1. Đặt vấn đề nghiên cứu Than là nguồn tài nguyên năng lượng chủ lực ở Việt Nam, đảm bảo nhiên liệu cho sản xuất công nghiệp quan trọng như sản xuất điện, thép, xi măng, phân bón, xây dựng và nhiều hoạt động khác góp phần không nhỏ trong công cuộc xây dựng và phát triển đất nước. Trữ lượng than nước ta tập trung chủ yếu ở tỉnh Quảng Ninh với tỉ lệ đạt 67%, trong đó trữ lượng lớn nhất cùng chất lượng rất tốt tập trung tại khu vực Cẩm Phả - Cửa Ông. Có khoảng 30 mỏ và các điểm khai thác lộ thiên trong đó có 5 mỏ công suất từ 1 đến 3 triệu tấn/năm, bao gồm các mỏ Cao Sơn, Cọc Sáu, Hà Tu, Núi Béo. Khoảng 20 mỏ được khai thác theo kiểu hầm lò trong đó có 7 mỏ công suất từ 1 triệu tấn/năm trở lên gồm: Mạo Khê, Vàng Danh, Nam Mẫu, Hà Lầm, Mông Dương, Khe Chàm và Dương Huy. Từ trước đến nay việc khai thác than ở nước ta nói chung và Quảng Ninh nói riêng chủ yếu vẫn áp dụng công nghệ khai thác kiểu lộ thiên. Để khai thác và tuyển chọn được 1m 3 than sạch thông thường phải bóc bỏ đổ đi từ 8 đến 12m 3 đất đá thải. Trữ lượng đất đá đổ thải tiềm tích từ những năm đầu tiên khai thác than ở khu vực Cẩm Phả tính đến hết năm 2012 đã vào khoảng 3,7 tỷ m 3 và dự tính trong giai đoạn 2013 - 2020, khối lượng đất đá thải từ khai thác than tại Quảng Ninh tiếp tục gia tăng khoảng 1,9 tỷ m 3 . Khu vực lân cận như Mạo Khê, Uông Bí, Cẩm Phả đất đá thải dồn thành các bãi chứa chất cao như núi. Đường vào các bãi thải mưa thì lầy, bùn và nước bẩn trôi ra bên ngoài, tràn lên mặt đất và công trình, lấp xuống hệ thống thoát nước, sông ngòi,… rồi chảy ra biển; nắng thì bụi đất đá than bay dày đặc, gây nên tình trạng ô nhiễm môi trường đến mức báo động, hiện tượng sụt lở núi đất đá thải luôn rình rập, vùi lấp công trình, nhà cửa và gây tai họa cho con người. Trong những năm gần đây Tập đoàn than Khoáng sản Việt Nam quy hoạch các bãi đổ thải để tập trung thu gom đất đá thải từ các mỏ lân cận về một mối, trong đó có các mỏ như: Đông Cao Sơn (ĐCS), Bàng Nâu, Nam Khe Tam và Đông Khe Sim, chứa trên 94% tổng khối lượng đất đá thải toàn vùng. Tình trạng ô nhiễm môi trường đã có phần được cải thiện, tuy nhiên vẫn chưa khả thi trong việc ngăn chặn hệ lụy từ các bãi đổ thải hình thành từ khai thác than lộ thiên tại Quảng Ninh. Nghiên cứu khả năng sử dụng đất, đá thải tại các mỏ than khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh như một nguồn vật liệu dùng trong xây dựng đường ô tô là một đề tài có tính thực tiễn và khả thi, góp phần vào việc bảo vệ môi trường cho khu vực Cẩm Phả, Cửa Ông, tỉnh Quảng Ninh cũng như các địa phương khác; đồng thời đáp ứng yêu cầu về tận dụng nguyên liệu địa