Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu gia tăng sự ổn định của mái dốc trên nền cát pha sét bằng phương án cọc đất trộn xi măng

KHOA NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình ngầm Mã số: 60580204 I- TÊN ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU GIA TĂNG SỰ ỒN ĐỊNH CỦA MÁI DỐC TRÊN NỀN CÁT PHA SÉT BẰNG PHƯƠ

Tính cấp thiết của đề tài

Khu vực Tây Nguyên, các tỉnh miền Đông Nam Bộ với phần lớn diện tích là đồi núi, sườn dốc, nên các công trình cơ sợ hạ tầng cũng như khu dân cư nằm cạnh các sườn dốc là điều không thể tránh khỏi.Hiện tượng sạt lở mái dốc xảy ra rất phổ biến tại các khu vực này đặc biệt là vào mùa mưa lũ

Việc khắc phục những sự cố sạt lở như trên vô cùng khó khăn và tốn kém nên cần có những biện pháp xử lí kịp thời để ngăn chặn sự phát triển của hiện tượng sạt, trượt mái dốc khi điều kiện thiên nhiên bất lợi xảy ra

Hiện nay có rất nhiều giái pháp thiết kế đã và đang áp dụng vẫn thực sự chưa phát huy hết hiệu quả, vẫn còn nhiều hiện tượng sạt lở sau khi gia cố xảy ra một phần cho ta thấy được sự hạn chế trong việc lựa chọn giải pháp thiết kế.Nhằm mục đích bổ sung và từng bước hoàn thiện các giải pháp thiết kế cần có những nghiên cứu cụ thể cho từng điều kiện địa chất, trường hợp áp dụng

Cũng vì mục đích đó “Nghiên cứu gia tăng sự ổn định của mái dốc trên nền cát pha sét bằng phương án cọc đất trộn xi măng” thực sự cần thiết, bổ sung cho các giải pháp gia cố ổn định mái dốc.

Mục tiêu nghiên cứu

Đề tài này được thực hiện nhằm mục tiêu gia cố sườn dốc bằng phương án cọc đất trôn xi măng làm tăng sự ổn định của sườn dốc trong trường hợp đất tăng độ ẩm khi gặp mưa lớn kéo dài

Nghiên cứu được thực hiện ứng với nhiều tỉ lệ xi măng khác nhau và quan sát sự phát triển cường độ ở 7 ngày và 28 ngày

Kiểm tra sự gia tăng ổn định mái dốc sau khi gia cố bằng cọc xi măng đất với các giá trị sức chống cắt đã thí nghiệm bằng các bái toán : thay đổi hàm lượng xi măng, thay đổi khoảng cách bố trí cọc gia cố, thay đổi góc bố trí cọc gia cố và thay đổi mực nước ngầm.Từ đó đưa ra hàm lượng xi măng tối ưu cho loại đất ứng với từng trường hợp bài toán Đề xuất phương án bố trí cọc trên mái dốc với tỷ lệ trộn tốt nhất vào công trình thực tế ở Khu dân cư tại xã Hố Nai 3, Huyện Trảng Bom, Tỉnh Đồng Nai.

Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu tình hình quốc tế ,trong nước và những báo cáo nghiên cứu về sự mất ổn định mái dốc khi tăng độ ẩm của đất

- Nghiên cứu tình hình áp dụng cọc xi măng gia cố mái dốc

- Thí nghiệm đánh giá kết quả qua các tỉ lệ thực hiện

- Đưa ra kết luận và kiến nghị.

Nội dung nghiên cứu

- Cơ sở lý thuyết về sự ổn định của mái dốc

- Cơ sở lí thuyết của cọc gia cố sườn dốc và sự làm việc của nhóm cọc vật liệu rời

- Phương pháp tính toán và đánh giá thí nghiệm trong phòng

- Kết kuận và kiến nghị.

Phương pháp thực hiện thí nghiệm

- Phần 1: Tạo mẫu với tỉ lệ xi măng là 3%, 5%, 7% & 9%

- Phần 2 : Thí nghiệm cắt trực tiếp với các mẫu đã chế bị trong phòng thí nghiệm

- Phần 3 : Tính toán kết quả và lập biểu đồ thể hiện sự thay đổi cường độ(theo thời gian,hàm lượng).

Giới hạn của đề tài

- Đề tài chỉ nghiên cứu cụ thể cho một loại đất, ở đây là đất Cát pha sét khu vực Trảng Bom (Đồng Nai)

- Đề tài chỉ nghiên cứu được phần cường độ sức chống cắt thông qua thí nghiệm cắt trực tiếp còn các thông số khác (cố kết, tính thấm…) chưa được nghiên cứu.

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH MÁI DỐC BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT

Tổng quan về sử dụng cọc để gia cố mái dốc

2.1 Nguyên lí đất trộn xi măng

[6] Nguyên lý cơ bản của việc gia cố xi măng – đất: xi măng sau khi trộn với đất sẽ sinh ra một loạt các phản ứng hóa học rồi dần đóng rắn lại Các phản ứng chủ yếu của chúng là:

