Luận văn thạc sĩ Địa kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu sự gia tăng sức chống cắt không thoát nước của đất yếu khi gia cường hỗn hợp vôi và sợi xơ dừa

11Hình 1.7 : Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của đất gia cường sợi không có xi măng với các hàm lượng sợi khác nhau trong nghiên cứu của Chaosheng Tang , Bin Shi,wei Gao,Fengjun,Yi c

CMNGHIÊN

HOÁT NƯ

Chuyên ngàMã số

TRƯ

CỨU SỰƯỚC CỦ

ành: ĐỊA K : 60.58

LU

TP.

ƯỜNG ĐẠ -

NGUYỄ

Ự GIA TĂỦA ĐẤT

VÔI VÀ

KỸ THUẬT.02.11

UẬN V

HỒ CHÍ M

ẠI HỌC B -

N THỊ LA

ĂNG SỨYẾU KHÀ SỢI XƠ

T XÂY DỰ

VĂN T

MINH, thán

BÁCH KH -

AN ANH

ỨC CHỐNHI GIA C

SĨ

015

T KHÔNGHỖN HỢ

G ỢP

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS TS Võ Phán Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS Lê Anh Tuấn Cán bộ chấm nhận xét 2 : GS.TSKH Nguyễn Văn Thơ 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 GS.TSKH Nguyễn Văn Thơ

2 PGS TS Lê Bá Vinh 3 TS Lê Anh Tuấn 4 TS Phạm Văn Hùng 5 TS Trương Quang Hùng 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)

- -

Tp.HCM, ngày 08 tháng 01 năm 2016

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

giữa các vật liệu trong hỗn hợp đất trộn vôi – sợi xơ dừa Chương 3: Thí nghiệm mẫu đất trộn vôi và sợi xơ dừa trong phòng thí nghiệm Chương 4: Ứng dụng tính toán ổn định cho nền đất đắp trước và sau khi xử lý

bằng giải pháp gia cường vôi và sợi xơ dừa Kết luận và kiến nghị

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06/07/2015 III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 04/12/2015 IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS VÕ PHÁN

Tp HCM, ngày 08 tháng 01 năm 2016

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

PSG.TS NGUYỄN MINH TÂM

Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, người thân, bạn bè và các anh chị em đồng nghiệp đã quan tâm, giúp đỡ và cổ vũ học viên trong thời gian qua

Xin cảm ơn các Thầy, Cô của bộ môn Địa cơ Nền móng – khoa Kỹ Thuật Xây Dựng – trường Đại học Bách Khoa đã truyền đạt kiến thức cho học viên, giúp học viên có những kiến thức căn bản phục vụ cho việc học tập, nghiên cứu, đồng thời đã tạo điều kiện cho học viên thực hiện các thí nghiệm phục vụ cho hướng nghiên cứu của đề tài

Sau cùng, học viên xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy PGS.TS Võ Phán đã ân cần hướng dẫn và giúp học viên có những định hướng tốt cho luận văn Với sự chỉ bảo tận tình, Thầy đã dạy dỗ và trang bị cho học viên rất nhiều kiến thức không chỉ trong phạm vi luận văn mà cả trong phương pháp nghiên cứu và cách thức làm việc sau này

Xin kính chúc sức khỏe các Thầy Cô

Học viên

Nguyễn Thị Lan Anh

Luận văn nghiên cứu khả năng cải tạo đất sét yếu khu vực tỉnh Bến Tre bằng vôi và sợi xơ dừa Mục tiêu là nhằm tận dụng nguồn nguyên liệu sợi xơ dừa ở địa phương và làm tăng sức chống cắt không thoát nước của đất sét yếu Sử dụng các thí nghiệm: cắt trực tiếp, nén 1 trục nở hông để xác định hàm lượng vôi - sợi xơ dừa thích hợp Các hàm lượng xơ dừa được xét đến : 0%, 0.4%, 0.8%, 1.2%, các hàm lượng vôi được xét đến : 6%, 8%, 10%, 12%, xơ dừa cắt nhỏ thành từng đoạn 2cm Đồng thời tác giả ứng dụng hỗn hợp vật liệu này vào đắp đường tại huyện Mỏ Cày – tỉnh Bến Tre

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

lime and coir fiber The purpose is to use local fiber materials increase the un-drained shear strength of soft soil clay 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%, lime: 6%, 8%, 10%, 12% and coir fiber length is 20cm, the reseach figures out the optimum content of coir fiber and lime for the composite In addition, the author considers to apply this composite to road in Mo Cay district – Ben Tre province

dung đã đặt ra Thực hiện đúng theo các tiêu chuẩn thí nghiệm cũng như thao tác đúng các bước cần thiết Nội dung luận văn trình bày đầy đủ các nội dung yêu cầu

 

