Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu sự ảnh hưởng của hàm lượng xi măng và sợi xơ dừa đến sức chống cắt của đất yếu

5 Hình 1.5 : Quan hệ ứng suất, biến dạng của đất gia cường bằng xi măng và sợi trong thí nghiệm của Chaosheng Tang, Bin Shi, Wei Gao, Fengjun Chen.. Hình 1.12 : Quan hệ ứng suất, biến dạ

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS TS Võ Phán Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS TS Nguyễn Văn Chánh Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS Lê Văn Pha

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 08 tháng 01 năm 2016

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm : 1 PGS TS Châu Ngọc Ẩn

2 TS Lê Trọng Nghĩa 3 PGS TS Nguyễn Văn Chánh 4 TS Lê Văn Pha

5 TS Nguyễn Ngọc Phúc Xác nhận của Chủ Tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quan lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA

KỸ THUẬT XÂY DỰNG

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Trần Tất Thành MSHV: 7140136 Ngày, tháng, năm sinh: 26/10/1990 Nơi sinh: Bình Định Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây Dựng Công Trình Ngầm Mã số : 60.58.02.04

nền đường Chương 3 : Thí nghiệm mẫu đất trộn sợi xơ dừa và xi măng trong phòng thí

nghiệm Chương 4 : Tính toán ổn định nền đường trước và sau khi gia cường xi măng – sợi

xơ dừa

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : Ngày 06 tháng 07 năm 2015

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : Ngày 04 tháng 12 năm 2015

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS TS Võ Phán.

Tp HCM, ngày 08 tháng 01 năm 2016

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN TRƯỞNG KHOA

Đầu tiên, học viên xin cảm ơn gia đình, bạn bè, đã cổ vũ, động viên và hỗ trợ học viên trong suốt thời gian qua

Xin cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Địa Cơ Nền Móng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng – Trường ĐH Bách Khoa TPHCM, đã truyền đạt kiến thức và tạo điều kiện cho học viên sử dụng phòng thí nghiệm

Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy PGS TS Võ Phán đã tận tình hướng dẫn, giúp học viên có được những định hướng tốt cho luận văn Qua thầy, học viên không những được truyền đạt kiến thức, mà còn học được phương pháp nghiên cứu, phương pháp làm việc và cả nhiệt huyết trong nghề nghiệp

Xin kính chúc sức khỏe các thầy cô!

Học viên

Trần Tất Thành

Luận văn nghiên cứu khả năng cải tạo đất sét yếu khu vực tỉnh Bền Tre bằng sợi xơ dừa và xi măng Sử dụng các thí nghiệm : cắt trực tiếp, nén đơn để xác định hàm lượng sợi xơ dừa - xi măng thích hợp Xi măng sử dụng loại PCB40, xơ dừa cắt nhỏ thành từng đoạn 2cm Các hàm lượng xơ dừa được xét đến : 0%, 0.4%, 0.8%, 1.2 %, các hàm lượng xi măng được xét đến : 6%, 8%, 10%, 12% Ứng dụng của hỗn hợp vật liệu này vào đắp đường tại huyện Châu Thành – tỉnh Bến Tre

Abstract : This reseach presents a treatment solution of soft soil clay by mixing

cement and coir fiber By using laboratory tests : Direct Shear Test and Unconfined Compression Test, with different contents of coir fiber : 0.0 %, 0.4 %, 0.8%, 1.2%, cement: 6%, 8%, 10%, 12%, the reseach figures out the optimum content of coir fiber and cement for the composite In addition, the author considers to apply this composite to road in Chau Thanh district – Ben Tre province

Tôi xin cam đoan các số liệu và kết luận đưa ra trong luận văn này được thực hiện theo phương pháp khoa học khách quan, không sao chép và có trích dẫn nguồn tài liệu đầy đủ Các thí nghiệm đều được thực hiện theo đúng tiêu chuẩn

Học viên

Trần Tất Thành

6 Giới hạn của đề tài 2

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ GIA CỐ ĐẤT YẾU BẰNG XI MĂNG VÀ SỢI 1.1 Tổng quan về gia cố đất yếu bằng sợi 3

1.2 Tổng quan về gia cố đất yếu bằng sợi kết hợp xi măng 6

1.3 Tổng quan về gia cố đất yếu bằng sợi xơ dừa 9

1.4 Tổng quan các phương pháp đưa sợi vào đất tại hiện trường 12

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐẤT TRỘN XI MĂNG – SỢI VÀ ỔN ĐỊNH TRƯỢT MÁI TALUY NỀN ĐƯỜNG 2.1 Cơ chế đóng rắn của xi măng trong đất 15

