Nghiên cứu ảnh hưởng của độ ẩm và thành phần hạt mịn đến mô đun đàn hồi của nền đường đắp đất sét pha cát ở đồng bằng sông cửu long

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHAN QUANG CHIÊU NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ ẨM VÀ THÀNH PHẦN HẠT MỊN ĐẾN MÔ ĐUN ĐÀN HỒI CỦA NỀN ĐƯỜNG ĐẮP ĐẤT SÉT PHA CÁT Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG Mã số chuyên ngành: 62.58.60.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH NĂM 2018 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHAN QUANG CHIÊU NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ ẨM VÀ THÀNH PHẦN HẠT MỊN ĐẾN MÔ ĐUN ĐÀN HỒI CỦA NỀN ĐƯỜNG ĐẮP ĐẤT SÉT PHA CÁT Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG Mã số chuyên ngành: 62.58.60.01 Phản biện độc lập 1: PGS.TS Nguyễn Thành Đạt Phản biện độc lập 2: PGS.TS Châu Trường Linh Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Phi Lân Phản biện 2: PGS.TS Lê Bá Vinh Phản biện 3: PGS.TS Trương Quang Thành NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Võ Phán PGS.TS Võ Ngọc Hà LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng cá nhân tơi Các kết quả, số liệu, hệ số hồi qui đề nghị lập nêu luận án trung thực chưa công bố cơng trinh khác, ngồi báo, nghiên cứu khoa học mà người nghiên cứu cơng bố Trong q trình nghiên cứu, tơi có sử dụng kết nghiên cứu, công thức phần mềm ứng dụng tác giả khác, tất thích số hiệu trích dẫn liền kề liệt kê theo thứ tự qui định phần “ Tài liệu tham khảo” Tác giả luận án Phan Quang Chiêu i TĨM TẮT LUẬN ÁN Mục đích nghiên cứu nhằm xác định mức độ ảnh hưởng độ ẩm thành phần hạt mịn 0,075mm đến mô đun đàn hồi (MĐĐH) để hạn chế biến dạng ngăn ngừa sạt lở đường đắp đất sét pha cát vùng đồng sông Cửu Long (ĐBSCL) Đề xuất phương pháp ước tính MĐĐH đường đắp đất sét pha cát vùng ĐBSCL thay phương pháp thí nghiệm trường tốn thời gian đắt tiền Kiến nghị tương quan MĐĐH kết thí nghiệm bàn nén tải trọng tĩnh trường với nén ba trục phịng Thí nghiệm bàn nén tải trọng tĩnh mơ hình đường đắp đất sét pha cát ngập lũ để đo biến dạng đàn hồi đường Thí nghiệm phịng xác định đặc trưng vật lý đất, nén ba trục theo sơ đồ mô tải trọng xe tác dụng mẫu đất sét pha cát thu thập tuyến đường vùng ĐBSCL, chế bị với giá trị độ ẩm khác nhau, giá trị độ ẩm áp dụng ba cấp áp lực hông, cấp áp lực hông thực năm cấp ứng suất lệch để xác định giá trị MĐĐH Lập chương trình phân tích hồi qui theo giải thuật Levenberg-Marquardt tìm hệ số Kết nghiên cứu với đất sét pha cát đắp đường vùng ĐBSCL cho thấy: Tỉ lệ cỡ hạt mịn 0,075mm ảnh hưởng nhiều đến thay đổi MĐĐH đường Ở cấp áp lực đứng thông dụng 142 kPa đến 198 kPa, giá trị độ ẩm xấp xỉ độ ẩm tối ưu 16,3%, giá trị MĐĐH đường theo thí nghiệm bàn nén tải trọng tĩnh 77,9% đến 98,5 % giá trị MĐĐH ước tính theo hệ số tìm Kết nghiên cứu tham khảo để tính tốn hạn chế biến dạng ngăn ngừa sạt lở đường thời gian ngập lũ hay thiết kế đường vùng ĐBSCL phạm vi xe có tốc độ chậm 40 km/giờ nghiên cứu đáp ứng yêu cầu thực tiễn ii ABSTRACT This research aims at confirming the influence of the water content and soil composition with particles finer than 0.075 mm to the resilient modulus (Mr) in order to restrict