Chương 1

Hình 1.1 : Góc ma sát ’ ứng với hàm lượng sợi hữu cơ trong thí nghiệm của

Andersland, O B, Khattak, A.S 8Hình 1.2 : Quan hệ ứng suất và biến dạng của đất sét có và không có gia cường sợi

theo Nataraj, M.S, McManis 9Hình 1.3 : 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 9Hình 1.4 : Ứng suất lệch, biến dạng thể tích tương quan với biến dạng dọc trục ứng

với chiều dài sợi khác nhau trong thí nghiệm của Feuerharmel, M.R 10Hình 1.5 : Quan hệ ứng suất, biến dạng của đất sét trộn với sợi nylon theo Kumar,

S và Tabor, E 11Hình 1.6 : Sợi polypropylene dùng trong nghiên cứu của Chaosheng Tang , Bin

Shi,wei Gao,Fengjun,Yi cai 11Hình 1.7 : Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của đất gia cường sợi không có xi

măng với các hàm lượng sợi khác nhau trong nghiên cứu của Chaosheng Tang , Bin Shi,wei Gao,Fengjun,Yi cai 12Hình 1.8 : Hình dạng phá hủy của mẫu đất gia cường sợi polypropylene trong

nghiên cứu củaChaosheng Tang , Bin Shi,wei Gao,Fengjun,Yi cai 12Hình 1.9 : Hình dạng phá hủy của mẫu (a) mẫu đất có gia cường sợi (b) mẫu đất

không có gia cường sợi 13Hình 1.10 : Kết quả thí nghiệm cắt trực tiếp với chiều dài sợi 10mm, áp lực 100kPa

trong thí nghiệm của Amin Chegenizadeh, Prof Hamid Nikraz 14Hình 1.11 : Các loại xơ dừa dùng trong thí nghiệm của Rao, G V., Dutta, R K.,

Ujwala 15Hình 1.12 : 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 16Hình 1.13 : Cường độ nén của hỗn hợp đất sét pha cát trộn với sợi xơ dừa với chiều

dài sợi khác nhau theo Bryan Gaw and Sofia Zamora 16Hình 1.14 : 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 17

Hình 1.16 : Thiết bị phun hỗn hợp cát và sợi xử lý ổn định mái dốc 18

Hình 1.17 : Mái dốc sau khi gia cố dọc theo một xa lộ ở châu Âu 18

Hình 1.18 : Thi công rải sợi gia cố vào nền ở hiện trường 19

Hình 1.19 : Máy đầm nén và nhào trộn đưa sợi vào nền ở hiện trường 19

Hình 1.20 : Gia cố sợi cho đoạn đường bị sạt lở 20

Hình 1.21 : Mái dốc sau khi gia cố 20

Chương 2 Hình 2.1 : Cung trượt phân tích theo ứng suất tổng (φu=0) 22

Hình 2.2 : Ảnh hưởng của khe nứt căng trong phân tích ứng suất tổng 22

Hình 2.3 : Phương pháp phân mảnh 23

Hình 2.4 : Xét tác dụng của hoạt tải 26

Hình 2.5 : Phân tích ổn định theo phương pháp A.W.BISHOP 27

Hình 2.6 : Các lực tác dụng lên điểm M trong nền đất 29

Hình 2.7 : Vòng tròn Mohr và đường bao sức chống cắt 30

Hình 2.8 : Vòng tròn Mohr của đất rời 31

Hình 2.9 : Vòng tròn Mohr của đất dính 31

Hình 2.10 : Tương tác giữa sợi, nền không nứt 35

Hình 2.11 : Sợi và nền bám dính hoàn toàn (a), Sợi và nền bám dính một phần (b) 36

Chương 3 Hình 3.1 : Lấy đất tại hiện trường 38

Hình 3.2 : Vôi trong hỗn hợp đất trộn vôi – sợi xơ dừa 39

Hình 3.3 : Sợi xơ dừa Bến Tre 40

Hình 3.4 : Xử lý sợi xơ dừa bằng dung dịch NaOH 3% 41

Hình 3 5 : Nước dùng trong thí nghiệm 42

Hình 3 6 : Máy rộn (bộ môn Địa Cơ Nền Móng ĐH BK TP.HCM) 43

Hình 3.7 : Chuẩn bị các nguyên vật liệu trộn 44

Hình 3.10 : Dao vòng tạo mẫu cho thí nghiệm cắt trực tiếp 45

Hình 3.11 : (a) Cho đất vào khuôn; (b) Bảo dưỡng mẫu cắt trực tiếp 46

Hình 3.12 : Bảo dưỡng mẫu nén đơn 46

Hình 3.13 : Các bộ phận trong hộp cắt 47

Hình 3.14: Máy cắt trực tiếp 47

Hình 3.15 : Hình dạng phá hoại mẫu cắt trực tiếp 49

Hình 3.16 : Biểu đồ quan hệ giữa góc ma sát trong và hàm lượng vôi, xơ dừa 50

Hình 3.17 : Biểu đồ quan hệ giữa lực dính c và hàm lượng vôi, xơ dừa 52

Hình 3.18 : Biểu đồ quan hệ sức chống cắt theo hàm lượng vôi – xơ dừa tại cấp áp lực 200 kPa 54