2.2 Tương tác giữa sợi và nền 15

2.2.1 Tương tác giữa sợi và nền đồng nhất không nứt 15

2.2.2 Tương tác giữa sợi và nền bị nứt 17

2.3 Phân tích ổn định mái taluy nền đường theo mặt trượt 18

2.3.2 Phương trình cân bằng mômen 20

2.3.3 Phương trình cân bằng lực 20

2.3.4 Phương trình cân bằng giới hạn tổng quát (GLE) 20

Chương 3 THÍ NGHIỆM MẪU ĐẤT TRỘN SỢI XƠ DỪA VÀ XI MĂNG TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM 3.1 Nguyên vật liệu dùng trong thí nghiệm 22

3.1.1 Đất dùng trong thí nghiệm 22

3.1.2 Xi măng dùng trong thí nghiệm 23

3.1.3 Xơ dừa dùng trong thí nghiệm 23

3.2 Thí nghiệm cắt trực tiếp (TCVN 4199-2012) 25

3.2.1 Mục đích thí nghiệm cắt trực tiếp 25

3.2.2 Thiết bị thí nghiệm cắt trực tiếp 25

3.2.3 Chế bị mẫu thí nghiệm cắt trực tiếp 26

3.2.4 Thực hiện thí nghiệm cắt trực tiếp 28

3.2.5 Kết quả thí nghiệm cắt trực tiếp 29

3.3 Thí nghiệm nén đơn (ASTM D2166) 35

3.3.1 Mục đích thí nghiệm nén đơn 35

3.3.2 Thiết bị thí nghiệm nén đơn 35

3.3.3 Chế bị mẫu thí nghiệm nén đơn 36

3.3.5 Kết quả thí nghiệm nén đơn 39

4.2 Giới thiệu công trình 51

4.2.1 Vị trí địa lý 51

4.2.2 Các thông số kỹ thuật của công trình 51

4.2.3 Số liệu địa chất 53

4.3 Tải trọng tác dụng lên nền đường (22TCN 262 – 2000) 55

4.4 Tính toán ổn định cho công trình đắp bằng đất tự nhiên 56

4.4.1 Phân tích bằng phần mềm SLOPE/W 56

4.4.2 Phân tích bằng phần mềm Plaxis 8.5 57

4.5 Tính toán ổn định cho công trình đắp bằng đất gia cường 59

4.5.2 Phân tích bằng phần mềm Plaxis 8.5 60

Kết luận và kiến nghị

A Kết luận 62 B Kiến nghị 62

Hình 1.1 : Quan hệ ứng suất và biến dạng của đất sét có và không có gia cường sợi

theo Nataraj, M.S, McManis 3 Hình 1.2 : Quan hệ ứng suất, biến dạng tại các độ ẩm khác nhau của mẫu đất cát có

gia cường 0.3% hàm lượng sợi theo Nataraj, M.S, McManis 4 Hình 1.3 : Quan hệ ứng suất, biến dạng của đất sét trộn với sợi nylon theo Kumar, S

và Tabor, E 4 Hình 1.4 : Kết quả thí nghiệm cắt trực tiếp với chiều dài sợi 10mm, áp lực 100kPa

trong thí nghiệm của Amin Chegenizadeh, Prof Hamid Nikraz 5 Hình 1.5 : Quan hệ ứng suất, biến dạng của đất gia cường bằng xi măng và sợi trong

thí nghiệm của Chaosheng Tang, Bin Shi, Wei Gao, Fengjun Chen 7 Hình 1.6 : Hiệu ứng “bắt cầu” của đất sét gia cố xi măng và sợi polypropylene trong

thí nghiệm của Chaosheng Tang, Bin Shi, Wei Gao, Fengjun Chen 7 Hình 1.7 : Biến dạng của mẫu đất trộn xi măng với chiều dài sợi 6mm và 12mm

theo Kim, Woo Sik•Jung, Du Hwoe•Cho, Il Muk 8 Hình 1.8 : Quan hệ ứng suất biến dạng của mẫu đất trộn xi măng với chiều dài sợi

6mm và 12mm theo Kim, Woo Sik•Jung, Du Hwoe•Cho, Il Muk 8 Hình 1.9 : Các loại xơ dừa dùng trong thí nghiệm của Rao, G V., Dutta, R K.,