phương và tiết kiệm tài nguyên cho đất nước đảm bảo yêu cầu phát triển bền vững. Xuất phát từ thực tế đó, NCS đã đề xuất và thực hiện thành công đề tài nghiên cứu với tên luận án: “Nghiên cứu sử dụng đất đá thải từ các mỏ than khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh làm đường ô tô” 2. Mục đích nghiên cứu Trên cơ sở nghiên cứu khảo sát, thí nghiệm trong phòng và hiện trường, tiến hành phân tích đánh giá và đề xuất khả năng sử dụng đất, đá thải các mỏ than ở khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh trong xây dựng kết cấu mặt đường ô tô và mặt đường cho đường GTNT. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài là: đất, đá thải mỏ than ở khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh được gia cố với xi măng hoặc không gia cố sử dụng làm lớp vật liệu trong kết cấu mặt đường ô tô, mặt đường GTNT. 3.2 Phạm vi nghiên cứu
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ĐỖ VĂN THÁI NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG ĐẤT ĐÁ THẢI TỪ CÁC MỎ THAN KHU VỰC CẨM PHẢ, QUẢNG NINH LÀM ĐƯỜNG Ô TÔ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2019 iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC BẢNG BIỂU ix DANH MỤC HÌNH VẼ xi MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG ĐẤT, ĐÁ THẢI MỎ THAN TRONG XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ 1.1 Tổng quan đất, đá thải từ mỏ khai thác than 1.1.1 Khai thác than đất đá thải từ mỏ than - giới 1.1.2 Khai thác than thực trạng đất, đá thải từ mỏ than Quảng Ninh, Việt Nam 1.1.3 Quy mô thực trạng bãi đổ thải Đông Cao Sơn, Cẩm Phả, Quảng Ninh 1.2 Tổng quan sử dụng đất, đá thải xây dựng đường ô tô 11 1.2.1 Những kết nghiên cứu dẫn kỹ thuật nước 11 1.2.2 Những kết nghiên cứu bước đầu dẫn kỹ thuật Việt Nam 14 1.3 Tổng hợp, phân tích đề xuất nội dung nghiên cứu 26 1.3.1 Thực trạng đất, đá thải khai thác than giới nước ta 26 1.3.2 Những kết nghiên cứu sử dụng đất, đá thải từ khai thác than nước 26 1.3.3 Phân tích đề xuất nội dung nghiên cứu 27 1.3.4 Mục tiêu nghiên cứu 29 1.3.5 Nội dung nghiên cứu 29 1.3.6 Phương pháp nghiên cứu 30 Chương 2: NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM TRONG PHỊNG VÀ ĐỀ XUẤT SỬ DỤNG ĐẤT, ĐÁ THẢI MỎ THAN QUẢNG NINH LÀM VẬT LIỆU XÂY DỰNG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ 31 2.1 Nghiên cứu sở khoa học sử dụng vật liệu đất, đá gia cố chất kết dính vơ xây dựng mặt đường ô tô 33 iv 2.1.1 Khái niệm chung gia cố vật liệu 33 2.1.2 Sự hình thành cường độ đất gia cố chất kết dính vơ 34 2.1.3 Sự hình thành cường độ lớp vật liệu gia cố xi măng 37 2.2 Thiết kế thí nghiệm trình tự