Hình 3.19 : Biểu đồ quan hệ sức chống cắt theo hàm lượng vôi – xơ dừa tại cấp áp lực 100 kPa 54

Hình 3.20 : Biểu đồ quan hệ sức chống cắt theo hàm lượng vôi – xơ dừa tại cấp áp lực 50 kPa 55

Hình 3.21 : Thiết bị nén một trục ghi số liệu tự động tại phòng LAS – XD 498 56

Hình 3.22 : Bọc lưu huỳnh mẫu nén đơn 58

Hình 3.23 : Một số hình dạng phá hoại điển hình của mẫu đất – vôi – xơ dừa khi nén đơn 59

Hình 3.24 : Biểu đồ quan hệ giữa hàm lượng vôi – xơ dừa và cường độ chịu nén qu 60

Hình 3.25 : Biểu đồ quan hệ giữa hàm lượng vôi – xơ dừa và module E50 61

Chương 4 Hình 4.1 : Hình ảnh một số công trình thực tế tại địa phương 65

Hình 4.2 : Hình ảnh vị trí công trình 65

Hình 4.3 : Mặt cắt địa chất tại tại tuyến đường tỉnh Bến Tre 66

Hình 4.4 : Mặt cắt xử lý nền đường 68

Hình 4.5 : Sơ đồ xác định hoạt tải xe 69

Hình 4.6 : Hệ số an toàn khi đắp H = 2.5m (Geo Slope/W) 70

nhiên 72Hình 4.9 : Hệ số an toàn khi đắp H = 5.5m (Geo Slope/W) 73Hình 4.10 : Hệ số an toàn khi đắp H = 5.5m (Plaxis) 75Hình 4.11 : Quan hệ giữa chiều cao đắp và hệ số ổn định trượt khi đắp bằng đất

được gia cường vôi và sợi xơ dừa 76

DANH MỤC BẢNG

Chương 1

Bảng 1.1 : Kết quả thí nghiệm của Rao, G V., Dutta, R K., Ujwala 15

Chương 2 Chương 3 Bảng 3.1 : Các thông số cơ lý của loại đất dùng trong thí nghiệm 39

Bảng 3.2 : Thành phần của vôi trong thí nghiệm (theo nhà sản xuất) 39

Bảng 3.3 : Thành phần hóa học của xơ dừa 41

Bảng 3.4 : Tỷ lệ hàm lượng các vật liệu dùng cho thí nghiệm 42

Bảng 3.5 : Thống kê số lượng mẫu chế bị dùng cho thí nghiệm cắt trực tiếp 48

Bảng 3.6 : Bảng tổng hợp góc ma sát trong  của hỗn hợp đất – vôi – xơ dừa 50

Bảng 3.7 : Bảng tổng hợp lực dính c của hốn hợp đất – vôi – xơ dừa (kPa) 51

Bảng 3.8 : Bảng tổng hợp sức chống cắt tại cấp áp lực 200 kPa 52

Bảng 3.9 : Bảng tổng hợp sức chống cắt tại cấp áp lực 100 kPa 53

Bảng 3.10 : Bảng tổng hợp sức chống cắt tại cấp áp lực 50 kPa 53

Bảng 3.11 : Thống kê số lượng mẫu chế bị dùng cho thí nghiệm nén đơn 56

Bảng 3.12 : Thông số cơ lý của mẫu đất tự nhiên 58

Bảng 3.13 : Bảng tổng hợp cường độ chịu nén qu (kG/cm2) 59

Bảng 3.14 : Bảng tổng hợp module E50 (kPa) 61

Bảng 3.15 : Bảng tổng hợp biến dạng phá hoại  (%) 62

Bảng 3.16 : Bảng tổng hợp dung trọng của mẫu nén đơn γ (g/cm3) 62

Bảng 3.17 : Bảng tổng hợp độ ẩm của mẫu nén đơn W (%) 62

Chương 4 Bảng 4.1 : Bảng tổng hợp chỉ tiêu cơ lý các lớp đất 67

Bảng 4.2 : Bảng tổng hợp hệ số ổn định trượt từ Geo Slope/W khi đắp đất tự nhiên 70

Bảng 4.3 : Bảng tổng hợp hệ số ổn định trượt từ Plaxis khi đắp đất tự nhiên 72

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

cường vôi và sợi xơ dừa 74Bảng 4.5 : Hệ số ổn định trượt của mái dốc đắp bằng đất gia cường theo Plaxis 75