Ujwala 9 Hình 1.10 : Cường độ nén của hỗn hợp đất sét pha cát trộn với sợi xơ dừa với hàm

lượng khác nhau theo Bryan Gaw and Sofia Zamora 10

Hình 1.12 : Quan hệ ứng suất, biến dạng của đất sét nhiễm mặn được gia cường với

xơ dừa với các chiều dài sợi khác nhau theo Bindu Sebastian 11

Hình 1.13 : Thiết bị phun sợi xử lý ổn định mái dốc 12

Hình 1.14 : Thiết bị rải sợi gia cố nền đường 13

Hình 1.15 : Đầm chân cừu trải hỗn hợp sợi 13

Hình 2.1 : Tương tác giữa sợi, nền không nứt 16

Hình 2.2 : Sợi và nền bám dính hoàn toàn (a), Sợi và nền bám dính một phần (b) 17 Hình 2.3 : Lực tác dụng lên phân tố đất trong trường hợp mặt trượt tròn 19

Hình 2.4 : Lực tác dụng lên phân tố đất trong trường hợp mặt trượt tổ hợp 19

Hình 2.5 : Lực tác dụng lên phân tố đất trong trường hợp mặt trượt gãy khúc 19

Hình 3 1 : Biểu đồ đường cong cấp phối hạt của đất thí nghiệm 22

Hình 3.2 : Xi măng PCB40 Holcim 23

Hình 3.3 : Cấu tạo của trái dừa 23

Hình 3.4 : Sản xuất sợi xơ dừa 24

Hình 3.5 : Nguyên lý thí nghiệm cắt trực tiếp 25

Hình 3.6 : Máy trộn, hộp cắt và máy cắt trực tiếp 25

Hình 3.7 : Cân đất, nước, xi măng, xơ dừa 27

Hình 3.8 : Trộn đất – nước – xi măng (a), Rải sợi xơ dừa (b) 27

Hình 3.10 : Hình dạng phá hoại mẫu cắt trực tiếp 30

Hình 3.11 : Biểu đồ quan hệ góc ma sát trong và hàm lượng xơ dừa, xi măng 31

Hình 3.12 : Biểu đồ quan hệ lực dính và hàm lượng xơ dừa, xi măng 32

Hình 3.13 : Biểu đồ quan hệ sức chống cắt theo hàm lượng xi măng – xơ dừa tại cấp áp lực 200 Kpa 33

Hình 3.14 : Biểu đồ quan hệ sức chống cắt theo hàm lượng xi măng – xơ dừa tại cấp áp lực 100 Kpa 33

Hình 3.15 : Biểu đồ quan hệ sức chống cắt theo hàm lượng xi măng – xơ dừa tại cấp áp lực 50 Kpa 34

Hình 3.16 : Thiết bị nén một trục ghi số liệu tự động tại phòng LAS – XD 498 35

Hình 3.17 : Khuôn tạo mẫu nén đơn 37

Hình 3.18 : Bảo dưỡng mẫu nén đơn 38

Hình 3.19 : Bọc lưu huỳnh mẫu nén đơn 39

Hình 3.20 : Một số hình dạng phá hoại điển hình của mẫu đất – xi măng – xơ dừa khi nén đơn 40

Hình 3.21 : Biểu đồ quan hệ giữa hàm lượng xi măng – xơ dừa và sức kháng nén đơn qu 42

Hình 3.22 : Biểu đồ quan hệ giữa hàm lượng xi măng – xơ dừa và module E50. 43

Hình 3.23 : Đất sấy khô được làm tơi và cho qua rây lỗ 5mm 46

Hình 3.24 : Mẫu đất gọt bằng mặt trong cối 47

Hình 3.26 : Đường cong đầm chặt mẫu đất – 12% xi măng 48

Hình 4.1 : Đường Lộ Bờ Mè khu vực huyện Châu Thành – tỉnh Bến Tre 50

Hình 4.2 : Vị trí địa lý huyện Châu Thành – tỉnh Bến Tre 51

Hình 4.3 : Mặt cắt ngang điển hình của nền đường 52

Hình 4.4 : Hình trụ hố khoan 54

Hình 4.5 : Sơ đồ xác định hoạt tải xe 55

Hình 4.6 : Mô hình bài toán đắp bằng đất tự nhiên trong Geo Slope 56

Hình 4.7 : Mô hình Plaxis khi đắp bằng đất tự nhiên 57

Hình 4.8 : Quan hệ giữa chiều cao đắp và hệ số ổn định trượt khi đắp bằng đất tự nhiên 58