phân tích thống kê xử lý số liệu 38 2.2.1 Thiết kế thí nghiệm 38 2.2.2 Các cơng thức tính tốn 38 2.2.3 Đánh giá số mẫu tổ mẫu 40 2.2.4 Loại bỏ số liệu ngoại lai đánh giá độ chụm 40 2.2.5 Trình tự thiết kế thí nghiệm xử lý kết thí nghiệm 41 2.3 Khảo sát, lấy mẫu đại diện thí nghiệm xác định tiêu cơ, lý, hóa đất, đá thải mỏ than Quảng Ninh 41 2.3.1 Lựa chọn bãi thải đại diện 41 2.3.2 Đặc điểm chung bãi thải Đông Cao Sơn 42 2.3.3 Lấy mẫu đất, đá thải đại diện 42 2.3.4 Thành phần khống hóa đất, đá bãi thải 43 2.3.5 Xác định thành phần hạt 44 2.3.6 Thí nghiệm xác định tiêu đất, đá thải 45 2.3.7 Nhận xét, đánh giá kết thí nghiệm đất, đá thải để sử dụng làm vật liệu xây dựng đường kết cấu mặt đường 50 2.4 Nghiên cứu đề xuất lựa chọn cấp phối đất, đá thải mỏ than Quảng Ninh làm vật liệu kết cấu mặt đường ô tô 52 2.4.1 Thành phần hạt tiêu lý cấp phối đá nhóm A-ĐCS 52 2.4.2 Thành phần hạt tiêu lý cấp phối đá nhóm AB-ĐCS 55 2.5 Nghiên cứu cấp phối đá dăm nhóm A-ĐCS nhóm AB-ĐCS gia cố xi măng làm vật liệu kết cấu mặt đường ô tô 56 2.5.1 Tóm tắt yêu cầu nội dung nghiên cứu 56 2.5.2 Kế hoạch thí nghiệm 57 2.5.3 Chế bị mẫu thí nghiệm 59 2.5.4 Kết thí nghiệm nhóm A-ĐCS gia cố xi măng 61 2.5.5 Kết thí nghiệm nhóm AB-ĐCS gia cố xi măng 63 2.5.6 So sánh kết thí nghiệm A-ĐCS AB-ĐCS với tỷ lệ xi măng 4%, 6% 67 v 2.5.7 So sánh kết thí nghiệm mơ đun đàn hồi A-ĐCS AB-ĐCS 71 2.6 Nhận xét, kết luận chương 72 Chương 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HIỆN TRƯỜNG VỚI KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG SỬ DỤNG ĐẤT, ĐÁ THẢI MỎ THAN QUẢNG NINH GIA CỐ XI MĂNG 73 3.1 Thiết kế đoạn đường thử nghiệm trường 74 3.1.1 Tóm tắt nội dung yêu cần đoạn thử nghiệm trường 74 3.1.2 Lựa chọn vị trí, mặt thơng sơ hình học đoạn đường thử nghiệm 74 3.1.3 Kết cấu mặt đường thử nghiệm 75 3.2 Nghiên cứu sản xuất vật liệu cấp phối đất, đá thải 76 3.2.1 Khai thác, vận chuyển tập kết vật liệu 76 3.2.2 Công tác sản xuất vật liệu thử nghiệm 77 3.3 Thi công đường đoạn thử nghiệm 78 3.3.1 Vật liệu đắp đường 78 3.3.2 Xử lý đường trước đắp 79 3.3.3 Thi công đắp đất đường 79 3.3.4 Kết kiểm tra nghiệm thu đường 80 3.4 Thi công lớp kết cấu áo đường đoạn thử nghiệm 81 3.4.1 Thi cơng lớp móng AB-ĐCS dày 18cm 81 3.4.2 Thi cơng lớp móng AB-ĐCS gia cố xi măng dày 16cm 86 3.5 Thi công lớp đá dăm láng nhựa dày 3.5 cm tiêu chuẩn 4.5 kg/m2 89 3.5.1 Vật liệu 89 3.5.2 Thi công lớp láng nhựa 89 3.6 Nghiên cứu thử nghiệm giải pháp hạn chế vết nứt lớp cấp phối đất, đá gia cố xi măng 90 3.6.1 Giải pháp tạo đường nứt trước (cắt khe giả) 92 3.6.2.Điều chỉnh quy cách bảo dưỡng 93 3.6.3.