γđn kN/m3 Dung trọng đẩy nổi của đất γbh kN/m3 Dung trọng bão hòa của đất γn kN/m3 Dung trọng của nước

γd kN/m Trọng lượng thể tích khô γw kN/m3 Trọnglượng thể tích của đất ẩm

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 4

1.ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4

2.MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 5

3.PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 5

4.Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI 5

5.GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 5

6.PHẠM VI GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 6

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG GIẢI PHÁP VÔI TRỘN XƠ DỪA 7

1.1.Tổng quan xử lý nền đất yếu bằng phương pháp gia cố vôi 7

1.2.Tổng quan về gia cố đất yếu bằng sợi 8

1.3.Tổng quan về gia cố đất yếu bằng sợi xơ dừa 14

1.4.Các phương pháp gia cố sợi vào đất tại hiện trường 18

CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ỔN ĐỊNH TRƯỢT TRONG NỀN ĐẮP ĐƯỜNG VÀ TƯƠNG TÁC GIỮA CÁC VẬT LIỆU TRONG HỖN HỢP ĐẤT TRỘN VÔI – SỢI XƠ DỪA 21

2.1.Cơ sở lý thuyết của ổn định mái dốc 21

2.1.1.Ổn định không thoát nước của mái dốc 21

2.1.2.Phương pháp mặt trượt trụ tròn W.FELLENIUS 23

2.1.3.Phương pháp mặt trượt trụ tròn A.W.BISHOP 27

2.2.Sức chống cắt không thoát nước của hỗn hợp đất trộn vôi - sợi xơ dừa

28

2.2.1.Tổng quan sức chống cắt của đất 28

2.2.2.Sức chống cắt của hỗn hợp đất gia cố vôi và sợi xơ dừa 32

2.3.Cơ chế hình thành cường độ khi gia cố đất với vôi 32

2.4.Tương tác giữa sợi và nền 34

2.4.1.Tương tác giữa sợi và nền đồng nhất không nứt 34

2.4.2.Tương tác giữa sợi và nền bị nứt 36

CHƯƠNG 3 : THÍ NGHIỆM MẪU ĐẤT TRỘN VÔI VÀ SỢI XƠ DỪA

3.2.1.2.Vôi dùng trong thí nghiệm 39

3.2.1.3.Xơ dừa dùng trong thí nghiệm 40

3.2.2.Nước dùng trong thí nghiệm 42

3.2.3.Hàm lượng trộn các nguyên vật liệu 42

3.4.4.Thực hiện thí nghiệm cắt trực tiếp 49

3.4.5.Kết quả thí nghiệm cắt trực tiếp 49

3.4.5.1.Góc ma sát trong của hỗn hợp đất trộn vôi và sợi xơ dừa 50

3.4.5.2.Lực dính của hỗn hợp đất trộn vôi và sợi xơ dừa 51

3.4.5.3.Sức chống cắt của hỗn hợp đất trộn vôi và sợi xơ dừa 52

3.5.Thí nghiệm nén đơn (ASTM D2166) 55

3.5.1.Mục đích thí nghiệm nén đơn 55

3.5.2.Thiết bị thí nghiệm nén đơn 56

3.5.3.Tổ hợp mẫu thí nghiệm nén đơn 56

3.5.4.Thực hiện thí nghiệm nén đơn 57

3.5.5.Kết quả thí nghiệm nén đơn 58

3.5.5.1.Cường độ chịu nén qu của hỗn hợp đất trộn vôi và sợi xơ dừa 59

3.5.5.2.Module E50 của hỗn hợp đất trộn vôi và sợi xơ dừa 61

3.5.5.3.Biến dạng phá hoại, dung trọng và độ ẩm của hỗn hợp đất trộn vôi

và sợi xơ dừa 62

KẾT LUẬN CHƯƠNG 63

CHƯƠNG 4 : ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CHO NỀN ĐẤT ĐẮP TRƯỚC VÀ SAU KHI XỬ LÝ BẰNG GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG VÔI VÀ SỢI XƠ DỪA 64

4.1.Ứng dụng thực tế của giải pháp gia cố nền đất đắp bằng vôi - sợi xơ dừa 64

MỞ ĐẦU

Hiện nay cùng với sự phát triển kinh tế của đất nước, nhu cầu phát triển về cơ sở hạ tầng rất lớn và cấp thiết, đặc biệt là nhu cầu phát triển hạ tầng giao thông Đối với khu vực đồng bằng Sông Cửu Long, ở các tỉnh miền Tây Nam bộ, vì điều kiện kinh tế còn khó khăn, tại các vùng nông thôn các tuyến đường thường được đắp từ nguồn vật liệu là đất yếu tại chỗ Do không đủ thời gian cố kết nên lớp đất đắp nền này rất dễ bị trượt, lở do tải trọng bản thân, hoạt tải xe, mưa lũ…

