Đề tài nghiên cứu khoa học: Nghiên cứu ứng xử cố kết của đất sét nạo vét từ lòng sông khi gia cường đệm cát và vải địa kỹ thuật dưới điều kiện nén 3 trục

Chia sẻ: Kiều Lan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:86

Thêm vào BST

Báo xấu

16
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài "Nghiên cứu ứng xử cố kết của đất sét nạo vét từ lòng sông khi gia cường đệm cát và vải địa kỹ thuật dưới điều kiện nén 3 trục" nhằm nghiên cứu ứng xử cố kết của đất sét cố kết gia cường đệm cát và vải địa kỹ thuật dưới điều kiện thí nghiệm nén 3 trục; So sánh kết quả ứng xử cố kết của đất sét không gia cường, gia cường đệm cát và vải địa kỹ thuật khi nén cố kết 1 trục và 3 trục.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đề tài nghiên cứu khoa học: Nghiên cứu ứng xử cố kết của đất sét nạo vét từ lòng sông khi gia cường đệm cát và vải địa kỹ thuật dưới điều kiện nén 3 trục

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NCKH CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỐ KẾT CỦA ĐẤT SÉT NẠO VÉT TỪ LÒNG SÔNG KHI GIA CƯỜNG S K C 0 0 3 9 5 9 ĐỆM CÁT VÀ VẢI ĐỊA KỸ THUẬT DƯỚI ĐIỀU KIỆN NÉN 3 TRỤC MÃ SỐ: T2020-81TĐ S KC 0 0 7 3 1 3 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỐ KẾT CỦA ĐẤT SÉT NẠO VÉT TỪ LÒNG SÔNG KHI GIA CƯỜNG ĐỆM CÁT VÀ VẢI ĐỊA KỸ THUẬT DƯỚI ĐIỀU KIỆN NÉN 3 TRỤC Mã số: T2020-81TĐ Chủ nhiệm đề tài: Thạc sĩ NGUYỄN THANH TÚ TP. HCM, 04/2021
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA XÂY DỰNG BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỐ KẾT CỦA ĐẤT SÉT NẠO VÉT TỪ LÒNG SÔNG KHI GIA CƯỜNG ĐỆM CÁT VÀ VẢI ĐỊA KỸ THUẬT DƯỚI ĐIỀU KIỆN NÉN 3 TRỤC Mã số: T2020-81TĐ Chủ nhiệm đề tài: NGUYỄN THANH TÚ Thành viên đề tài: NGUYỄN MINH ĐỨC LÊ PHƯƠNG BÌNH TP. HCM, 04/2021
DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA 1. NGUYỄN THANH TÚ- Khoa Xây Dựng, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật, Tp Hồ Chí Minh 2. NGUYỄN MINH ĐỨC- Khoa Xây Dựng, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật, Tp Hồ Chí Minh 3. LÊ PHƯƠNG BÌNH - Khoa Xây Dựng, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật, Tp Hồ Chí Minh
MỤC LỤC MỤC LỤC ........................................................................................................................i DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................. iii DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................iv THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .......................................................................v INFORMATION ON RESEARCH RESULTS ........................................................... vii CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU...................................................................................................1 I. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ...............................................1 1.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước: ...............................................................1 1.2. Nghiên cứu trong nước.................................................................................3 II. TÍNH CẤP THIẾT ĐỀ TÀI ................................................................................3 III. MỤC TIÊU .........................................................................................................4 IV. CÁCH TIẾP CẬN, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................................4 4.1. Cách tiếp cận ................................................................................................4 4.2. Phương pháp nghiên cứu..............................................................................5 V. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU .........................................................5 5.1. Đối tượng nghiên cứu...................................................................................5 5.2. Phạm vi nghiên cứu ......................................................................................5 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN ...........................................................................................6 I. SƠ BỘ VỀ TÍNH NÉN LÚN VÀ CỐ KẾT CỦA ĐẤT .....................................6 1.1. Tính nén lún của đất .....................................................................................6 1.2. Cố kết ...........................................................................................................7 II. BIẾN DẠNG KHÔNG NỞ HÔNG- HỆ SỐ ÁP LỰC NGANG TĨNH KO .......8 2.1. Biến dạng mẫu đất:.......................................................................................8 2.2. Hệ số áp lực ngang tĩnh Ko- Biến dạng đất