Đo đạc theo dõi dõi diễn biến vết nứt 94 3.6.4 Những lưu ý thiết kế, thi công bảo dưỡng lớp đá thải gia cố xi măng96 3.7 Theo dõi đánh giá kết cấu mặt đường 96 3.7.1 Công tác kiểm tra nghiệm thu mặt đường 96 vi 3.7.2 Khoan mẫu đánh giá cường độ chịu nén ép chẻ 97 3.7.3 Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén cường độ ép chẻ 98 3.7.4 Đánh giá chung đoạn đường thử nghiệm 102 3.8 Nhận xét, kết luận chương 104 Chương 4: NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT MỘT SỐ KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG VÀ PHẠM VI ÁP DỤNG LỚP ĐẤT, ĐÁ THẢI MỎ THAN QUẢNG NINH 106 4.1 Nguyên tắc đề xuất phạm vi áp dụng kết cấu mặt đường 107 4.1.1 Nguyên tắc đề xuất kết cấu mặt đường 107 4.1.2 Phạm vi áp dụng kết cấu mặt đường 108 4.2 Lựa chọn phương pháp thiết kế kết cấu mặt đường 109 4.3 Đề xuất kết cấu mặt đường 110 4.3.1 Kết cấu mặt đường cho đường giao thông nông thôn 110 4.3.2 Kết cấu mặt đường cho đường ô tô công cộng 112 4.3.3 Kết cấu mặt đường cho đường ô tô cao tốc, đường chịu tải trọng nặng 113 4.3.4 Giải pháp chống nứt phản ánh sử dụng lớp móng gia cố xi măng 114 4.4 Các thông số thiết kế kết cấu mặt đường 115 4.4.1 Thông số tải trọng: 116 4.4.2 Thông số đường: 117 4.4.3 Thông số khí hậu: 119 4.4.4 Thông số vật liệu: 121 4.5 Tính tốn kết cấu mặt đường 127 4.6 Công nghệ sản xuất vật liệu đá thải Quảng Ninh 129 4.7 Công nghệ thi công kết cấu mặt đường sử dụng vật liệu đá thải Quảng Ninh 130 4.8 Nhận xét, kết luận Chương 131 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 132 TÀI LIỆU THAM KHẢO 136 vii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT GTVT : Giao thông vận tải TCN : Tiêu chuẩn ngành TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam TCXDVN : Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam ĐCS : Đông Cao Sơn BGTVT : Bộ giao thông vận tải ANOVA : Phân tích phương sai Ip : Chỉ số dẻo CBR : Chỉ số sức chịu tải California CPĐD : Cấp phối đá dăm CPTN : Cấp phối thiên nhiên BTXM : Bê tông xi măng BTN : Bê tông nhựa GTNT : Giao thông nông thôn A – ĐCS : Cấp phối đá dăm sản xuất từ vật liệu đất, đá thải bãi thải Đông Cao Sơn, Cẩm Phả, Quảng Ninh sau loại bỏ nhóm cỡ hạt có kích thước < 50 mm trở xuống AB – ĐCS : Cấp phối đá dăm sản xuất từ vật liệu đất, đá thải bãi thải Đông Cao Sơn, Cẩm Phả, Quảng Ninh (bao gồm tất nhóm cỡ hạt vốn có trạng thái nguyên khai, kể đất) UTT : Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải Probabllty plot : đồ phân phối xác xuất StDev : độ lệch chuẩn Power curve for : đường cong độ mạnh cho thí nghiệm – t - test Power : Độ mạnh viii Differ ence : khác biệt Sumple