoam đang vận hành 36

Hình 2.8: Hệ thống đồng hồ đo chuyển vị đứng và chuyển vị ngang trong quá trình nén mẫu EPS Geofoam 36

Hình 2.9: Đo kích thước mẫu EPS Geofoam hấp thụ nước 37

Hình 2.10: Ngâm mẫu EPS Geofoam trong nước và cân mẫu 38

Hình 2.11: Thí nghiệm xác định mẫu EPS Geofoam thoát lượng nước đã hấp thụ 38

Hình 2.12: Xăng tiếp xúc với EPS Geofoam 39

Hình 2.13: Dầu hỏa tiếp xúc với EPS Geofoam 40

Hình 2.14: Dầu nhớt tiếp xúc với EPS Geofoam 40

Hình 2.15: Đo kích thước mẫu EPS Geofoam thí nghiệm đốt cháy 41

Hình 2.16: Đốt cháy mẫu 41

Hình 2.17: Quan hệ giữa cường độ nén nở hông tự do (qu) và biến dạng dọc trục (ε) của EPS Geofoam trong 5 chu kì gia tải – dỡ tải 47

Hình 2.18: Quan hệ giữa cường độ nén nở hông tự do (qu) và biến dạng dọc trục

(ε) của các loại EPS Geofoam trong chu kì đầu tiên 48

Hình 2.19: Cường độ nén (qu) ở biến dạng lúc phá hủy (εf) của EPS Geofoam 48Hình 2.20: Quan hệ giữa mô đun đàn hồi ban đầu (Ei) và khối lượng riêng (ρ) của EPS Geofoam 50

Hình 2.21: So sánh kết quả thí nghiệm Ei với các kết quả nghiên cứu trên thế giới 50

Hình 2.22: Quan hệ giữa mô đun đàn hồi khi dỡ tải (Eu) và khối lượng riêng (ρ) của EPS Geofoam 51

Hình 2.23: Quan hệ giữa hệ số Poisson (ν) và khối lượng riêng (ρ) của Geofoam 52

Hình 2.24: Khối lượng nước hấp thụ của EPS Geofoam theo thời gian 54

Hình 2.25: Quan hệ giữa thể tích nước hấp thụ (%) và khối lượng riêng của EPS Geofoam trong 203 ngày 55

Hình 2.26: Quan hệ giữa tỷ số khối lượng riêng của mẫu sau khi hấp thụ nước và mẫu ban đầu theo khối lượng riêng 56

Hình 2.27: Quan hệ giữa thời gian và khối lượng nước thoát ra của EPS Geofoam sau khi ngâm nước 58

Hình 2.28: Mẫu EPS Geofoam tiếp xúc với xăng từ 8,5 đến 18 giây 59

Hình 2.29: Mẫu EPS Geofoam tiếp xúc với dầu hỏa trong 27 phút 60

Hình 2.30: Mẫu EPS Geofoam tiếp xúc với dầu nhớt trong 45 ngày 60

Hình 2.31: Biều đồ quan hệ thời gian và khối lượng riêng của EPS Geofoam tiếp xúc với xăng 61

Hình 2.32: Biều đồ quan hệ thời gian và khối lượng riêng của EPS Geofoam tiếp xúc với dầu hỏa 61

Hình 2.33: EPS Geofoam tiếp xúc với ngọn lửa 62

Hình 3.1: Mặt cắt ngang đường vào cầu bằng EPS Geofoam 69

Hình 3.2: Kích thước trục xe tải 30 tấn (22TCN 18-79) 70

Hình 3.3: Mô hình phân tích lún tải trọng nền phân bố đàn hồi tuyến tính 74

Hình 3.4: Diễn biến độ lún cố kết nền đường trong 15 năm 75

Hình 3.5: Mô hình phân tích FS tại mặt cắt chuyển tiếp giữa cát đắp và EPS Geofoam theo phương ngang đường vào cầu 76

Hình 3.6: Mô hình phân tích FS tại mặt cắt đỉnh EPS Geofoam theo phương ngang đường vào cầu 77

Hình 3.7: Mô hình phân tích FS xét tải trọng tại mặt cắt chuyển tiếp giữa cát đắp và EPS Geofoam theo phương dọc đường vào cầu 77

Hình 3.8: Mô hình phân tích FS xét tải trọng tại mặt cắt đỉnh EPS theo phương dọc đường vào cầu 77

Hình 3.9: Mô hình phân tích ổn định do áp lực nước đẩy nổi 78

Hình 3.10: Mô hình phân tích đường vào cầu phương ngang đường vào cầu 80

Hình 3.11: Mô hình phân tích đường vào cầu phương dọc đường vào cầu 80

Hình 3.12: Biểu đồ phân bố ứng suất trong kết cấu đường dẫn và nền đất theo phương ngang đường dẫn 82

