Đánh giá tường chắn đất có cốt dùng cốt mạ kẽm tự chế tạo bằng mô hình thực nghiệm và mô phỏng có xem xét vật liệu đắp tại miền Trung Việt Nam

Nghiên cứu chỉ ra rằng ổn định nội bộ của tường chắn đất có cốt phụ thuộc nhiều vào tương tác đất-cốt và môi trường. Tương tác đất-cốt phụ thuộc chủ yếu vào tính chất cơ-lý (độ ẩm, thành phần hạt) và hình dạng của cốt, tuổi thọ của cốt phụ thuộc chủ yếu vào hóa tính (trở kháng, pH, Cl – , SO4 2 – ) của vật liệu đắp và môi trường. Mời các bạn tham khảo!

Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng, ĐHXDHN, 2021, 15 (7V): 94–108 ĐÁNH GIÁ TƯỜNG CHẮN ĐẤT CÓ CỐT DÙNG CỐT MẠ KẼM TỰ CHẾ TẠO BẰNG MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ MƠ PHỎNG CĨ XEM XÉT VẬT LIỆU ĐẮP TẠI MIỀN TRUNG VIỆT NAM Châu Trường Linha , Nguyễn Thu Hàa,∗, Vũ Đình Phụngb a Khoa Xây dựng Cầu đường, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng, 54 đường Nguyễn Lương Bằng, quận Liên Chiểu, Đà Nẵng, Việt Nam b Khoa Cơng trình, Trường Đại học Thủy Lợi, 175 đường Tây Sơn, quận Đống Đa, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 23/9/2021, Sửa xong 18/11/2021, Chấp nhận đăng 19/11/2021 Tóm tắt Hiện nay, xây dựng tường chắn đất có cốt Việt Nam phải sử dụng loại cốt nhập từ hãng nước Bài báo đề xuất sử dụng cốt thép thương mại mạ kẽm dùng cho tường chắn đất có cốt Nghiên cứu ổn định nội tường chắn đất có cốt phụ thuộc nhiều vào tương tác đất-cốt môi trường Tương tác đất-cốt phụ thuộc chủ yếu vào tính chất cơ-lý (độ ẩm, thành phần hạt) hình dạng cốt, tuổi thọ cốt phụ thuộc chủ yếu vào hóa tính (trở kháng, pH, Cl – , SO4 – ) vật liệu đắp mơi trường Các yếu tố cơ-lý-hóa vật liệu đắp 75 mỏ thu thập Miền Trung cốt thí nghiệm theo tiêu chuẩn hành để lựa chọn mỏ vật liệu đắp phù hợp cho tường chắn đất sử dụng cốt thép mạ kẽm Mơ hình thực nghiệm tỉ lệ 1/1 mơ ứng xử tường từ dự báo thời gian phục vụ tường chắn tác động xâm thực mơi trường Từ khố: tường chắn đất có cốt; vật liệu đắp; tiêu cơ-lý-hóa; mơ hình thực nghiệm; cốt mạ kẽm tự chế tạo; tương tác đất-cốt ASSESSMENT OF MECHANICALLY STABILIZED EARTH WALLS USING SELF-MADE GALVANIZED STEEL STRIPS BY EXPERIMENTAL MODEL AND CONSIDERING BACKFILL MATERIALS IN THE CENTRAL REGION-VIETNAM Abstract Currently, all kinds of steel strips used for Vietnam retaining wall construction have been imported at a very high cost which leads to an increase in construction expenses We have made a proposal to use galvanized commercial reinforced steel for mechanically stabilized earth walls (MSE walls) This research has shown that the internal stability of this type of wall mainly depends on the soil-reinforcement interaction and the environment Soil-reinforcement interaction significantly depends on mechanical properties (humidity, grain composition, etc.) and reinforcement shape, whereas the reinforcement service life depends mainly on chemical properties of backfill materials (soil impedance, pH, Cl – , SO4 – ) and the environment The main mechanicalphysical-chemical elements of backfill materials of 75 mines collected in the Central region-Vietnam and steel strips have been tested following the current standards to select appropriate backfill mines for MSE walls using self-made galvanized steel strips (SGSS) An experimental model with a scale of 1/1 has simulated the behaviors of retaining walls and predicted the service life of them under the aggression effects of environmental factors Keywords: mechanically stabilized earth walls (MSE walls); backfill materials; mechanical-physical-chemical properties; experimental models; self-made galvanized steel strips (SGSS); soil-reinforcement interaction https://doi.org/10.31814/stce.huce(nuce)2021-15(7V)-09 © 2021 Trường Đại học Xây dựng Hà Nội (ĐHXDHN) ∗ Tác giả đại diện Địa e-mail: ntha@dut.udn.vn (Hà, N T.) 94 Linh, C T., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Đặt vấn đề Tường chắn đất có cốt làm việc ổn định chủ yếu nhờ huy động ứng suất kéo cốt thông qua ma sát đất-cốt Các cốt kim loại dạng dải