lize : số mẫu Assum ptions : Trung bình Residual plots tor Rn : Biểu đồ phần dư Rn Nor mal probillity plot : Biểu đồ phân phối chuẩn Residual : Phần dư Histogram : Biểu đồ Fitted value : Giá trị Observation order : Thứ tự quan sát Density : Mật độ Data : Nhiệt độ ix DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Yêu cầu kỹ thuật đá, đá thải đắp đường 13 Bảng 1.2: Phân loại cường độ, kích cỡ đá sử dụng đắp đường 13 Bảng 1.3 Chọn vật liệu tầng móng đường tơ 22 Bảng 1.4 Yêu cầu thành phần hạt cấp phối đá dăm gia cố xi măng 24 Bảng 1.5 Yêu cầu thành phần hạt cấp phối thiên nhiên gia cố xi măng 25 Bảng 2.1: Thành phần khống hóa đất, đá thải mỏ Đông Cao Sơn 43 Bảng 2.2: Khối lượng theo nhóm bãi thải Đông Cao Sơn 44 Bảng 2.3: Khối lượng theo cấp bãi thải Đông Cao Sơn (nhóm A) 44 Bảng 2.4: Thành phần cỡ hạt đất đá bãi thải Đông Cao Sơn (nhóm B) 44 Bảng 2.5: Tổng hợp phân loại cỡ hạt đất đá bãi thải Đông Cao Sơn 45 Bảng 2.6: Danh mục, khối lượng, phương pháp thử nghiệm đất đá thải 46 Bảng 2.7: Kết thí nghiệm cường độ đá gốc 46 Bảng 2.8: Tổng hợp kết thí nghiệm xác định độ dẻo 48 Bảng 2.9: Kết thí nghiệm CBR 50 Bảng 2.10: Thành phần hạt cấp phối đá dăm nhóm A-ĐCS 53 Bảng 2.11: Một số tiêu lý cấp phối đá dăm nhóm A-ĐCS 54 Bảng 2.12: Thành phần hạt cấp phối đá dăm nhóm AB-ĐCS 56 Bảng 2.13: Tổng hợp khối lượng thí nghiệm cần thực nhóm A-ĐCS 57 Bảng 2.14: Tổng hợp khối lượng thí nghiệm cần thực nhóm AB-ĐCS 58 Bảng 2.15: Tổng hợp kết thí nghiệm vật liệu A-ĐCS gia cố xi măng 62 Bảng 2.16: Kết cường độ nén 14 ngày cấp phối AB-ĐCS với tỷ lệ xi măng 63 Bảng 2.17: Kết cường độ ép chẻ 14 ngày mô đun đàn hồi cấp phối ABĐCS với tỷ lệ xi măng 64 Bảng 2.18: Số liệu phân tích DoE 67 Bảng 3.1: Kết thí nghiệm tiêu lý đất mỏ Minh Quang 78 Bảng 3.2: Tổng hợp số đo nghiệm thu kích thước hình học đường thử nghiệm 80 Bảng 3.3: Kết đo mô đun đàn hồi lớp đất K98 81 Bảng 3.4: Kết đo kích thước hình học lớp móng 83 Bảng 3.5: Tổng hợp kết kiểm tra độ chặt lớp móng đường thử nghiệm 84 x Bảng 3.6: Tổng hợp kết Edh lớp móng đường thử nghiệm 85 Bảng 3.7: Tổng hợp kết kiểm tra độ chặt lớp móng đường vật liệu đá thải 88 Bảng 3.8: Vật liệu thi công lớp láng nhựa mặt đường 89 Bảng 3.9: Yêu cầu kiểm tra nghiệm thu vết nứt lớp CPĐD gia cố xi măng 91 Bảng 3.10: Kết cường độ nén mẫu khoan trường 98 Bảng 3.11: Kết cường độ ép chẻ mẫu khoan trường 101 Bảng 3.12: Kết đo độ phẳng thước mét 104 Bảng 4.1: Kết cấu mặt đường cho đường GTNT 110 Bảng 4.2: Kết cấu mặt đường cho đường ô tô công cộng 112 Bảng 4.3: Kết cấu mặt đường cho đường ô tô cao tốc 113 Bảng 4.4: Các đặc trưng tải trọng trục tính tốn tiêu