Hình 3.13: Biểu đồ phân bố ứng suất trong kết cấu đường dẫn và nền đất theo phương dọc đường dẫn 82

MỞ ĐẦU

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Đường dẫn vào cầu làm nhiệm vụ kết nối và chuyển tiếp độ cứng giữa đường và cầu thông qua kết cấu mố cầu, đảm bảo sự êm thuận cho người và phương tiện lưu thông trên tuyến Tuy nhiên, phần đất đắp ngay sau mố (trong phạm vi 3-5 m) thường xảy ra độ lún lớn gây chênh lệch cao độ đỉnh mố và đường sau khi công trình đưa vào khai thác (Quách Hồng Chương 2016), gây khó khăn cho phương tiện lưu thông trên tuyến đường, làm giảm năng lực thông hành, gây cảm giác khó chịu cho người tham gia lưu thông, gây hư hỏng cho xe cộ, hàng hóa, tạo thêm tải trọng xung kích tác dụng lên mố cầu, và làm tăng kinh phí, thời duy tu bảo dưỡng sửa chữa công trình (White 2005, Đỗ Thị Mỹ Chinh 2016)

Hiện tượng lún đường vào cầu diễn ra khá phổ biến trong những năm gần đây Không chỉ ở Việt Nam, lún đường vào cầu còn xảy ra ở các nước phát triển trên thế giới như Nhật Bản, Na uy, Pháp, và Mỹ (Frydenlund & Aaboe 2001, Elragi 2006, Mohajerani et al 2017) Tại Việt Nam, lún đường vào cầu xảy ra ở toàn khu vực miền Nam Nguyên nhân gây lún chủ yếu là chưa xử lý triệt để lún cố kết của lớp đất yếu bên dưới tải trọng đắp Việc đưa ra các phương án xử lý nền đất yếu không phù hợp là nguyên nhân trực tiếp và gây ra sự cố lớn nhất ở đường dẫn sau mố cầu (Nguyễn Thị Thu Hằng 2008, Đỗ Thị Mỹ Chinh 2016) Hiện nay, việc xử lý nền đất yếu bên dưới đường vào cầu đòi hỏi đội ngũ kỹ sư phải có nhiều kinh nghiệm, máy móc thiết bị hiện đại, tiêu tốn phần lớn kinh phí và thời gian thi công của công trình So với giải pháp xử lý trực tiếp nền đất yếu làm tăng khả năng chịu tải, việc sử dụng vật liệu nhẹ EPS Geofoam thay thế vật liệu đắp truyền thống của nền đường mà không cần phải xử lý nền đất yếu bên dưới là một giải pháp đã được nhiều nước trên thế giới áp dụng EPS (Expanded PolyStyrene) Geofoam là vật liệu nhựa tổng hợp từ polystyrene, xốp nhẹ, có khối lượng riêng thường sử dụng 12 – 35 kg/m3

, nhỏ hơn từ 30 đến 100 lần so với các vật liệu đắp truyền thống như cát, đất, sét, v.v., và được sử dụng cho

ngành địa kỹ thuật, xây dụng công trình cầu, đường ô tô, và đường sắt ở châu Âu và châu Mỹ từ những năm 1960 (Horvath 1994, 1999a, 999b, 2001, 2005, Elragi 2006, Trandafir et al 2010, Stark et al 2012, Chena et al 2015, Mohajerani et al 2017) Với đặc tính có khối lượng nhẹ, chỉ sử dụng nhân công để vận chuyển và lắp đặt từng khối EPS Geofoam mà không cần sử dụng các loại thiết bị đặc biệt, rút ngắn thời gian thi công, EPS Geofoam được ứng dụng rộng rãi trên thế giới (Riad et al 2004, Stark et al 2012) Tuy nhiên chưa có một nghiên cứu khoa học chuyên nghiệp và ứng dụng thành công vật liệu nhẹ EPS Geofoam vào xây dựng công trình giao thông, chứng minh tính khả thi, hiệu quả của vật liệu này vào điều kiện của Việt Nam

Đề tài tập trung nghiên cứu các đặc tính cơ lý của EPS Geofoam được sản xuất trong nước như cường độ nén, mô đun đàn hồi ban đầu, hệ số Poisson, khả năng hấp thụ nước, tốc độ cháy, và tốc độ hòa tan trong dung môi gốc dầu hỏa (xăng, dầu hỏa, và dầu nhớt) Kết quả nghiên cứu sẽ là nền tảng quan trọng để ứng dụng vào thiết kế và thi công thử nghiệm vật liệu EPS Geofoam xây dựng các công trình giao thông ở Việt Nam

Hình 1: Khối EPS Geofoam (cachnhietdonga & mopxoplocphat)