the deformation and prevent landslide of sandy clay pavement subgrade in Mekong Delta (MD) A method is proposed to estimate Mr of sandy clay pavement subgrade in MD instead of using in-situ test for saving time and cost In addition, this research estimates a correlation on Mr between the experimental results of static plate load with those of the laboratory triaxial compression tests The static plate load tests are based on the model of flooded sandy clay pavement subgrade to measure its resilient deformation The laboratory tests determine basic properties of the soil The laboratory triaxial compression tests are performed via simulated wheelloads influencing the sandy clay moulds collected from the pavement subgrade in MD with different water content values Each water content value is applied with three confining pressure levels, and each one is implemented with five deviator levels in order to confirm the Mr values Based on the experimental results, a regression analysis program is carried out by using Levenberg – Marquardt Algorithm to find out the coefficients The results of the sandy clay pavement subgrade in MD show that: The more the percentage of particles finer than 0.075 mm is, the more the Mr value of the sandy clay pavement subgrade varies At the common vertical pressure level of 142 kPa to 198 kPa, with the water content value approximating to the optimum 16.3%, the Mr of the sandy clay pavement subgrade obtainted by static plate load test is from 77.9% to 98.5% of the value of Mr which is estimated by found coefficients The results in this study could be referenced to minimize the deformation and prevent the collapse of sandy clay pavement subgrade in MD especially during floods or to design the sandy clay pavement subgrade in the scope of vehicle movement with the low speed under 40 km/hour Moreover, other following research would meet the certain demand of reality iii LỜI CẢM ƠN Tôi vơ biết ơn Phó Giáo sư – Tiến sĩ Võ Phán Phó Giáo sư – Tiến sĩ Võ Ngọc Hà tận tâm, tận lực giúp đỡ, hướng dẫn, động viên từ đăng ký đề tài, nghiên cứu chun đề, thí nghiệm, thực nghiệm đến hồn thành bảo vệ Luận án tiến sĩ kỹ thuật Tôi xin chân thành cảm ơn hướng dẫn, giúp đỡ nhiệt tình Giáo sư – Tiến sĩ khoa học Nguyễn Văn Thơ, Phó Giáo sư – Tiến sĩ Châu Ngọc Ẩn, Phó Giáo sư – Tiến sĩ Lê Bá Vinh, Phó Giáo sư – Tiến sĩ Nguyễn Minh Tâm, Phó Giáo sư – Tiến sĩ Bùi Trường Sơn, Tiến sĩ Đỗ Thanh Hải, Tiến sĩ Lê Trọng Nghĩa Tôi xin chân thành cảm ơn Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh, Trường Đại học Bách Khoa, Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Phòng Đào tạo Sau đại học, Bộ mơn Địa – Nền móng, Trường Đại học Tiền Giang tạo điều kiện thuận lợi cho tơi nghiên cứu, thí nghiệm, thực nghiệm hoàn thành Luận án Xin cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Tiền Giang, gia đình bạn bè động viên, giúp đỡ suốt trình nghiên cứu, hoàn thành bảo vệ luận án tiến sĩ kỹ thuật Chân thành cảm ơn! iv MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH vii DANH MỤC BẢNG BIỂU ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT x CÁC KÝ HIỆU TRONG LUẬN ÁN xi MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ MÔ ĐUN ĐÀN HỒI CỦA NỀN ĐƯỜNG 1.1 Mô đun đàn hồi yếu tố ảnh hưởng 1.1.1 Cách xác định MĐĐH 1.