Hình 4.9 : Mô hình bài toán đắp bằng đất được gia cường trong Geo Slope 59

Hình 4.10 : Mô hình Plaxis khi đắp bằng đất gia cường xi măng và sợi xơ dừa 60

Hình 4.11 : Biểu đồ quan hệ giữa chiều cao đắp và hệ số ổn định trượt khi đất được gia cường bằng xi măng và sợi xơ dừa 61

Bảng 1.1 : Kết quả thí nghiệm của Rao, G V., Dutta, R K., Ujwala 9

Bảng 3.1 : Các thông số cơ bản của loại đất dùng trong nghiên cứu 22

Bảng 3.2 : Thành phần hóa học của xơ dừa 24

Bảng 3.3 : Thống kê số lượng mẫu chế bị dùng cho thí nghiệm cắt trực tiếp 26

Bảng 3.4 : Bảng tổng hợp góc ma sát trong của hỗn hợp đất – xi măng – xơ dừa 29

Bảng 3.5 : Bảng tổng hợp lực dính của hỗn hợp đất – xi măng – xơ dừa (Kpa) 29

Bảng 3.6 : Bảng tổng hợp sức chống cắt tại cấp áp lực 200 Kpa 29

Bảng 3.7 : Bảng tổng hợp sức chống cắt tại cấp áp lực 100 Kpa 30

Bảng 3.8 : Bảng tổng hợp sức chống cắt tại cấp áp lực 50 Kpa 30

Bảng 3.9 : Thống kê số lượng mẫu chế bị dùng cho thí nghiệm nén đơn 36

Bảng 3.10 : Thông số nén đơn của mẫu đất tự nhiện 40

Bảng 3.11 : Bảng tổng hợp sức kháng nén đơn qu (kG/cm2) 40

Bảng 3.12 : Bảng tổng hợp module E50 (kPa) 41

Bảng 3.13 : Bảng tổng hợp biến dạng phá hoại  (%) 41

Bảng 3.14 : Bảng tổng hợp dung trọng của mẫu nén đơn γ (g/cm3) 41

Bảng 3.15 : Bảng tổng hợp độ ẩm của mẫu nén đơn W (%) 42

Bảng 4.1 : Bảng tổng hợp chỉ tiêu vật lý, cơ lý các lớp đất 53

Bảng 4.2 : Các trạng thái cân bằng theo các phương pháp phân tích khác nhau 56

Bảng 4.4 : Bảng tổng hợp hệ số ổn định trượt từ Geo Slope/W khi đắp đất đã gia

cường xi măng và sợi xơ dừa 59 Bảng 4.5 : Hệ số ổn định trượt của mái dốc đắp bằng đất gia cường theo Plaxis 60

A m Diện tích tiết diện ngang

tuyến

LAB m Chiều dài cung AB

trạng thái cân bằng giới hạn

đất đến tâm cung trượt

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề nghiên cứu

Tại các tỉnh Đồng bằng sông Cửu Long, nhiều công trình giao thông đường bộ được đắp bằng đất yếu tại chỗ, do tính chất cơ lý yếu, không đủ thời gian cố kết nên rất dễ bị trượt, lở do tải trọng của phương tiện giao thông, tải trọng bản thân, mưa lũ Từ lâu, dân ta đã biết thêm vào đất sét các loại rơm rạ, xơ sợi để làm vật liệu xây dựng và thời gian đã chứng minh được tính bền vững của loại vật liệu này Xơ dừa là một trong những loại xơ sợi tự nhiên tốt nhất được biết đến, với tính chất cơ lý dẻo dai và trọng

lượng riêng rất nhẹ Do đó, tác giả tiến hành : “Nghiên cứu sự ảnh hưởng của hàm

lượng xi măng và sợi xơ dừa đến sức chống cắt của đất yếu” với mong muốn chứng

minh xơ dừa có khả năng làm cho đất yếu tốt hơn từ đó có thể mở ra một khả năng mới sử dụng vật liệu xơ dừa của địa phương để cải tạo đất cho công trình nền đường, giải quyết đồng thời ba bài toán : kỹ thuật, kinh tế, môi trường

Bến tre là địa phương sản xuất dừa lớn nhất khu vực Đồng Bằng Sông Cửu Long Theo Niên Giám Thống Kê tỉnh Bến Tre, năm 2014 Bến Tre có 67.382 ha diện tích trồng dừa, sản lượng đạt 525,81 nghìn tấn (quả), vì vậy khi nhắc đến dừa thì Bến Tre là cái tên đầu tiên được nghĩ tới Mặt khác, đất ở Bến Tre chủ yếu là đất sét yếu không thuận lợi cho việc xây dựng công trình nhưng nhu cầu về hạ tầng giao thông thì không hề nhỏ Vì thế, nghiên cứu này được thực hiện hướng đến đối tượng là đất khu vực tỉnh Bến Tre và sợi xơ dừa Bến Tre