2 TÓM TẮT NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN

Nghiên cứu tổng quan nhằm khái quát các kết quả nghiên cứu đã được công bố trên thế giới liên quan đến các đặc trưng cơ-lý-hóa của vật liệu EPS Geofoam Kết quả ban đầu của nghiên cứu tổng quan là 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) EPS Geofoam là vật liệu nhựa tổng hợp, nhẹ, và có khối lượng riêng thường sử dụng trong xây dựng công trình giao thông từ 12-35 kg/m3 (Horvath 2001, Elragi 2006, Trandafir et al 2010)

(2) EPS Geofoam có lịch sử phát triển hơn 50 năm, được sử dụng cho ngành địa kỹ thuật, xây dụng công trình cầu, đường ô tô, và đường sắt ở châu Âu và Mỹ từ những năm 1960 (Horvath 2005, Chena et al 2015, Mohajerani et al 2017) (3) EPS Geofoam được ứng dụng làm vật liệu đắp đường ô tô, đường sắt, ổn định mái dốc, mở rộng bề rộng đường đắp, đường vào cầu, tường chắn đất, và giảm áp lực cho các công trình ngầm như cống hay ống dẫn (Horvath 2001, Elragi 2006, Stark et al 2012, Mohajerani et al 2017)

(4) Cường độ nén nở hông tự do của EPS Geofoam đạt từ 40 kPa đến 200 kPa ở biến dạng 10% cho EPS Geofoam theo khối lượng riêng từ 12-29 kg/m3(Duskov 1997, Elragi 2006, Horvath 2010a)

(5) Mô đun đàn hồi của vật liệu EPS Geofoam thường ở biến dạng nhỏ hơn hoặc bằng 1%, tăng theo khối lượng riêng, đạt từ 2 MPa đến 10 MPa cho EPS Geofoam theo khối lượng riêng từ 12-29 kg/m3 (Horvath 1994, Elragi 2006, Ossa & Romo 2012)

(6) Hệ số Poisson của EPS Geofoam tăng theo khối lượng riêng, nằm trong khoảng 0,05-0,20, nhỏ hơn các vật liệu đắp truyền thống như cát, đất đắp, và sét (Elragi 2006, Ossa & Romo 2009, Stark et al 2012)

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

(8) Cường độ chịu uốn đạt từ 173-345 kPa cho EPS Geofoam theo khối lượng riêng từ 15-29 kg/m3 (Horvath 2001, 2005, Elragi 2006)

(9) Tĩnh tải đặt trên EPS Geofoam dưới 50% cường độ vật liệu sẽ không gây ra từ biến (Frydenlund & Aaboe 2001, Elragi 2006, Horvath 2010a)

(10) EPS Geofoam có khả năng hấp thụ nước kém, khả năng hấp thụ nước của EPS 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, Elragi 2006, Ossa & Romo 2011)

(11) EPS Geofoam là loại vật liệu cách âm, cách nhiệt tốt (Elragi 2006, Stark et al 2012, Mohajerani et al 2017)

(12) EPS 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, Elragi 2006, Mohajerani et al 2017)

(13) EPS Geofoam là vật liệu dễ cháy do đó không nên để gần ngọn lửa hoặc các nguồn gây cháy, EPS Geofoam chỉ được sử dụng trong môi trường có nhiệt độ thấp hơn 80oC (Elragi 2006, Horvath 2001, Mohajerani et al 2017)

(14) EPS 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, Horvath 2010a, Mohajerani et al 2017)

(15) EPS 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 EPS Geofoam để tiếp cận nguồn thức ăn khác hoặc dùng làm chỗ ở (Elragi 2006, Horvath 2010a, Mohajerani et al 2017)

(16) EPS Geofoam có độ bền cao, tuổi thọ lên đến 100 năm khi được chôn dưới đất và được bao bọc bảo vệ khỏi các tác nhân hóa chất và động vật gặm nhắm (Frydenlund & Aaboe 2001, Horvath 2010a, Chena et al 2015)

(17) EPS Geofoam không bị phân huỷ sinh học, trơ ở môi trường đất, nước, và không gây ô nhiễm môi trường (Horvath 1994, Elragi 2006, Mohajerani et al 2017)

3 ĐỘNG LỰC NGHIÊN CỨU

Việc xây dựng nền đường đắp và đường vào cầu trên nền đất yếu bắt buộc phải xử lý lún cố kết trong quá trình thi công Do đó, thời gian thi công thường kéo dài và tốn nhiều chi phí cho việc xử lý nền đất yếu Bên cạnh đó, các thiết bị đặc biệt cần được sử dụng để quan trắc lún, đo áp lực nước lổ rỗng trong đất để đảm bảo độ lún cố kết đạt yêu cầu trong quá trình 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 nay đòi hỏi phải có thiết bị đặc biệt, đội ngũ kỹ sư có kinh nghiệm, và tiêu tốn phần lớn thời gian xây dựng công trình Bên cạnh đó, việc sử dụng vật liệu đắp như cát hay sét để nâng cao mặt đường đến cao độ thiết kế phải đắp thành từng lớp (từ 0,15-0,3 m/lớp) và lu lèn đạt độ chặt từ 95-98% (8-12 lượt lu/điểm) Như vậy, mỗi m2 nền đường đắp hoàn thiện cho chiều cao từ 2-3 m tiêu tốn khoảng 10-30 ngày phụ thuộc vào điều kiện thời tiết

