5. Cấu trỳc đề tài luận ỏn
2.4.3. Nghiờn cứu thiết kế, chế tạo thiết bị đo thấm phức hợp, CEPM
2.4.3.1. Cấu tạo
Từ sơ đồ thớ nghiệm thấm Darcy, yờu cầu thực nghiệm; mụ hỡnh và thiết bị
thớ nghiệm CEPM được giới thiệu ở cỏc hỡnh vẽ 2.9, 2.10, 2.11 và được chế tạo
trờn hỡnh 2.12. II L H1 H2 I 3 2 1 III H1-H2
Hỡnh 2.9. Hỡnh chiếu bằng bộ thiết bị CEPM (khụng theo tỷ lệ )
Hỡnh 2.11. Mặt cắt A-A của bộ thớ nghiệm CEPM (khụng theo tỷ lệ)
2.4.3.2. Mụ tả thiết bị
Bộ thiết bị CEPM gồm cỏc phụ kiện, được mụ tả từ phải qua trỏi như sau:
- Ống đứng O5 được làm từ ống nhựa trong suốt, được nối thụng với ống
đứng O4
Tỏc dụng: Dựng để theo dừi chiều cao cột ỏp trong quỏ trỡnh thớ nghiệm.
- Ống đứng O4 được nối với nguồn nước đầu vào qua van V4 và nối với ống
nằm ngang O3 thụng qua van V3. Trờn ống O4 cú nắp gắn phao để cú thể khống
chế chiều cao cột nước thớ nghiệm;
Tỏc dụng: Dựng để dẫn nước thớ nghiệm, tạo và khống chế chiều cao cột ỏp của dũng thấm trong quỏ trỡnh thớ nghiệm;
- Ống ngang O3 được nối với ống đứng O4 và 6 ống đứng O2 thụng qua 6
van V2 và van V3.
Tỏc dụng: Truyền ỏp lực nguồn nước đầu vào từ ống đứng O4 cung cấp cho
6 ống đứng O2.
- Ống đứng O2 gồm 6 ống chứa cỏt Nghi Sơn, được nối với ống ngang O3
thụng qua 6 van V2 và 6 ống ngang O1chứa cỏt thớ nghiệm; Phần trờn của ống
được nỳt lại bằng nỳt kiểu chụp.
Tỏc dụng: Chứa cỏt Nghi Sơn, để tạo mụi trường thấm và cỏt chảy trước mẫu thớ nghiệm tương tự như chế độ làm việc thực tế.
- Ống O1 gồm 6 ống cú đường kớnh 76mm, mỗi ống dài 1m; chứa mẫu cỏt
thớ nghiệm, được nối với 6 ống đứng O2và 6 van xả V1.
Tỏc dụng: Chứa mẫu cỏt thớ nghiệm
- Cỏc van V1, V2, V3, V4 cú thể chủ động đúng mở nguồn nước vào và ra.
- Cỏc bộ phận của hệ thống mụ tả trờn được làm riờng rẽ từ cỏc ống nhựa, cú thể thỏo lắp dễ dàng được nối với nhau bằng keo dớnh, hoặc chống rũ rỉ bằng cỏc băng cuốn.
2.4.3.3. Ƣu điểm và hạn chế của thiết bị + Ƣu điểm
- Thiết bị cú thể thiết kế, chế tạo tương đối đơn giản, phản ỏnh được cỏc điều kiện thực tế cơ bản của cỏt chảy hiện trường, chi phớ sản xuất khụng quỏ lớn.
- Cú thể thỏo lắp linh hoạt, dễ dàng lắp đặt trong phũng thớ nghiệm;
- Nhờ thiết bị CEPM, cựng lỳc cú thể thớ nghiệm thấm cho một loại vật liệu phụ gia với 6 hàm lượng khỏc nhau; nhờ đú cho phộp NCS thực nghiệm với 8 loại tổ hợp vật liệu phụ gia khỏc nhau, thay đổi hàm lượng vật liệu, loại vật liệu, hàm lượng nước và thời gian tiến hành thớ nghiệm dài nhất đến 144 giờ.
Với mức độ phức tạp, thời gian thớ nghiệm kộo dài, nếu khụng cú thiết bị CEPM thỡ NCS khụng thể nào hoàn thành được yờu cầu nghiờn cứu
- Thực nghiệm thấm hiện trường rất khú khăn, tốn kộm, trong khi đú thớ nghiệm bằng thiết bị CEPM đơn giản, thuận lợi và rẻ hơn rất nhiều.