3 Phương pháp nghiên cứu

Dựa trên lý thuyết về cơ chế đóng rắn của xi măng trong đất, ứng xử của sợi trong nền và ổn định mái dốc theo mặt trượt Thực hiện các thí nghiệm trong phòng: nén đơn, cắt trực tiếp, đầm chặt với các hàm lượng xi măng và sợi xơ dừa khác nhau Dùng phần mềm Geo Slope/W - 2007 và Plaxis 8.5 để mô phỏng, tìm ra chiều cao đắp lớn nhất

4 Ý nghĩa khoa học

Đề tài khảo sát được một số đặc trưng cơ lý quan trọng của một loại vật liệu mới Cung cấp số liệu mang tính tham khảo cho các nghiên cứu về sợi trong đất Cung cấp số liệu cần thiết để thiết kế tại khu vực tỉnh Bến Tre

5 Giá trị thực tiễn

Cải tạo đất yếu tại chỗ đủ khả năng sử dụng làm vật liệu đắp Tiết kiệm chi phí khi xây dựng đường giao thông nông thôn Sử dụng vật liệu phế thải của địa phương qua đó nâng cao thu nhập của người nông dân, tránh ô nhiễm môi trường

6 Giới hạn của đề tài

Đề tài chỉ nghiên cứu cụ thể cho một loại đất yếu Đề tài chỉ nghiên cứu được phần cường độ, còn phần ứng xử của vật liệu này trong nền hỗn hợp (cố kết, tính thấm) thì chưa được đề cập

Các biến số trong bài toán thực nghiệm này còn hạn chế, ví dụ như : chiều dài sợi, cách sử lý sợi, các loại sợi xơ dừa khác nhau, công nghệ trộn…

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ GIA CỐ ĐẤT YẾU BẰNG XI MĂNG

VÀ SỢI

1.1 Tổng quan về gia cố đất yếu bằng sợi

Năm 1981 : Andersland, O B, Khattak, A.S (Michigan State University, USA) nghiên

cứu ảnh hưởng của vật liệu hữu cơ đến sức chống cắt của đất Thí nghiệm sử dụng sợi bã củ cải đường (pulp) hàm lượng 20% và đất kaolinite.[1]

Năm 1997 : Nataraj, M.S, McManis nghiên cứu về các đặc tính cường độ và biến dạng

của đất gia cố sợi trên đất sét và đất cát.[2]

Hình 1.1: Quan hệ ứng suất và biến dạng của đất sét có và không có gia cường sợi

theo Nataraj, M.S, McManis

Hình 1.2 : Quan hệ ứng suất, biến dạng tại các độ ẩm khác nhau của mẫu đất cát có

gia cường 0.3% hàm lượng sợi theo Nataraj, M.S, McManis

Năm 2003 : Kumar, S (Associate Professor, Department of Civil Engineering

độ của đất sét bùn trộn ngẫu nhiên với sợi nylon.[3]

Hình 1.3 : Quan hệ ứng suất, biến dạng của đất sét trộn với sợi nylon theo Kumar, S và

Tabor, E

Năm 2010 : Freilich, B J., Li, C., Zornberg (The University of Texas at Austin, USA)

nghiên cứu về cường độ kháng cắt hiệu quả của đất gia cố bằng sợi polypropylene với hàm lượng sợi là 0.5% so với trọng lượng đất khô và đường kính mẫu thí nghiệm là 7.1 cm, cao 14.2 cm.[4]

Năm 2012 : Amin Chegenizadeh, Prof Hamid Nikraz (Curtin University of

Technology, Australia) thí nghiệm : cắt trực tiếp và thí nghiệm CBR Vật liệu : sợi cọ,

đất cát pha sét Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng, chiều dài sợi đến sức chống cắt, chỉ số CBR Kết luận được khi tăng hàm lượng, chiều dài sợi thì : sức chống cắt tăng, tính dẻo tăng, CBR tăng, tỷ trọng khô giảm nhẹ và lý thuyết của Michalowski and Cermak phù hợp với kết quả thí nghiệm.[5]