EPS 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 Quá trình thi công để nâng cao mặt đường chỉ sử dụng nhân công vận chuyển và lắp đặt bằng thủ công, không cần sử dụng các loại thiết bị đặc biệt, rút ngắn thời gian thi công Sau hơn 50 năm nghiên cứu và phát triển, EPS Geofoam được sử dụng rộng rãi và thành công trong nhiều công trình giao thông ở châu Âu, châu Á, và châu Mỹ Đường vào cầu Flom ở thành phố Oslo, đường vào cầu Hjelmungen, cầu Lokkeberg ở Na Uy (Frydenlund & Aaboe 2001), tuyến đường I-15 ở tiểu Bang Utah hoàn thành năm 2001, tuyến đường 23A ở New Nork, đường số 143 ở tiểu Bang Illinois, tuyến đường 109 ở tiểu Bang Indiana, cầu Moorcraft ở tiểu Bang Wyoming (Stark et al 2004, Mohajerani et al 2017) Các tuyến đường Nhật bản và Malaysia (Elragi 2006)

Nhiều kết quả thực hiện đã thành công, chứng minh tính khả thi, hiệu quả của vật liệu nhẹ EPS Geofoam ứng dụng xây dựng công trình giao thông nhưng vẫn chưa

được nghiên cứu và chưa có ứng dụng thành công vào xây dựng công trình giao thông ở Việt Nam Đề tài này tập trung vào việc nghiên cứu bao quát các đặc tính cơ-lý-hóa của vật liệu EPS Geofoam được sản xuất trong nước như cường độ nén, mô đun đàn hồi ban đầu, khả năng hấp thụ nước, tốc độ cháy, và tốc độ hòa tan trong dung môi gốc dầu hỏa (xăng, dầu hỏa, và dầu nhớt) Kết quả nghiên cứu này sẽ là nền tảng quan trọng để ứng dụng vào thiết kế và thi công thử nghiệm vật liệu EPS Geofoam xây dựng các công trình giao thông ở Việt Nam

4 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

Mục tiêu nghiên cứu là xác định loại EPS Geofoam được sản xuất tại Việt Nam ứng dụng xây dựng đường vào cầu trên nền đất yếu mà không cần phải xử lý nền Mục tiêu cụ thể bao gồm:

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

(2) Các đặc trưng cơ-lý-hóa của vật liệu EPS Geofoam được xác định trong phòng thí nghiệm

(3) Loại EPS Geofoam phù hợp để ứng dụng xây dựng đường vào cầu trên nền đất yếu được xác định

(4) Đường vào cầu trên nền đất yếu bằng vật liệu EPS Geofoam được phân tích và thiết kế

5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 5.1 Phương Pháp

Phương pháp thí nghiệm trong phòng tuân theo các tiêu chuẩn ASTM C303, D6817, D2842, D1621, và D2863 của Mỹ vì vẫn chưa có các tiêu chuẩn tương ứng của Việt Nam Dựa trên kết quả thí nghiệm để tiến hành phân tích và lên phương án thiết kế đường vào cầu bằng vật liệu EPS Geofoam

5.2 Trình tự thực hiện

Kích thước và thể tích mẫu được đo đạc để xác định khối lượng riêng của EPS Geofoam theo tiêu chuẩn ASTM D6817 và ASTM C303 Cường độ nén nở hông tự do (UCS) được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D1621 Khả năng hấp thụ và thoát nước của mẫu được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D2842 Thời gian cháy của mẫu khi tiếp xúc với lửa được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D2863 và khả năng hòa tan trong dung môi gốc dầu hỏa khi tiếp xúc với xăng, dầu hỏa, và dầu nhớt được xác định Kết quả thí nghiệm được phân tích và lên phương án thiết kết đường vào cầu theo tiêu chuẩn 22TCN 262-2000 và TCVN 11823-2017.