chuẩn 117 Bảng 4.5: Phân cấp quy mô giao thông 117 Bảng 4.6: Giá trị Mr (psi) theo thông số đất 119 Bảng 4.7: Kết tính toán mác nhựa PG theo SHRP LTPP 120 Bảng 4.8: Các trạm khí hậu MERRA-2 Quảng Ninh 121 Bảng 4.9: Thông số tính tốn lớp vật liệu khơng gia cố 121 Bảng 4.10: Yêu cầu đối lớp vật liệu gia cố chất liên kết vô 22TCN211-06 122 Bảng 4.11: Yêu cầu đối lớp vật liệu gia cố chất liên kết vô 22TCN274-01 123 Bảng 4.12: Yêu cầu cường độ cấp phối gia cố xi măng TCVN 8858:2011 123 Bảng 4.13: Yêu cầu cường độ CTB theo tiêu chuẩn 22TCN211-06 124 Bảng 4.14: Yêu cầu cường độ CTB theo tiêu chuẩn 22TCN 274-01 124 Bảng 4.15: Tiêu chuẩn lớp cốt liệu gia cố chất liên kết vô Mỹ 125 Bảng 4.16: Thơng số tính tốn lớp vật liệu gia cố xi măng 127 Bảng 4.17: Tính tốn kết cấu mặt đường 127 Bảng 4.18: Tính tốn kết cấu mặt đường KC6 theo 22TCN 274-01 128 xi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Khai thác than Tavan Tolgoi, Trung Quốc Hình 1.2: Khai thác than Lippendorf, Neukieritzsch, CHLB Đức Hình 1.3: Tình trạng đất, đá thải mỏ than Quảng Ninh Hình 1.4: Mặt theo quy hoạch bãi thải Đông Cao Sơn Hình 1.5: Thực trạng vật liệu đất, đá thải bãi thải Đông Cao Sơn 10 Hình 1.6: Hình ảnh sườn dốc bãi thải Đông Cao Sơn 10 Hình 1.7: Thi cơng đường ô tô đất, đá thải 14 Hình 1.8: San rải lu lèn đất, đá thải 14 Hình 1.9: Mặt đường sử dụng đá lát nhiều kích cỡ đá xơ bồ 15 Hình 1.10: Mặt đường sử dụng đất, đả thải (dạng cấp phối) 15 Hình 1.11: Đắp đường đá thải Gói thầu A8 Cao tốc Hà Nội – Lào Cai 17 Hình 1.12: Đắp đường đá thải Quốc lộ 1A đoạn Phủ Lý - Cầu Đoan Vĩ 17 Hình 1.13: Hình ảnh lấy mẫu thí nghiệm bãi thải Nam Khe Tam 20 Hình 1.14: Cơng trình đường tạm sử dụng đất đá thải - Bãi thải Nam Khe Tam 20 Hình 2.1: Sơ đồ nghiên cứu thí nghiệm phòng 32 Hình 2.2: Biểu thị thành phần chất kết dính vơ tọa độ tam giác 35 Hình 2.3: Sơ đồ cấu trúc mang điện phức tạp hạt sét – keo [29,30] 36 Hình 2.4: Phân bố cường độ đá gốc giá trị đặc trưng Mẫu 38 Hình 2.5: Phân tích lựa chọn số mẫu thí nghiệm 40 Hình 2.6: Đất, đá thải mỏ Đông Cao Sơn 41 Hình 2.7: Lấy mẫu đất, đá thải đại diện mỏ Đông Cao Sơn 43 Hình 2.8: Biểu đồ cường độ đá gốc 47 Hình 2.9: Thử nghiệm tiêu LA phòng LAS-XD 72 47 Hình 2.10: Biểu đồ LA 47 Hình 2.11: Thí nghiệm xác định độ dẻo 48 Hình 2.12: Biểu đồ xác định giới hạn chảy giới hạn dẻo 49 Hình 2.13: Thí nghiệm CBR 49 Hình 2.14: Biểu đồ CBR 50 Hình 2.15: Biểu đồ CBR CPDD nhóm A-ĐCS 53 Hình 2.16: Biểu đồ xác định hệ số lớp a3 lớp móng làm vật liệu hạt, 126 South Rn7 ngày 10 Carolina Min: 600 psi Rn7 ngày 11 FAA Min: 400 psi Max: 800 psi Rn28 ngày : Max: 1000 psi LL