Hình 1.4 : Kết quả thí nghiệm cắt trực tiếp với chiều dài sợi 10mm, áp lực 100kPa

trong thí nghiệm của Amin Chegenizadeh, Prof Hamid Nikraz

1.2 Tổng quan về gia cố đất yếu bằng sợi kết hợp xi măng

Năm 1987 : R Craig đã nghiên cứu ứng xử của đất - xi măng thêm sợi so sánh với đất

- xi măng không có sợi trong đất cát - pha sét về các chỉ tiêu cường độ chịu nén, chịu kéo, sức chống cắt, quan hệ ứng suất biến dạng, tính bền khi chịu chu kỳ khô ẩm Kết quả trong 4 loại sợi : thép thẳng, thép móc, polypropylene, sợi thủy tinh; sợi thủy tinh cho kết quả tốt nhất (tăng 140% cường độ chịu kéo).[6]

Năm 1998 : Nilo C Consoli (Assoc Prof., Dept of Civ Engrg., Fed Univ of Rio

Grande do Sul), Pedro D M Prietto (Assoc Prof., School of Engrg and Arch., Catholic Univ of Pelotas), Luciane A Ulbrich (Res Assist., Dept of Civ Engrg., Fed Univ of Rio Grande do Sul) (Brazil) nghiên cứu ảnh hưởng của sợi thủy tinh đến ứng

xử của đất gia cố xi măng Thí nghiệm dùng sợi có chiều dài 12.8 mm và dùng lượng sợi 0% - 3% trọng lượng đất, xi măng khô Kết quả cho thấy, sợi làm tăng cường độ dư, làm cho đất từ tính dòn chuyển sang tính dẻo [7]

Năm 2002 : Khaled Sodhan sử dụng đất á cát, xi măng portland từ 4 -12%, tro bay từ

4-10% trọng lượng khô của đất và sợi polyethylene cắt ra từ hộp sữa đã qua sử dụng với tỷ lệ 0.25 - 0.8% Mục tiêu của thí nghiệm là nhằm xác định hàm lượng sợi tối ưu cho hỗn hợp composite xi măng Kết quả cho thấy, sợi không làm tăng nhiều về cường độ, nhưng gia tăng rõ rệt về tính dẻo dai của vật liệu [8]

Năm 2006 : Chaosheng Tang, Bin Shi, Wei Gao, Fengjun Chen (Yi Cai Nanjing

University, China) nghiên cứu ứng xử về cường độ và các đặc tính cơ học của sợi

polypropylene dạng ngắn và xi măng khi trộn với đất sét [9]

Hình 1.5 : Quan hệ ứng suất, biến dạng của đất gia cường bằng xi măng và sợi trong

thí nghiệm của Chaosheng Tang, Bin Shi, Wei Gao, Fengjun Chen

Hình 1.6 : Hiệu ứng “bắt cầu” của đất sét gia cố xi măng và sợi polypropylene trong

thí nghiệm của Chaosheng Tang, Bin Shi, Wei Gao, Fengjun Chen

Năm 2012 : Kim, Woo Sik·Jung, Du Hwoe·Cho, Il Muk nghiên cứu gia cường đất

Thông qua thí nghiệm nén đơn, nhận thấy đất có gia cường bằng PVC module E50tăng, cường độ chịu nén tăng, phá hoại dẻo trong khi đó đất không được gia cường bằng PVC phá hoại dòn.[10]

Hình 1.7 : Biến dạng của mẫu đất trộn xi măng với chiều dài sợi 6mm và 12mm theo

Kim, Woo Sik·Jung, Du Hwoe·Cho, Il Muk

Hình 1.8 : Quan hệ ứng suất biến dạng của mẫu đất trộn xi măng với chiều dài sợi

6mm và 12mm theo Kim, Woo Sik·Jung, Du Hwoe·Cho, Il Muk

1.3 Tổng quan về gia cố đất yếu bằng sợi xơ dừa

Năm 2005 : Rao, G V (Professor, Department of Civil Engineering, Indian Institute

of Technology, New Delhi, Indian), Dutta, R K và Ujwala nghiên cứu về các đặc tính

cường độ của đất cát gia cố sợi xơ dừa và thảm xơ dừa Dùng thí nghiệm nén đơn nở hông, áp lực nén thay đổi từ 24.5 kPa đến 196 kPa, mẫu cao 200 mm, đường kính 100 mm Vật liệu : xơ dừa, thảm xơ dừa, đất cát [11]

Bảng 1.1 : Kết quả thí nghiệm của Rao, G V., Dutta, R K., Ujwala

Hình 1.9 : Các loại xơ dừa dùng trong thí nghiệm của Rao, G V., Dutta, R K., Ujwala

