Luận án tiến sĩ kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của khoáng vật montmorillonite đến cường độ chịu nén của trụ đất xi măng

Đề tài nghiên cứu được tiến hành với các mục đích: Phân tích mối tương quan giữa hàm lượng MMT và cường độ chịu nén của mẫu đất xi măng đối với đất có các độ ẩm và thời gian bảo dưỡng khác nhau, đánh giá nguyên nhân ảnh hưởng đến khả năng chịu nén của nền đất yếu gia cố trụ đất xi măng để nâng cao hiệu quả gia cố nền đất yếu bằng bằng trụ đất xi măng phù hợp với các điều kiện cụ thể. Từ đó đề xuất hàm lượng xi măng thích hợp cho các vùng đất có hàm lượng thành phần khoáng vật MMT khác nhau.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN NGỌC THẮNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA KHOÁNG VẬT MONTMORILLONITE ĐẾN CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA TRỤ ĐẤT XI MĂNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH NĂM 2017 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN NGỌC THẮNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA KHOÁNG VẬT MONTMORILLONITE ĐẾN CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA TRỤ ĐẤT XI MĂNG Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG Mã số chuyên ngành: 62.58.60.01 Phản biện độc lập 1: PGS TS Nguyễn Phi Lân Phản biện độc lập 2: PGS TS Tô Văn Lận Phản biện 1: GS TS Trần Thị Thanh Phản biện 2: PGS TS Trần Tuấn Anh Phản biện 3: PGS TS Võ Phán NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS Lê Văn Nam PGS TS Nguyễn Minh Tâm LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tác giả Các kết nghiên cứu kết luận luận án trung thực không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả luận án Nguyễn Ngọc Thắng i TĨM TẮT LUẬN ÁN Đồng sơng Cửu Long (ĐBSCL) đồng lớn Việt Nam phủ trầm tích Holocence lắng đọng trầm tích hệ thống sơng Mekong Đất sét vùng thơng thường gồm có thành phần khống vật Montmorillonite (MMT), Illite, Chlorite, Kaolinite Khoáng vật MMT đất sét ảnh hưởng đáng kể đến tính trương nở co ngót đất Áp lực trương nở tính co ngót phát triển phá hoại làm việc ổn định cơng trình có tải trọng nhẹ kết cấu mặt đường Luận án tập trung nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng MMT đến cường độ chịu nén mẫu đất xi măng thí nghiệm nén trục nở hơng kết hợp với phương pháp phân tích tia X Tất mẫu bảo dưỡng môi trường nước với thời gian bảo dưỡng 7, 14 28 ngày Đầu tiên, thí nghiệm thực mẫu đất xi măng chế tạo sét Kaolinite với hàm lượng xi măng 20%, độ ẩm trộn 80% hàm lượng MMT thay đổi từ 0%, 3,3%, 6,5% đến 9,8% Kết thí nghiệm cho thấy cường độ chịu nén giá trị CT-value mẫu đất xi măng giảm tăng hàm lượng MMT Kết tương tự tìm thấy mẫu đất xi măng sử dụng đất sét ĐBSCL Kết nghiên cứu giúp tìm hàm lượng xi măng thích hợp cho đất sét ĐBSCL có hàm lượng MMT khác Ngồi ra, mơ hình nghiên cứu 1-g phòng thí nghiệm thực để đánh giá ảnh hưởng hàm lượng MMT đất sét đến khả chịu tải nén đất yếu gia cố trụ đất xi măng Kết nghiên cứu mơ hình thu nhỏ phòng thí nghiệm cho thấy với hàm lượng xi măng, tăng hàm lượng MMT, cường độ chịu nén đất gia cố trụ đất xi măng giảm ii ABSTRACT Mekong Delta, the largest delta in Vietnam, covered by Holocence sediment due to sedimentation of Mekong River system The soft clay in this area usually contains minerals, including Montmorillonite (MMT), Illite, Chlorite, and