có bề rộng hẹp, tác dụng tương hỗ cốt-đất túy dựa vào ma sát (sự neo bám) [1] Vì vậy, thành phần hạt, độ ẩm đất, cấu tạo hình dạng cốt ảnh hưởng lớn đến neo bán Lực chống kéo tuột cốt (Hình 1) phụ thuộc vào sức kháng cắt đất, độ nhám diện tích bề mặt cốt [2, 3] Hình Cơ chế tương tác cốt kim loại (dạng dải) với vật liệu đắp Tuổi thọ tường chắn đất có cốt ln xét đến thiết kế Trong phần lớn ứng dụng, tuổi thọ thiết kế lựa chọn cho đơn nguyên cốt thường tuổi thọ làm việc cơng trình [4] Khi sử dụng cốt kim loại, ăn mịn điện hóa làm giảm tuổi thọ cốt theo thời gian (Hình 2) Các nhân tố ảnh hưởng đến ăn mịn tiêu hóa đất trở kháng, pH, Cl – , SO4 – tác nhân môi trường [5–7] Hình Cốt tường chắn đất có cốt bị ăn mịn Hiện nay, kết cấu cơng trình sử dụng tường chắn đất có cốt tính tốn thiết kế thi cơng theo tiêu chuẩn Anh BS 8006-1 (2010), tiêu chuẩn Mỹ FHWA-NHI-00-043 (2001), qui trình Pháp-Châu Âu NF EN P94-270 (2009) tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 11823-11 (2017) Các tiêu chuẩn có qui định chặt chẽ vật liệu đắp cốt dùng cho tường chắn đất có cốt sử dụng cốt kim loại dạng dải Bài báo tập trung nghiên cứu lựa chọn loại đất thuộc mỏ đất đồi khu vực Miền Trung đạt yêu cầu tính chất cơ-lý-hóa để sử dụng làm vật liệu đắp cho tường chắn có cốt, từ tiến hành mơ thực nghiệm tường chắn có cốt sử dụng loại vật liệu đắp lựa chọn cốt thép tự chế tạo Nội dung nghiên cứu tiền đề cho nghiên cứu ứng dụng thực tế nhằm hướng đến giảm giá thành xây dựng tận dụng lực sản xuất doanh nghiệp nước 95 Linh, C T., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng u cầu vật liệu đắp - cốt kết thí nghiệm tiêu - lý - hóa 2.1 Yêu cầu vật liệu đắp - cốt Theo [4, 8–10], vật liệu đất đắp cho tường chắn đất có cốt dùng cốt kim loại đất rời, dính thuộc nhóm đất A-1-a, A-1-b, A-3, A-2-4, A-2-5 theo [11]; Góc nội ma sát cao (đất rời φ ≥ 320, đất dính φ ≥ 280 theo [12] [13]), bão hịa nước φ ≥ 250; Mẫu thí nghiệm đầm chặt đến K98 theo [14] (phương pháp C D) độ ẩm tốt sai số khoảng ± 2%; Lượng chứa hữu không vượt 1% theo trọng lượng [15]; Cỡ hạt lớn không vượt 125 mm với tỉ lệ tối đa có mặt đất 25%, lượng lọt qua sàng 0,015 mm khơng vượt q 10% Với nhóm đất A-1-a theo tỉ lệ lọt sàng 0,074 mm không vượt 15%; sàng 0,425 mm không vượt 30%; sàng mm không vượt 50% [11]; Chỉ số dẻo IP ≤ 6, số nhóm GI = [11]; Các tính chất điện hóa đất phải thỏa mãn yêu cầu Bảng Bảng Các đặc trưng hóa học vật liệu đắp dùng cốt kim loại [4, 8–10] Thép không mạ thép mạ Các đặc trưng điện hóa pH max Hàm lượng Ion Cl – tối đa Hàm lượng Ion SO4 – tối đa Điện trở suất tối thiểu (Ω.cm) Tường ngập nước Tường không ngập nước 10 100 ppm; (0,1 mg/g) 200 ppm; (0,2 mg/g) 3000 10 100 ppm; (0,1 mg/g) 200 ppm; (0,2 mg/g) 1000 Vật liệu dùng làm cốt kim loại phải có khả chịu lực kéo, khả chống lại ảnh hưởng biến dạng khối đắp có sức chống ăn mòn định [2, 4] Bảng nêu đặc trưng tối thiểu vật liệu dùng làm cốt kim loại Bảng Đặc trưng vật liệu dùng làm cốt kim loại theo [4, 16, 17] Loại thép cacbon dùng làm cốt theo Chiều dày tối đa chịu ứng suất tác dụng (mm) Cường độ chịu kéo tối thiểu (N/mm2 ) Cường độ kháng cắt tối thiểu (N/mm2 ) Cường độ chịu nén tối thiểu (N/mm2 ) BS EN 10025-2:2004, S 235 JR BS EN 10025-2:2004, S 275 JR BS EN 10025-2:2004, S 355 JR BS 4449:2005, BS EN 10080:2005 16 16 10 40 360 410 470 525 215 245 280 315 360 410 470 525 Cốt kim loại tường chắn đất có cốt bị ăn mịn điện hóa (chủ yếu ăn mịn cục bộ) theo thời gian, làm cho cốt bị giảm diện tích tiết diện giảm độ bền chịu kéo Thực tế cốt bị ăn mịn vị trí định tùy vào điều kiện mơi trường xung quanh [5, 6] Vì vậy, tiêu chuẩn qui định chiều dày dự phịng cho phép (chiều dày hy sinh) khơng tính vào kết cấu bề mặt tiếp xúc với mơi trường ăn mịn cốt vùi vật liệu đắp Bảng 96 Linh, C T., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Bảng Chiều dày thí bỏ bề mặt tiếp xúc với mơi trường ăn mịn [4, 16] Chiều dày hy sinh (mm) Tuổi thọ thiết kế kết cấu dùng cốt thép mạ (năm) Kết cấu tiếp xúc với nước Kết cấu đặt đất (ngoài vùng