Trên cơ sở thực tế đó, tác giả muốn đưa ra một giải pháp nhằm nâng cao, cải tạo chất lượng đường giao thông nông thôn qua việc xử lý gia cường đất đắp bằng các vật liệu có giá thành rẻ và sẵn có tại địa phương với mục tiêu giải quyết được cả bài toán về kinh tế và kỹ thuật

Với đề tài “Nghiên cứu sự gia tăng sức chống cắt không thoát nước của đất yếu khi gia cường hỗn hợp vôi và sợi xơ dừa”, mục tiêu tác giả muốn hướng đến là tận dụng nguồn nguyên liệu xơ dừa phong phú, dồi dào và có giá thành rẻ tại Bến Tre – là nơi đất yếu nhiều, kết hợp với vôi - cũng là một loại vật liệu có chi phí thấp, để gia cố cho những đoạn đường đất đắp ở các vùng nông thôn nơi đây

Bến Tre là địa phương có sản lượng dừa lớn nhất khu vực đồng bằng Sông Cửu Long Trái dừa được xem như loại quả “kỳ diệu”, có gần như toàn bộ chất dinh dưỡng cần thiết cho cơ thể Nước dừa giàu chất khoáng, làm đẹp da, đen mượt tóc Nhân dừa non chứa nhiều enzym Than hoạt tính được làm từ gáo dừa có tác dụng tẩy màu, khử mùi, lọc các chất lỏng khí Cơm dừa nạo sấy dùng chế biến thực

phẩm, không chứa hàm lượng cholesterol Và sợi xơ dừa – một phần của trái dừa,

ngoài rất nhiều công dụng như: là nguyên liệu sản xuất các loại nệm ngủ, vật liệu trang trí nội thất…thì sợi xơ dừa – với tính chất cơ lý dẻo dai và trọng lượng riêng rất nhẹ, còn có khả năng cải tạo đất yếu và là một trong những vật liệu thân thiện với môi trường

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

 Xác định hàm lượng vôi và sợi xơ dừa thích hợp để cải tạo đất yếu cho công trình đất đắp nền đường

 Tính toán, kiểm tra ổn định trượt cho công trình đất đắp, xác định chiều cao đắp tối đa cho công trình đường khi xử lý bằng giải pháp đất trộn vôi và sợi xơ dừa

công trình đắp bằng đất được cường vôi - sợi xơ dừa

 Đề tài khảo sát được đặc trưng cơ lý của hỗn hợp vật liệu mới dùng để đắp nền đường

 Thông qua các kết quả thí nghiệm đánh giá được sự gia tăng cường độ của hỗn hợp vật liệu mới ứng với loại đất cụ thể

 Đánh giá được phần nào ứng xử của sợi trong đất

 Từ các kết quả tính toán đánh giá được khả năng ứng dụng của vật liệu đắp này ở khu vực tỉnh Bến Tre và các khu vực có điều kiện địa chất tương tự

 Đưa ra một giải pháp xử lý công trình đắp trên nền đất yếu mang lại hiệu quả và giá trị kinh tế, tiết kiệm chi phí cho nhà đầu tư

 Tận dụng được nguồn nguyên liệu sẵn có của địa phương để xử lý gia cố nền đất đắp

 Đề tài nghiên cứu cụ thể cho một loại đất yếu

 Nghiên cứu thí nghiệm với tỉ lệ % hàm lượng vôi và sợi xơ dừa còn hạn chế

 Đề tài chủ yếu tập trung nghiên cứu về cường độ của đất yếu sau khi gia cố hỗn hợp vôi – sợi xơ dừa, còn phần ứng xử của vật liệu này trong nền hỗn hợp (cố kết, tính thấm) thì chưa được đề cập

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG GIẢI PHÁP

VÔI TRỘN XƠ DỪA

1.1 Tổng quan xử lý nền đất yếu bằng phương pháp gia cố vôi

Từ thời cổ La mã, con người đã biết sử dụng vôi để làm đường Con người đã dùng vôi trộn với đất sét nhằm tăng cường độ và giảm khả năng tan rã của đất sét Đất gia cố vôi đã được biết đến từ lâu nhưng việc nghiên cứu kỹ lưỡng và có hệ thống về nó mới chỉ vài chục năm trở lại đây

Từ những năm 1925, ở Liên Xô đã dùng vôi để cải tạo tính chất của đất phục vụ xây dựng đường giao thông, thủy lợi, các công trình nhà, …