không nở hông .........................9 III. THÍ NGHIỆM CỐ KẾT 1 TRỤC KHÔNG NỞ HÔNG ....................................9 3.1. Khái niệm. ....................................................................................................9 3.2. Mục đích thí nghiệm nén cố kết: ..................................................................9 3.3. Tính toán thí nghiệm nén cố kết...................................................................9 IV. THÍ NGHIỆM CỐ KẾT 3 TRỤC KHÔNG NỞ HÔNG...............................14 4.1. Mục đích thí nghiệm ..................................................................................14 4.2. Quy trình thí nghiệm ..................................................................................15 4.3. Tính toán ....................................................................................................17 CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU VÀ CHƯƠNG TRÌNH THÍ NGHIỆM ...............................20 i/54
I. VẬT LIỆU THÍ NGHIỆM................................................................................20 1.1. Đất bùn sét nạo vét .....................................................................................20 1.2. Vải địa kỹ thuật ..........................................................................................21 1.3. Cát thí nghiệm ............................................................................................22 II. CHƯƠNG TRÌNH THÍ NGHIỆM ...................................................................23 2.1. Chuẩn bị đất thí nghiệm .............................................................................23 2.2. Thí nghiệm xác định hệ số áp lực ngang tĩnh Ko .......................................23 2.3. Trình tự thí nghiệm nén cốt kết 1 trục không nở hông ..............................23 2.4. Trình tự thí nghiệm cố kết 3 trục ...............................................................25 2.5. Số lượng mẫu thí nghiệm ...........................................................................25 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ ...............................................................................................29 I. HỆ SỐ ÁP LỰC NGANG KO...........................................................................29 II. ỨNG XỬ LÚN CỦA MẪU CỐ KẾT 1 TRỤC................................................29 2.1. Độ lún cố kết của mẫu đất không gia cường:.............................................29 2.2. Độ lún cố kết của mẫu đất gia cường bằng vải địa kỹ thuật. .....................30 2.3. Độ lún cố kết của mẫu đất gia cường bằng đệm cát và vải địa kỹ thuật. ...30 2.4. Ảnh hưởng lớp gia cường đến thời gian cố kết mẫu thí nghiệm: ..............31 2.5. Kết luận ......................................................................................................32 III. KẾT QUẢ CỐ KẾT MẪU 3 TRỤC .................................................................32 3.1. Mẫu đất không gia cường...........................................................................32 3.2. Mẫu đất gia cường bằng vải địa kỹ thuật ...................................................35 3.3. Mẫu gia cường bằng đệm cát và vải địa kỹ thuật ......................................37 3.4. Kết luận: .....................................................................................................39 IV. SO SÁNH CỐ KẾT 1 TRỤC VÀ 3 TRỤC...................................................40 4.1. Thời gian cố kết: ........................................................................................40 4.2. Hệ số cố kết Cv và hệ số thấm K ................................................................41 4.3. Kết luận ......................................................................................................42 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KẾT NGHỊ ..................................................................44 I. KẾT LUẬN .......................................................................................................44 II. KIẾN NGHỊ ......................................................................................................44 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................45 ii/54
DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Tính nén lún của đất ..............................................................................................6 Hình 2: Cố kết một hướng ..................................................................................................8 Hình 3: Sự cố kết của đất sét bão hòa .................................................................................8 Hình 4: Sơ đồ thí nghiệm nén cố kết bằng thiết bị nén không nở hông .............................9 Hình 5: Phương pháp xác định chỉ số nén Cc ...................................................................11 Hình 6: Phương pháp xác định chỉ số Cr (đường nén lại- quá cố kết) ..............................11 Hình 7: Đường cong cố kết. Phương pháp xác định thời gian T90 ..................................12 Hình 8: Xác định thời gian cố kết theo phương pháp logarit thời gian T50 .....................12 Hình 9: Xác định giai đoạn cố kết thấm của đất bão hòa nước gồm giai đoạn bắt đầu cố kết thấm và kết thúc cố kết thấm ........................................................................14 Hình 10: Mô hình thí nghiệm 3 trục .................................................................................15 Hình 11: Kích cỡ thành phần hạt đất sét ...........................................................................21 Hình 12: Vải địa kỹ thuật ..................................................................................................22 Hình 13: Kích cỡ thành phần hạt cát ................................................................................22 Hình 14: Đất trước khi sàn, bộ sàn, đất sau khi sàn..........................................................23 Hình 16: Nén cố kết 1 trục không nở hông .......................................................................24 Hình 17: Mẫu đất thí nghiệm nén cố kết 1 trục ................................................................25 Hình 15: Mẫu đất thí nghiệm ............................................................................................26 Hình 18: Mẫu đất nén cố kết 3 trục ..................................................................................27 Hình 19: Biến dạng vải; vải và đệm cát dưới các cấp áp lực............................................28 Hình 20: Biểu đồ quan hệ độ lún h và thời gian của đất không gia cường ....................30 Hình 21: Biểu đồ quan hệ độ lún h và thời gian của đất gia cường bằng 1 lớp vải địa kỹ thuật ....................................................................................................................30 Hình 22: Biểu đồ quan hệ độ lún h và thời gian của đất gia cường bằng vải địa kỹ thuật và đệm cát 1 cm ..................................................................................................31 Hình 23: Chuyển vị đứng của mẫu đất không theo thời gian ...........................................33 Hình 24: Tổng biến dạng thể tích mẫu đất vải theo thời gian. .........................................33 Hình 25: Đường kính mẫu đất không gia cường theo thời gian .......................................34 Hình 26: Thay đổ đường kính mẫu đất không gia cường theo thời gian ..........................34 Hình 27: Chuyển vị đứng của mẫu đất- vải theo thời gian ...............................................35 Hình 28: Tổng biến dạng thể tích mẫu đất vải theo thời gian. .........................................36 Hình 29: Đường kính mẫu đất- vải theo thời gian. ...........................................................36 Hình 30: Chuyển vị đứng mẫu đất gia cường bằng đệm cát theo thời gian .....................38 Hình 31: Đường kính mẫu đất- vải theo thời gian. ........... Error! Bookmark not defined. Hình 32: Thời gian cố kết T90 và T100 các mẫu .............................................................40 Hình 33: Hệ số cố kết Cv...................................................................................................41 Hình 34: Hệ số thấm của các mẫu ....................................................................................41 Hình 35: mẫu thí nghiệm cố kết 1 trục truyền thống và cải tiến để khảo sát ảnh hưởng lớp gia cường. ...........................................................................................................42 iii/54
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1: - Các yếu tố để xác định c v ..................................................................................18 Bảng 2: Tính chất cơ học của đất.......................................................................................20 Bảng 3: Tính chất cơ học của vải địa kỹ thuật ...................................................................21 Bảng 4: Tính chất cơ học của cát ......................................................................................22 Bảng 5: Thời gian đạt độ lún 1.5 mm ................................................................................31 Bảng 6: Thời gian cố kết T90, T100, Cv, Mv, K của mẫu cố kết một trục ........................31 Bảng 7: Tỉ lệ T90, T100, Cv, Mv, K của mẫu gia cường và không gia cường khi cố kết 1 trục ........................................................................................................................32 