+ Hạn chế:
Do tớnh chất phức tạp của hoạt động thấm trong đất, sự ảnh hưởng của cấu trỳc tự nhiờn, thuộc tớnh của cỏt trong dũng ngầm, nước trong dũng ngầm, cỏc điều kiện khớ hậu, tự nhiờn… mà điều kiện thớ nghiệm trong phũng khụng thể phản ỏnh hết; kết quả thớ nghiệm trong phũng do vậy sẽ cú sai số nhất định.
Để khắc phục và đỏnh giỏ độ tin cậy của thớ nghiệm trong phũng, NCS đó tiến hành thực nghiệm hiện trường (chương 4), so sỏnh kết quả thực nghiệm trong phũng với hiờn trường và với kết quả thớ nghiệm của viện KHCN GTVT (theo phương phỏp của ASTM) và cho thấy: Kết quả thớ nghiệm bằng thiết bị CEPM sai khỏc ớt hơn so với thực nghiệm hiện trường (xấp xỉ 7%) và cũng sai khỏc ớt hơn so với kết quả thớ nghiệm của viện KHCN theo phương phỏp ASTM (14,5%).
2.5. Thực nghiệm trong phũng xỏc định hệ số thấm của cỏt chảy Nghi Sơn 2.5.1. Mục tiờu thớ nghiệm:
Xỏc định hệ số thấm k0 của cỏt chảy Nghi Sơn khi ở trạng thỏi tự nhiờn,
làm cơ sở so sỏnh với cỏc kết quả chống thấm khi sử dụng cỏc vật liệu phụ gia được nghiờn cứu ở chương sau.
2.5.2. Chế bị mẫu thớ nghiệm
- Quột một lớp màng mỏng bằng bột sột đó hũa với nước như trờn vào xung
quanh thành phớa trong cỏc ống ngang O1 để chống thấm nước dọc thành ống.
- Theo kết quả thớ nghiệm hiện trường
Khối lượng cỏt trong cụn xỏc định tại hiện trường 1.155g, độ ẩm cỏt 30% Khối lượng thể tớch khụ ở điều kiện tự nhiờn của cỏt:
D=0,69*1.155/625 =1,27 (g/cm3) - Thể tớch ống thớ nghiệm trong phũng: V D h 4 2 , (2.1)
Với ống mẫu thấm cú đường kớnh tiết diện ngang bằng 7,6 cm và chiều cao bằng 100 cm:
V=3,14*7,62*100/4=4534 (cm3)
- Khối lượng cỏt khụ yờu cầu: mck.yc= V*D=1,27*4534=5758 (g)
- Tớnh lượng đất khụ giú cần lấy để chế tạo mẫu thớ nghiệm theo yờu cầu
cụng thức: mc.yc=mck.yc*(1+0,01Wkg) , (2.2)
Trong đú:
mc.yc là khối lượng cỏt khụ giỏo cần lấy để chế tạo mẫu, g;
W là độ ẩm của đất, % khối lượng;
- Cõn lấy một khối lượng mc.yc từ cỏt lấy từ Nghi Sơn đó chuẩn bị sẵn,
chớnh xỏc đến 1g, chia đất thành cỏc phần nhỏ bằng nhau, cho từng phần nhỏ vào ống thớ nghiệm, san phẳng dựng chày gỗ đầm chặt đều cỏc lớp cỏt cho đến
khi đầy ống thớ nghiệm. [27]
- Dựng băng keo cuốn quanh phớa ngoài đầu ống O1 khi kết nối với cỏc ống
O2 để chống rũ rỉ khi vận hành; lắp cỏc ống O1 (ống nằm ngang) vào cỏc ống O2
(ống đứng);
- Cho cỏt vào ống đứng O2, đậy nắp kớn đảm bảo khụng rũ rỉ; từ từ mở van
V2, V3và van cấp nước V4; khúa van V1. Theo dừi độ cao cột nước qua ống O5
Hỡnh 2.13. Chế bị mẫu cỏt thớ nghiệm
2.5.3. Tiến hành thớ nghiệm
- Giữ ổn định cột nước nguồn vào ở độ cột nước cố định H= 1,8m; Khúa
van V1, mở cỏc van cũn lại để nước từ nguồn cấp chảy vào mẫu thớ nghiệm; Giữ
cho mẫu cỏt ổn định trong thời gian 2 giờ.