Năm 2008 : Babu, G L S và Vasudevan, A K (Indian) ứng xử về cường độ của đất

vùng nhiệt đới được gia cố sợi xơ dừa với hàm lượng sợi xơ dừa là 1-2% [12]

Năm 2008 : Ramesh, H.N.(Prof and Chairman, Dept of Civil Engineering, UVCE,

Bangalore, Indian), Manoj Krishna, Mamatha nghiên cứu về quá trình đầm nén và ứng

xử của loại đất đen vùng nhiệt đới khi xử lý bằng vôi, xơ dừa [13]

Năm 2010 : Bryan Gaw and Sofia Zamora (Worcester Polytechnic Institute, USA), đã

nghiên cứu lựa chọn hàm lượng sợi xơ dừa tối ưu để gia cường đất cát pha sét ở Rio de Janerio [14]

Hình 1.10 : Cường độ nén của hỗn hợp đất sét pha cát trộn với sợi xơ dừa với hàm

lượng khác nhau theo Bryan Gaw and Sofia Zamora

Năm 2011 : Dasaka, S M., Sumesh nghiên cứu ảnh hưởng của sợi xơ dừa đến ứng suất

và biến dạng của đất hạt mịn với hàm lượng xơ dừa từ 0 -2% trọng lượng đất khô và chiều dài xơ dừa trong nghiên cứu là 15 mm [15]

Hình 1.11 : Quan hệ ứng suất, biến dạng của đất sét nhiễm mặn được gia cường với xơ

dừa với các hàm lượng khác nhau theo Bindu Sebastian

Năm 2011 : Bindu Sebastian (Associate Professor, KMEA Engineering College,

Indian) nghiên cứu ảnh hưởng của sợi xơ dừa trên đất sét nhiễm mặn [16]

Hình 1.12 : Quan hệ ứng suất, biến dạng của đất sét nhiễm mặn được gia cường với xơ

dừa với các chiều dài sợi khác nhau theo Bindu Sebastian

Năm 2012 : Rakesh Kumar Dutta ((Associate Professor, Department of Civil

and V Gayathri, nghiên cứu ảnh hưởng của việc sử dụng hóa chất xử lý sợi xơ dừa trước khi trộn Thí nghiệm được tiến hành với loại đất sét Ấn Độ [17]

1.4 Tổng quan các phương pháp đưa sợi vào đất tại hiện trường

Hình 1.13 : Thiết bị phun sợi xử lý ổn định mái dốc

Hỗn hợp sợi có thể được phun lên mái dốc tương tự như phun vữa xi măng với tốc độ phun trung bình khoảng 20m/s

Ngoài ra, sợi cùng với hỗn hợp đất và xi măng có thể được trải ra bằng xe ủi lu, đầm chân cừu

Hình 1.14 : Thiết bị rải sợi gia cố nền đường

Hình 1.15 : Đầm chân cừu trải hỗn hợp sợi

Nhận xét :

1 Vấn đề gia cường đất yếu bằng sợi và xi măng bắt đầu được nghiên cứu từ những năm 1981 và liên tục đến nay với rất nhiều bài báo, công trình nghiên cứu khoa học, luận văn, chứng tỏ tiềm năng khai thác của đề tài này rất lớn 2 Các công trình nghiên cứu rải đều trên nhiều quốc gia với nhiều loại sợi khác

nhau nhưng nhìn chung các loại sợi được trộn vào đất đều là những loại sợi chịu kéo tốt

3 Hàm lượng sợi thích hợp tùy vào loại đất, phụ gia nhưng dao động trong khoảng 1% (theo khối lượng đất khô)

4 Nghiên cứu về sợi xơ dừa chủ yếu từ Brazil và Ấn Độ

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐẤT TRỘN XI MĂNG – SỢI

VÀ ỔN ĐỊNH TRƯỢT MÁI TALUY NỀN ĐƯỜNG

2.1 Cơ chế đóng rắn của xi măng trong đất

Các hợp chất trong xi măng Portland được biến thể khi có nước như sau:

4CaO.Al2O3.Fe2O3 + 10H2O + 2Ca (OH)2 = 6CaO.Al2O3.Fe2O3.12H2O (2.3)

Hai phản ứng (2.1) và (2.2), 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 và tobermorite gel, đóng vai trò quan trọng đến cường độ và thể tích 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 + H2O  C3S2Hx ( hydrated gel) + Ca(OH)2 (2.6)

Hình 2.1 : Tương tác giữa sợi, nền không nứt (a) Không tải, (b) Chịu kéo, (c) Chịu nén