Kaolinite The presence of MMT in clay has been reported to significantly affect to the swelling properties of the soil The development of swelling pressure or shrinkage of swelled soil could reduce the stability of light building constructs and macroscopic structures of road surface This research study focused on the influence of MMT content onto the unconfined compressive strength of Cement Deep Mixing (CDM) by using the unconfined compression test, X-ray CT method and laboratory scale model All samples were stabilized in fresh water for 7, 14 and 28 days before performing the test The effect of MMT content on the unconfined compression property of CDM specimens has been performed using the standard samples (the diameter of 50 mm and the height of 100 mm), which were made of Kaolinite clay, cement (20%) and different MMT content (0%, 3,3%, 6,5% and 9,8%) with 80% water content From the experimental results, we found that the unconfined compressive strength of CDM specimens and the CTvalue of soil cement specimens decreased with increasing the MMT content The similar behavior was also observed in the CDM specimens made of Mekong delta clay with different MMT contents This study also provide a good reference chart to optimize the cement and MMT contents for improving the unconfined compressive strength of the CDM specimens made of clays, which contain different amount of MMT, including clay from Mekong River delta In addition, the 1-g laboratory model has been used to evaluate the influence of MMT content in the clays on the compressive strength of soft ground supported CDM columns The results proved that the compressive strength of soft ground improved by CDM columns when the MMT content increased iii LỜI CÁM ƠN Luận án hướng dẫn tận tâm PGS TS Lê Văn Nam, PGS TS Nguyễn Minh Tâm Luận án bảo giúp đỡ GS TSKH Nguyễn Văn Thơ, PGS TS Võ Phán, PGS TS Châu Ngọc Ẩn, PGS TS Võ Ngọc Hà, PGS TS Lê Bá Vinh, PGS TS Bùi Trường Sơn, TS Lê Trọng Nghĩa, TS Đỗ Thanh Hải, TS Trương Quang Hùng Luận án giúp đỡ Dự án SUPREM – JICA, Bộ mơn Địa – Nền Móng, Trường Đại học Bách khoa Tp HCM, Trường Đại học Kumamoto GS TS Jun Otani, Trường Đại học Tiền Giang, Sở Khoa học Công nghệ Tiền Giang Xin chân thành cảm ơn tạo điều kiện cho học tập nghiên cứu để hoàn thành luận án Nghiên cứu sinh xin chân thành ghi nhớ công ơn cố gắng để nâng cao lực trình độ để phục vụ tốt cho cơng việc iv MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH vii DANH MỤC BẢNG BIỂU xi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT xii MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài nghiên cứu .1 Mục đích nghiên cứu, ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Phương pháp nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Cấu trúc luận án .3 CHƯƠNG TỔNG QUAN CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG TRỤ ĐẤT XI MĂNG, CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG VÀ THÍ NGHIỆM MƠ HÌNH Một số tính chất đặc trưng đất yếu ĐBSCL Phương pháp gia cố đất yếu trụ đất xi măng Ảnh hưởng khoáng vật MMT đến cường độ chịu nén đất xi măng 12 Phương pháp phân tích địa kỹ thuật tia X 15 Các nghiên cứu xác định cường độ chịu nén đất yếu gia cố trụ đất xi măng mơ hình phòng thí nghiệm 19 Nhận xét 27 CHƯƠNG CƠ SỞ PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA KHỐNG VẬT MONTMORILLONITE ĐẾN CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA ĐẤT XI MĂNG 28 Khoáng vật Montmorillonite 28 2.1.1 Thành phần hóa học Montmorillonite 28 2.1.2 Cấu trúc Montmorillonite 29 Ảnh hưởng khoáng vật Montmorillonite đến tính trương nở đất .30 Ảnh hưởng khống vật Montmorillonite đến cường độ chịu nén đất xi măng 33 Lý thuyết phân tích mẫu đất xi măng phương pháp chụp tia X 35 Cơ sở xây dựng mơ hình thu nhỏ phòng thí nghiệm 39 Nhận xét 40 v CHƯƠNG ẢNH HƯỞNG CỦA KHOÁNG VẬT MONTMORILLONITE ĐẾN CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA MẪU ĐẤT XI MĂNG 41 Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng Montmorillonite 41 3.1.1 Chế tạo bảo dưỡng mẫu đất xi măng 41 3.1.2 Thí nghiệm nén chụp tia X mẫu đất xi măng .45 Kết thí nghiệm 47 3.2.1 Sự thay đổi tính chất hỗn hợp Kaolinite Bentonite .47 3.2.2 Sự thay đổi tính chất đất xi măng .48 3.2.3 Sự thay đổi cường độ chịu nén đất xi măng .57 3.2.4 Nhận xét kết thí nghiệm nén chụp tia X mẫu đất xi măng 73 Thí nghiệm xác định hàm lượng xi măng thích hợp cho đất ĐBSCL có hàm lượng MMT khác 73 Kết luận chương 81 CHƯƠNG THÍ NGHIỆM MƠ HÌNH ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA KHOÁNG VẬT MONTMORILLONITE ĐẾN CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA NỀN ĐẤT YẾU GIA CỐ TRỤ ĐẤT XI MĂNG 82 Nội dung thí nghiệm 82 Xây dựng mơ hình thí nghiệm phòng 82 Quy trình thao tác mơ hình thí nghiệm 85 Kết thí nghiệm 90 Kết luận chương 91 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 92 Kết luận .92 Kiến nghị nghiên cứu 93 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 94 TÀI LIỆU THAM KHẢO 97 vi DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Bản đồ phân vùng đất yếu khu vực ĐBSCL (Nguyễn Văn Thơ Trần Thị Thanh, 2002) Hình 1.2 Dạng phá hoại trụ đất xi măng Hình 1.3 Bố trí trụ đất xi măng Hình 1.3 Lún nhóm trụ đất xi măng 10 Hình 1.4 Các dạng bố trí trụ đất xi măng (Yang, D.S, 1997) 11 Hình 1.5 Quan hệ ứng suất biến dạng mẫu đất xi măng với loại đất khác (Thiam-Soon Tan đồng nghiệp, 2002) 13 Hình 1.6 Quan hệ cường độ chịu nén hàm lượng xi măng mẫu đất xi măng với loại đất khác (Nozu, M Nakai, N., 2010) 14 Hình 1.7 Phân tích thành phần hạt đất (Lenoir, N., 2002) 15 Hình 1.8 Sự thấm vật liệu Super Geo (Otani J đồng nghiệp, 2002a) 16 Hình 1.9 Phân bố ứng suất mũi cọc (Toshifumi Mukunoki, 2010) 16 Hình 1.10 Máy TOSCANER 20000 (Toshifumi Mukunoki, 2010) 17 Hình 1.11 Cấu tạo bên máy chụp tia X (Toshifumi Mukunoki, 2010) 18 Hình 1.12 Xây dựng ảnh 3D từ ảnh tia X (Otani J đồng nghiệp, 2000) 18 Hình 1.13 Mơ hình thí nghiệm ly tâm gia cố đất yếu trụ đất xi măng (Kitazume, M đồng nghiệp, 1999) 20 Hình 1.14 Mơ hình thí nghiệm trụ đất xi măng chịu tải ngang (Larsson, S., 1999) .22 Hình 1.15 Mơ hình thí nghiệm khảo sát ứng xử đất vùng tiếp giáp (Kosche, M., 2004) 23 Hình 1.16 Mơ hình thí nghiệm trụ đất xi măng chịu tải đứng (Sengor, M.Y., 2011) 24 Hình 1.17 Mơ hình thí nghiệm trụ đất xi măng chịu tải đứng cứng (Ailin Nur J.O đồng nghiệp, 2011) 25 Hình 1.18 Mơ hình thí nghiệm đất yếu gia cố trụ đất xi măng chịu tải đứng ngang (K Omine đồng nghiệp, 1999) 26 Hình 2.1 Đơn vị tinh thể MMT (Grim, R.E., 1959) 29 Hình 2.2 Sơ đồ rút gọn cấu tạo MMT (Lambe, T.W., 1953) 30 Hình 2.3 Thành phần khoáng vật đất sét ĐBSCL (Nozu đồng nghiệp, 2010) 30 vii Hình 