- Vật liệu thực hiện: Các mẫu EPS Geofoam thu thập từ các nhà sản xuất trong nước, nước sạch, xăng, dầu hỏa, và dầu nhớt

- Trình tự thực hiện:

- Nghiên cứu tổng quan vật liệu EPS Geofoam - Thí nghiệm trong phòng:

+ Cắt gọt, tạo mẫu EPS Geofoam

+ Nén mẫu EPS Geofoam để xác định cường độ nén vật liệu, mô đun đàn hồi, và hệ số Poisson

+ Cho mẫu tiếp xúc với ngọn lửa để xác định thời gian cháy + Ngâm nước để xác định khả năng hấp thụ nước

+ Đặt mẫu đã hấp thụ nước ra ngoài điều kiện tự nhiên để xác định thời gian nước thoát ra mẫu EPS Geofoam

+ Ngâm mẫu vào dung môi gốc dầu hỏa (xăng, dầu hỏa, và dầu nhớt) để xác định khả năng hòa tan

- Tổng hợp kết quả và kết luận loại EPS Geofoam phù hợp để xây dựng thử nghiệm đường vào cầu

- Mô phỏng đường vào cầu trên nền đất yếu phục vụ thiết kế và thi công thử nghiệm đường vào cầu bằng vật liệu EPS Geofoam

- Phân tích và thiết kế đường vào cầu trên nền đất yếu bằng vật liệu EPS Geofoam

6 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Vật liệu thí nghiệm là các loại EPS Geofoam có khối lượng riêng khác nhau được thu thập từ các nhà sản suất trong nước Phạm vi thí nghiệm xác định các đặc trưng cơ-lý-hóa của EPS Geofoam như cường độ nén, mô đun đàn hồi ban đầu, khả năng hấp thụ nước, tốc độ cháy, và tốc độ hòa tan trong dung môi gốc dầu hỏa (xăng, dầu hỏa, và dầu nhớt) Nghiên cứu này cũng sẽ đề xuất 1 loại EPS Geofoam thích hợp nhất được ứng dụng cho thiết kế đường vào cầu trên nền đất yếu

7 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

Kết quả nghiên cứu dự kiến đưa ra bao quát các đặc trưng cơ-lý-hóa của vật liệu EPS Geofoam như khối lượng riêng, cường độ 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 Loại EPS Geofoam phù hợp xây dựng đường vào cầu trên nền đất yếu Kết quả phân tích và phương án thiết kế đường vào cầu bằng vật liệu EPS Geofoam

8 Ý NGHĨA ĐỀ TÀI

Kết quả nghiên cứu đưa ra quy trình thiết kế đường vào cầu sử dụng vật liệu nhẹ EPS Geofoam, giúp giảm thiểu chi phí và thời gian thi công công trình do không cần phải xử lý nền Việc đề xuất phương án xây dựng đường vào cầu trên nền đất yếu bằng EPS Geofoam góp phần hạn chế sử dụng vật liệu đắp truyền thống, đặc biệt là tình hình khan hiếm vật liệu cát như hiện nay Mặt khác, đề tài này mở đầu cho việc ứng dụng EPS Geofoam xây dựng các công trình giao thông ở Việt Nam, gởi mở thêm nhiều ý tưởng và là tài liệu tham khảo bổ ích cho các nghiên cứu sinh, học viên cao học muốn nghiên cứu về EPS Geofoam

9 TỔ CHỨC LUẬN VĂN

Nội dung luận văn được trình bày trong ba chương và một phụ lục Chương mở đầu giới thiệu về các vấn đề liên quan đến đề tài, mục tiêu, và phương pháp nghiên cứu Chương 1 trình bày các cơ sở lý thuyết được ứng dụng trong quá trình nghiên cứu Quá trình thực hiện thí nghiệm, đưa ra kết quả và thảo luận được trình bày ở Chương 2 Chương 3 phân tích và đưa ra phương án thiết kế phù hợp đường vào cầu bằng vật liệu nhẹ EPS Geofoam Phần kết luận đưa ra những kết luận chính từ quá trình nghiên cứu, một số kiến nghị, và hướng nghiên cứu tiếp theo

Phụ lục trình bày tổng quan các tính chất của vật liệu EPS Geofoam và các ứng dụng EPS Geofoam vào công trình xây dựng (Phụ lục A)

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 THÍ NGHIỆM TRONG PHÒNG

1.1.1 Xác định khối lượng riêng của EPS Geofoam

Thí nghiệm xác định khối lượng riêng của vật liệu EPS Geofoam được thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM C303 Mẫu thí nghiệm có kích thước dài tối thiểu 200mm, rộng tối thiểu 100mm, cao tối thiểu 100mm, và số lượng không ít hơn 5 mẫu được gia công cắt gọt từ khối EPS Geofoam của nhà sản xuất, được kiểm tra độ đồng đều và làm phẳng trước khi tiến hành thí nghiệm 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 75mm, vị trí giữa 2 góc của 1 cạnh, và đo 2 cạnh bằng thước kẹp có độ chính xác đến ± 1% Sử dụng 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 Ghi lại giá trị kích thước và khối lượng mẫu đo được, xác định giá trị trung bình của các lần đo và tính khối lượng riêng của mẫu EPS Geofoam theo biểu thức (1.1):

trong đó: ρ – khối lượng riêng của mẫu (kg/m3); m – khối lượng trung bình của mẫu

(kg); V – thể tích trung bình của mẫu (m3)