Phản ứng thủy giải và thủy hóa của xi măng

Tác dụng của các hạt đất với các chất thủy hóa của xi măng

Hạt xi măng Portland là một hợp chất bao gồm Tricalcium Silicate (C 3 S), Dicalcium Silicate ( C2S), Tricalcium Aluminate (C3A) và các chất rắn hòa tan như Tetracalcium Alumino-Ferrit (C 4 A) Bốn phần tử chính này tạo nên sản phẩm hỗn hợp tạo độ bền chủ yếu Khi nước lỗ rỗng của đất gặp xi măng, thủy hóa xi măng xảy ra nhanh chóng và sản phẩm của sự thủy hóa chính yếu ban đầu này là Hydrated Calcium Silicate (C3SHX, C3S2HX), Hydrated Calcium Aluminate (C3SAX, C3S2AX) và Hidrocid vôi Ca(OH) 2 Hai sản phẩm kết dính xi măng chính được hình thành và thủy hóa vôi được sử dụng như pha tinh thể rắn tách biệt Những phần tử xi măng này kết hợp các hạt xi măng nằm kế bên với nhau trong suốt quá trình hóa cứng để tạo thành hỗn hợp bộ khung bao quanh các hạt đất nguyên vẹn Các pha Silicate và Aluminate được kết hợp nội tại, do đó hầu như không có pha nào kết tinh hoàn toàn Một phần của Ca(OH) 2 cũng có thể kết hợp với các pha Hydrate khác, chỉ có một phần được kết tinh Hơn nữa thủy hóa xi măng dẫn đến gia tăng độ pH của nước lỗ rỗng gây ra bởi sự phân ly của vôi Hydrate Các bazơ mạnh hòa tan Silicate và Aluminate từ cả khoáng vật sét và các chất vô định hình khác trên những mặt của các hạt sét, theo cách tương tự như phản ứng acid yếu và bazơ mạnh Các Silica và Alumina ngậm nước sau đó sẽ từ từ phản ứng với các ion Calcium tự do từ sự thủy phân xi măng để tạo thành hợp chất không hòa tan Phản ứng thứ yếu này được gọi là phản ứng puzzola Hợp chất thủy hóa xi măng thì vẫn chưa được xác định rõ ràng bởi các công thức hóa học, vì thế quan tâm đến các biến thể là khả thi Các hợp chất trong xi măng Portland được biến thể khi có nước như sau:

2(3CaO.SiO 2 ) + 6H 2 O = 3CaO.SiO 2 3H 2 O + 3Ca(OH) 2 (1-1) 2(2CaO.SiO 2 ) + 4H 2 O = 3CaO.SiO 2 3H 2 + Ca(OH) 2 (1-2) 4CaO.Al 2 O 3 Fe 2 O 3 + 10H 2 O + 2Ca (OH) 2 = 6CaO.Al 2 O 3 Fe 2 O 3 12H 2 O 3CaO.Al 2 O 3 + 12H 2 O+ 2Ca(OH) 2 = 6CaO.Al 2 O 3 Ca(OH) 2 12H 2 O 3CaO.Al 2 O 3 + 10H 2 O + Ca SO 4 2H 2 O = 3CaO.Al 2 O 3 CaSO 4 12H 2 O

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐẤT TRỘN XI MĂNG VÀ ỔN ĐỊNH TRƯỢT MÁI DỐC

Nguyên lí đất trộn xi măng

[6] Nguyên lý cơ bản của việc gia cố xi măng – đất: xi măng sau khi trộn với đất sẽ sinh ra một loạt các phản ứng hóa học rồi dần đóng rắn lại Các phản ứng chủ yếu của chúng là:

Phản ứng thủy giải và thủy hóa của xi măng

Tác dụng của các hạt đất với các chất thủy hóa của xi măng

Hạt xi măng Portland là một hợp chất bao gồm Tricalcium Silicate (C 3 S), Dicalcium Silicate ( C2S), Tricalcium Aluminate (C3A) và các chất rắn hòa tan như Tetracalcium Alumino-Ferrit (C 4 A) Bốn phần tử chính này tạo nên sản phẩm hỗn hợp tạo độ bền chủ yếu Khi nước lỗ rỗng của đất gặp xi măng, thủy hóa xi măng xảy ra nhanh chóng và sản phẩm của sự thủy hóa chính yếu ban đầu này là Hydrated Calcium Silicate (C3SHX, C3S2HX), Hydrated Calcium Aluminate (C3SAX, C3S2AX) và Hidrocid vôi Ca(OH) 2 Hai sản phẩm kết dính xi măng chính được hình thành và thủy hóa vôi được sử dụng như pha tinh thể rắn tách biệt Những phần tử xi măng này kết hợp các hạt xi măng nằm kế bên với nhau trong suốt quá trình hóa cứng để tạo thành hỗn hợp bộ khung bao quanh các hạt đất nguyên vẹn Các pha Silicate và Aluminate được kết hợp nội tại, do đó hầu như không có pha nào kết tinh hoàn toàn Một phần của Ca(OH) 2 cũng có thể kết hợp với các pha Hydrate khác, chỉ có một phần được kết tinh Hơn nữa thủy hóa xi măng dẫn đến gia tăng độ pH của nước lỗ rỗng gây ra bởi sự phân ly của vôi Hydrate Các bazơ mạnh hòa tan Silicate và Aluminate từ cả khoáng vật sét và các chất vô định hình khác trên những mặt của các hạt sét, theo cách tương tự như phản ứng acid yếu và bazơ mạnh Các Silica và Alumina ngậm nước sau đó sẽ từ từ phản ứng với các ion Calcium tự do từ sự thủy phân xi măng để tạo thành hợp chất không hòa tan Phản ứng thứ yếu này được gọi là phản ứng puzzola Hợp chất thủy hóa xi măng thì vẫn chưa được xác định rõ ràng bởi các công thức hóa học, vì thế quan tâm đến các biến thể là khả thi Các hợp chất trong xi măng Portland được biến thể khi có nước như sau:

2(3CaO.SiO 2 ) + 6H 2 O = 3CaO.SiO 2 3H 2 O + 3Ca(OH) 2 (1-1) 2(2CaO.SiO 2 ) + 4H 2 O = 3CaO.SiO 2 3H 2 + Ca(OH) 2 (1-2) 4CaO.Al 2 O 3 Fe 2 O 3 + 10H 2 O + 2Ca (OH) 2 = 6CaO.Al 2 O 3 Fe 2 O 3 12H 2 O 3CaO.Al 2 O 3 + 12H 2 O+ 2Ca(OH) 2 = 6CaO.Al 2 O 3 Ca(OH) 2 12H 2 O 3CaO.Al 2 O 3 + 10H 2 O + Ca SO 4 2H 2 O = 3CaO.Al 2 O 3 CaSO 4 12H 2 O

Hai phản ứng (1-1) và (1-2), những chất của chúng hợp thành từ 75% xi măng Portland,chỉ ra rằng sự thủy hóa của hai loại Calcium Silicate tạo ra các hợp chất mới: vôi vàtobermorite gel, sau đó đóng vai trò quan trọng liên quan đến cường độ và thể tích chủ yếuđược quyết định bởi vôi và tobermorite gel Những phản ứng diễn ra trong gia cố xi măng -đất có thể được trình bày trong những phương trình được đưa ra sau đây:

CaS + H 2 O > C 3 S 2 H x ( hydrated gel) + Ca(OH) 2 Ca(OH) 2 > Ca ++ + 2(OH)

