Phân tích ổn định của nền đường đắp cao bằng đất cấp phối thiên nhiên gia cố tro xỉ than

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN TRUNG KIÊN PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH CỦA NỀN ĐƯỜNG ĐẮP CAO BẰNG ĐẤT CẤP PHỐI THIÊN NHIÊN GIA CỐ TRO XỈ THAN Chun ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình Giao thơng Mã số: 60.58.02.05 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Đà Nẵng – Năm 2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: TS Bạch Quốc Tiến Phản biện 1: TS Trần Trung Việt Phản biện 2: TS Nguyễn Văn Châu Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ ngành Kỹ thuật xây dựng công trình giao thơng họp Trường Đại học Bách khoa vào ngày tháng năm 20 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng Trường Đại học Bách khoa - Thư viện Khoa xây dựng cầu đường, Trường Đại học Bách khoa ĐHĐN MỞ ĐẦU Trong công tác xây dựng cơng trình giao thơng, đường đắp cao thường áp dụng thiết kế công trình qua vùng đồng trũng thấp, đoạn tuyến đường cần thiết phải gia tăng cao độ mặt đường Các vấn đề thường phải giải thiết kế, thi công khai thác đắp cao : - Góc dốc mái khối đắp - Sự thay đổi đặc điểm - lý vật liệu đắp tương tác với nước thời gian dài Trong tình hình nay, việc nghiên cứu áp dụng giải pháp công nghệ nhằm tận dụng nguồn tro xỉ than nhiệm vụ cấp thiết thực tế sống do: q trình cơng nghiệp hóa đất nước cần có nhiều nhà máy - xí nghiệp sử dụng than dẫn đến nguồn tro xỉ than thải loại ngày lớn Trong đó, tro xỉ than tận dụng làm vật liệu cho nhiều ngành khác nhau, như: thay đất sét ngành công nghiệp xi măng, sử dụng làm thành phần cấp phối công tác cải tạo đất đắp Đối tượng nghiên cứu thực luận văn tất tro xỉ than miền, sử dụng để cải tạo đất, đất yếu, hướng đến sử dụng làm vật liệu đắp đường giao thông, đặc biệt đường đắp cao (trên 6-12 m) Nghiên cứu ảnh hưởng tro xỉ than đến ổn định đường đắp cao, thông qua xác định giá trị hệ số Fs (hệ số an toàn mái dốc) có mặt tro xỉ than hỗn hợp phối trộn mục tiêu nghiên cứu cốt lõi luận văn Phạm vi nghiên cứu đề tài ổn định mái dốc (hệ số Fs) đường đắp cao có mặt tro xỉ, hay nói cụ thể mối tương quan hàm lượng tro xỉ với hệ số ổn định Fs Phương pháp sử dụng luận văn là: thống kê kết nghiên cứu thực nghiệm có trước cơng bố nhằm xác định yếu tố có ảnh hưởng đến sức chống cắt đất có phối trộn tro xỉ than, tức là: xác định tham số tính chất vật liệu mà có ảnh hưởng đến thay đổi sức chống cắt đất Đó tham số đầu vào phương pháp thống kê, từ đó, mơ mối quan hệ theo phương pháp thống kê, rút quy luật để dự đoán sức chống cắt đất sau phối trộn (C, , : tham số đầu ra), sau có quy luật dự đốn, luận văn có áp dụng tính tốn cụ thể đối thay đổi Fs mái dốc giả định (với hỗ trợ phần mềm thương mại GeoSlope) sử dụng số liệu cụ thể đất nạo vét hồ Bình Yên, Quảng Ngãi phối trộn với tro bay Phả Lại, Việt Nam 2 Chương - TỔNG QUAN Trong chương có đề cập đến : + Các phương pháp tiêu chuẩn hành để xác định các tiêu cơ-lý đất có liên quan đến sức chống cắt đất + Sự tính tốn ổn định khối đắp : phương pháp Bishop, giới thiệu phần mềm hỗ trợ : phần mềm Geoslope + Sức chống cắt đất : yếu tố ảnh hưởng đến giá trị tính chất + Vật liệu tro xỉ than: khái quát thành phần hạt, thành phần hóa học, hoạt tính, xu hướng xử dụng công việc cải tạo đất 1.1 Mở đầu 1.2 Vấn đề ổn định khối