nước) 10 50 60 70 120 0 0,3 0,38 0,45 0,75 0 0,55 0,63 0,7 1,0 2.2 Kết thí nghiệm tiêu - lý - hóa vật liệu đắp Theo Quyết định qui hoạch đất đồi sử dụng làm vật liệu san lấp giai đoạn 2020-2025, định hướng đến 2030 [18], khu vực Miền Trung có 579 mỏ đất với diện tích 10.980,58 trữ lượng 466.959.485 m3 Trong 579 mỏ trên, có 75 mỏ có diện tích trữ lượng đất lớn nên chọn để thí nghiệm Các thí nghiệm tính chất - lý - hóa mẫu đất nhóm tác giả thực phịng thí nghiệm Cầu đường thuộc trường Đại học Bách khoa-Đại học Đà Nẵng Trung tâm Kỹ thuật Đường (phịng thí nghiệm_LAS XD 73) Dưới kết thí nghiệm mỏ đất địa bàn thành phố Đà Nẵng Bảng Tổng hợp kết thí nghiệm mẫu đất đồi thành phố Đà Nẵng TT Địa bàn mỏ Sơn Phước Đèo ông gấm Xuân Phú Hòa Nhơn Hòa Cầm Hòa Sơn Mỏ 532 γk max Chỉ số c Điện trở Độ Ion Cl – φ (độ) W0 (%) kN/m dẻo IP (kN/m ) suất (Ω.cm) pH (mg/g) 18,25 19,01 18,16 19,08 19,08 19,10 19,02 12,0 12,6 12,5 13,5 15,0 13,4 12,1 8,76 8,11 8,55 15,05 13,68 15,84 7,98 4,2 6,0 5,1 5,5 7,3 4,6 6,2 32,5 30,6 34,3 28,1 30,3 33,2 35,7 8245 10643 11270 8918 10290 5880 8330 5,7 6,0 5,9 5,5 6,0 7,5 5,3 0,093 0,089 0,094 0,141 0,071 0,068 0,101 Ion SO4 – (mg/g) 0,465 0,471 0,497 0,781 0,161 0,345 0,523 Bảng cho thấy, số dẻo mỏ đất vượt giới hạn cho phép (đều có IP > 6), có mỏ có IP dao động từ 7.98 đến 8.76 nên xem xét sử dụng Mặt khác, có mỏ có góc nội ma sát φ > 320 đạt yêu cầu góc nội ma sát lớn Độ pH mẫu nhỏ, đạt yêu cầu nằm giới hạn cho phép Mỏ đất đồi Hịa Nhơn 532 có hàm lượng Cl – SO4 – lớn, vượt xa giới hạn cho phép nêu Bảng theo [19, 20] Điện trở suất xác định theo [21], mỏ đất thỏa mãn yêu cầu điện trở suất Trong đó, điện trở suất mỏ Đèo Ơng Gấm, Xuân Phú Hòa cầm lớn (> 10 000 Ω.cm, nên gây mức độ ăn mịn khơng đáng kể theo [21] Các mẫu đất cịn lại có điện trở suất từ 5880 đến 8918 Ω.cm nằm phạm vi 2000 đến 10000 Ω.cm nên gây mức độ ăn mòn nhẹ Bảng cho thấy mỏ đất trên, có mỏ có thành phần hạt đạt yêu cầu theo [11] mỏ Xuân Phú, Hòa Nhơn, Hịa Cầm, Hịa Sơn, 532 Hình 3(a) biểu diễn thành phần hạt mẫu đất đồi thí nghiệm với đường thành phần hạt giới hạn lọt sàng lớn nhóm đất A-1-a [11] Đầm nén mẫu 97 Linh, C T., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng đất theo [14, 22] Kết thí nghiệm vẽ biểu đồ quan hệ độ ẩm khối lượng thể tích khơ lớn Hình 3(b) giá trị cụ thể cho mẫu đất nên Bảng Độ ẩm tốt mẫu đất dao động từ 12 đến 15% Bảng Kết thí nghiệm thành phần hạt mẫu đất đồi thành phố Đà Nẵng Cỡ sàng (mm) 0,425 0,074 Giới hạn lớn lượng lọt qua sàng giới hạn nhóm đất A-1-a theo [11] Lượng lọt qua sàng Mỏ Sơn Phước Mỏ Đèo ơng Gấm Mỏ Xn Phú Mỏ Hịa Nhơn Mỏ Hòa Cầm Mỏ Hòa Sơn Mỏ 532 50 60,70 54,46 43,56 45,67 38,34 42,38 44,68 30 15 47,50 19,30 38,12 17,81 24,55 8,54 25,65 12,27 19,23 9,12 22,34 9,07 21,9 8,79 (a) Biểu đồ thành phần hạt (b) Đường cong đầm nén tiêu chuẩn Hình Kết thí nghiệm mẫu đất đồi mỏ Xuân Phú - Hòa Ninh Bảng Mức độ đạt yêu cầu cho tiêu - lý - hóa đất đồi Đà Nẵng dùng làm vật liệu đắp cho tường chắn đất có cốt dùng cốt thép mạ [4, 8–10] Đánh giá mức độ đạt yêu cầu Chỉ tiêu đánh giá Sơn Phước Đèo Ơng Gấm Xn Phú Hịa Nhơn Hịa Cầm Hịa Sơn 532 Thành phần hạt Chỉ số dẻo IP Góc nội ma sát Điện trở suất Độ pH Hàm lượng Cl – Hàm lượng SO4 – + ++ ++ ++ ++ - + +++ ++ ++ - ++ + ++ +++ ++ ++ - ++ ++ ++ - ++ +++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ - ++ + ++ ++ ++ ++ - (“-”: không đạt; “+”: gần đạt; “++”: đạt; “+++”: đạt tốt) Trong 75 mỏ đất thí nghiệm, khơng có mỏ đất đạt u cầu tuyệt đối, với mỏ đất có tiêu đạt có tiêu khơng đạt tương tự Bảng Cũng từ Bảng cho thấy mỏ đất 98 Linh, C T., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Xuân Phú mỏ 532 phù hợp cho vật liệu đắp tường chắn đất có cốt sử dụng cốt kim loại Kết thí nghiệm lựa chọn 24 mỏ đất có tiêu cơ-lý-hóa xem phù hợp sử dụng làm vật liệu đắp cho tường chắn đất có cốt Bảng Nếu trường hợp tường khơng bị ngập nước có biện pháp bảo vệ chống thấm từ mặt đường xuống tốt sử dụng mỏ đất cịn lại trộn thêm cát với tỉ lệ cho đạt yêu cầu để làm vật liệu đắp