Ca++ + 2(OH) - > CSH Ca ++ + 2(OH) - + AL 2 O 3 > CAH Khi độ pH < 12.6 thì phản ứng sau xảy ra:

Phân tích ổn định mái dốc theo mặt trượt cung tròn

Trong phân tích ổn định mái dốc có 2 phương pháp chính thường được sử dụng : phương pháp cân bằng tới hạn (limit equilibrium method – LEM) và phương pháp số dựa trên thuyết đàn hồi dẻo

Tuy có có nhiều hạn chế là không thỏa mãn điều kiện cân bằng ứng suất và không xét đến quan hệ ứng suất và biến dạng nhưng phương pháp LEM khi tính toán lại có thông số đầu vào đơn giản, các thông số dễ xác định

Trong bài nghiên cứu tác giả sử dụng phần mềm Geoslope để phân tích ổn định mái dốc, đây là phần mềm tính toán theo phương pháp LEM được sử dụng rộng rãi ở Việt Nam và các nước trên thế giới Bằng cách sử dụng phần mềm này tác giả có thể tự thí nghiệm tìm ra các thông số sức chống cắt hỗn hợp đất gia cố để đưa vào mô hình và dùng kết quả phân tích ổn định mái dốc của phần mềm để so sánh với trường hợp ổn định mái dốc tự nhiên mà tác giả trước đã nghiên cứu

Phương pháp cung trượt lăng trụ tròn:[11]

Cơ sở của phương pháp này là giả định các mặt trượt có thể xảy ra trong nền là mặt trụ tròn quay quanh một tâm O với bán kính R nào đó.hệ số ổn định là tương quan giữa Moment kháng trượt và Moment gây trượt của tất cả các lực tác dụng lên mặt trượt trụ tròn đối với tâm quay O

Trong đó : : moment của các lực chống trượt

: moment của các lực gây trượt

Hình 2 1 : Phân tích cân bằng khối trượt

Trong thực tế tính toán, ta chia khối trượt (bằng các mặt thẳng đứng, song song với nhau)thành nhiều mảnh rồi tiến hành xét cân bằng Khi xét đầy đủ các lực tương tác giữa các mảnh (cókể đến biến dạng của khối trượt) thì bài toán rất cồng kềnh Vì vậy, người ta đã đưa thêm một sốgiả thiết vào bài toán để nó trở nên đơn giản hơn Hai phương pháp được dùng phổ biến cho tớinay là:Phương pháp Fellenius và phương pháp Bishop

Trong phương pháp này, giả thuyết là các lực giữa các mảnh bằng nhau và ngược chiều nên triệt tiêu lẫn nhau, có nghĩa E1 = E2 và X1 = X2 Bây giờ, chỉ cần thiết giải các lực tác dụng lên đáy của mảnh, vì thế:

Nếu đặt u r h u  , khi đó ta có:

Số mảnh tính toán không được nhỏ hơn 5, rõ ràng số mảnh càng lớn thì việc đánh giá F sẽ càng đúng Tuy nhiên phương pháp này có xu hướng cho giá trị F khoảng chừng 50% về phía thấp đi Sai số có thể tăng lên khi ru và cung trượt nằm sâu hay có bán kính tương đối nhỏ Trong các trường hợp đó, phương pháp Bishop là thích hợp

Trong điều kiện tương đối đồng nhất và khi r u gần như là hằng số có thể giả thuyết các lực tiếp tuyến giữa các mảnh bằng nhau và ngược chiều, có nghĩa X1 = X2, nhưng E1 ≠ E2.Với cân bằng dọc theo đáy của mảnh, sẽ có:

Với cân bằng theo phương đứng, ta có:

W ' os cos sin sin f tg

Sau khi thay thế l = bsecα và N’, sắp xếp lại ta có:

Hình 2 2: Mảnh đơn giản hóa của Bishop

- Phương pháp Bishop (đơn giản) với giả thiết là tổng các lực tương tác bằng không trêntrục nằm ngang

Các tính toán cho thấy là: trong cùng điều kiện, hệ số an về ổn định Fs tính toán theoBishop (đơn giản) luôn lớn hơn Fs tính toán theo Fellenius khoảng 8-10% Trong các tiêu chuẩnthiết kế, có thể cho phép, khi đánh giá ổn định mái đất, dùng cả hai phương pháp và yêu cầu [Fs]lấy bằng 1.10-1.15 khi tính toán theo Fellenius và lấy bằng 1.25->1.30 khi tính toán theo Bishop(simplified)

Ngoài ra còn có các phưong pháp như Janbu, Spencer, Morgenstern-Price, GLE, Lowe-Karafiath, Sarma Hiện có sẵn những phần mềm tốt để tính toán theo các phươngpháp này nhưGeoSlope, Stad

Bản chất phương pháp luận của các phương pháp nói trên là phương pháp định tính đơngiản (tiền định) Nếu hệ số an toàn lớn hơn 1, mái đất được coi là ổn định Việc sử dụng hệ số antoàn bằng bao nhiêu phụ thuộc vào kinh nghiệm của người thiết kế, các tiêu chuẩn qui địnhcũng như các điều kiện khác.

Khả năng chịu tải giới hạn của nhóm cột vật liệu rời

[7] Cườnng độ kháng cắt của nền gia cố: Thường trụ xử lý được dùng để ổn định mái dốc, khối đắp hoặc tường hào Mặt pháhoại theo mặt phẳng hoặc cung tròn, huy động sức kháng cắt của trụ và đất xungquanh trụ Phân tích ổn định dựa theo các phương pháp hiện hành (xem BS 8006 :1995) Nền xử lý có cường độ kháng cắt tính theo công thức:

C tb = C u (1- a) + a C c Trong đó: Cu là sức kháng cắt của đất, tính theo phương pháp trọng số cho nềnnhiều lớp;

C c là sức kháng cắt của trụ; a là tỷ số diện tích a = n Ac / Bs; n là số trụ trong 1 m chiều dài khối đắp; Bs là chiều rộng khối đắp;

A c là diện tích tiết diện trụ

Tương tự ta có ma sát tương đương của nền gia cố:

Từ đó tính được góc ma sát tương đương

THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ SỨC CHỐNG CẮT KHÔNG THOÁT NƯỚC CỦA HỖN HỢP ĐẤT TRỘN XI MĂNG

Mục đích thí nghiệm

- Tìm giá trị c , φ của các của hỗn hợp vật liệu đất – xi măng với nhiều hàm lượng xi măng khác nhau

- Nhận xét sự phát triển cường độ sức chống cắt c , φ của các mẫu đất với các hàm lượng xi măng khác nhau tại các thời điểm 7 ngày và 28 ngày

- Lấy kết quảc , φ của mẫu xi măng - đất trong phòng ở 28 ngày so sánh với kết qủa của mẫu đất tự nhiên.