2.4 Kích thước số khống vật sét (Yong Warkentin, 1975) .31 Hình 2.5 Quá trình hình thành cường độ đất xi măng 34 Hình 2.6 Nguyên lý phép chiếu tia X qua mẫu 36 Hình 2.7 Kỹ thuật chụp tia X .37 Hình 2.8 Một lát cắt tạo thành từ n voxels x n voxels 37 Hình 2.9 Mối quan hệ hạt đất voxel 38 Hình 3.1 Quá trình tạo bảo dưỡng mẫu đất xi măng 44 Hình 3.2 Sơ đồ thí nghiệm chụp tia X ngang mẫu đất xi măng 46 Hình 3.3 Vị trí chụp tia X ngang qua mẫu đất xi măng 46 Hình 3.4 Sự thay đổi giới hạn chảy, giới hạn dẻo số dẻo đất có hàm lượng MMT khác 48 Hình 3.5 Quan hệ khối lượng thể tích hàm lượng MMT mẫu đất xi măng ứng với thời gian bảo dưỡng ngày 49 Hình 3.6 Quan hệ khối lượng thể tích hàm lượng MMT mẫu đất xi măng ứng với thời gian bảo dưỡng 14 ngày 49 Hình 3.7 Quan hệ khối lượng thể tích hàm lượng MMT mẫu đất xi măng ứng với thời gian bảo dưỡng 28 ngày 50 Hình 3.8 Sự phân bố hạt MMT hỗn hợp 50 Hình 3.9 Ảnh tia X ngang mẫu đất xi măng có hàm lượng MMT khác tỉ số tổng lượng nước xi măng wT/c=3 .52 Hình 3.10 Ảnh tia X ngang mẫu đất xi măng có hàm lượng MMT khác tỉ số tổng lượng nước xi măng wT/c=5 .53 Hình 3.11 Giá trị CT-value vị trí A-A mẫu đất xi măng có hàm lượng MMT aMMT=0%, tỉ số tổng lượng nước xi măng wT/c=3, 54 Hình 3.12 Giá trị CT-value vị trí A-A mẫu đất xi măng có hàm lượng MMT aMMT=3,3%, tỉ số tổng lượng nước xi măng wT/c=3, 54 Hình 3.13 Giá trị CT-value vị trí A-A mẫu đất xi măng có hàm lượng MMT aMMT=6,5%, tỉ số tổng lượng nước xi măng wT/c=3, 55 Hình 3.14 Giá trị CT-value vị trí A-A mẫu đất xi măng có hàm lượng MMT aMMT=9,8%, tỉ số tổng lượng nước xi măng wT/c=3, 55 Hình 3.15 Giá trị CT-value trung bình vị trí A-A mẫu đất xi măng có hàm lượng MMT khác tỉ số tổng lượng nước xi măng wT/c=3, .56 Hình 3.16 Quan hệ giá trị CT-value khối lượng thể tích đất xi măng .56 viii Hình 7.1 Khoan địa chất 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 PHỤ LỤC THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ĐỘ TRƯƠNG NỞ 52 Hình 8.1 Chuẩn bị mẫu đất thí nghiệm Hình 8.2 Đo biến dạng mẫu đất 53 Hình 8.3 Mẫu đất sau thí nghiệm trương nở Bảng 8.1 Độ trương nở độ ẩm trương nở đất tự nhiên Hàm lượng Bentonite ab(%) Hàm lượng MMT aMMT(%) Khối lượng thể tích (g/cm3) Chiều cao biến dạng h(cm) Độ trương nở RN(%) Độ ẩm trương nở WN(%) 0% 6% 1,81 0,042 2,45 30,55 5% 9% 1,81 0,090 4,52 34,13 10% 12% 1,81 0,135 6,75 37,94 15% 15% 1,81 0,170 8,49 40,18 Bảng 8.2 Độ trương nở độ ẩm trương nở đất trộn xi măng Hàm lượng Bentonite ab(%) Hàm lượng MMT aMMT(%) Khối lượng thể tích (g/cm3) Chiều cao biến dạng h(cm) Độ trương nở N R (%) Độ ẩm trương nở WN(%) 0% 6% 1,82 0,002 0,45 25,00 5% 9% 1,82 0,014 0,70 28,31 10% 12% 1,82 0,026 1,30 30,42 15% 15% 1,82 0,071 3,55 33,46 54 ... trí trụ đất xi măng (Yang, D.S, 1997) [22] 11 Ảnh hưởng khoáng vật MMT đến cường độ chịu nén đất xi măng Terashi, M (1997) thống kê tất các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu nén mẫu đất xi măng. .. nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu nén mẫu đất xi măng nhấn mạnh ảnh hưởng khoáng vật MMT Phương pháp phân tích địa kỹ thuật tia X nghiên cứu xác định cường độ chịu nén đất. .. đầu trụ đất xi măng qn (kPa) Cường độ chịu nén lớp đất gia cố trụ đất xi măng qu (kPa) Cường độ chịu nén mẫu đất xi măng Qult,col (kN) Khả mang tải trụ đất xi măng xác định theo điều kiện vật