Bảng Chi tiết tiêu cơ-lý-hóa 24 mẫu đất lựa chọn TT Địa bàn mỏ Minh Hóa Phú Thủy Đồng Sơn TX Nghĩa Ninh Gio An Giang Xuân Hải Vùng Chòi Kiền Kiền Đồi Động Thanh 10 Đèo Ông Gấm 11 Xuân Phú - H.Ninh 12 Mỏ 532 13 Hố Hữu, Quế Hiệp 14 Tam Hiệp 15 Duy Trung 16 Núi Hòn 17 Núi Lệ Thủy 18 Gò đồi vườn sung 19 Núi Điệp 20 Núi I, xã Cát Hanh 21 Long Mỹ- Ph.Mỹ 22 Núi Hòn Lập 23 Núi 1-Thọ Vức 24 Mỏ đèo Tống Đạo γk max c Chỉ số ϕ Trở kháng Ion Cl – pH W0 (%) dẻo IP (kN/m ) (độ) (Ω.cm) (mg/g) kN/m 19,4 19,34 19,2 19,2 18,58 19,99 19,32 18,58 18,68 19,01 18,16 19,02 18,2 18,83 20,12 18,76 18,48 19,67 18,84 18,6 18,8 19,14 19,3 19,2 15,73 15,63 14,57 15,39 13,2 12,5 12,48 13,79 12,54 12,6 12,5 12,1 17,3 16,21 11,6 14,07 12,08 14,95 13,15 12,86 12,87 17,73 11,35 13,29 9,01 8,92 9,61 8,95 8,33 7,97 8,37 6,75 7,52 8,11 8,55 7,98 8,33 7,05 7,56 8,36 7,26 6,88 7,12 8,34 8,71 7,64 9,56 9,3 4,6 6,0 4,1 5,4 4,9 3,7 5,5 5,9 6,3 6,0 5,1 6,2 5,4 6,3 5,7 5,4 5,1 3,8 4,2 4,2 4,6 4,8 6,1 5,7 34,1 29,7 30,1 28,3 31,7 29,8 32,5 34,1 33,7 30,6 34,3 35,7 30,1 34,6 33,2 33,7 31,8 35,7 31,6 30,2 33,4 33,8 30,3 28,4 11398 7342 8372 7946 8267 9128 10104 7629 10472 10643 11270 8330 10207 8278 9452 7532 9513 11048 9074 6137 8436 7829 8727 6539 6,7 5,7 5,6 6,1 6,3 5,3 7,1 6,1 5,8 6,0 5,9 5,3 6,9 6,4 5,7 5,6 6,7 7,2 5,9 5,3 6,8 5,4 5,8 5,6 0,079 0,075 0,092 0,11 0,072 0,08 0,087 0,096 0,112 0,089 0,094 0,101 0,102 0,086 0,073 0,201 0,085 0,118 0,072 0,085 0,103 0,095 0,135 0,103 Ion SO4 – (mg/g) 0,164 0,183 0,172 0,157 0,156 0,174 0,211 0,217 0,223 0,471 0,497 0,523 0,247 0,173 0,164 0,281 0,187 0,207 0,174 0,203 0,201 0,186 0,318 0,275 2.3 Kết thí nghiệm tiêu - lý cốt Thí nghiệm kéo thép tuân theo [23] Xác định độ giãn dài sau đứt, chiều dài ban đầu mẫu phải lần đường kính danh nghĩa Xác định độ giãn dài lực lớn phải đánh dấu khoảng cách chiều dài mẫu thử Khoảng cách dấu 20 mm, 10 mm, mm tùy thuộc vào đường kính thép Xác định tính chịu kéo phải sử dụng diện tích danh nghĩa mặt cắt ngang thép Các cơng trình tường chắn đất có cốt thực tế có cốt kim loại bị ăn mịn hầu hết ăn mịn điện hóa dạng: ăn mịn cục ăn mòn [5, 6] Trong hai dạng này, ăn mòn cục xảy phổ biến Do vậy, nghiên cứu thí nghiệm mơ ăn mòn cục cốt để đề xuất tỉ lệ ăn mịn hợp lý mơ hình thực Thí nghiệm lý mẫu thép có gờ Φ10 bị ăn mòn cách giảm tiết diện cốt theo tỉ lệ ăn mòn 0-5-10-15-20-25-30-35-40-50-60% [24] Để tạo ăn mòn cốt (giảm diện tích tiết diện) nghiên cứu dùng mũi khoan thép Φ5 Φ7 để khoan vào thép với chiều sâu mũi khoan Bảng 99 Linh, C T., cs / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng Bảng Chỉ tiêu lý mẫu thép thí nghiệm Tỉ lệ ăn mòn (%) Mũi khoan (mm) Chiều sâu mũi khoan (mm) Môdun đàn hồi (N/mm2 ) Khả chịu kéo (N) Độ giãn dài (%) 10 15 20 25 30 35 40 50 60 5 5 5 5 7 1,75 2,53 3,32 4,10 4,88 5,66 6,45 7,23 5,73 6,85 200000 200000 200000 200000 200000 200000 200000 200000 200000 200000 200000 49000 45700 41700 38700 35600 33600 29600 27000 23400 17700 11400 18,98 17,50 16,67 16,25 15,83 15,43 15,00 13,75 13,33 13,00 12,56 (a) Khả chịu kéo với tỉ lệ ăn mòn (b) Độ giãn dài với tỉ lệ ăn mịn Hình Đồ thị biểu diễn kết thí nghiệm kéo cốt thép Tỉ lệ ăn mòn cốt khả chịu kéo có quan hệ bậc [9] ∆R/R0 = k(∆e/e0 ) (1) đó: R0 , ∆R lực kéo ban đầu tổn thất lực kéo cốt, e0 , ∆e bề dày ban đầu bề dày tổn thất trung bình mặt cốt, k = 1,8 theo [9] k = theo [5] Hình 4(a) cho thấy, tỉ lệ ăn mòn cốt khả chịu kéo quan hệ gần bậc (phù hợp với (1)) Phương trình hồi qui gần đúng, hệ số xác định R2 hệ số tương quan R Hình 4(a) Hình 4(b) dùng để tính tốn tuổi thọ tường theo thời gian phương pháp số 2.4 Đề xuất loại vật liệu đắp cốt sử dụng cho mô hình thực nghiệm Vật liệu đắp sử dụng đất đồi mỏ Xuân Phú, xã Hòa Ninh, huyện Hòa Vang, thành phố Đà Nẵng Cốt thép xây dựng phổ biến gồm thép tròn trơn thép vằn Các loại thép CT5 (thép có gờ) có tính chất lý qui định theo [23] hoàn toàn đáp ứng điều kiện cường độ, độ dãn dài để sử dụng cho tường chắn đất theo [4] Thép có gờ tăng cường ma sát đất-cốt, giảm khả kéo tuột