1.1.2 Thí nghiệm nén nở hông tự do

Mục đích của thí nghiệm nén một trục nở hông tự do (UCS) là 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 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

1.1.2.1 Cường độ nén nở hông tự do, qu

qu của EPS Geofoam được tính theo biểu thức (1.2):

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

1.1.2.2 Mô đun đàn hồi ban đầu, Ei

Eiđược tính theo biểu thức (1.3):

trong đó: ε – biến dạng dọc trục ứng với tải trọng nén; ∆L – chiều dài thay đổi của

mẫu hay biến dạng đọc từ thiết bị đo (mm); L0 – chiều dài mẫu ban đầu (mm)

1.1.2.5 Hệ số Poisson, ν

ν của mẫu EPS Geofoam được tính theo biểu thức (1.6): h

ν = ∆

trong đó: ν – hệ số Poisson của mẫu; ∆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)

1.1.3 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 EPS Geofoam, so sánh khối lượng riêng của EPS Geofoam trước và sau khi hấp thụ nước để đánh giá tải trọng của EPS 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 ± 0,75mm 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 51mm, bằng mặt trên cùng của mẫu và cao bằng 50% chiều cao mẫu Đọc và ghi lại số liệu sau 24h cho đến khi khối lượng mẫu ổn định

1.1.3.1 Xác định thể tích của mẫu EPS Geofoam theo biểu thức (1.7)

trong đó: V – thể tích ban đầu của mẫu (mm3); w – chiều rộng của mẫu (mm); l –

chiều dài của mẫu (mm); h – chiều cao của mẫu (mm)

1.1.3.2 Khối lượng nước hấp thụ của mẫu EPS Geofoam được xác định theo biểu thức (1.8)

trong đó: ma – khối lượng nước hấp thụ (g); m2 – khối lượng của mẫu sau khi đặt

trong nước (g); m1 – khối lượng ban đầu của mẫu (g)

1.1.3.3 Thời gian nước hấp thụ của mẫu EPS Geofoam được xác định theo biểu thức (1.9)

trong đó: ta – thời gian hấp thụ nước (ngày); t2 – thời gian đặt trong nước của mẫu

(ngày); t1 – thời gian trước khi đặt mẫu vào nước (ngày)

1.1.3.4 Phần trăm thể tích nước hấp thụ của mẫu EPS Geofoam được xác định theo biểu thức (1.10)

trong đó: %V – phần trăm thể tích nước hấp thụ (%); m2 – khối lượng của mẫu sau

khi đặt trong nước (g); m1 – khối lượng ban đầu của mẫu (g); V – thể tích ban đầu của

mẫu (mm3)

1.1.3.5 Tỷ số khối lượng riêng của EPS Geofoam trước và sau khi hấp thụ nước được xác định theo biểu thức (1.11)

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)

1.1.3.6 Khối lượng nước hấp thụ của mẫu EPS Geofoam được xác định theo biểu thức (1.12)

trong đó: md – khối lượng nước thoát ra (g); m2 – khối lượng của mẫu sau khi đặt

trong nước (g); m3 – khối lượng mẫu sau khi thoát nước (g)

1.1.3.7 Thời gian nước thoát nước của mẫu EPS Geofoam được xác định theo biểu thức (1.13)

trong đó: td – thời gian hấp thụ nước (ngày); t3 – thời gian đặt ngoài không khí của mẫu (ngày); t2 – thời gian vừa lấy mẫu ra khỏi nước (ngày)

1.1.4 Thí nghiệm xác định tốc độ hòa tan trong dung môi gốc dầu hỏa

Thí nghiệm xác định tốc độ hòa tan của mẫu EPS Geofoam trong dung môi gốc dầu hỏa nhằm mục đích xác định thời gian của các loại EPS Geofoam có khối lượng riêng khác nhau 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 EPS Geofoam lần lượt trong 3 dung môi xăng, dầu hỏa, và dầu nhớt Mẫu thí nghiệm có dạng hình khối với kích thước 60 x 30 x 30 ± 0,3mm Các bề mặt mẫu phải được kiểm tra độ đồng đều và được làm phẳng trước khi cho tiếp xúc với dung môi Đặt mẫu vào trong các ly nhựa, lần lượt cho mẫu tiếp xúc với xăng, dầu hỏa, và dầu nhớt Quan sát tốc độ và ghi lại thời gian hòa tan của mẫu EPS Geofoam trong từng dung môi Thời gian hòa tan mẫu EPS Geofoam trong dung môi gốc dầu hỏa được xác định theo biểu thức (1.14):

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)

1.1.5 Thí nghiệm xác định tốc độ cháy của mẫu EPS Geofoam

Thí nghiệm xác định tốc độ cháy của mẫu EPS Geofoam nhằm mục đích xác định thời gian cháy của các loại EPS Geofoam có khối lượng riêng khác nhau khi tiếp xúc với ngọn lửa và các nguồn gây cháy trong quá trình xây dựng công trình Thí nghiệm xác định tốc độ cháy của mẫu EPS Geofoam được thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM D2863 Thí nghiệm xác định thời gian cháy của mẫu EPS 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 ± 0,1mm 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 EPS Geofoam được xác định theo biểu thức (1.15):