- Mở van V1, xả nước đọng; dựng bỡnh đong hứng nước chảy qua van V1.
- Cõn lượng nước thu được sau thời gian 3 giờ, 4 giờ, 5 giờ; Ghi kết quả thu được.
- Tớnh hệ số thấm của cỏt Nghi Sơn:
- Lưu lượng thấm trong t giờ : Qt = Vt/t (2.3)
L h J i
i (2.4)
- Theo định luật Đarcy :
Q d2 k0Ji 4 . (2.5) Q = Qt - Hệ số thấm k0 của cỏt: 2 2 0 4 4 d Q L d J Q k i t i t (2.6) Trong đú: d: Đường kớnh ống thấm thớ nghiệm O1, d = 76 mm;
L: Chiều dài ống thấm thớ nghiệm O1; L = 1000 (mm);
ΔHi = H1-H2 (mm): Chờnh cao cột nước;
trong TN cột nước được giữ ổn định ΔHi = 1800 mm;
Vt: Dung tớch nước chảy trong thời gian t (ml);
Qt=Vt/t , (ml/ph);
Qt = 1000.Vt/(60.t), (mm3/s): Lưu lượng thấm trong thời gian t;
k0: Hệ số thấm của cỏt (mm/s);
t : Thời gian thấm (phỳt);
2.5.4. Kết quả thớ nghiệm
Kết quả thớ nghiệm được tớnh toỏn, tổng hợp ở Bảng 2.4.
Kết quả cho thấy hệ số thấm của cỏt thuộc tầng cỏt chảy Nghi Sơn:
k0 = 0,85.10-2 -:- 0,93.10-2 mm/s, trung bỡnh k0 = 0,89.10-2 mm/s
Quan sỏt dũng thấm sau mẫu thớ nghiệm, ta thấy cú vẩn đục, trong nước thu được cú cỏc hạt bụi, cỏt mịn chảy ra theo dũng thấm; điều đú chứng tỏ xảy ra hiện tượng cỏt chảy.
Bảng 2.4: Kết quả thớ nghiệm xỏc định hệ số thấm k0 của cỏt Nghi Sơn
STT
ống D L H
Sau 3h Sau 4h Sau 5h
k0tb (mm/s) Vt ml t ph Qt mm3/s k0 mm/s Vt ml t ph Qt mm3/s k0 mm/s Vt ml t ph Qt mm3/s k0 mm/s 1 76 1000 1800 280 60 77,78 0,00953 282 60 78,33 0,00960 253 60 70,28 0,00861 0,00925 2 76 1000 1800 263 60 73,06 0,00895 271 60 75,28 0,00922 277 60 76,94 0,00943 0,00920 3 76 1000 1800 268 60 74,44 0,00912 265 60 73,61 0,00902 263 60 73,06 0,00895 0,00903 4 76 1000 1800 255 60 70,83 0,00868 250 60 69,44 0,00851 275 60 76,39 0,00936 0,00885 5 76 1000 1800 246 60 68,33 0,00837 248 60 68,89 0,00844 256 60 71,11 0,00871 0,00851 6 76 1000 1800 252 60 70,00 0,00858 261 60 72,50 0,00888 251 60 69,72 0,00854 0,00867
2.6. Nhận xột, kết luận chƣơng
Từ kết quả khảo sỏt địa chất, kết quả theo dừi MNN và thớ nghiệm hệ số thấm của cỏt chảy Nghi Sơn đi đến những nhận xột, kết luận sau:
1. Cỏt biển Nghi Sơn hạt nhỏ, mịn, cú chứa cỏc hạt bụi (lớp 2 cú chứa đến 80% hạt <0,25mm) lẫn bựn sột, mica và sulfat, sulfit; trạng thỏi chảy, bóo hũa nước. Chịu tỏc động của MNN nụng (mựa mưa MNN nụng hơn mựa khụ) và hoạt động của thủy triều gõy ra cỏt chảy;
2. Cỏt chảy Nghi Sơn thuộc loại cỏt chảy thật (chảy do xỳc biến), xảy ra ở lớp 2. Chiều dày lớp từ 4,1m (HK1) đến 8,5m (HK4). Độ sõu hoạt động của cỏt chảy từ -0,0m (HK4) đạt độ sõu lớn nhất - 5,95m (HK1).