đắp cao Nền đường đắp cao hiểu theo nghĩa thông thường có chiều cao đắp m, xuất vấn đề chính: ổn cơng trình trọng lượng khối đắp (luận văn không đề cập) ổn định khối đắp (ổn định mái dốc) 1.2.1 Vai trị sức chống cắt đất tính tốn ổn định khối đắp Sức chống cắt đất thể qua tiêu chính, lực dính kết đơn vị ( C ) góc ma sát đất (  ) a Lực dính kết Lực dính kết đất phụ thuộc nhiểu vào đặc điểm hóa lý đất: thành phần cỡ hạt, hình dạng hạt, thành phần khống, độ ẩm (W), hệ số rỗng (e), v.v, phản ánh liên kết hạt vật liệu đất Trong tính tốn ổn định khối đắp, việc xác định khả chịu tải giới hạn hay độ ổn định mái dốc, có xét đến yếu tố lực dính kết đơn vị vật liệu đất đắp Về ngun tắc chung, đất đắp có lực dính kết lớn sức chịu tải giới hạn đất đắp độ ổn định mái dốc lớn b Góc ma sát (Soil friction angle) Giá trị góc ma sát đất phụ thuộc nhiều vào thành phần cỡ hạt, hàm lượng hạt sét, vật chất hữu tham số quan trọng việc xác định sức chống cắt đất có tác dụng tải trọng bên ngồi Nhìn chung, đất có thành phần hạt thơ, hàm lượng sét hữu bé, độ ẩm độ chặt bé góc nội ma sát đất lớn ngược lại 3 Giá trị góc nội ma sát đất phản ánh khả tăng nhanh sức chống cắt có tác dụng tải trọng bên c Sự thay đổi sức chống cắt đất theo thời gian Sức chống cắt đất khối đắp thay đổi ảnh hưởng yếu tố bên đến sức chống cắt đất, như: mưa/khô hạn dài ngày, ngập nước dài ngày dẫn đến thay đổi độ ẩm, dung trọng đất, chiều sâu mực nước ngầm 1.2.2 Vai trò đặc điểm vật lý đất tính tốn ổn định khối đắp a Thành phần cỡ hạt Thành phần cỡ hạt đất đắp có ảnh hưởng đến hầu hết tiêu cơ-lý vật liệu b Khả đầm chặt Tương ứng với công đầm định, khả đạt độ chặt cử loại đất hoàn toàn tùy thuộc vào thành phần cỡ hạt, hàm lượng hạt sét, hình dạng hạt thành phần khống hóa đất 1.2.3 Phương pháp xác định hệ số ổn định mái dốc Hệ số ổn định mái đất dính thường tính tốn theo phương pháp mặt trượt hình trụ trịn, xem khối đất thể trạng thái ứng suất giới hạn xảy mặt trượt, mái đất đồng 1.3 Tổng quan biện pháp gia cố đất đắp cách thêm vào tro xỉ than 1.3.1 Tổng quan tro xỉ than a Tổng quan tro xỉ Việt Nam b Thành phần hóa học tro xỉ than c Đặc điểm thành phần cỡ hạt tro xỉ than 1.3.2 Tổng quan đất laterite cơng tác xây dựng a Sự hình thành đất laterite (q trình laterite hóa) b Thành phần hóa học đất đồi laterite Chương - ĐÁNH GIÁ SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA TRO XỈ THAN ĐẾN TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA ĐẤT ĐỒI Trong chương trình bày nội dung sau: + Sự ảnh hưởng tham số vật liệu (tro, đất) đến sức chống cắt đất sau phối trộn + Phương pháp thống kê : mạng nơ tron ANN + Kết thiết lập quan hệ tham biến đầu vào với giá trị đầu ma trân trọng số W Phần thiết lập có sử dụng phầm mềm soạn thảo code MATLAB 2.1 Mở đầu 2.2 Ảnh hưởng tro xỉ than đến tính chất địa kỹ thuật hỗn hợp đất sau phối trộn 2.2.1 Thành phần cỡ hạt Sự thay đổi thành phần cỡ hạt hỗn hợp đất sau phối trộn tùy thuộc nhiều vào thành phần cỡ hạt vật liệu: đất laterire tro xỉ than Nếu không xét ảnh hưởng “kết vón” phản ứng hóa lý xảy hỗn hợp đất phối trộn, thành phần cỡ hạt tính theo cơng thức “tuyến tính” sau hỗn hợp sau phối trộn, (Athanassios Nikolaides, 2015): a × PAi + b × PBi + c × PCi + … = PX CT Với: a, b, c, … tỷ lệ phối trộn (tính theo đơn vị thập phân) thành phần vật liệu phối trộn (A, B, C : đất laterite, tro xỉ, vôi) hỗn hợp (Chú ý: a + b + c + …= 1) PAi, PBi, PCi,… phần trăm lọt sàng tích lũy thành phần A, B, C, … cỡ sàng i PX phần trăm lọt sàng tích lũy hỗn hợp cỡ sàng i 2.2.2 Khả đầm chặt (thí nghiệm đầm nén tiêu chuẩn) a Ảnh hưởng đến dung trọng khơ lớn nhất, k,max Sự có mặt tro xỉ than hỗn hợp đất phối trộn làm giảm dung trọng khô lớn (k,max ) Tuy nhiên, mức độ giảm sút dung trọng khô lớn tùy thuộc vào đặc điểm đất nền, đặc điểm hóa học tro xỉ, … Điều thể qua kết thí nghiệm cơng bố báo khoa học tổng hợp bảng Bảng tổng hợp kết thực nghiệm công bố b Ảnh hưởng đến độ ẩm tối ưu, Wtn Sự có mặt tro xỉ than hỗn hợp đất phối trộn làm tăng độ ẩm tối ưu (Wtn) thí nghiệm đầm nén để xác định dung trọng khô lớn (k,max ) Tuy nhiên, mức độ tăng độ ẩm tốt hỗn hợp tùy thuộc vào đặc điểm đất nền, đặc điểm hóa học tro xỉ, … tổng hợp từ kết nghiên cứu trích dẫn bảng Tổng hợp kết thực nghiệm ảnh hưởng tham số fa đến giá trị tham số k,max 2.2.3 Tính dẻo Tính dẻo đất thể qua tiêu xác định thí nghiệm: độ ẩm giới hạn chảy (Wch) độ ẩm giới hạn dẻo (Wd) Chỉ số dẻo đất (Ip) xác định hiệu số kết quả: Ip = Wch – Wd (CT 2) a Độ ẩm giới hạn chảy Độ ẩm giới hạn chảy đất sử dụng nghiên cứu trước sau thêm vào tro xỉ than tổng hợp bảng Tổng hợp kết thực nghiệm ảnh hưởng fa đến tốc độ thay đổi Wch b Chỉ số dẻo Ip Sự có mặt tro xỉ than hỗn hợp phối trộn có ảnh hưởng đến số dẻo đất Kết thí nghiệm cơng trình nghiên cứu : (A.Binal, 2016) (RAJIB K G., 2004) tổng hợp bảng Tổng hợp kết thực nghiệm veefsuwj ảnh hưởng fa đến Ip 2.2.4 Sức chống cắt Khả chống lại lực cắt đất dính (đất lọai sét) có liên quan đến nhiều tham biến : độ ẩm, dung trọng, thành phần hạt, tính dẻo … Sự có mặt tro xỉ làm thay đổi tham biến theo thời gian hàm lượng hỗn hợp phối trộn, thay đổi biết đến phản ứng pouzzoland đất tro xỉ nguyên nhân a Lực dính kết, C Sự có mặt tro-xỉ than làm tăng sức chống cắt đất (giá trị góc nội ma sát  lực dính kết đất C tăng), thay đổi giải thích từ “kết vón” đất phản ứng tro xỉ than với thành phần khoáng vật sét có đất (phản ứng pouzzoland) Như vậy, hàm lượng tro xỉ than đất có ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ phản ứng hóa lý chúng làm thay đổi đáng kể đến gia tăng sức chống cắt đất, gia tăng thể rõ kết nghiên cứu Binal (A.Binal, 2016) tổng hợp bảng Tổng hợpkết thực nghiệm góc nội ma sát với thay đổi fa Mặt khác, kết nghiên cứu (Prabakar, et al., 2004) tổng hợp bảng cho thấy, hoạt tính sét (Ac) thành phần hạt sét-keo đất có ảnh hưởng lớn đến thay đổi lực dính kết C hàm lượng tro-xỉ than hỗn hợp phối trộn tăng lên Sự thay đổi lực dính kết đất cịn phụ thuộc vào hàm lượng hạt bột sét ( d 0.8) Sơ đồ tính tốn mạng ANN thể hình sau ° Nhập tham số đầu vào ° Xác định sai số lớn nhất, Emax ° Chọn trọng số W ban đầu ° Xác định sai số kết quả, E (hàm truyền) ° Cập nhật trọng số (hàm học) Sai E < Emax Đúng Xuất kết Hình Sơ đồ tính ANN Wch,s (%) Ip,s (%) Ac, (-) x1 x2 W12(1) W (1) 11 W22(1) W21 x3 W32(1) < d0.074,s (%) Aa, (-) h,a (kN/m3) W1(1) (1) x4 W31(1) Y(1)1 W2(1) W1(2) W11(2) x5 Y1(2) x6 Z1(2) W2(1) fa, (%) x7 W21(2) W81(1) fs, (%) x8 Y(1)2 Kmax,b (kN/m3) x9 Wtn,b (%) W1(1), W2(1), W1(2) : Trọng số bias Z1(2): liệu xuất x10 Hình Sơ đồ mạng nơ tron Hàm truyền sơ đồ sử dụng hàm GDM tích hợp sẵn MATLAB sử dụng cho lớp nút ẩn (Y1) lớp đầu (Y2) Hàm học sử dụng hàm GDM Sai số kết tính bước xác định hàm sai số tồn phương trung bình MSE (Mean squared error) 2.3.3 Số liệu sử dụng Số liệu sử dụng cho mạng ANN sử dụng từ kết nghiên cứu thực nghiệm từ tác giả tập hợp bảng Tổng hợp số liệu sử dụng tham số đầu vào phương pháp ANN 10 Tham số đầu sử dụng ANN tổng hợp bảng Tổng hợp số liệu đầu sử dụng phương pháp ANN 2.3.4 Kết Với 40 cặp số liệu tổng hợp thể bảng bảng 5, số liệu chia làm phần : 28 cặp số liệu dùng để thiết lập trọng số quan hệ (training set), cặp để kiểm tra kết (testing set) cặp lại để xác nhận (validation set) Các cặp số liệu thuộc nhóm chọn ngẫu nhiên hệ thống sở liệu sử dụng Với 10 nút ẩn mạng lưới ANN, việc tính tốn trọng số liên quan áp dụng cho tham biến đầu cho lần áp dụng phương pháp (hình26) Hình sơ đồ mạng ANN áp dụng cho tham số đầu Các tham biến đầu đặc tính lý hỗn hợp phối trộn đất với tro xỉ, : góc nội ma sát dự kiến , lực dính kết dự kiến C, dung khơ lớn dự kiến kmax độ ẩm tốt dự kiến Wtn a Góc nội ma sát hỗn hợp sau phối trộn Kết ANN áp dụng với cặp số liệu vào/ra , cho thấy : giá trị góc nội ma sát hỗn hợp phối trộn dự kiến có mối quan hệ với giá trị thực nghiệm thể hình 27 11 Hình Góc nội ma sát dự kiến hỗn hợp phối trộn b Dự kiến lực dính kết Cũng tương tự trên, kết tính tốn phương pháp ANN cho thấy, giá trị lực dính kết dự kiến thể hình 28 12 Hình Lực dính kết dự kiến hỗn hợp phối trộn c Dung trọng khô lớn dự kiến Giá trị dung trọng khô lớn dự kiến hỗn hợp so với giá trị thực nghiệm thể hình 29 13 Hình Dung trọng khơ lớn (dung trọng đầm nén) dự kiến d Độ ẩm tốt hỗn hợp phối trộn dự kiến Hình 30 thể kết tính tốn giá trị độ ẩm tốt hỗn hợp sau phối trộn so với kết đo từ thực nghiệm 14 Hình Độ ẩm tốt dự kiến e Trọng số tương quan giá trị dự kiến với tham số đầu vào Từ kết mô cho thấy giá trị dự kiến tham số đầu có mối tương quan với giá trị thực nghiệm 80%, qua đó, sử dụng ma trận trọng số w tham số đầu vào để dự đoán đặc điểm đầu hỗn hợp sau phối trộn 15 Chương - PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH MÁI DỐC Chương đề cập đến ảnh hưởng hàm lượng tro xỉ có mặt đất gia cố lên hệ số ổn định mái dốc Qua đó, xác định hàm lượng tro xỉ tốt việc gia tăng sức chống cắt đất 3.1 Dẫn nhập Luận văn trình bày mối tương quan hệ số ổn định mái dốc với hàm lượng tro xỉ có mặt loại đất đắp sử dụng Việc tính tốn hệ số ổn định nhờ vào phần mềm thương mại Geoslope, với modun SLOPE/W 3.2 Đặc điểm mái dốc nghiên cứu 3.2.1 Kích thước hình học Mái dốc nghiên cứu luận văn đánh giá với kích thước hình học sau (hình 31) : b (*): Đất đắp lấy vùng: hồ Bình Yên, Bình Khương, Quảng Ngãi (V T Tuấn, 2018) Bm hm H ĐẤT ĐẮP(*) Wch,s = 46.7 Ip,s = 27.6 < d0.074,s = 41.6 h B 16 Hình Kích thước khối đắp đánh giá Các giá trị kích thước khối đắp thể bảng sau : Bảng 5.Tổng hợp giá trị kích thước khối đắp Kích thước (m) Tỷ lệ mái dốc Ký hiệu B b Bm H h hm M1 40 12 24 16 12 1:2 M2 40 12 18 20 12 :1.5 3.2.2 Vật liệu sử dụng Vật liệu sử dụng khối đắp giả định sử dụng lại nguồn cung cấp sau : + Đất nạo vét từ hồ Bình Yên, Bình Khương, Tỉnh Quảng Ngãi + Tro bay lấy từ nhà máy nhiệt điện Phả Lại Các tham số đầu vào đặc điểm sức chống cắt khả đầm nén theo tỷ lệ phối trộn tro xỉ đất, tính từ phương pháp ANN trình bày chương Kết tổng hợp bảng : Bảng Tổng hợp số đặc điểm đất sử dụng tính tốn Đất Vật liệu Wch,s Ip,s 47.6 27.6 Ac 1.1 Tro xỉ