cốt Ngoài ra, để tăng khả chống ăn mòn cốt, đề xuất mạ kẽm cho cốt với chiều dày 70-100 µm [25, 26] 100 Linh, C T., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Mơ hình thực nghiệm tường chắn đất có cốt sử dụng cốt mạ kẽm tự chế tạo 3.1 Xây dựng mơ hình thực nghiệm Tiến hành xây dựng mơ hình vật lý phịng thí nghiệm với tỉ lệ 1/1 Hình 5(a) Thông thường, bê tông cốt thép lắp ghép kích thước 1,5 × 1,5 (m2 ) bố trí lớp cốt Trong phạm vi mơ hình thí nghiệm này, xét với lớp cốt nằm lớp đất, lớp đất dày 37,5 cm (xét với 1/2 tường bê tông cốt thép làm vỏ mặt tường cao 75 cm (a) Mơ hình thí nghiệm (b) “cốt 2” (c) “cốt 3” Hình Mơ hình thí nghiệm tường chắn đất có cốt hình dạng lưới cốt tự chế (“cốt 1”: cốt Φ10 không ngạnh; “cốt 2”: cốt Φ10 có ngạnh; “cốt 3”: cốt Φ10 có ngạnh) Hộp mơ hình chế tạo với kích thước (dài × rộng × cao) = (150 × 75 × 75) cm, khối đất sau lưng tường mơ với kích thước (120 × 75 × 75) cm Lắp đặt khung thép bên ngồi để làm đối trọng q trình gia tải hệ kích thủy lực Cốt sử dụng cốt thép CT5 loại Φ10 Modul đàn hồi E = 210000 MPa, gồm cốt dọc L = 110 cm song cách 30 cm, cốt ngang cách 40 cm, khoảng cách từ điểm neo vào tường đến cốt ngang 20 cm Tại vị trí giao cốt bố trí ngạnh thép CT5 loại Φ10, chiều cao ngạnh cm (Hình 5(b) 5(c)) Các cốt dọc liên kết với gỗ cứng (giả định làm tường chắn) kích thước (75 × 75 × 5) cm (Hình 6(a)) Các cảm biến đo biến dạng bố trí cốt mặt đất (dưới cốt) Hình 6(b) Bảng (với thơng số kỹ thuật cảm biến: cảm biến điện trở FLA-5-11 Nhật sản xuất, điện trở 120 ± Ω, điện áp cung cấp ÷ 10 V, kích thước sở 11 × 3,5 mm, hệ số nhạy 2,1 ± 1%) Bảng Khoảng cách từ ngạnh đến tường Ký hiệu Ngạnh Cảm biến cốt Cảm biến đất 11 Khoảng cách ngạnh đến tường (cm) Khoảng cách Cảm biến cốt 10 15 đến tường (cm) Cảm biến đất 10 3 40 25 35 60 45 55 40 10 14 13 12 20 80 65 75 70 100 85 95 85 Trình tự xây dựng mơ Hình 7: Lấy mẫu đất mỏ đất Phú Xn-Hịa Ninh; Thí nghiệm tiêu lý đất; Chế bị đất đắp đạt W0 ; Đắp đất lớp, dùng đầm thủ công để đầm, lớp đất sau đầm chặt 12,5 cm độ chặt K95, sau lớp đầm dùng thí nghiệm rót 101 Linh, C T., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng (a) Vỏ tường bố trí gờ liên kết cốt (b) Lắp đặt “cốt 3” gắn sẵn cảm biến cốt cảm biến mặt đất Hình Cấu tạo vỏ tường lắp đặt cốt có bố trí cảm biến đo biến dạng cát để kiểm tra độ chặt; Lắp đặt cốt thép (đã dán cảm biến đo biến dạng vị trí Hình 6(b)) sau đầm xong lớp đất thứ (dày 37,5 cm); Liên kết cốt vào tường chắn bu lông; Đắp tiếp lớp đất đắp phía cốt đạt đến đỉnh tường chắn; Lắp đặt đầu đo chuyển vị tường vị trí chân, tim đỉnh tường; Tiếp tục lắp đặt hệ thống kích thủy lực tiến hành gia tải 4,5 kG/s quan sát kết biến dạng chuyển vị (a) Chế bị đất đắp đạt W0 trước đắp vào hộp (d) Kiểm tra độ chặt phương pháp rót cát (b) Đầm đất (e) Lắp đặt thiết bị đo chuyển vị (c) Kiểm tra tín hiệu, kết nối cảm biến đo biến dạng với máy (f) Quan trắc biến dạng, chuyển vị máy tính Hình Q trình xây dựng mơ hình thực nghiệm 102 Linh, C T., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng 3.2 Các kết đạt mơ hình thực nghiệm Tiến hành thí nghiệm với loại cốt: “cốt 1”, “cốt 2”, “cốt 3” Hệ số ma sát đất cốt thay đổi theo chiều dài cốt, áp lực tăng hệ số ma sát đất cốt giảm lực kéo cốt tăng dịch chuyển tương đối đất cốt tăng Giá trị hệ số ma sát có bước nhảy vị trí bố trí ngạnh, điều chứng tỏ bố trí ngạnh làm tăng ma sát đất cốt (Hình 8(a)) Với cấp áp lực vị trí cốt tường “cốt 3” có ma sát đất cốt lớn nhất, “cốt 1” có ma sát đất cốt nhỏ Kết thể hiệu việc bố trí ngạnh cốt (Hình 8(b)) (a) Hệ số ma sát “cốt 3” cấp áp lực (b) Hệ số ma sát thay đổi cốt Hình Đồ thị biểu diễn hệ số ma sát cốt Lực kéo cốt tương ứng với cấp áp lực từ thí nghiệm Hình Dạng biểu đồ phân bố lực kéo cốt từ kết nghiên cứu tương tự dạng biểu đồ phân bố lực kéo theo nghiên cứu [5] phù hợp với dạng biểu đồ phân bố hệ số ma sát cốt cấp áp lực Lực kéo cốt đạt cực đại vị trí cốt cách tường 20 cm xa tường lực kéo giảm dần Tại vị trí bố trí ngạnh, lực kéo Hình Biểu đồ phân bố lực kéo ”cốt 3” cốt có bước nhảy Như vậy, khẳng định việc cấp áp lực bố trí ngạnh làm tăng ma sát đất cốt nên tăng khả neo bám cốt Bảng 10 đánh giá tăng trưởng lực kéo cốt bố trí ngạnh Ngạnh 0: không đánh giá ngạnh đầu tiên, ngạnh có tác dụng điểm bắt đầu huy động lực ma sát đất với cốt ma sát bị động khối đất Tỷ lệ tăng trưởng lực kéo ngạnh lớn sau giảm dần ngạnh chứng tỏ ngạnh giá trị lực kéo cốt tăng trưởng nhanh nhiên diện tích giao diện đất cốt huy động chưa nhiều Càng phía tường chắn, diện tích giao diện tương tác tăng, giá trị lực kéo cốt tăng, biến thiên bước nhảy lực qua ngạnh lớn tỷ lệ tăng trưởng giảm Do vậy, ngạnh (ngạnh 0) cốt có vai trị quan trọng việc huy động lực ma sát đất cốt neo giữ cốt chống lực kéo tuột áp lực tường chắn có cốt 103 Linh, C T., cs / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng Bảng 10 Giá trị lực kéo tăng trưởng lực kéo ngạnh “cốt 3” Cấp áp lực (kN/m2 ) Vị trí đo 12,5 Ngạnh Ngạnh khơng đánh giá Ngạnh Cảm biến Tỷ lệ (%) Ngạnh Cảm biến Lực kéo (kN) Tỷ lệ (%) Ngạnh Cảm biến Tỷ lệ (%) Ngạnh Cảm biến Tỷ lệ (%) 25 50 100 150 0,93 1,68 2,40 3,10 5,26 1,45 2,48 3,79 5,12 8,00 55,91 47,62 57,92 65,16 52,09 2,45 3,49 5,43 8,34 10,83 3,28 4,86 6,99 10,63 13,32 33,88 39,26 28,73 27,46 22,99 4,12 6,89 9,09 12,23 15,32 5,54 8,67 11,54 15,31 19,22 34,47 25,83 26,59 25,18 25,46 7,21 9,71 13,72 18,81 23,17 8,63 13,12 19,38 23,22 27,32 19,69 35,12 31,25 23,44 17,91 3.3 Mơ số mơ hình thực nghiệm Song song với việc xây dựng mơ hình thực nghiệm, tiến hành mơ số phần mềm Flac 2D với kích thước hình học tiêu lý, đặc trưng vật liệu đất cốt mơ hình thực nghiệm (Hình 10) Việc mơ nhằm kiểm chứng độ xác số liệu quan trắc mơ hình rút gọn Kết mơ số xuất giá trị ứng suất, biến dạng, chuyển vị khối đất vỏ tường, biểu đồ phân bố lực lực kéo cốt So sánh giá trị kết mơ hình số với mơ hình thực nghiệm để đưa nhận xét, đánh giá ảnh hưởng ngạnh đến tương tác đất-cốt tường Hình 10 Mơ tường chắn đất có cốt (“cốt 3”) chuyển vị tường phần mềm Flac 2D Chuyển vị tường (Hình 10) tăng dần từ chân tường đến đỉnh tường, phù hợp với kết nghiên cứu mơ hình thí nghiệm Dạng biểu đồ phân bố lực kéo cốt (Hình 11) phù hợp với kết nghiên cứu mơ hình thí nghiệm (Hình 9) kết nghiên cứu Murray Farrar [27], Chau [5] 104 Linh, C T., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng (a) Cốt khơng bố trí ngạnh “cốt 1” (b) Cốt bố trí ngạnh “cốt 3” Hình 11 Biểu đồ phân bố ứng lực kéo cốt từ phần mềm Flac 2D tương ứng với áp lực 12,5 kN/m2 Mơ hiệu ứng ăn mịn cốt Tùy thuộc điều kiện tự nhiên, khí hậu vị trí xây dựng, khai thác cơng trình, q trình ăn mịn cốt kết cấu tường chắn đất có cốt xảy theo kịch khác Tổn thất bề bày cốt ăn mịn theo thời gian tính theo công thức [8, 9]: ∆e = Atn (2) đó: ∆e (µm) bề dày tổn thất trung bình mặt cốt thời điểm t, t (năm) thời gian, A (µm) mát năm đầu tiên, n tham số đại diện cho giảm tốc độ ăn mòn theo thời gian n < Giá trị A n phụ thuộc vào môi trường loại lớp phủ, qui định theo [8, 9] Bảng 11 đề xuất kịch ăn mịn gây phá hoại tường chắn đất có cốt giá trị A, n tương ứng cho kịch Bảng 11 Đề xuất kịch ăn mịn gây phá hoại tường chắn đất có cốt [7–9] Kịch Mơ tả A (µm) n Ăn mịn tồn cốt thép (cốt thép bị ăn mịn tính chất lý vật liệu đắp, cơng trình khơ ráo) 30 0,65 Một phần cốt thép có tốc độ ăn mịn lớn - Phần cốt bị xâm thực thấm nước bề mặt - Phần cốt bị ăn mòn xâm thực ẩm (vật liệu đắp bị xâm thực ẩm) 50 40 0,65 0,65 50 0,65 55 70 0,7 0,8 Các lớp cốt phía có tốc độ ăn mịn lớn - Phần cốt bị xâm thực tường ngập nước (vật liệu đắp bị xâm thực lâu dài, ngập nước ngọt) Tốc độ ăn mòn cốt thép gần vỏ tường lớn tác động sóng biển cơng trình ven biển - Phần cốt bị ăn mịn cơng trình gần với biển - Phần cốt bị ăn mòn tác động trực tiếp từ sóng biển Cốt thép bị ăn mịn mặt cốt Φ10, (theo [24] quy đổi diện tích tiết diện ngang cốt Φ10 diện tích tiết diện ngang hình vng cạnh 8,8476 mm) “Cốt 3” dạng lưới thép gồm thép Φ10 nên qui đổi hình chữ nhật cạnh a = 26,5428 mm, b = 8,8476 mm Cốt thép bị ăn mòn tất mặt nên tổn thất diện tích cốt thép bị ăn mòn (∆S ) là: ∆S = ∆e.