3. Lớp cỏch nước của khu vực là lớp 4, cỏch mặt đất tự nhiờn -8,1m, chiều dày lớp 6,0m.
4. Nghiờn cứu thực nghiệm về thấm là một nhiệm vụ phức tạp, đũi hỏi nhiều thời gian. Nghiờn cứu hệ số thấm của cỏt chảy khi chịu tỏc động của cỏc vật liệu phụ gia chống thấm khỏc nhau lại càng phức tạp, khú khăn. Để khắc phục khú khăn đú, tỏc giả đó nghiờn cứu thiết kế chế tạo thiết bị đo thấm phức hợp, CEPM. Thiết bị cú thể thớ nghiệm đồng thời nhiều mẫu thớ nghiệm khỏc nhau, với nhiều loại vật liệu phụ gia chống thấm, thay đổi cả về chủng loại vật liệu, và hàm lượng tỷ lệ phối trộn chỳng.
5. Kết quả thớ nghiệm trong phũng bằng thiết bị CEPM, xỏc định hệ số thấm lớp cỏt chảy Nghi Sơn là:
k0 = 0,89.10-2 mm/s.
Dũng thấm sau mẫu thớ nghiệm, cú vẩn đục; cỏc hạt bụi và hạt cỏt theo dũng thấm chảy ra do hiện tượng cỏt chảy.
Chương 3
NGHIấN CỨU THỰC NGHIỆM TRONG PHềNG
XÁC ĐỊNH VẬT LIỆU PHỤ GIA HỢP Lí CHỐNG CÁT CHẢY
Cỏt chảy là hiện tượng cỏt hạt nhỏ, mịn, nhiều hạt bụi sột, thuộc tầng chứa
nước ngầm cú ỏp chảy thoỏt ra khỏi mặt phỏt lộ của thành vỏch ta luy, hố đào …Cỏt chảy là một hiện tượng địa chất cụng trỡnh đa dạng, phức tạp, cú thể xảy ra nhanh hoặc chậm hoặc rất chậm và õm thầm trong thời gian dài, gõy ra nhiều tai biến, phỏ hoại khụn lường cho nền múng cụng trỡnh xõy dựng. Tầng đất chứa cỏt chảy là một dạng đất yếu, cú thành phần, trạng thỏi và thuộc tớnh đặc biệt, cần cú những giải phỏp đặc biệt để xử lý.
Trong xõy dựng nền múng cụng trỡnh ở khu vực cú cỏt chảy, người ta thường ỏp dụng cỏc nhúm giải phỏp cụng nghệ chớnh:
Nhúm 1). Triệt tiờu dũng ngầm (thỏo khụ, đúng băng nước ngầm…), hạ thấp mực nước ngầm (giếng cỏt đơn hoặc đa giếng)
Nhúm 2). Chặn dũng ngầm (tường chắn, hệ cọc, tường võy, jet grouting…) Nhúm 3). Hạn chế khả năng hoạt động của dũng thấm bằng cỏch tỏc động vào cả hai yếu tố/ điều kiện gõy ra cỏt chảy kết hợp bơm hỳt nước làm khụ hố múng.
Nhúm giải phỏp 1) và 2) đũi hỏi đầu tư thiết bị rất đắt tiền, thi cụng phức tạp, do vậy thường được ỏp dụng cho thi cụng cỏc hố múng cụng trỡnh cú diện tớch khụng lớn, hố múng và tầng nước ngầm sõu.
Múng đường ụ tụ thường kộo dài theo diện rộng tới hàng chục, hàng trăm km và cú chiều sõu hạn chế khoảng 1 – 3 một; khi đú ỏp dụng giải phỏp 3) bằng cỏch làm hào chắn dũng ngầm kết hợp cho thấm nhập vào tầng cỏt chảy cỏc vật liệu phụ gia làm thay đổi thuộc tớnh cơ lý của cỏt ngầm và dũng ngầm, nhờ đú làm giảm hệ số thấm, (giảm vận tốc thấm), như vậy sẽ làm hạn chế được cỏt chảy, tạo điều kiện cho hỳt khụ nước và thi cụng múng thuận lợi.