Vật liệu thí nghiệm

Luận văn nghiên cứu đất thuộc vùng Đông Nam Bộ, thuộc xã Hố Nai 3, Huyện Trảng Bom, Tỉnh Đồng Nai (Hình 3.1) Đây là khu vực có nhiều đồi núi thấp, thuộc địa hình sườn tích Cùng với sự phát triển của kinh tế - xã hội, các khu công nghiệp ( KCN Biên Hòa 1,2; KCN Trảng Bom; KCN Hố Nai; ) được xây dựng ngày càng nhiều dẫn đến việc các khu dân cư ngày càng phát triển Việc xây dựng nhà cửa, đường xá, nhà xưởng, … ngày càng cấp bách, do đó người ta tận dụng luôn các quỹ đất có địa hình và tính chất không thuận lợi về xây dựng

Hình 3 1 : Vị Trí Lấy Mẫu Đất

Tính chất cơ lí của đất dùng để thí nghiệm:

Phần Hạt Cỡ Hạt Mẫu

Bảng 3 1: Tỷ lệ thành phần hạt

Dựa theo Phụ lục 4 trong TCVN 5747 : 1993, “Đất xây dựng – Phân loại”, ta có thể thấy đây là đất cát pha sét ( 50% hạt > 0.08mm; 50% hạt < 2mm)

S TT Thông số Đơn vị Cách tính

3 Dung trọng khô ( s kg/cm 3 s= Gs xw 26.00

6 Độ bão hòa % Sr=(0.01.wGs)/e 51.14

7 Góc ma sát trong độ 27.55

Bảng 3 2: Tính chất cơ lý của đất thí nghiệm

3.2.2 Xi măng dung trong thí nghiệm

Dựa vào các nghiên cứu về đất trộn xi măng Nghi Sơn và đất trộn xi măng Holcim ở những luận văn cao học trước, chúng ta thấy rằng xi măng Nghi Sơn phát triển cường độ nhanh hơn Holcim ở gian đoạn ban đầu ( 7 ngày, 14 ngày) vì vậy ở luận văn này tác giả dùng xi măng Nghi Sơn để thí nghiệm trên đất ở khu vực này

TT Tính chất cơ lý Tiêu chuẩn thử nghiệm Đơn vị

Kết quả thử nghiệm Quy định

1 Khối lượng riêng TCVN 4030 - 2003 g/cm 3 3,09

3 Độ dẻo tiêu chuẩn TCVN 6017 - 95 % 31

Bảng 3 3: Xi măng Nghi Sơn

- Xi măng được sử dụng trong thí nghiệm là xi măng Nghi Sơn với hàm lượng thay đổi : 3% 5% 7% và 9%

3.2.3 Nước dùng trong thí nghiệm

Sử dụng nước tại địa điềm thi công hoặc có thể sử dụng nước cấp cho sinh hoạt

Trong thí nghiệm mẫu cắt trong phòng, tác giả sử dụng nước cấp cho phòng thí nghiệm tại trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh để tiến hành thí nghiệm.

Cấp phối thí nghiệm

3.3.1 Tỉ lệ Xi măng – Đất

Bảng 3 4 : Tỷ lệ xi măng với đất với các loại đất khác nhau theo hệ thống phân loại Unified (Mitchell and Freitag, 1959) Để khảo sát sự thay đổi cường độ của hỗn hợp đất trộn xi măng ta sẽ thay đổi hàm lượng xi măng dựa theo tỉ lệ xi măng tối ưu của Mitchell và Freitag năm 1959

Như vậy ứng với loại đất Cát pha sét chúng ta sẽ lựa chọn các hàm lượng Xi măng sau : 3%; 5% ; 7% và 9%

Tham khảo hàm lượng nước từ phòng thí nghiệm gia cố cọc xi măng đất cho đất cát ta chọn hàm lượng nước 13.5% hỗn hợp Xi măng-đất để thực hiện thí nghiệm

3.4 Chế bị mẫu cắt trực tiếp trong phòng thí nghiệm

3.4.1 Số lượng mẫu thí nghiệm:

BẢNG THỐNG KÊ SỐ LƯỢNG MẪU CẮT TRỰC TIẾP

THÍ NGHIỆM Hàm lượng xi măng (% Theo trọng lượng đất tự nhiên)

Số lượng mẫu 7 Ngày 28 Ngày Tổng

Bảng 3 5 : Thống kê số lượng mẫu thí nghiệm cắt trực tiếp

3.4.2 Xác định hàm lượng hỗn hợp

Chuẩn bị vật liệu : Đất : được sấy khô trước khi thí nghiệm để dễ dàng tính toán hàm lượng nước và xi măng.Cân m (g) đất đã sấy khô, từ đó ta tính được khối lượng nước và xi măng như sau:

Xi măng : ứng với aw% xi măng ta xác định được khối lượng xi măng m1 Nước : được cân theo tỉ lệ 13.5% khối lượng hỗn hợp Đất–Xi măng

Hình 3 2 : Xác định khối lượng bằng cân điện tử

Trộn hỗn hợp bằng máy trộn :

Hình 3 3 : Máy trộn được sử dụng trong thí nghiệm

Dao vòng được bôi nhớt xung quanh để dẽ dàng lấy mẫu ra khỏi khuôn

Cho hỗn hợp vừa trộn vào dao vòng:

Làm phẳng bề mặt mẫu và kí hiệu mẫu

Lấy mẫu ra khỏi dao vòng và bão dưỡng

Hình 3 4 : Bão dưỡng mẫu trong phòng thí nghiệm

Thí nghiệm cắt trực tiếp trong phòng thí nghiệm xác định cường độ sức chống cắt của hỗn hợp Đất-Xi măng