(2.26,5428 + 2.3.8,8476).10−3 = 0,1062.∆e (mm2 ) 105 (3) Linh, C T., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Tại vị trí ăn mịn lớn tiết diện bị ăn mịn tăng lên K lần (K hệ số phản ánh tính khơng đồng ăn mòn) Theo [9], ăn mòn suốt chiều dài cốt K = 1, ăn mịn cục cốt mạ kẽm K = Tổng diện tích ăn mịn năm thứ t là: K.∆S = 0,1062.K.∆e (mm2 ) (4) Ngồi ra, Hình 4(a) biểu diễn mối tương quan khả chịu kéo cốt với tỉ lệ ăn mòn tiết diện, ăn mịn mơ mát lên đến 60% diện tích tiết diện cốt Đường hồi qui phương trình thu Hình 4(a) Hình 4(b) y = 0,4354x2 − 644,63x + 48679 (5) (5) y lực kéo đứt lại cốt, x tỉ lệ % ăn mòn theo tiết diện ban đầu y = 0,0011x2 − 0,1702x + 18,629 (6) (6) y độ giãn dài cốt (%), x tỉ lệ % ăn mòn theo tiết diện ban đầu Từ (2), (4), (5) (6) với việc mô ăn mòn (kịch 1) ảnh hưởng đến tuổi thọ tường thu biểu đồ Hình 12 Từ biểu đồ Hình 12, rút phương trình biểu diễn mối quan hệ thời gian với tỉ lệ ăn mòn, lực kéo lại cốt, độ giãn dài, chiều rộng chiều dày cốt Kết giúp người dùng xác định mức độ ăn mòn cốt thời điểm t để đánh giá tuổi thọ kết cấu tường chắn đất có cốt thời gian khai thác (a) Tỉ lệ ăn mòn tiết diện cốt với thời gian (b) Lực kéo đứt lại cốt với thời gian (c) Độ giãn dài cốt với thời gian (d) Chiều rộng cốt với thời gian 106 Linh, C T., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng (e) Chiều dày cốt với thời gian Hình 12 Biểu đồ biểu diễn ăn mòn cốt theo thời gian Kết luận Từ kết nghiên cứu, lựa chọn 24 mỏ đất đồi có tiêu cơ-lý-hóa xem phù hợp sử dụng làm vật liệu đắp cho tường chắn đất có cốt dùng cốt kim loại Thí nghiệm kéo thép đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn đề xuất sử dụng thép có gờ Φ10, có ngạnh, mạ kẽm để làm cốt cho mơ hình vật lý phịng Trong nghiên cứu này, với “cốt 3” ngạnh có gia tăng lực kéo lớn (trong khoảng 47,62 ÷ 65,16%), giá trị lực kéo ngạnh lại nhỏ (0,93 ÷ 5,26 kN) Ở ngạnh gần với vỏ tường gia tăng lực kéo giảm, giá trị lực kéo lại đạt lớn Tại ngạnh (ngạnh cuối), gia tăng lực kéo 17,91 ÷ 35,12%, giá trị lực kéo đạt từ 7,21 ÷ 23,17 kN Vì vậy, tăng trưởng lực kéo vị trí bố trí ngạnh hay suy giảm lực kéo lớn cốt làm cho cốt không phát huy hết khả chịu kéo; suy giảm sức neo bám cốt vào đất làm cho cốt dễ bị kéo tuột dẫn đến tình trạng cốt chưa đứt cơng trình bị phá hoại Từ biểu đồ quan hệ số lượng ngạnh, cách bố trí ngạnh với hệ số ma sát đất-cốt cho thấy: Với cấp áp lực hệ số ma sát đất cốt “cốt 3” lớn so với “cốt 1” 159,62 ÷ 192,48%, “cốt 2” so với “cốt 1” 107,69 ÷ 148.12% Điều chứng tỏ hiệu suất việc lựa chọn số lượng ngạnh cách bố trí ngạnh cốt ảnh hưởng lớn đến hệ số ma sát đất - cốt Dùng cốt Φ10 bố trí cấu tạo dạng “cốt 3”, cơng trình khơng ngập nước đến thời gian phục vụ tối thiểu 70 năm (cơng trình bình thường), 100 năm (cơng trình đặc biệt) tỉ lệ ăn mịn cốt lớn từ 42,92 ÷ 54,12% diện tích tiết diện, lực kéo đứt cốt cịn lại nhỏ giảm từ 65433,47 ÷ 45194,45 N (< 50% lực kéo ban đầu cốt) Vì vậy, đề xuất mạ kẽm chống ăn mòn cốt, tăng tuổi thọ cho tường Lời cảm ơn Nhóm tác giả chân thành cảm ơn hỗ trợ tài Bộ Giáo dục Đào tạo cho đề tài “Nghiên cứu ứng dụng tường chắn đất có cốt thép mạ kẽm tự chế tạo phù hợp với vật liệu đắp địa phương khu vực miền Trung”, mã số: B2021-DNA-12 Nhóm tác giả chân thành cảm ơn hỗ trợ thiết bị thí nghiệm Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng giúp nhóm tác giả hồn thành thí nghiệm q trình nghiên cứu Tài liệu tham khảo [1] Morsy, A M., Zornberg, J G., Leshchinsky, D., Han, J (2019) Soil–Reinforcement Interaction: Effect of Reinforcement Spacing and Normal Stress Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 145(12):04019115 107 Linh, C T., cs / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng [2] Weldu, M T (2015) Pullout Resistance of MSE Wall Steel Strip Reinforcement in Uniform Aggregate Thesis Committee in the Department of Civil, Environmental, and Architectural Engineering and the Graduate Faculty of the University of Kansas [3] Chau, T.-L., Nguyen, T.