Năm 1959 vôi được sử dụng để xử lý nền đường cao tốc ở Bang Texas, Hoa Kỳ Kết quả nghiên cứu của các tác giả như M.M Filatov, V.V Okhontin, E.G Boricova… cho thấy khi gia cố đất bằng vôi các quá trình hình thành cấu trúc thứ sinh đã làm biến đổi cơ bản tính chất của đất, khiến cho đất có thể chịu lực và ổn định hơn so với đất không gia cố Quá trình hình thành cường độ của đất gia cố vôi diễn ra trong khoảng thời gian dài, là tổng hợp các quá trình lý hóa

Các kết quả nghiên cứu tiến hành ở viện nghiên cứu khoa học đường bộ Liên Xô, ở Pháp, Mỹ, … đã chỉ ra rằng: nếu đất cát và á cát trong khi gia cố với vôi được bổ sung thêm các thành phần phụ gia khác (các loại tro bay hay các chất điện phân) thì có thể cho cường độ cao hơn Kết quả này cho phép mở rộng diện gia cố vôi với nhiều loại đất khác nhau Sự tương tác giữa vôi với các hạt sét mịn phân tán hoặc tro bay sẽ làm cho vôi từ chỗ là chất kết dính biến cứng trong không khí trở thành kết dính biến cứng được trong nước và chỉ biến cứng mạnh trong điều kiện ẩm Người ta có thể sử dụng vôi như chất liên kết độc lập hoặc có thể dùng kết hợp với các phụ gia cũng các chất kết dính khác Cũng có trường hợp vôi được dùng như chất phụ gia cho chất kết dính khác như bitum, xi măng… Ở Mỹ, cũng có nhiều kinh nghiệm trong sử dụng vôi vào việc gia cố đất Khi gia cố đất bằng bitum lỏng, nếu cho vôi làm phụ gia thì sẽ tăng cường khả năng kết dính và tăng nhanh quá

trình polime hóa bitum trên bề mặt hạt đất Những nghiên cứu của các nhà khoa học ở các nước khác nhau đã chứng tỏ rằng: vôi có tác dụng làm giảm hẳn hoặc mất tính dẻo của hầu hết các loại đất

1.2 Tổng quan về gia cố đất yếu bằng sợi

Công nghệ sử dụng vật liệu gia cường để trộn vào đất nhằm tăng cường độ kháng cắt cũng như khả năng chịu tải của đất nền đã được nghiên cứu và ứng dụng ở nhiều nước trên thế giới

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]

Andersland, O B, Khattak, A.S

Năm 1990: Maher, M.H., and Gray, D.H đã có nghiên cứu về ổn định của nền cát

được gia cố bằng sợi phân tán một cách ngẫu nhiên [2]

Năm 1995: Al-Wahab, R.M và El-Kedrah đã có những nghiên cứu về việc sử dụng

sợi để giảm sự nứt do kéo, sự co ngót và trương nở [3]

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 [4]

Hình 1.2 : Quan hệ ứng suất và biến dạng của đất sét có và không có gia cường sợi

theo Nataraj, M.S, McManis

Hình 1.3 : 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 1998: Zeigler, S., Leshchinsky, H I L và Perry đã nghiên cứu về ảnh

hưởng của sợi polyme dạng ngắn đến sự phát triển vết nứt của đất sét [5]

Năm 1999: Gregory, G.H đã đưa ra lý thuyết về sức kháng cắt của mô hình đất trộn với sợi tổng hợp [6]

Năm 2000: Feuerharmel, M.R (Diss MSc Dissertation, Federal Univ of Rio

việc gia cường đất [7]

Hình 1.4 : Ứng suất lệch, biến dạng thể tích tương quan với biến dạng dọc trục ứng

với chiều dài sợi khác nhau trong thí nghiệm của Feuerharmel, M.R

Năm 2003: Kumar, S (Associate Professor, Department of Civil Engineering Southern Illinois University-Carbondale), Tabor, E., nghiên cứu các đặc tính cường độ của đất sét bùn trộn ngẫu nhiên với sợi nylon [8]

Hình 1.5 : Quan hệ ứng suất, biến dạng của đất sét trộn với sợi nylon theo Kumar,

S và Tabor, E

Năm 2006: Ở Trung Quốc, những nghiên cứu về sợi gia cường cho đất yếu cũng

đã được tiến hành bởi Chaosheng Tang , Bin Shi,wei Gao,Fengjun,Yi cai Tập trung vào 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 1.6 : Sợi polypropylene dùng trong nghiên cứu của Chaosheng Tang , Bin

Shi,wei Gao,Fengjun,Yi cai

Hình 1.7 : Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của đất gia cường sợi không có xi măng với các hàm lượng sợi khác nhau trong nghiên cứu của Chaosheng Tang ,