Khi tác dụng tải trọng vào nền, một phần tải trọng truyển vào sợi dọc theo bề mặt tiếp xúc Do sự khác biệt độ cứng giữa sợi và nền ứng suất trượt sẽ xuất hiện dọc theo bề mặt sợi, ứng suất trượt này giúp truyền tải trọng vào sợi

Ứng suất đàn hồi truyền đi còn tồn tại trong vật liệu không nứt chừng nào mà sợi và nền còn trong vùng ứng suất đàn hồi của nền có thể biểu lộ tính phi tuyến không đàn hồi trước khi nứt

Phương trình toán học được phát triển cho cả ứng suất trượt tại bề mặt phân cách τ và ứng suất dọc theo sợi αf Những mô hình này dựa trên những giả thuyết đơn giản hóa bao gồm :

 Lực liên kết dính bám lí tưởng của sợi và nền

 Bề mặt tiếp xúc cực phẳng và tính chất giống như tính chất của nền

sắp xếp ở dạng có thể dự đoán được và không có sự tương tác giữa chúng với nhau

Sự phân bố ứng suất trượt τ(x) ở khoảng cách x từ đầu mút sợi có thể viết:

GxE

2.2.2 Tương tác giữa sợi và nền bị nứt [18]

Hình 2.2 : Sợi và nền bám dính hoàn toàn (a), Sợi và nền bám dính một phần (b)

Khi một vết nứt vi mô phát triển gặp một sợi bắt cầu qua vết nứt đó, sợi sẽ gánh chịu tải trọng , làm vết nứt không phát triển tiếp Nếu ứng suất do tải trọng ngoài tiếp tục tăng, một vết nứt vi mô trong vật liệu nền sẽ xuất hiện, sợi phân bố ở khu vực vết nứt đó lại tiếp tục ngăn chặn vết nứt mới này Cứ như thế sợi nằm phân tán đều trong vật liệu sẽ làm cho nền xuất hiện nhiều vết nứt vi mô tương ứng với tải trọng cao hơn giới hạn phá hoại của nền

2.3 Phân tích ổn định mái taluy nền đường theo mặt trượt

Mái taluy nền đường là một loại mái dốc, nên cơ sở lý thuyết để tính toán ổn định mái taluy nền đường tương tự như mái dốc

2.3.1 Phương trình cân bằng của khối đất trượt

Để lập phương trình cân bằng giới hạn của khối đất trượt dựa vào công thức nổi tiếng của A C Coulomb để xác định ứng suất cắt :

Phương trình cân bằng giới hạn được xác định dựa trên các giả thuyết : - Đất được xem như vật liệu tuân theo định luật : Morh – Coulomb - Hệ số ổn định như nhau cho tất cả các điểm trên mặt trượt

- Trạng thái cân bằng giới hạn chỉ xảy ra trên mặt trượt

Hình 2.3 : Lực tác dụng lên phân tố đất trong trường hợp mặt trượt tròn

Hình 2.4 : Lực tác dụng lên phân tố đất trong trường hợp mặt trượt tổ hợp

Hình 2.5 : Lực tác dụng lên phân tố đất trong trường hợp mặt trượt gãy khúc

Hình 2.3, hình 2.4, hình 2.5, thể hiện các hình dáng mặt trượt

2.3.2 Phương trình cân bằng mômen

Điều kiện cân bằng giới hạn về mômen là tổng mômen đối với tâm trượt bằng không

itruoti

MK

itruoti

FK

2.3.4 Phương trình cân bằng giới hạn tổng quát (GLE)

Trong thực tế, mặt trượt rất phức tạp, nếu để thỏa mãn điều kiện cân bằng mômen thì không thỏa mãn điều kiện cân bằng về lực hoặc ngược lại Do đó, các điều kiện cân bằng trên được kết hợp để giả quyết bài toán :

1 Tổng các lực theo phương đứng đối với phân tố đất được giả định để tìm lực pháp tuyến N tại đáy mặt trượt :

KN

tgc

K

 

3 Tổng mômen đối với một điểm chung cho tất cả các phân tố đất dùng để tính hệ số ổn định mômen Km

4 Tổng các lực theo phương ngang đối với tất cả các lát cắt dùng để tính hệ số ổn định Kf

Kết quả là hệ số ổn định chung K được tính trên các hệ số ổn định Km và Kf, tức là thỏa mãn cả điều kiện cân bằng lực và cân bằng mômen và được xem là hệ số ổn định hội tụ của phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát