Nội dung thí nghiệm
Thí nghiệm trên mô hình kỹ thuật trong điều kiện mô hình thu nhỏ để xem xét, đánh giá sự ảnh hưởng của khoáng vật MMT đến cường độ chịu nén của nền đất yếu được gia cố bằng trụ đất xi măng. Các bước thực hiện như sau:
- Chế tạo mô hình thí nghiệm trong phòng.
- Thực hiện thí nghiệm trên mô hình: tạo trụ đất xi măng trong lớp đất yếu và thực hiện nén lớp đất gia cố, trong quá trình nén kết hợp quan sát, chụp ảnh, đo trị số áp lực nén và chuyển vị lớp đất yếu gia cố trụ đất xi măng.
Xây dựng mô hình thí nghiệm trong phòng
Dùng mô hình thu nhỏ xem xét cường độ chịu nén của của nền đất yếu dày 10 m được gia cố bằng các trụ đất xi măng có đường kính 1,0 m, khoảng cách các trụ 2,5 m. Số lượng trụ đất xi măng bố trí theo phương ngang là 8 trụ (Hình 4.1).
Tính toán kích thước hình học mô hình thí nghiệm trong phòng, căn cứ vào kích thước công trình ngoài thực tế và điều kiện thí nghiệm trong phòng, chọn mô hình có tỉ lệ so
Hình 4.1 Mặt cắt ngang nền đất yếu được gia cố bằng trụ đất xi măng 5.000
q
Sét
Cát
Trụ đất xi măng
10.000
Đơn vị đo: mm
83
với thực tế là 1/50. Do đó trụ đất xi măng trong mô hình có đường kính 20 mm, chiều dài 200 mm, khoảng cách các trụ 50 mm. Mô hình thí nghiệm có cấu tạo và các kích thước như sau (Hình 4.2):
Hình 4.2 Kích thước mô hình thí nghiệm Trụ đất
xi măng
Cát Đất sét + Bentonite
q
300 100 300
700
200
q
Nước
700 Trụ đất
xi măng
150200250 600
200
Tấm thép
MẶT CẮT A-A MẶT CẮT B-B
MẶT BẰNG I B
I B A A
Đơn vị đo: mm
84 - Diện tích chịu nén: 200 mm x 100 mm
- Bề dày mô hình: 3s + 2*0,5s = 3*50+2*0,5*50= 200 mm - Bề rộng mô hình: W+2*3*W= 100+2*3*100 = 700 mm
Trong đó: W là bề rộng diện chịu nén: W= 50+0,5*2*25=100 mm, s là khoảng cách các trụ đất xi măng, s=50 mm.
Hộp mô hình được làm bằng tấm nhựa mica cường lực dày 5mm kích thước 700 mm x 200 mm, cao 600 mm, có một mặt bên có thể tháo lắp dễ dàng, thuận tiện cho việc cho đất vào và vệ sinh (Hình 4.3). Hai mặt bên còn được gia cường bằng hệ giằng thép đảm bảo hộp mô hình không bị biến dạng ngang trong quá trình gia tải. Khung gia tải được chế tạo bằng thép hình cường độ cao, cùng hệ thống bơm thủy lực và kích ép. Hệ thống các thiết bị đo áp lực nén, chuyển vị cũng được gắn kèm theo (Hình 4.4).
Khung mô hình được tận dụng và chế tạo lại từ khung mô hình nghiên cứu của TS.
Phạm Tường Hội (2005) trong nghiên cứu về tính toán áp lực đất tác dụng lên tường chắn [53]. Do mô hình chỉ dùng để xem xét cường độ chịu nén của nền đất gia cố trụ đất xi măng, trọng lượng bản thân của vật liệu không bị ảnh hưởng khi mô hình bị thu nhỏ nên mô hình được sử dụng để phân tích được gọi là mô hình 1-g.
Hình 4.3 Hộp mô hình thí nghiệm 700
250200150
600
Phần có thể tháo rời
Phần cố định Bu lông M5x15
Đơn vị đo: mm
85
Quy trình thao tác trên mô hình thí nghiệm
Đất lấy về thí nghiệm có các tính chất cơ lý như Bảng 3.8, được phơi khô (Hình 4.5a), nghiền nhỏ và cho qua rây 5 mm để loại bỏ tạp chất. Trộn Bentonite vào đất với các tỉ lệ về khối lượng 0%, 5%, 10%, 15%. Hỗn hợp được trộn đều với nước tạo độ ẩm 80%
và ủ hỗn hợp 24 giờ trong thùng kín (Hình 4.5b). Sau đó cho hỗn hợp vào hộp mô hình với chiều dày 300 mm (Hình 4.5d); bên dưới là lớp cát dày 200 mm (Hình 4.5c). Lớp đất này được gia tải cố kết dưới các cấp áp lực 0,025 kG/cm2; 0,05 kG/cm2 và 0,1 kG/cm2 bằng hệ thống đòn bẩy lực (Hình 4.5f) [67], mỗi cấp áp lực được nén cho đến khi biến dạng ổn định để đất có được các tính chất gần đúng với đất tự nhiên về độ ẩm (49 ÷ 50%) và dung trọng (17,2 ÷ 17,4 kN/m3), gạt bỏ phần đất dư phía trên để lớp đất yếu còn 200 mm. Dùng khoan điện khoan các lỗ có đường kính 20 mm, dài 200 mm trong lớp đất yếu. Ống nhựa đường kính ngoài 20 mm được chèn vào lỗ khoan để lỗ
Hình 4.4 Khung tạo áp lực nén lên nền đất trong hộp mô hình 1000
1350 750600
Đồng hồ đo lực
Kích nén Tủ điều khiển
Cần điều khiển
Bơm dầu
Đơn vị đo: mm
86
khoan không bị biến dạng (Hình 4.6). Hỗn hợp đất xi măng được bơm vào các lỗ đã khoan này để tạo trụ đất xi măng bằng dụng cụ bơm như Hình 4.7. Trong quá trình bơm, ống nhựa được rút từ từ ra khỏi lỗ khoan. Hàm lượng xi măng được chọn để tạo trụ đất xi măng trong mô hình là 10%, tỉ số tổng lượng nước và xi măng, wT/c=5.
a) Đất được phơi khô trước khi trộn b) Hỗn hợp đất sét, Bentonite và nước
c) Lớp cát bên dưới lớp đất sét d) Lớp đất sét sau khi cho vào hộp
e) Chuẩn bị đất cho thí nghiệm f) Gia tải cố kết lớp đất sét Hình 4.5 Quá trình tạo lớp đất yếu
87
a) Lớp đất đã cố kết b) Định vị lỗ khoan
c) Khoan tạo lỗ d) Chèn ống nhựa
Hình 4.6 Quá trình khoan tạo lỗ
88
Sau quá trình tạo trụ đất xi măng trong lớp đất yếu, lớp đất gia cố này được bảo dưỡng 28 ngày với nhiệt độ bằng nhiệt độ trong phòng (Hình 4.9). Trong quá trình bảo dưỡng, mực nước trong mô hình luôn duy trì ngang mặt trên của lớp đất gia cố để tránh co ngót do nước bốc hơi.
Hình 4.7 Dụng cụ bơm hỗn hợp đất xi măng
Hình 4.8 Trụ đất xi măng trong lớp đất sét
Hình 4.9 Bảo dưỡng lớp đất được gia cố bằng trụ đất xi măng
89
Sau thời gian bảo dưỡng, đưa hộp mô hình vào khung nén và sử dụng hệ thống bơm thủy lực tạo áp lực nén phía trên (Hình 4.10). Đo áp lực nén thẳng đứng và chuyển vị của lớp đất gia cố trụ đất xi măng.
Quá trình thí nghiệm bằng cách tăng dần lực nén thẳng đứng đến khi nền đất gia cố bị phá hoại hoặc biến dạng dọc theo trục trụ đất xi măng đạt 5%. Tốc độ tăng áp lực nén được kiểm soát để tốc độ của biến dạng dọc trục khoảng 0,5% ÷ 2%/ phút [57]. Cường độ chịu nén của lớp đất yếu được gia cố trụ đất xi măng là tải dọc trục tối đa đạt được trên một đơn vị diện tích hoặc tải trên một đơn vị diện tích khi biến dạng lún đạt 10 mm, tùy vào trường hợp nào xảy ra trước. Cường độ chịu nén của lớp đất gia cố (kPa) được tính theo công thức:
qn=Pmax
An (4.1)
Trong đó qn là cường độ chịu nén của lớp đất gia cố [kPa]
Pmax là lực nén dọc trục lớn nhất đọc và tính toán từ đồng hồ đo áp lực [kN]
An là diện tích chịu nén của lớp đất gia cố [m2]
Trong quá trình tạo trụ đất xi măng trong mô hình, mẫu đất xi măng từ hỗn hợp đất xi măng cũng được tạo, bảo dưỡng và nén một trục nở hông để kiểm soát chất lượng cường độ trụ đất xi măng trong mô hình.
Hình 4.10 Thí nghiệm nén lớp đất gia cố trụ đất xi măng
90 Kết quả thí nghiệm
Lớp đất tự nhiên có hàm lượng MMT 6% được gia cố bằng trụ đất xi măng với hàm lượng xi măng 10%, hệ số gia cố 13% thì cường độ chịu nén tăng 3,3 lần (từ 20 kPa lên 66 kPa) so với lớp không được gia cố, nhưng khi đất có hàm lượng MMT 15% thì cường độ chịu nén chỉ tăng 1,25 lần (từ 20 kPa lên 25 kPa).
Cường độ chịu nén của lớp đất yếu gia cố trụ đất xi măng giảm khi hàm lượng MMT tăng (Bảng 4.1 và Hình 4.11): Khi hàm lượng MMT tăng 9% (từ 6% đến 15%), cường độ chịu nén của nền đất gia cố giảm 2,6 lần (từ 66 kPa xuống 25 kPa).
Bảng 4.1 Cường độ chịu nén của lớp đất gia cố xi măng Hàm lượng MMT,
aMMT (%)
Chỉ số đọc từ đồng hồ đo (kG/cm2)
Lực nén Pmax (kN)
Cường độ chịu nén của lớp đất gia cố qn (kPa)
6 4,0 1,33 66
9 3,0 0,99 50
12 2,6 0,86 42
15 1,5 0,50 25
Hình 4.11 Quan hệ giữa cường độ chịu nén của lớp đất sét gia cố trụ đất xi măng và hàm lượng MMT
0 20 40 60 80 100
5 7 9 11 13 15
Cường độ chịu nén(kPa)
Hàm lượng MMT, aMMT(%)
Lớp đất gia cố Lớp đất tự nhiên
91
Lớp đất yếu có hàm lượng MMT 6% được gia cố trụ đất xi măng có cường độ chịu nén thấp hơn cường độ chịu nén của mẫu đất xi măng 7,9 lần và 16,0 lần đất có khi hàm lượng MMT 15% (Hình 4.12). Biểu đồ cũng cho thấy khi hàm lượng MMT thay đổi từ 6% đến 9% thì độ dốc của đường biểu diễn cường độ chịu nén của mẫu và nền gia cố gần bằng nhau, nhưng khi hàm lượng MMT thay đổi từ 9% đến 15% thì độ dốc của đường biểu thị cường độ mẫu thí nghiệm trong phòng lớn hơn độ dốc của đường biểu diễn cường độ chịu nén của nền gia cố. Điều này cho thấy hàm lượng MMT trong mẫu đất xi măng ảnh hưởng đến cường độ chịu nén lớn hơn cường độ chịu nén của nền gia cố trụ đất xi măng.