Bin Shi,wei Gao,Fengjun,Yi cai

Hình 1.8 : Hình dạng phá hủy của mẫu đất gia cường sợi polypropylene trong nghiên cứu củaChaosheng Tang , Bin Shi,wei Gao,Fengjun,Yi cai

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 [10]

Hình 1.9 : Hình dạng phá hủy của mẫu (a) mẫu đất có gia cường sợi (b) mẫu đất

không có gia cường sợi

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 [11]

Hình 1.10 : Kết quả thí nghiệm cắt trực tiếp với chiều dài sợi 10mm, áp lực 100kPa

trong thí nghiệm của Amin Chegenizadeh, Prof Hamid Nikraz

1.3 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 tích 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 [12]

Hình 1.11 : Các loại xơ dừa dùng trong thí nghiệm của Rao, G V., Dutta, R K.,

Ujwala Bảng 1.1 : Kết quả 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 và độ

cứng của đất vùng nhiệt đới được gia cố sợi xơ dừa với hàm lượng sợi xơ dừa từ 1% - 2% [13]

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 [14]

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 [15]

Hình 1.12 : 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

Hình 1.13 : Cường độ nén của hỗn hợp đất sét pha cát trộn với sợi xơ dừa với chiều

dài sợi 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 [16]

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

Indian) nghiên cứu ảnh hưởng của sợi xơ dừa trên đất sét nhiễm mặn [17]

Hình 1.14 : 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

Hình 1.15 : 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

1.4 Các phương pháp gia cố sợi vào đất tại hiện trường

Công nghệ gia cường sợi cho đất yếu đã khá phát triển ở các nước trên thế giới Việc sử dụng sợi gia cường cho đất yếu sẽ làm tăng khả năng ổn định cho nền đất cũng như mái dốc của công trình

Hỗn hợp cát và sợi có thể được phun lên mái dốc của công trình cần xử lý tương tự như hình thức phun bê tông ,tốc độ phun trung bình khoảng 20 m/s

Hình 1.16 : Thiết bị phun hỗn hợp cát và sợi xử lý ổn định mái dốc

Hình 1.17 : Mái dốc sau khi gia cố dọc theo một xa lộ ở châu Âu

Trong việc gia cố nền đường thì các loại sợi địa kỹ thuật cũng được trộn vào đất nền với hàm lượng 0.1% - 0.4% để tăng cường độ và giảm độ ẩm tối ưu khi đầm nén

Hình 1.18 : Thi công rải sợi gia cố vào nền ở hiện trường

Hình 1.19 : Máy đầm nén và nhào trộn đưa sợi vào nền ở hiện trường

Công nghệ trộn sợi gia cố còn được sử dụng để sửa chữa mái dốc của các đoạn đường bị sạt lở

Hình 1.20 : Gia cố sợi cho đoạn đường bị sạt lở

Hình 1.21 : Mái dốc sau khi gia cố

Nhận xét :

1 Việc gia cường đất yếu bằng sợi đã được nghiên cứu và ứng dụng ở nhiều quốc gia với nhiều loại sợi khác nhau và các loại sợi này đều là những loại sợi chịu kéo tốt Trên thế giới cũng đã có nhiều công trình nghiên cứu về sợi xơ dừa trên nhiều loại đất với tính chất cơ lý khác nhau

2 Phương pháp gia cố đất bằng vôi để xử lý nền đường, cải tạo tính chất của đất phục vụ xây dựng đường giao thông khá phổ biến trên thế giới

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ỔN ĐỊNH TRƯỢT TRONG NỀN ĐẮP

ĐƯỜNG VÀ TƯƠNG TÁC GIỮA CÁC VẬT LIỆU TRONG

HỖN HỢP ĐẤT TRỘN VÔI – SỢI XƠ DỪA

2.1 Cơ sở lý thuyết của ổn định mái dốc

2.1.1 Ổn định không thoát nước của mái dốc

Để phân tích ổn định không thoát nước ta có thể phân tích thông qua ứng suất tổng υu = 0 Trường hợp này có thể dùng cho trường hợp mái dốc mới đắp hay mới đào trong đất sét hoàn toàn bão hòa Vì υu = 0 nên độ bền chống cắt không thoát nước τu = cu

Giả thuyết mặt cắt của mặt phá hoại có dạng cung tròn và thường được xem là cung trượt Tâm của cung trượt giới hạn ở một nơi nào đó bên trên đỉnh mái dốc Cung trượt giới hạn là một trong số vô hạn cung khả dĩ vẽ được bán kính và tâm khác nhau Một số cung sẽ đi qua chân mái dốc và một số khác sẽ cắt mặt đất ở phía trước chân mái dốc

Cung giới hạn là một cung mà dọc theo nó phá hoại dễ xảy ra nhất và có hệ số an toàn thấp nhất Chọn một số cung thử và việc phân tích được lặp lại cho mỗi cung cho đến khi nhận được hệ số an toàn thấp nhất