Khi cho vật liệu phụ gia (phụ liệu hay gọi tắt là phụ gia) thấm nhập vào
tầng cỏt chảy sẽ phỏt sinh cỏc hiệu ứng:
- Dưới tỏc dụng thủy động của dũng ngầm (dũng thấm), cỏc phần tử của hỗn hợp phụ gia sẽ thấm nhập và lấp dần cỏc lổ rỗng giữa cỏc hạt cỏt mịn đồng thời làm tăng ma sỏt và lực dớnh giữa cỏc hạt cỏt, làm cho cỏt khú di chuyển;
- Vật liệu phụ gia đồng thời làm thay đổi thuộc tớnh, đặc biệt là độ nhớt của nước ngầm làm cho hệ số thấm của dũng ngầm giảm, làm hiệu ứng cuốn trụi của dũng thấm giảm đi;
- Như vậy, vật liệu phụ gia cú thể hạn chế hoạt động của dũng thấm, làm giảm hệ số thấm, chống cỏt chảy. Để tăng tớnh hiệu quả chống thấm của vật liệu phụ gia, cú thể trộn lẫn cỏc loại vật liệu phụ gia với nhau theo tỷ lệ nhất định đồng thời để tăng hiệu quả thấm nhập, ta cho nước vào hỗn hợp tạo thành dung hợp dạng hồ vữa.
Quỏ trỡnh nghiờn cứu cho thấy: cần phải lựa chọn cỏc vật liệu phụ gia là cỏc vật liệu địa phương, cú nguồn cung dồi dào, giỏ thành rẻ, nhằm hạ giỏ thành xõy dựng. Cỏc vật liệu đú là: Bột sột. Bentonite, xi măng, thủy tinh lỏng.
Cỏc vật liệu phụ gia cú thể được sử dụng ở dạng đơn chất hoặc hỗn hợp pha trộn cỏc vật liệu với tỷ lệ hàm lượng khỏc nhau.
Vấn đề đặt ra là: sử dụng cỏc loại vật liệu phụ gia nào? hàm lượng bao nhiờu?, cỏch pha trộn hỗn hợp vật liệu phụ gia với tỷ lệ, hàm lượng như thế nào? sẽ cho hiệu quả chống thấm (giảm hệ số thấm) tốt nhất về kinh tế - kỹ thuật?
Từ cỏc kết quả nghiờn cứu đạt được ở chương 1 và chương 2, chương này sẽ giới thiệu kết quả nghiờn cứu hiệu quả chống thấm của cỏc loại vật liệu phụ gia chống thấm: bột sột, xi măng, bentonite, thủy tinh lỏng cựng với cỏc hỗn hợp của chỳng với tỷ lệ hàm lượng thay đổi, từ đú cho phộp lựa chọn vật liệu phụ gia chống thấm hợp lý.
Vật liệu phụ gia, hỗn hợp vật liệu phụ gia hợp lý là hỗn hợp khi cho thấm nhập vào tầng cỏt chảy sẽ làm giảm hệ số thấm của cỏt chảy nhiều nhất; đồng thời cú chi phớ vật liệu rẻ.
Nghiờn cứu thấm là một vấn đề khú khăn; nghiờn cứu thấm khi thay đổi hàng loạt cỏc trường hợp về vật liệu phụ gia, tỷ lệ, hàm lượng, với thời gian thớ nghiệm kộo dài nhiều giờ, nhiều ngày, thực sự là một nhiệm vụ khú khăn gấp bội.
Để giải quyết vấn đề nan giải đú, trước hết nghiờn cứu sinh đó nghiờn cứu thiết kế chế tạo bộ thớ nghiệm đo thấm phức hợp (complex equipment for permeable measurement, CEPM) với nhiều ống thớ nghiệm, cú khả năng thỏo lắp linh hoạt, tạo dũng thấm ổn định, được lắp đặt trong phũng thớ nghiệm; nhờ
đú cựng lỳc cú thể thớ nghiệm thấm cho một vật liệu phụ gia với 6 loại hàm lượng (tỷ lệ) và hàm lượng nước khỏc nhau (nội dung nghiờn cứu này đó được giới thiệu ở chương 2);
Nhờ bộ thiết bị CEPM, đó tiến hành xỏc định hệ số thấm thụng qua đo lưu lượng thấm ứng với thời gian thấm theo định luật Darcy. Cỏc thời đoạn quan trắc (đo thấm) được thay đổi từ 9 giờ, 24 giờ, 48 giờ, 72 giờ, 96 giờ, 120 giờ cho tới dài nhất là 144 giờ (6 ngày). Quỏ trỡnh thớ nghiệm tiến hành trong năm 2012 – 2013.
Để lựa chọn vật liệu phụ gia phự hợp trong phũng chống cỏt chảy ở Nghi Sơn, tỏc giả nghiờn cứu thực nghiệm trong phũng với 7 loại vật liệu phụ gia chống thấm và tổ hợp của chỳng như sau:
1 – Bột sột: [BS]