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)

1.2 LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH KHẢ NĂNG CHỊU TẢI 1.2.1 Khả năng chịu tải của nền đường

Khả năng chịu tải của nền đường được phân tích dựa vào hướng dẫn của tiêu chuẩn ngành 22TCN 244-98 và 22TCN 262-2000 Khả năng chịu tải tối đa (qult) mà nền đất yếu chịu được xác định một cách gần đúng theo công thức bên dưới (1.16) và (1.17) (22TCN 244-98, TCVN 9355:2012, Trần Nguyễn Hoàng Hùng 2016a, 2016b)

trong đó: FS – hệ số an toàn, FS = 1,05 – 1,1 trong giai đoạn thi công (22TCN 98, TCVN 9355:2012); FS ≥ 1,5 trong giai đoạn khai thác (Trần Nguyễn Hoàng Hùng

244-2016a); theo Stark et al (2004), FS = 3 trong giai đoạn thi công; Nc – hệ số sức chịu tải tra theo toán đồ Hình 1.1; cu – sức chống cắt không thoát nước nền đất yếu (kN/m2); B – bề rộng tương đương hình chữ nhật so với nền đường (m); Hy – chiều dày lớp đất yếu (m)

Hình 1.1: Hệ số chịu tải Nc của đất yếu dưới nền đường rộng tương đương B (Bonaparte & Christopher 1987, Trần Nguyễn Hoàng Hùng 2016a)

Sau khi thi công và đưa vào khai thác, tổng tải trọng tác dụng của nền đường (qo) (tải trọng đắp tương đương và hoạt tải xe thiết kế) lên nền đất yếu phải không vượt quá khả năng chịu tải tối đa của nền đất (qult) (22TCN 244-98, Trần Nguyễn Hoàng Hùng 2016a) Một cách tổng quát, qo được xác định theo biểu thức (1.18):

trong đó: He – chiều cao thiết kế của nền đường (m); γe – trọng lượng riêng tương đương của các loại vật liệu khác nhau được sử dụng trong phạm vi nền đường (kN/m3)

theo biểu thức (1.19); qs – tải trọng xe thiết kế quy đổi tương đương phân bố đều trên mặt đường (kN/m2) theo (1.20) (22TCN 262-2000, Trần Nguyễn Hoàng Hùng 2016a)

i ie

γγ= ∑

n Qq

B L

trong đó: n – tổng số xe thiết kế cho phép lưu thông trên mặt cắt ngang đường; Qs – tổng tải trọng của một xe thiết kế (kN/m2); Bs – bề rộng phân bố của các xe thiết kế trên mặt cắt ngang (m), được xác định từ mép ngoài các vệt bánh xe ngoài cùng từ

bên trái đến bên phải theo Hình 1.3; Ls – chiều dài của xe thiết kế tính từ mép ngoài vệt bánh xe trước đến mép ngoài vệt bánh xe sau cùng (m) theo Hình 1.2

Hình 1.2: Sơ đồ xếp xe và cách xác định tải trọng xe thiết kế quy đổi (22TCN 2000, Trần Nguyễn Hoàng Hùng 2016a)

262-1.2.2 Khả năng chịu tải của vật liệu EPS Geofoam

Khả năng chịu tải của EPS Geofoam dùng làm vật liệu đắp được xem đủ khả năng chịu tải khi hệ số an toàn FS ≥ 1,2 Trong đó, FS là tỷ số giữa cường độ nén nở hông

tự do của EPS trong giai đoạn đàn hồi (quEPS) và tổng tải trọng tác dụng phía trên EPS Geofoam gồm tải trọng kết cấu áo đường và hoạt tải xe (qL) (Leshchinsky et al 2004, Stark et al 2004) và được xác định theo biểu thức (1.21)

1, 2

Tổng độ lún, S, của nền đường trên đất yếu bao gồm ba thành phần như biểu thức

(1.22): độ lún tức thời, Se; độ lún cố kết, Sc; độ lún từ biến, Ss Trong phân tích độ lún, tải trọng hoạt tải xe được bỏ qua và không xem như là tác nhân gây lún (Das & Sobhan 2014, Trần Nguyễn Hoàng Hùng 2016a, 2016b, 22TCN 262-2000)

sét hay đất có hàm lượng sét cao hay gần bão hòa nước, độ lún Se diễn ra chậm vì có hệ số thấm thấp Độ lún Seđặt trên nền đất yếu thường được bỏ qua vì trong thực tế xây dựng đường, độ lún Seđã được bù lún để đảm bảo cao độ đường thiết kế ngay khi công trình được nghiệm thu và đưa vào sử dụng (Das & Sobhan 2014, Trần Nguyễn Hoàng Hùng 2016a, 2016b)