Kết luận chương
Khi đất có hàm lượng MMT cao thì hiệu quả gia cố nền bằng công nghệ trụ đất xi măng không cao. Vì vậy khi gia cố nền đất yếu cần chú ý hàm lượng MMT để nâng cao cường độ nền đất yếu được gia cố bằng trụ đất xi măng và hiệu quả của giải pháp gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng.
Hình 4.12 So sánh cường độ chịu nén của mẫu đất xi măng và lớp đất gia cố trụ đất xi măng khi hàm lượng MMT thay đổi
0 100 200 300 400 500 600
5 7 9 11 13 15
Cường độ chịu nén(kPa)
Hàm lượng MMT, aMMT(%)
Mẫu đất xi măng Lớp đất gia cố
92
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
1 Kết luận
Trên cơ sở nghiên cứu thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng MMT đến cường độ chịu nén của mẫu, thí nghiệm đánh giá khả năng chịu nén của nền đất gia cố trụ đất xi măng bằng mô hình trong phòng thí nghiệm, các kết luận của luận án được rút ra như sau:
1. Cường độ chịu nén của mẫu đất xi măng bị ảnh hưởng bởi hàm lượng MMT và lượng nước khi trộn tạo mẫu. Khi hàm lượng MMT tăng 6,5% (từ 3,3% đến 9,8%) thì cường độ nén của mẫu giảm lớn nhất là 19% và nhỏ nhất là 8%. Đồng thời khi tăng tỉ số tổng lượng nước và xi măng (wT/c= 3, 4, 5) thì cường độ nén của mẫu giảm rất lớn 61% do tính hút nước cao của MMT trong hỗn hợp. Hàm lượng MMT trong đất nền được xem là tối ưu để sử dụng công nghệ gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng là 3,3%.
2. Khối lượng thể tích của mẫu đất xi măng giảm khi tăng hàm lượng MMT, tuy nhiên sự giảm này là nhỏ: khi tăng hàm lượng MMT từ 3,3% đến 9,8% thì khối lượng thể tích của mẫu đất xi măng giảm xuống từ 1,70 g/cm3 xuống 1,68 g/cm3 (1,20%) khi tỉ số tổng lượng nước và xi măng wT/c=3; từ 1,60 g/cm3 xuống 1,57 g/cm3 (1,90%) khi wT/c=4; và từ 1,53 g/cm3 xuống 1,51 g/cm3 (1,31%) ứng với wT/c=5. Sự giảm khối lượng thể tích này cũng phù hợp với sự giảm giá trị CT-value trong thí nghiệm chụp tia X ngang mẫu.
3. Hình dạng phá hoại của mẫu đất xi măng quan sát bằng ảnh tia X thể hiện tính giòn.
Tính giòn của mẫu đất xi măng tăng theo thời gian bảo dưỡng và giảm khi tăng hàm lượng MMT và tăng lượng nước. Độ biến dạng lớn nhất tương ứng với trạng thái phá hoại của mẫu đất xi măng chứa 9,8% MMT ở 7 ngày bảo dưỡng chỉ 1,0%.
4. Căn cứ vào biểu đồ quan hệ giữa cường độ chịu nén và hàm lượng MMT ứng với thời gian bảo dưỡng 28 ngày, hàm lượng xi măng thích hợp cho các loại đất có chứa khoáng vật MMT với các hàm lượng khác nhau có thể được lựa chọn.
93
5. Lớp đất yếu trong mô hình có hàm lượng MMT 6% được gia cố với hàm lượng xi măng 10%, hệ số gia cố 13% thì cường độ chịu nén tăng 3,3 lần (từ 20 kPa lên 66 kPa) so với lớp không được gia cố. Khi đất có hàm lượng MMT 15% thì cường độ chịu nén này chỉ tăng 1,25 lần (từ 20 kPa lên 25 kPa). Khi hàm lượng MMT tăng 9% (từ 6% đến 15%) thì cường độ chịu nén của lớp đất yếu được gia cố bằng trụ đất xi măng giảm 63% (từ 66 kPa xuống 25 kPa).