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến mô đun đàn hồi 10 1.2 Một số phương pháp đánh giá ước lượng mô đun đàn hồi đường 15 1.2.1 Công thức USDA (Carmichael Stuart, 1986) 16 1.2.2 Công thức Hyperbolic ( Drumm et al, 1990) 17 1.2.3 Công thức GDOT (Santha, 1994) 18 1.2.4 Công thức TDOT ( Pezo Hudson, 1994) 19 1.2.5 Công thức UCS (Lee et al, 1995) 20 1.2.6 Công thức ODOT (Bộ Giao thông Ohio, 1999) .21 1.3 Nhận xét 23 CHƯƠNG BẢN CHẤT VẬT LÝ LIÊN QUAN ĐẾN MÔ ĐUN ĐÀN HỒI CỦA NỀN ĐƯỜNG ĐẮP LOẠI ĐẤT DÍNH THEO ĐỘ ẨM VÀ THÀNH PHẦN HẠT MỊN 24 2.1 Ảnh hưởng độ ẩm đến MĐĐH 24 2.1.1 Định nghĩa đất hạt mịn 24 2.1.2 Ảnh hưởng độ ẩm 24 2.1.3 Ảnh hưởng độ bão hoà 26 2.1.4 Ảnh hưởng độ ẩm – độ chặt 26 2.2 Ảnh hưởng thành phần hạt mịn 34 2.2.1 Nguyên lý 34 2.2.2 Ảnh hưởng thành phần hạt mịn 35 2.3 Ảnh hưởng tải trọng trùng phục 38 2.3.1 Định nghĩa tải trọng trùng phục 38 2.3.2 Ảnh hưởng tải trọng trùng phục 38 2.4 Công thức Dong-Gyou Kim.MS 40 2.4.1 Cơ sở thiết lập công thức 40 2.4.2 Sự thích hợp công thức (2.11) đường ĐBSCL 47 2.4.3 Phân tích bổ sung hệ số xét ảnh hưởng thành phần hạt mịn 0,075 mm 47 2.5 Nhận xét 48 CHƯƠNG THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ ẨM VÀ THÀNH PHẦN HẠT MỊN ĐẾN MÔ ĐUN ĐÀN HỒI CỦA NỀN ĐƯỜNG ĐẮP ĐẤT SÉT PHA CÁT Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG 49 3.1 Giới thiệu 49 3.1.1 Mục đích 49 v 3.1.2 Phương pháp tiêu chuẩn thí nghiệm 49 3.2 Cơng tác thu thập mẫu thí nghiệm 50 3.2.1 Thu thập mẫu 50 3.2.2 Thí nghiệm xác định đặc trưng vật lý đất 51 3.2.3 Thí nghiệm nén nhanh sử dụng buồng nén ba trục xác định mô đun đàn hồi đất 53 3.2.3.1 Mục đích 53 3.2.3.2 Quy trình thí nghiệm 53 3.3 Thí nghiệm bàn nén tải trọng tĩnh đo đạc biến dạng đàn hồi đường ngập lũ 63 3.3.1 Mục đích 63 3.3.2 Xây dựng mơ hình đường ngập lũ 63 3.3.3 Thí nghiệm bàn nén tải trọng tĩnh 67 3.3.3.1 Tiêu chuẩn thí nghiệm 67 3.3.3.2 Thiết bị phương tiện thí nghiệm 67 3.3.3.3 Phương pháp thí nghiệm 69 3.3.3.4 Kết thí nghiệm 71 3.4 Kết luận 73 CHƯƠNG PHÂN TÍCH HỒI QUI THEO GIẢI THUẬT LEVENBERG MARQUARDT VÀ TƯƠNG QUAN GIỮA THÍ NGHIỆM HIỆN TRƯỜNG VỚI TRONG PHÒNG .74 4.1 Xác định cơng thức phân tích hồi qui 74 4.2 Phân tích hồi qui 75 4.2.1 Tập hợp liệu 75 4.2.2 Sử dụng giải thuật phân tích hồi qui 75 4.2.2.1 Giới thiệu 75 4.2.2.2 Giải thuật Levenberg–Marquardt 76 4.2.3 Đánh giá độ tin cậy hệ số 86 4.3 Tương quan thí nghiệm bàn nén tải trọng tĩnh với nén ba trục phòng ……………………………………… 87 4.3.1 MĐĐH mô hình đường ngập lũ ước tính theo hệ số hồi qui tìm (bảng 4.2) 87 4.3.2 Tương quan MĐĐH thí nghiệm trường phòng 91 4.3.3 So sánh với tiêu chuẩn hành 91 4.4 Kết luận 92 KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 94 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 96 TÀI LIỆU THAM KHẢO 98 PHỤ LỤC vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 0.1 Giới hạn địa lý vùng đồng sơng Cửu Long Hình 0.2 Bản đồ vùng ngập lũ ĐBSCL năm 2000 dự báo năm 2090 Hình 1.1 Ứng suất tác dụng lên mẫu Hình 1.2 Biến dạng dẻo biến dạng đàn hồi tác dụng tải trọng lặp Hình 1.3 Xác định mô đun