Sự mất ổn định có xu hướng làm vật thể có trọng lượng W nằm trên cung trượt dịch chuyển

Cung trượt có tâm O, bán kính R và có momen phá hoại là W×d Xu hướng dịch chuyển bị cản lại bởi moment của độ bền chống cắt được huy động dọc theo cung tròn AB

Hỡnh 2.1 : Cung trượt phõn tớch theo ứng suất tổng (φu=0)[18]

Chiều dài cung : AB = R.θ Lực khỏng cắt dọc theo cung : AB = cu R.θ Moment khỏng cắt = cu.R2.θ

Hệ số an toàn F tớnh theo:

2u

C RMomen

FS

Momen gõy W

.d



 chống trượt 

trượt (2.1)

Hỡnh 2.2 : Ảnh hưởng của khe nứt căng trong phõn tớch ứng suất tổng [18]

Trong đất dớnh, khi điều kiện cõn bằng giới hạn biểu lộ, cú xu hướng hỡnh thành khe nứt căng gần đỉnh mỏi dốc Độ sõu của khe nứt căng cú thể tớnh theo cụng thức:

2.cz

Các giả thuyết

 Mặt trượt dạng trụ tròn

 Cung trượt có tâm O và bán kính R, cung AB chia thành các mảnh có bề rộng b bằng nhau

 Các lực tác dụng lên một mảnh gồm có:

W : trọng lượng của mảnh; W = γ.h.b N : phản lực pháp tuyến hiệu quả lên đáy mảnh T : lực cắt tạo ra dọc theo đáy mảnh; T = W.sinα R1, R2 : các lực bên tạo bởi các mảnh kề

E1, E2 : lực pháp tuyến giữa các mảnh X1 , X2 : lực pháp tuyến giữa các mảnh Ảnh hưởng của tải trọng phụ bất kỳ trên mặt đất phải đưa vào trong tính toán trọng lượng của các mảnh và các lực khác

Theo Fellenius thì giả thuyết các lực giữa các mảnh bằng nhau và ngược chiều nên triệt tiêu lẫn nhau, có nghĩa E1 = E2 và X1 = X2

Trường hợp mái dốc không thoát nước, không có áp lực nước lỗ rỗng u ta nên chọn u = 0

Lực pháp tuyến N = W.cosα = γ.h.b.cosα

Hệ số an toàn FS

Áp dụng các phương trình cân bằng tĩnh học sẽ tìm ra được hệ số an toàn FS như sau:

ii

FS

W sin

 

Hệ số an toàn cho phép theo phương pháp Fellenius [FS] >=1.2 Số mảnh tính toán không được nhỏ hơn 5, số mảnh càng lớn thì việc đánh giá FS càng chính xác Tuy nhiên sai số của phương pháp có thể tăng lên khi cung trượt

nằm sâu hay có bán kính tương đối nhỏ Trong trường hợp đó nên dùng phương pháp Bishop

Trên đây chỉ mới xác định được hệ số an toàn FS ứng với một mặt trượt giả định nào đó, chưa chắc mặt trượt này là mặt trượt nguy hiểm nhất ứng với hệ số an toàn nhỏ nhất (FSmin) Muốn tìm FSmin cần phải giả thuyết thật nhiều mặt trượt để xác định các điểm tương ứng, từ đó chọn FS nhỏ nhất ( FSmin)

Phương pháp do W.Fellenius đề nghị hoàn toàn không xét tới ảnh hưởng giữa các lực giữa các phân mảnh Về mặt lý thuyết là không hoàn chỉnh, nhưng do đơn giản nên hiện còn được sử dụng phổ biến

Các yếu tố tác động đến công trình gây ảnh hưởng tới ổn định tổng thể của công trình:

 Xét áp lực đẩy nổi cho phân mãnh bị ngập nước

Áp dụng cho trường hợp đường ngập nước thường xuyên hay nước ngầm dâng cao Khi đó việc đưa dung trọng đẩy nổi của đất vào tính toán hay không là tùy thuộc vào từng loại đất Các loại đất sau đây luôn phải tính dung trọng đẩy nổi trong trường hợp ngập nước là: các loại bùn nhão (kể cả bùn sét), các loại đất á cát hay á sét Dung trọng đẩy nổi được tính theo công thức trong cơ học đất như sau:

Hệ số ổn định trong trường hợp này được tính toán theo công thức

∑ ∑ (2.7) Ở đây W’i = γđn h’i : Trọng lượng mảnh phần ngập nước

 Xét ảnh hưởng của áp lực thủy tĩnh

Đối với nền đường trong vùng ngập lũ luôn tồn tại mực nước lũ hai bên đường Mực nước thường được đưa vào tính toán là mực nước lũ cao nhất (>20 ngày)