-H (2019) Study the influence of adherence edge to steel strip and soil interaction in Mechanically Stabilized Earth Wall with a self-made strip Lecture Notes in Civil Engineering, Springer Singapore, 757–762 [4] BS 8006-1 (2010) Code of practice for strengthened/ reinforced soils and other fills [5] Chau, T.-L., Corfdir, A., Bourgeois, E (2016) Corrosion des armatures sur le comportement des murs en terre armée - Effect of reinforcement corrosion on the behavior of earth walls reinforced by steel elements (Soustitre: Scénarios de corrosion des armatures métalliques et les dégradations du mur en terre armée) Éditions Universitaires Européennes (EUE), OmniScriptum GmbH & Co KG [6] Klinesmith, D E., McCuen, R H., Albrecht, P (2007) Effect of Environmental Conditions on Corrosion Rates Journal of Materials in Civil Engineering, 19(2):121–129 [7] Chau Truong Linh, Nguyen Thu Ha, V D P P V N (2019) A study on the main factors affecting the reinforcement corrosion in mechanically stabilised earth walls and predict the service life of the wall The 3rd Int Conf on Transport Infrastructure & Sustainable Development (TISDIC 2019), 175–182 [8] FHWA-NHI-00-043 (2001) Mechanically stabilized earth walls and reinforced soil slopes design & construction guidelines [9] NF EN P94-270 (2009) Calcul géotechnique Ouvrages de soutènement Norme Francaise [10] TCVN 11823-11 (2017) Thiết kế cầu đường - Phần 11: Mố, Trụ Tường chắn [11] AASHTO M 145-91 (2017) Standard Specification for Classification of Soils and Soil-Aggregate Mixtures for Highway Construction Purposes [12] AASHTO T-236 (2018) Standard Method of Test for Direct Shear Test of Soils Under Consolidated Drained Conditions [13] AASHTO T-234 (2018) Standard Method Triaxial compression test for cohesive soil [14] AASHTO T-99 (2019) Standard Method of Test for Moisture-Density Relations of Soils [15] AASHTO T-267 (2018) Standard Method of Test for Determination of Organic Content in Soils by Loss of Ignition [16] Hải, D H (2012) Thiết kế thi cơng tường chắn đất có cốt Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội [17] Vũ Đ Phụng, V Q C (2005) Công nghệ vật liệu xây dựng đường, tập Nhà xuất Xây dựng [18] Quyết định Quy hoạch mỏ đất làm vật liệu san lấp địa bàn tỉnh Quảng Trị, Quảng Bình, Thừa Thiên Huế, Đà Nẵng, Quảng Nam, Quảng Ngãi, Bình Định, Phú Yên giai đoạn đến năm 2020, định hướng 2025 2030 [19] AASHTO T-290 (2020) Standard Method of Test for Determining Water-Soluble Sulfate Ion Content in Soil [20] AASHTO T-291 (2018) Standard Method of Test for Determining Water-Soluble Chloride Ion Content in Soil [21] FN A05-250 (1990) Corrosion par les sols - Évaluation de la corrosivité - Canalisations enterrées en matériaux ferreux non ou peu alliés [22] AASHTO T-180 (2020) Standard Method of Test for Moisture-Density Relations of Soils [23] TCVN 1651-2:2018 Thép cốt bê tông - Phần 2: Thanh thép vằn [24] Lim, P V., Linh, C T (2014) Nghiên cứu ứng xử tuổi thọ Tường Chắn Đất Có Cốt qua kịch ăn mịn cốt thép Tạp chí Giao thông Vận tải, 12:36–39 [25] ASTM A123/A123M (2017) Standard Specification for Zinc (Hot-Dip Galvanized) Coatings on Iron and Steel Products [26] AS/NZS 4680 (2017) Hot-dip galvanized (zinc) coatings on fabricated ferrous articles [27] Murray, R T., Farrar, D M (1988) Temperature distributions in reinforced soil retaining walls Geotextiles and Geomembranes, 7(1-2):33–50 108 ... mặt tường cao 75 cm (a) Mơ hình thí nghiệm (b) ? ?cốt 2” (c) ? ?cốt 3” Hình Mơ hình thí nghiệm tường chắn đất có cốt hình dạng lưới cốt tự chế (? ?cốt 1”: cốt Φ10 khơng ngạnh; ? ?cốt 2”: cốt Φ10 có ngạnh;... phù hợp cho vật liệu đắp tường chắn đất có cốt sử dụng cốt kim loại Kết thí nghiệm lựa chọn 24 mỏ đất có tiêu cơ-lý-hóa xem phù hợp sử dụng làm vật liệu đắp cho tường chắn đất có cốt Bảng Nếu... Xây dựng Mơ hình thực nghiệm tường chắn đất có cốt sử dụng cốt mạ kẽm tự chế tạo 3.1 Xây dựng mơ hình thực nghiệm Tiến hành xây dựng mơ hình vật lý phịng thí nghiệm với tỉ lệ 1/1 Hình 5(a) Thơng