Những hạn chế của nghiên cứu
1. Mô hình thu nhỏ không được thực hiện với thí nghiệm ly tâm nên kết quả nghiên cứu chỉ dừng lại ở nghiên cứu khả năng chịu nén của nền đất yếu gia cố trụ đất xi măng mà không xét đến trọng lượng bản thân của vật liệu.
2. Cường độ chịu nén của nền đất gia cố trụ đất xi măng chỉ xét trong thời điểm tức thời.
3. Vì điều kiện kinh tế và thời gian, mô hình không được thực hiện ngoài thực tế hiện trường nên kết quả có thể còn bị ảnh hưởng bởi điều kiện thi công, điều kiện địa chất của công trình thực tế.
2 Kiến nghị nghiên cứu tiếp theo
Thực hiện thí nghiệm mẫu đất xi măng với hàm lượng MMT cao hơn và thời gian bảo dưỡng mẫu kéo dài hơn để xem xét hiện tượng bóc vỏ bề mặt của mẫu đất xi măng.
94
DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
A. Bài báo khoa học công bố trên tạp chí khoa học trong nước
1. Nguyễn Thành Đạt, Lê Anh Tuấn, Nguyễn Minh Tâm và Nguyễn Ngọc Thắng,
“Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu uốn và tương quan giữa cường độ chịu nén và uốn của vật liệu đất trộn xi măng,” Tạp chí địa kỹ thuật-Viện địa kỹ thuật, tập 14, số 4, trang 23-28, 2010.
2. Nguyễn Ngọc Thắng, Lê Văn Nam, Nguyễn Minh Tâm và Jun Otani, “Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng Montmorillonite đến tính chất cơ học của đất trộn xi măng,” Tạp chí địa kỹ thuật-Viện địa kỹ thuật, tập 15, số 4, trang 11-19, 2011.
3. Lê Văn Nam, Nguyễn Minh Tâm và Nguyễn Ngọc Thắng, “Nghiên cứu sử dụng mô hình trong phòng thí nghiệm để đánh giá sức chịu tải của đất yếu gia cố cột đất trộn xi măng dưới nền đường khi nền đất có hàm lượng Montmorillonite khác nhau,”
Tạp chí xây dựng-Bộ Xây dựng, tập 54, số 4, trang 89-92, 2015.
4. Nguyễn Ngọc Thắng, Nguyễn Minh Tâm và Lê Văn Nam, “Nghiên cứu sự ảnh hưởng hàm lượng lượng xi măng đến cường độ chịu nén của mẫu đất trộn xi măng khi đất có hàm lượng khoáng vật Montmorillonite khác nhau,” Tạp chí xây dựng-Bộ Xây dựng, tập 54, số 9, trang 65-68, 2015.
B. Bài báo khoa học công bố trong kỷ yếu hội nghị/ hội thảo trong nước
1. Nguyễn Ngọc Thắng, Lê Văn Nam, Nguyễn Minh Tâm, Jun Otani, Mukunoki,
“Nghiên cứu địa kỹ thuật bằng tia X-ray CT,” Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ 12, Trường Đại học Bách khoa Tp. Hồ Chí Minh, Tp. Hồ Chí Minh, 2011, trang 20.
2. Nguyễn Ngọc Thắng, Lê Văn Nam, Nguyễn Minh Tâm, Jun Otani, “Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng Montmorillonite đến tính chất cơ học của đất trộn xi măng,” Hội nghị vật lý chất rắn và khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ 7 (SPMS- 2011), Tp. Hồ Chí Minh, 2011, trang 269.
3. Nguyễn Ngọc Thắng, Lê Văn Nam, Nguyễn Minh Tâm, Makato Kawamura, “Thiết kế ứng dụng cột đất trộn xi măng hợp lý trong xử lý nền đường đất yếu ở Đồng
95
bằng sông Cửu Long,” Hội nghị cơ học toàn quốc lần thứ 9, Hà Nội, 2012, trang 180-186.
4. Nguyễn Ngọc Thắng, Nguyễn Minh Tâm và Lê Văn Nam, “Phân tích sự ảnh hưởng của khoáng vật Montmorillonite đến nền đường đất yếu gia cố cột đất trộn xi măng bằng mô hình trong phòng thí nghiệm,” Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ 13, Trường Đại học Bách khoa Tp. Hồ Chí Minh, Tp. Hồ Chí Minh, 2013, trang 525- 531.
5. Lê Văn Nam, Nguyễn Minh Tâm và Nguyễn Ngọc Thắng, “Nghiên cứu sự ảnh hưởng của hàm lượng xi măng đến cường độ chịu nén của mẫu đất trộn xi măng khi đất có hàm lượng Montmorillonite khác nhau,” Hội Nghị Cơ học Kỹ thuật Toàn quốc năm 2015, Đại học Đà Nẵng, Đà Nẵng, 2015, trang 80.
6. Nguyễn Ngọc Thắng, Nguyễn Minh Tâm và Lê Văn Nam , “Nghiên cứu sự ảnh hưởng của khoáng vật Montmorillonite đến cường độ chịu nén của nền đất yếu gia cố trụ đất xi măng,” Hội Thảo khoa học quốc gia – Hạ tầng giao thông với phát triển bền vững , Đại học Đà Nẵng, Đà Nẵng, 2016, trang 515-521.
C. Bài báo khoa học công bố trong kỷ yếu hội nghị/ hội thảo quốc tế
1. Nguyen Thang Ngoc, Makoto Kawamura, Jun Otani, “A study on stabilization of soft ground due to embankment load using Deep Cement Mixing columns,” in ICAST 2010, Conference on Advanced Science and Technology, Japan, 2010, pp.
315-316.
2. Nguyen Ngoc Thang, Nguyen Thanh Dat, Nguyen Minh Tam, Le Anh Tuan, “An analytical study on Cement column stabilized in the riverbank by Deep Mixing Method,” in ICAST 2011, Conference on Advanced Science and Technology, China, 2011, pp. 183-184.
3. Nguyen Ngoc Thang, “An Analytical Study on Cement Column Configuration in the Foundation Improved by Deep Mixing Method,” in GEOTECHANOI 2011, International Conference on Geotechnics for sustainable development, Vietnam, 2011, pp. 733-737.
96
4. Nguyen Minh Tam, Nguyen Ngoc Thang, Le Van Nam, “Study on using laboratory model to research for bearing capacity of soft ground improved by deep cement mixing columns due to embankment load with different Montmorillonite contents,”
in ISEM 2011, 10th International Symposium on Advanced Science and Technology in Experimental Mechanics, Japan, 2015, pp. 23-28.
5. Nguyen Ngoc Thang, Le Van Nam, Nguyen Minh Tam, “Effect of Montmorillonite content on the bearing capacity of soft ground by deep mixing column using scale model,” in GEOTEC HANOI 2016, International Conference on Geotechnics for sustainable infrastructure development, Vietnam, 2016, pp. 735-740.
D. Công trình NCKH đã tham gia
Tham gia đề tài NCKH cấp Trường mang tên “Ảnh hưởng của hàm lượng Montmorillonite trong đất đến độ bền cơ học của cọc đất - xi măng dùng xử lý nền móng công trình xây dựng trên đất yếu,” 2011-2012.
E. Tham gia trao đổi, học tập ở nước ngoài
Tham gia trao đổi, học tập tại trường Đại học Kumamoto (Nhật Bản) từ tháng 10/2010 đến tháng 09/2011.