3.5.1 Tiến hành thí nghiệm cắt trực tiếp với mẫu đã chế bị

Khi mẫu đạt độ tuổi cần khảo sát cường độ tiền hành thí nghiệm cắt trực tiếp

Thông số máy thí nghiệm cắt trực tiếp:

Mã hiệu: J0080 Hệ số vòng lực : 1.708kPa/0.01mm(1 vạch đồng hồ) 3 cấp áp lực được lực chọn để thí nghiệm : 25kPa , 50kPa và 100kPa Bảng tải trọng quy đổi cấp áp lực ứng với cánh tay đòn của máy J0080 Ta thay đổi cấp áp lực bằng cách thay đổi tải trọng cánh tay đòn tương ứng với bảng quy đổi trên Ứng với mỗi cấp áp lực ta có 3 mẫu thí nghiệm, sử dụng tay quay để thí nghiệm (quay không quá 12 vòng/phút) đế khi phá hoại ghi nhận số đọc đồng hồ lớn nhất khi mẫu bị phá hoại

Hình 3 5 : Máy cắt trực tiếp và vòng lực được sử dụng trong thí nghiệm

Hình 3 6 : Tải trọng và bảng quy đổi tải trọng thành áp lực thẳng đứng

Hình 3 7 : Mẫu cắt và hộp cắt trước khi thí nghiệm

Hình 3 8 : Sử dụng tay quay thủ công để tìm giá trị lực cắt lớn nhất

Hình 3 9 : Mẫu sau khi phá hoại

3.5.2 Kết quả thí nghiệm cắt trực tiếp

Theo quy trình thí nghiệm nêu ở mục , thí nghiệm cắt trực tiếp được thực hiện với 3 cấp tải 25kN/m 2 , 50kN/m 2 , 100kN/m 2 Tại mỗi cấp tải, thí nghiệm được thực hiện trên 3 mẫu rồi dùng TCVN 9153-2012 để chỉnh lý thống kê tất cả các cặp giá trị thí nghiệm  i và  i

Bảng 3 6 : Giá trị sức chống cắt của mẫu 7 và 28 ngày hàm lượng Xi măng

7 ngày hàm lượng Xi măng

Bảng 3 7 : Phần trăm sự thay đổi về giá trị của 28 ngày so với 7 ngày hàm lượng Xi măng

% sự thay đổi giá trị C,phi của 28 ngày so với 7 ngày C(kPa) Phi (độ)

Hình 3 10 : Biểu đồ thể hiện sự thay đổi lực dính theo thời gian và hàm lượng xi măng của hỗn hợp

3% 5% 7% 9% lực dính của hỗn h ợp (k Pa)

Hàm lượng xi măng (%) LỰC DÍNH CỦA HỖN HỢP THEO THỜI GIAN VÀ

Hình 3 11 : Biểu đồ thể hiện sự thay đổi góc ma sát trong theo thời gian và hàm lượng xi măng của hỗn hợp

Hình 3 12 : Biểu đồ thể hiện sự thay đổi về giá trị lực dính và góc ma sát của 28 ngày so với 7 ngày

Hàm lượng xi măng (%) GÓC MA SÁT TRONG CỦA HỖN HỢP THEO THỜI GIAN

VÀ HÀM LƯỢNG XI MĂNG

Sự thay đổi về giá trị (%)

Hàm lượng xi măng Sự biến thiên giá trị C,phi của 28 ngày so với 7 ngày phiC

Nhận xét kết quả thí nghiệm :

 Về lực dính : o Hàm lượng xi măng càng cao thì lực dính của hỗ hợp xi măng - đất càng cao o Theo thời gian lực dính của hỗn hợp tăng khi thời gian càng tăng o Sự tăng cường độ này không đồng đều khi hàm lượng xi măng thay đổi.Hàm lượng xi măng càng cao thì tỉ lệ tăng giá trị lực dính giữa 28 ngày và 7 ngày bị giảm dần ( giá trị thể hiện ở bảng và đồ thị bên dưới)

 Về góc ma sát trong : o Góc ma sát trong của hỗn hợp có thay đổi theo từng hàm lượng xi măng nhưng không nhiều.Cụ thể giữa giá trị lớn nhất và nhỏ nhất không quá 18% (lớn nhất là 73.72 và nhỏ nhất là 62.51) o Trong cùng 1 hàm lượng xi măng thì sự thay đổi của giá trị góc ma sát trong cũng không lớn.Cụ thể ở đây là 8.81% (ở hàm lượng xi măng 9%).

ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH MÁI DỐC Thực tế BẰNG PHẦN MỀM GEOSLOPE

Giới thiệu về phần mềm tính toán GEOSLOPE 2012

Các phần mềm địa kỹ thuật thương mại phân tích ổn định mái đất đượcchuyển giao vào nước ta hiện nay hoặc tự lập thường được xây dựng từ cơ sở lýthuyết theo phương pháp cân bằng giới hạn phân thỏi Bộ phần mềm Geostudio 2012 của Công ty GeoSlope International (Canada) được nhiều nước trên thế giới đánh giálà bộ chương trình mạnh nhất, được dùng phổ biến nhất hiện nay, gồm có 6 Modulesau:

2 SIGMA/W: Phân tích ứng suất biến dạng

3 SLOPE/W: Phân tích ổn định mái dốc, mái dốc có gia cường neo

4 CTRAN/W: Phân tích ô nhiễm trong giao thông

5 TEMP/W: Phân tích địa nhiệt

6 QUAKE/W: Phân tích đồng thời các thành phần trên

Trong phần ứng dụng tính toán, tác giả sử dụng các phần mềm,SLOPE/W trong bộ chương trình phần mềm địa kỹ thuật GeoStudio 2012 của hãngphần mềm GEO- SLOPE, Canada để giải quyết bài toán cơ bản: tínhổn định mái dốc.Phần mềm SLOPE/W dựa trên điều kiện bền Coulomb tại đáy thỏi đất để lậpbiểu thức của hệ số an toàn theo mômen và (hoặc) theo lực tác dụng Phần mềm nàychỉ đánh giá được tính ổn định về cường độ của mái đất đá

Các phương pháp cân bằng giới hạn phân thỏi được sử dụng trongSLOPE/W là:

Ordinary hay Fellenius; Bishop đơn giản; Janbu đơn giản; Janbu tổngquát; Spencer;

Trong luận án này tác giả sử dụng phương pháp Bishop đơn giản để phân tích ổnđịnh mái dốc tự nhiên để so sánh với tác giả trước[tham khảo] đã thực hiện ở trạng thái tự nhiên.Bên cạnh đó sẽ sử dụng các phương pháp khác trong phần mềm Geoslope để tham khảo thêm.

Ứng dụng phần mềm tính toán ổn định mái dốc sử dụng phương án gia cố cọc xi măng – đất

4.2.1 Đặc điểm và tính chất của mái dốctự nhiên

Trong luận văn, tác giả ứng dụng tính toán ổn định cho mái dốc của Khu dân cư tại xã Hố Nai 3, Huyện Trảng Bom, Tỉnh Đồng Nai, nơi lấy mẫu thí nghiệm trong Chương 3 (Hình 3.1, Hình 4.1)

Hình 4 1 : Toàn cảnh mái dốc tự nhiên

Mặt cắt tính toán của mái dốc tự nhiên (hình 4.2) gồm 3 lớp:

Hình 4 2 : Mặt cắt mái dốc

+ L ớ p 1 : Sét pha, màu xám xám nâu, xám vàng, trạng thái nửa cứng

- Dung trọng (kN/m 3 ) : 18.11 - Góc ma sát trong ( độ) : 27.55 - Lực dính ( kN/m 2 ) : 33.7 Đây là lớp đất được chọn để khảo sát ảnh hưởng của độ bão hòa đến ổn định của mái dốc Các thông số trên sẽ được thay đổi và lấy theo kết quả thí nghiệm với độ bão hòa S = 50%, S = 60%,S = 70%,S = 80% trong Chương 3 khi áp dụng tính hệ số an toàn bằng phần mềm Geo Slope

+ L ớ p 2 : Sét pha, màu xám trắng, trạng thái dẻo cứng Các thông số được giữ nguyên khi tính hệ số an toàn bằng phần mềm Geo Slope

- Dung trọng (kN/m 3 ) : 19.6 - Góc ma sát trong ( độ) : 14 0 05

+ L ớ p 3 : Sét, màu nâu đỏ, xám trắng, trạng thái nửa cứng Các thông số được giữ nguyên khi tính hệ số an toàn bằng phần mềm Geo Slope

- Dung trọng (kN/m 3 ) : 20.2 - Góc ma sát trong ( độ) : 14 0 07 - Lực dính ( kN/m 2 ) : 33.1

4.2.2 Thông số dưa vào mô hình

Lấy thông số từ kết quả thí nghiệm đất ở các độ bão hòa khác nhau đưa vào phần mềm GEO-SLOPE module SLOPE/W để tính hệ số ổn định mái dốc với mặt trượt là cung tròn

Bảng 4 1 : Chỉ tiêu cơ lý của lớp đất 1 đưa vào mô hình tính toán Độ Bão Hòa Tự nhiên

Góc ma sát trong (độ) 27.55 26.90 26.10 25.64 24.90

Hình 4 3: Mô hình tính toán trong Geo – Slope

Kết quả tính toán hệ số an toàn và mặt trượt với các độ bão hòa khác nhau ( S 50%, 60%, 70%, 80 % và độ bão hòa tự nhiên) được thể hiện từ Hình 4.4đến Hình 4.8

Hình 4 4: Kết quả tính ổn định mái dốc với độ bão hòa 80%

Hình 4 8: Kết quả tính ổn định mái dốc với độ bão hòa 51,2% (tự nhiên)

Hệ số an toàn của mái dốc tại độ bão hòa khác nhau được cho trong bảng 4.2: hệ số an toàn tăng khi độ bão hòa giảm, hệ số an toàn tăng gấp đôi khi độ bão hòa giảm từ 80% xuống 50% Khi độ bão hòa giảm, lực hút dính tăng dẫn đến cường độ chống cắt tăng, khi cường độ chống cắt tăng thì tổng hợp lực chống trượt tăng, hệ số ổn định tăng

Bảng 4 2: Kết quả tính toán ổn định mái dốc theo độ bão hòa

STT Độ Bão Hòa Hệ số ổn định

Hình 4 9: So sánh hệ số an toàn mái dốc với độ bão hòa khác nhau

Từ kết quả trên cho thấy, trong tự nhiên, khi tính ổn định mái dốc bằng phần mềm Geo Slope người ta thường dùng thông số đầu vào của đất bão hòa (S = 80% đến 100% ) cho kết quả hệ số ổn định nhỏ hơn 1 ( 0.9) điều này có nghĩa mái dốc sẽ bị trượt

Tác giả sẽ sử dụng thông số đất ở trường hợp Sr% để khảo sát sự thay đổi độ ổn định của mái dốc khi sử dụng phương án cọc đất trộn xi măng

Hệ Số An Toàn Độ Bão Hòa, %

Sử dụng cọc đất xi măng để gia cố mái dốc

4.3.1 Các trường hợp bài toán:

Khi dùng bài toán bố trí cọc xi măng đất để gia cố cho mái dốc ta có một số trường hợp như sau:

- Về cường độ vật liệu hỗn hợp đất trôn xi măng: tác giả thí nghiệm tạo mẫu hỗn hợp đất tự nhiên với 4 hàm lượng xi măng khác nhau (3%, 5%, 7% và 9%) từ đó thu được 4 cường độ sức chống cắt khác nhau

- Về cách bố trí cọc đất trộn xi măng ta có một số trường hợp như sau:

+ Lựa chọn đường kính cọc xi măng đất

+ Lựa chọn khoảng cách bố trí cọc

+ Lựa chọn chiều dài cọc gia cố

+ Lựa chọn độ xiên của cọc gia cố

4.3.2 Thông số dưa vào mô hình:

- Lớp đất khảo sát: lớp đất cát pha sét trên bề mặt mái dốc với thông số đất ở trạng thái bão hòa Sr% và xem đây là thông số của đất bão hòa, còn thông số của lớp 2 và lớp 3 lấy theo tài liệu khoan khảo sát

- Chiều sâu cắm cọc : tác giả chọn chiều sâu tối đa là vừa hết lớp đất đầu tiên (do thí nghiệm hỗn hợp cọc đất trộn xi măng thực hiện cho lớp đất này)

- Mực nước ngầm như ở trạng thái tự nhiên

- Vị trí cắm cọc ở giữa mái dốc

- Trong trường hợp này, ta dùng thông số lớp đất 1 với độ bão hòa 80% và xem như đây là thông số của đất bão hòa

- Thông số hình học của mái dốc lấy theo Hình 4.2, nhưng chỉ thay đổi tính năng vật liệu của cọc xi măng đất

- Vì Geoslope là mô hình 2D nên khi ta khai báo thông số của vật liệu cọc trên mặt cắt ngang cần quy đổi lại thông số vật liệu tương đương.Cách quy đổi như sau:

Xem cọc có đường kính d(m) được bố trí với khoảng cách a(m) làm việc như 1 lớp đất tương đương liên tục với bề dày d

Gọi thông số sức chống cắt của đất tự nhiên giữa các cọc: à Thông số sức chống cắt của vật liệu làm cọc xi măng-đất: à

: diện tích đất giữa 2 cọc liền kề

: diện tích cọc à : lần lượt là lực dính và góc ma sát trong của lớp đất quy đổi tương đương

4.3.3 Khảo sát sự thay đổi hệ số ổn định mái dốc khi thay đổi hàm lượng xi măng:

+ Góc bố trí cọc giữa các trường hợp là như nhau : chọn góc cọc tạo so với phương ngang 75 độ

+ Đường kính và khoảng cách bố trí cọc : chọn trường hợp cọc D800 khoảng cách 2m

+ Mực nước ngầm : chọn mực nước ngầm không thay đổi so với trạng thái tự nhiên

+ Thông số sức chống cắt của lớp cát pha sét (lớp 1) : chọn thông số ứng với trường hợp bào hòa 80% (xem như đất bão hòa)

Hàm l ượ ng 3% xi m ă ng : HSAT = 1.192

Hình 4 10: Kết quả tính ổn định mái dốc trường hợp : gia cố cọc D800 hàm lượng

Hàm lượng xi măng 5% : HSAT = 1.213

Nhận xét trường hợp thay đổi hàm lượng xi măng:

- Khi hàm lượng xi măng tăng thì hệ số ổn định của mái dốc sẽ tăng theo

Biểu đồ gia tăng này không tuyến tính, hàm lượng càng cao thì sự biến thiên càng lớn

- Tất cả các trường hợp tính toán đều có hệ số ổn định lớn hơn 1 có nghĩa là mái dốc sẽ ổn định khi lớp đất đạt độ bão hòa 80%

- Thực tế tính toán khi sử dụng phương pháp Bishop để tính ổn định mái dốc thì hệ số ổn định mái dốc phải lớn hơn [Fs]min =1.4 trong trường hợp bố trí cọc D800 hàm lượng xi măng 3%, khoảng cách cọc 2m và góc bố trí cọc 75 độ so với phương ngang cho Fs = 1.192 - 1.364 đểu không thỏa yêu cầu khi thiết kế.Vì vậy cần thay đổi phương án gia cố bằng cách thay đổi đường kính,khoảng cách cọc hay hàm lượng xi măng…

4.3.4 Khảo sát sự thay đổi hệ số ổn định mái dốc khi thay đổi khoảng cách cọc

+ Hàm lượng xi măng : chọn hàm lưởng 3% để quan sát sự thay đổi HSAT

+ Góc bố trí cọc giữa các trường hợp là như nhau : chọn góc cọc tạo so với phương ngang 75 độ

+ Đường kính và khoảng cách bố trí cọc : chọn trường hợp cọc D800 khoảng cách thay đổi

Hàm lượng 3% xi măng – khoảng cách cọc D800 – A1000 : HSAT = 1.404

3% xi măng khoảng cách bố trí cọc : 1m

3% xi măng khoảng cách bố trí cọc : 1.5m

3% xi măng khoảng cách bố trí cọc : 2.5m

Nhận xét khi thay đổi khoảng cách bố trí cọc:

- Hệ số ổn định mái dốc (HSOD) giảm khi tăng khoảng cách bố trí cọc gia cố.Khoảng cách tằng từ 1m đến 3m HSOD giảm từ 1.404 còn 1.11

- Sự biến thiên này cũng không tuyến tính,độ dốc có giá trị giảm dần khi tăng khoảng cách cọc

- Ở trường hợp bài toán này HSOD cũng đều lớn hơn 1 nhưng có 1 trường hợp khoảng cách cọc 1m thỏa yêu cầu bài toán ổn định mái dốc bằng phương pháp Bishop

4.3.5 Khảo sát sự thay đổi hệ số ổn định mái dốc khi thay đổi góc bố trí cọc

+ Hàm lượng xi măng : chọn hàm lưởng 3% để quan sát sự thay đổi HSAT

+ Góc bố trí cọc : thay đổi góc bố trí cọc so với phương ngang để quan sát sự thay đổi HSAT của mái dốc

+ Đường kính và khoảng cách bố trí cọc : chọn trường hợp cọc D800 khoảng cách cọc là 2m

Góc bố trí 45 độ so với phương ngang : HSAT = 1.162

Hình 4 19: Kết quả tính ổn định mái dốc trường hợp : góc bố trí cọc 45 độ so với phương ngang

Hình 4 22 : Biểu đồ thể hiện sự thay đổi HSOD khi thay đổi góc bố trí cọc

Hình 4 23 :Biểu đồ thể hiện sự gia tăng HSOD (%) so với trường hợp không gia cố

Nhận xét khi thay đổi góc bố trí cọc

- Khi thay đổi góc bố trí cọc gia cố so với phương đứng ta thu được kết quả như sau:

- Khi góc bố trí tăng (cọc càng thẳng đứng) thì hệ số ổn định mái dốc càng tăng, nhưng độ tăng này rất nhỏ Cụ thể ở bài toán này khi thay đổi góc bố trí từ 45 độ lên 75 độ thì HSOD tăng từ 1.162 lên 1.192 (khoảng 2.6%)

- Vì vậy chọn lựa góc bố trí cọc gia cố chủ yếu liên quan tới điều kiện thực tế thi công : hình dạng mái dốc, thiết bị thi công…

4.3.6 Tổng hợp hệ số ổn định của mái dốc khi thay đổi hàm lượn xi măng – khoảng cách cọc và góc bố trí cọc xi măng đất

Bảng 4 3 : Hệ số ổn định mái dốc trường hợp hàm lượng xi măng 3%

GÓC KHOẢNG CÁCH BỐ TRÍ CỌC

Hình 4 24 : Biểu đồ thể hiện sự thay đổi HSOD mái dốc theo khoảng cách và góc bố trí ứng với hàm lượng 3% xi măng

HỆ SỐ ỔN ĐỊNH MÁI DỐC

KHOẢNG CÁCH CỌC (m) D800-328-SR80 - THAY ĐỔI GÓC 45-60-75

KHOẢNG CÁCH CỌC (m) D800-528-SR80 - THAY ĐỔI GÓC 45-60-75

KHOẢNG CÁCH BỐ TRÍ CỌC (m) D800-728-SR80 - THAY ĐỔI GÓC 45-60-75

KHOẢNG CÁCH BỐ TRÍ CỌC (m) D800-928 -SR80 - THAY ĐỔI GÓC 45-60-75

Hình 4 28Biểu đồ thể hiện sự thay đổi HSOD mái dốc theo khoảng cách và hàm lượng xi măng góc bố trí ứng vớigóc bố trí 45 độ

Hình 4 29 : Biểu đồ thể hiện sự thay đổi HSOD mái dốc theo khoảng cách và hàm lượng xi măng góc bố trí ứng vớigóc bố trí 60 độ

Hình 4 30 : Biểu đồ thể hiện sự thay đổi HSOD mái dốc theo khoảng cách và hàm lượng xi măng góc bố trí ứng vớigóc bố trí 75 độ

 Tất cả các trường hợp đều cho hệ số ổn định mái dốc lớn hơn 1.Nhưng để thỏa bài toán thiết kế ổn định mái dốc bằng phương pháp Bishop Fs]min=1.4 ta có một số trường hợp sau : o Bố trí 45 độ :

 Hàm lượng 3% xi măng : các trường hợp trên không thỏa

 Hàm lượng 7% xi măng :cọc d800 khoảng cách 1m

 Hàm lượng 9% xi măng :cọc d800 khoảng cách 1.5m o Bố trí 60 độ :

 Hàm lượng 9% xi măng :cọc d800 khoảng cách 1.5m o Bố trí 75 độ :

 Hàm lượng 3% xi măng : cọc d800 khoảng cách 1m

 Hàm lượng 5% xi măng : cọc d800 khoảng cách 1m

 Hàm lượng 9% xi măng :cọc d800 khoảng cách 1.5m

Kết luận

Với mục đích nghiên cứu gia tăng sự ổn định của mái dốc trên nền cát pha sét tại Đồng Nai bằng phương án cọc đất trôn xi măng ta thu được các kết luận như sau:

Về vật liệu đất trộn xi măng :

1 Khi hàm lượng xi măng trong hỗn hợp càng tăng thì lực dính của hỗn hợp xi măng đất tăng cụ thể : 3% - 289.2 kPa; 5%-343 kPa; 7%-380 kPa; 9%- 512 kPa

2 Góc ma sát trong của hỗn hợp có thay đổi theo từng hàm lượng xi măng nhưng không nhiều.Cụ thể giữa giá trị lớn nhất và nhỏ nhất không quá 18%

(lớn nhất là 73.72 và nhỏ nhất là 62.51) Trong cùng 1 hàm lượng xi măng thì sự thay đổi của giá trị góc ma sát trong cũng không lớn.Cụ thể ở đây là 8.81% (ở hàm lượng xi măng 9%)

3 Trong bài nghiên cứu tác giả chỉ xét tại 2 thời điểm 7 ngày và 28 ngày khi tăng hàm lượng xi măng thì sự phát triển cường độ sức chống cắt của hỗn hợp xi măng đất giữa 7 và 28 ngày là không nhiều, cụ thể ở đây là trường hợp 9% xi măng thì lực dính 28 ngày tăng thêm 22.5% so với 7 ngày còn trường hợp 3% xi măng thì tăng thêm 64.7%, 5% là 40%, 7% là 24.5% Điều này có ảnh hưởng lớn tới những trường hợp cần thời gian gấp để đưa vào sử dụng hoặc đạt cường độ cao trong thời gian ngắn để triển khai các công tác khác trong quá trình thi công

Về phương án bố trí cọc đất trôn xi măng để gia cố mái dốc phòng tránh trường hợp trượt bề mặt do mưa lớn làm tăng độ ẩm đất tự nhiên dẫn đến sức chống cắt của lớp đất bề mặt bị giảm cường độ[13] Kết quả từ phần mềm Geoslope 2012 theo phương pháp bishop cho thấy:

1 Từ kết quả tất cả các trường hợp bài toán trong bài nghiên cứu cho thấy mái dốc đều ổn định khi sử dụng phương pháp cọc đất trôn xi măng do HSOD đều lớn hơn 1 Tuy vậy bài toán thiết kế ổn định mái dốc yêu cầu đối với phương pháp Bishop [F]s=1.4 nên chỉ có một số bài toán đạt yêu cầu : + Hàm lượng 3% và 5% : cọc d800, khoảng cách 1m, góc bố trí 75 độ

+ Hàm lượng 7% : cọc d800, khoảng cách 1m, góc bố trí 45,60,75 độ

+ Hàm lượng 9% : cọc d800, khoảng cách 1.5m, góc bố trí 45,60,75 độ

2 Hệ số ổn định mái dốc thay đổi không nhiều do thay đổi góc bố trí cọc gia cố so với phương đứng Khi góc bố trí tăng (cọc càng thẳng đứng) thì hệ số ổn định mái dốc càng tăng, nhưng độ tăng này rất nhỏ Cụ thể ở bài toán cọc d800 khoảng cách cọc 2m, hàm lượng 3% xi này khi thay đổi góc bố trí từ 45 độ lên 75 độ thì HSOD chỉ thay từ 1.162 lên 1.192 (khoảng 2.6%).Tùy thuộc vào khả năng thi công của thiết bị cũng như điều kiện thi công thực tế mà có góc bố trí phù hợp Kết quả chạy bài toán bằng phần mềm Geolsope 2012 cho thấy cọc bố trí càng thẳng đứng thì hệ số ổn định mái dốc càng tăng.