đàn hồi Mr Hình 1.4 So sánh ảnh hưởng lực hút dính thực nghiệm với cơng thức (1.2) 12 Hình 1.5 So sánh ảnh hưởng lực hút dính thực nghiệm với cơng thức (1.2) 12 Hình 1.6 So sánh ảnh hưởng lực hút dính thực nghiệm với cơng thức (1.3) 13 Hình 1.7 Quan hệ 1/ α số dẻo Ip 13 Hình 1.8 Xác định thơng số vật liệu a theo thí nghiệm nén nở hơng 17 Hình 1.9 Biểu đồ xác định hệ số a theo thí nghiệm nén ba trục 21 Hình 1.10 Biểu đồ quan hệ CBR số nhóm GI 22 Hình 2.1 Nước hút bám xung quanh hạt đất 24 Hình 2.2 Ảnh hưởng độ ẩm đến mơ đun đàn hồi theo thí nghiệm Kim.MS 25 Hình 2.3 Kết Schofield nghiên cứu đường pF sét theo q trình khơ dần ướt dần 26 Hình 2.4 Lộ trình thay đổi độ ẩm:(a) Dung trọng khơ số;(b) Cơng đầm số 27 Hình 2.5 Quan hệ Rm1 độ ẩm với dung trọng khơ số .28 Hình 2.6 Quan hệ Rm2 độ ẩm với công đầm số 29 Hình 2.7 Ảnh hưởng dung trọng khô đến Mr 30 Hình 2.8 Các dạng phân bố độ ẩm thân đường 33 Hình 2.9 Ảnh hưởng độ ẩm tương đối trị số tài trọng trùng phục đến phá hoại đường 39 Hình 2.10 MĐĐH thay đổi theo ứng suất áp lực hông (2.11) 43 Hình 2.11 MĐĐH theo ứng suất lệch hệ số k1 tăng 44 Hình 2.12 MĐĐH theo ứng suất lệch hệ số k2 tăng 44 Hình 2.13 So sánh giá trị Mr theo kết thí nghiệm nén ba trục phịng mẫu với cơng thức (2.11) cho tất độ ẩm 45 Hình 2.14 So sánh Mr theo kết thí nghiệm phịng Kim.MS với công thức Mỹ 46 Hình 3.1 Hệ thống thiết bị nén ba trục 54 Hình 3.2 Kết đặt tải với mẫu đất khơng bão hồ (ĐT.942.7-2) 55 Hình 3.3 Quan hệ σd với biến dạng đàn hồi, σ3 khơng đổi (ĐT.942.7-2) 56 Hình 3.4 Đường cong biến dạng đàn hồi thí nghiệm ép lún lúc tải trọng tăng cấp với tốc độ 57 Hình 3.5 Biểu đồ xác định cường độ chịu nén nở hông qu (ĐT.942.7-2) 58 Hình 3.6 Kết đặt tải với mẫu đất bão hoà (ĐT.942.7-5) 59 Hình 3.7 Mr theo độ ẩm ứng suất lệch, áp lực hông 41 (kPa) 60 Hình 3.8 Mr theo độ ẩm ứng suất lệch, áp lực hông 21 (kPa) 60 vii Hình 3.9 Mr theo độ ẩm ứng suất lệch, áp lực hông (kPa) 61 Hình 3.10 Ảnh hưởng thành phần hạt mịn 0,075 mm đến Mr 62 Hình 3.11 Đất đắp lớp máy đào-lu tấn-v = 4km/h-30 lượt/điểm 63 Hình 3.12 Mơ hình đường ngập lũ 64 Hình 3.13 Sơ đồ vị trí thí nghiệm bàn nén tải trọng tĩnh (TL 1/150) 65 Hình 3.14 Mặt cắt địa chất mơ hình 66 Hình 3.15 Sơ đồ vị trí thí nghiệm bàn nén tải trọng tĩnh (mặt cắt ngang) 67 Hình 3.16 Vệt bánh xe tiếp xúc mặt đường …… ………… .68 Hình 3.17 Thiết bị thí nghiệm đo đạc biến dạng đàn hồi đường ngập lũ…… 69 Hình 3.18 Số đọc biến dạng tương ứng vị trí ép 70 Hình 3.19 MĐĐH thay đổi theo gia tăng độ ẩm áp lực nén mơ hình 72 Hình 4.1 Đồ thị M(x,t) đường liên tục 76 Hình 4.2 Tương quan giá trị Mr ước tính theo hệ số an bn kết nghiên cứu tìm (bảng 4.2) với kết thí nghiệm nén ba trục nén nhanh phòng 84 Hình 4.3 Giá trị MĐĐH ước tính với mơ hình theo (2.11) hệ số an, bn (bảng 4.2) 89 Hình 4.4 Giá trị MĐĐH ước tính với mơ hình theo (2.11) hệ số an, bn (bảng 2.8) Kim.MS 90 viii printf(" %.7g ",t); //tinh dao ham rieng cho b7 jac[j++]= t = PI; printf(" %.7g ",t); //tinh dao ham rieng cho b8 jac[j++]= t = LL; printf(" %.7g\n",t); } } void K2FuncOut(double *p, double *x, int m, int n, void *data, FILE * file) { register int i; double k1=0,k2=0, coso=0, t=0; if (!file) return; for(i=0; i