1.3.2 Độ lún cố kết

Lún cố kết (Sc) chỉ áp dụng cho đất sét bão hòa hoặc gần bão hòa Đất cát và các loại đất có hệ số thấm lớn nước sẽ thoát ra nhanh ngay sau khi đặt tải Vì vậy, đất cát hoặc đất có hệ số thấm lớn chỉ tính lún tức thời (Venkataramaiah 2006, Trần Nguyễn Hoàng Hùng 2016a, 2016b) Đối với đất sét hoặc đất có hàm lượng sét cao, bão hòa hay gần bão hòa nước, độ lún Sc diễn ra chậm vì hệ số thấm nhỏ Gia tải ban đầu được truyền toàn bộ cho áp lực nước lỗ rỗng và cần thời gian để thoát ra Hạt đất sẽ tiếp nhận dần dần áp lực gia tải khi nước thoát ra từ từ Hệ số rỗng giảm dần tương ứng theo thời gian Độ lún theo thời gian trong đất nền bằng đúng không gian rỗng của đất nền mất đi Đây là quá trình cố kết sơ cấp của đất sét yếu (Đỗ Thị Mỹ Chinh 2016, Trần Nguyễn Hoàng Hùng 2016a, 2016b, 22TCN 262-2000) Hình 1.3 thể hiện nguyên lý tính độ lún cố kết cho đất cố kết trước

Độ lún của nền đất yếu được tính toán dựa trên kết quả thí nghiệm nén lún cố kết một chiều Công thức tính lún tùy thuộc vào lịch sử của đất xác định thông qua tỉ số cố kết trước OCR Tỷ số cố kết OCR là tỉ số giữa áp lực cố kết trước σ’

p và áp lực có hiệu của các lớp đất phía trên nó σ’

vonhư biểu thức (1.23) (Châu Ngọc Ẩn 2012, Das & Sobhan 2014, 22TCN 262-2000):

1.3.2.2 Trường hợp đất cố kết trước, OCR>1

a Đất cố kết trước nhẹ, 'σ voi <σpz <( 'σ voi+σz) thì Sc xác định theo biểu thức (1.25):

σ >σ của lớp đất i; ir

C – chỉ số nén lún phục hồi khi dỡ tải hay độ dốc của đoạn đường cong nén lún trong phạm vi σi < '

σ – áp lực do công trình gây nên (kN/m2)

Chiều sâu vùng đất yếu bị ảnh hưởng dưới tác dụng của tải trọng đắp hoặc tải trọng công trình Ha kết thúc khi σz≤ 0,1σvo

Hình 1.3: Nguyên lý tính toán độ lún cố kết cho đất cố kết trước (Holtz and Kovacs 1981 từ nguồn Trần Nguyễn Hoàng Hùng 2016b)

Độ lún Sc phải nhỏ hơn độ lún cho phép được quy định tại Bảng 1.1, đồng thời độ

lún Sc này xảy ra đủ chậm theo thời gian và không ảnh hưởng đến chất lượng khai thác bình thường tuyến đường trong ít nhất sau 15 năm kể từ khi công trình được nghiệm thu và đưa vào khai thác

Bảng 1.1: Độ lún cố kết cho phép còn lại tại trục tim của nền đường sau khi hoàn

thường 1 Đường cao tốc và

2 Đường cấp 60 trở xuống có tầng mặt cấp

cao A1

1.3.3 Lún cố kết theo thời gian

Việc xác định độ lún cố kết theo thời gian đối với công trình nền đường đắp trên nền đất yếu để: (1) xác định độ lún cố kết của nền đường đắp theo thời gian từ khi đưa công trình vào sử dụng; (2) xác định độ lún cố kết còn lại từ thời điểm hiện tại đến năm thứ 15 của quá trình khai thác (3095/QĐ-BGTVT 2013, Đỗ Thị Mỹ Chinh 2016)

Độ lún cố kết theo thời gian (St) được xác định theo lý thuyết của Terzaghi (Das & Sobhan 2014, Trần Nguyễn Hoàng Hùng 2016a, 2016b) như biểu thức (1.27):

trong đó: U – độ cố kết của nền đường (%), độ cố kết chính là phần trăm nước thoát

ra tương ứng với một cấp tải trọng, độ cố kết U phụ thuộc vào nhân tố thời gian Tv

được tính theo biểu thức 1.28 và 1.29 (Das & Sobhan 2014): - Nếu U = 0 – 60%:

trong đó: tbv

C – hệ số cố kết trung bình theo phương đứng của các lớp đất yếu trong phạm vi chiều sâu chịu lún Za (m2/ngày.đêm) được xác định theo biểu thức (1.31) (22TCN 262-2000)