Bảng 7: Kết quả cố kết mẫu không gia cường ...................................................................35 Bảng 8: Kết quả cố kết mẫu gia cường vải địa kỹ thuật ....................................................37 Bảng 9: Kết quả cố kết mẫu gia cường vải địa kỹ thuật ....................................................37 Bảng 11: Tỉ lệ T90, T100, Cv, Mv, K của mẫu gia cường và không gia cường khi cố kết 3 trục ........................................................................................................................40 Bảng 10: Tỉ lệ thời gian cố kết 90% (T90) và 100% (T100) của mẫu cố kết 3 trục và mẫu cố kết 1 trục...........................................................................................................41 Bảng 11: Tỉ lệ hệ số cố kết Cv và hệ số thấm Kv giữa mẫu cố kết 3 trục và mẫu cố kết 1 trục ........................................................................................................................42 iv/54
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc Khoa XÂY DỰNG Tp. HCM, ngày 12 tháng 04 năm 2020 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên Cứu Ứng Xử Cố Kết Của Đất Sét Nạo Vét Từ Lòng Sông Khi Gia Cường Đệm Cát Và Vải Địa Kỹ Thuật Dưới Điều Kiện Nén 3 Trục - Mã số: T2020-81TĐ - Chủ nhiệm: Nguyễn Thanh Tú - Cơ quan chủ trì: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật - Thời gian thực hiện: 12 tháng, từ 12/2019- 12/2020 2. Mục tiêu: - Nghiên cứu ứng xử cố kết của đất sét cố kết gia cường đệm cát và vải địa kỹ thuật dưới điều kiện thí nghiệm nén 3 trục. - So sánh kết quả ứng xử cố kết của đất sét không gia cường, gia cường đệm cát và vải địa kỹ thuật khi nén cố kết 1 trục và 3 trục. 3. Tính mới và sáng tạo: - Nghiên cứu đưa ra biện pháp gia cố nền đất yếu bằng vật liệu vải địa kỹ thuật và bằng phương pháp vải địa kỹ thuật kết hợp đệm cát để đẩy nhanh quá trình cố kết đất sét yếu, từ đó gia tăng cường độ cho đất nền. - Thí nghiệm nén 3 trục rất cần thiết để mô phỏng sự làm việc của mẫu đất trong điều kiện thực tế. Từ đó, giúp người thiết kế hiểu được quá trình cố kết của đất sét gia cường và sự khác biệt khi cố kết bằng thí nghiệm cố kết một trục truyền thống, đặc biệt khi chiều cao mẫu lớn, ảnh hưởng của ma sát giữa đất và thành dao vòng là đáng kể. 4. Kết quả nghiên cứu: - Các lớp gia cường thúc đẩy nhanh quá trình cố kết trong cả 2 loại thí nghiệm. Vải địa kỹ thuật giúp đẩy nhanh quá trình thoát nước từ 62% đến 80%, trong khi đệm cát + vải địa kỷ thuật là 25%- 30% so với trường hợp không gia cường. Đo đó, hệ số thấm của mẫu đất cũng sẽ tăng lên. Quá trình đẩy nhanh cố kết này do lớp đệm cát và vải địa kỹ thuật tạo thành biên thoát nước tốt đồng thời làm giảm chiều cao của lớp đất cố kết. - Nén cố kết 3 trục sẽ cho kết quả chính xác hơn khi nén cố kết 1 trục, đặc biệt khi chiều cao mẫu lớn hay tỉ lệ đường kính mẫu/chiều cao mẫu >2.5 lần. Do ảnh hưởng v/54
của ma sát giữa đất và thành dao vòng, trong thí nghiệm cố kết 1 trục, áp lực nén sẽ bị mất mát một phần làm cho mẫu đất không còn chịu đúng tải trọng tác dụng. Kết quả chỉ ra rằng, khi thí nghiệm cố kết 3 trục, thời gian cố kết giảm khoảng 90% cho mẫu không gia cường, 75% và 68% cho mẫu gia cường bằng vải địa kỹ thuật và mẫu gia cường bằng vải địa + đệm cát. Do đó, hệ số thấm của mẫu cố kết 3 trục cũng sẽ lớn hơn các mẫu cố kết 1 trục từ 1.12 đến 1.33 lần 5. Sản phẩm: 01 bài báo trong nước (theo đăng ký đề tài là 01 bài báo trong danh mục tính điểm 0.75-1 điểm) 6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng: - Hiệu quả: Kết quả nghiên cứu sẽ góp phân quan trọng trong việc bảo vệ môi trường, sử dụng nguồn tài nguyên thiên nhiên bền vững. Kết quả nghiên cứu sẽ giúp sử dụng đất sét lòng sông làm cát san lấp, giúp khai thông dòng chảy, chống lại ảnh hưởng mực nước dâng cao do biến đổi khí hậu. Đồng thời, hạn chế việc khai thác cát từ lòng sông, giảm ảnh hưởng hưởng môi trường tự nhiên. Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng rộng rãi trong giáo dục và làm cơ sở lý thuyết cho các nghiên cứu có liên quan - Phương thức chuyển giao nghiên cứu: Kết quả sẽ được đăng trên tạp chí chuyên ngành. Trưởng Đơn vị Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên) (ký, họ và tên) Nguyễn Thanh Tú vi/54
INFORMATION ON RESEARCH RESULTS 1. General information: Project title: THE CONSOLIDATION BEHAVIOUR OF THE RIVERBED CLAY REINFORCED BY GEOTEXTILE AND SAND CUSHION UNDER TRIAXIAL COMPRESSION TESTS. Code number: T2020-81TĐ Coordinator: NGUYEN THANH TU Implementing institution: University of Technology and Education Duration: from 12/2019 to 12/2020 2. Objectives: - Studying the consolidation behavior of the riverbed clay reinforced by sand cushion and the geotextile under the trial axis compression test. - Comparing the consolidation results of un-reinforced clay, clay reinforced by a sand cushion, and geotextile under the one-dimensional consolidation test and trial axis compression test. 3. Creativeness and innovativeness: - The research introduces the method to reinforce the soft soil by using geotextile materials, and geotextile combined with sand cushion to increase the consolidation process, thereby increasing soil strength. - The trial axis compression test is essential to simulate the working of soil samples in real conditions. From there, the designers have a clear understanding of the consolidation process of reinforced clays and the differences between the traditional one-dimension consolidation test and the trial axis compression test, especially when the sample height is large, the effect of friction between the soil and the ring is substantial. 4. Research results: - The reinforcement layers increase the consolidation process in both types of experiments. Geotextile decreased the drainage process from 62% to 80%, while this number in the case of the sand cushion + geotextile was 25% - 30% compared to the case of un-reinforcement. Therefore, the permeability coefficient of the soil sample also increased. This increased consolidation process is due to the fact that the sand cushion and geotextile play a role as a good drainage boundary and reduced the height of the consolidation soil. - The trial-axis compression test gives more accurate results than the one-dimension test, especially when the sample height was large or the ratio of sample diameter vii/54
over sample height was more than 2.5 times. Due to the influence of the friction between the soil and the ring in the one-dimension consolidation test, the compression pressure would be decreased, making the soil sample no longer subject to the correct applied load. The results showed that, in the trial axis consolidation test, the consolidation time was reduced by about 90% compared to the unreinforced sample, 75% and 68% for the geotextile reinforced sample and the reinforcement with geotextile plus a sand cushion. Therefore, the permeability coefficient of trial axis consolidation samples will also be 1.12 to 1.33 times higher than those in the one consolidation tests. 5. Products: 01 national paper (01 national paper was proposed in the project). 6. Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability: - Effects: The results will contribute significantly to environmental protection and sustainable uses of the natural resources. The results will help to re-use the river-bed clay for leveling sand, helping to clear the river flow and counteract the effects of rising water levels caused by climate changes. At the same time, limiting the exploitation of sand from the river bed, reducing the impact of the natural environment. Research results can be widely applied in education and as a theoretical basis for related research - Methods of research transfer: The results will be published in specialized journals. viii/54
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU I. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước: Phương pháp bơm bùn lòng sông làm đất đắp cho công trình đã được áp dụng tại nhiều công trình lấn biển (Shang et al., 1998; Wang et al., 2014; Liu and Liu, 2008; Shen et al., 2006)). Tuy nhiên đặc điểm loại bùn này hàm lượng nước cao, có độ rỗng lớn, khả năng biến dạng lớn và chịu lực kém. Những nền móng này thường chịu biến dạng và có độ lún rất lớn (Huerta and Rodriguez, 1992; Liu and Zhou, 2005). Khi nghiên cứu về hệ số thấm và phương pháp tính độ lún cho lớp đất bùn yếu, Zhang et al., 2015 cho thấy hệ số rỗng và hàm lượng đất sét ảnh hưởng lớn đến hệ số thấm của loại đất này. Kết quả cho thấy hệ số rỗng của bùn giảm dần theo thời gian. Đất đắp bằng bùn nạo vét cần thời gian vài năm để có thể ổn định và cần có những xử lý, gia cường nhằm đẩy nhanh quá trình cố kết trong đất bùn loại này. Để xử lý và gia cố lớp bùn yếu dưới nền móng công trình, nhiều nghiên cứu đã cho thấy vải địa kỹ thuật là một giải pháp hữu hiệu. Palmeira et al., 1998 đã phân tích ngược trường hợp đê trên nền đất yếu được gia cố bằng vải địa kỹ thuật. Nghiên cứu sử dụng phương pháp giải tích để tính toán hệ số an toàn của nền đập được và không được gia cố bằng vải địa kỹ thuật do Jewel, 1996 đề xuất. Nghiên cứu cho thấy đối với hệ số an toàn đối với đê gia cố vải địa kỹ thuật tối thiểu, Fs = 1.2 trong thiết kế thông thường. Zhou et al., 2008 nghiên cứu biện pháp gia cố đệm cát kết hợp với lưới vải địa kỹ thuật Geogrid và túi địa kỹ thuật Geocell. Kết quả nghiên cứu cho thấy kết cấu liên hợp vải địa kỹ thuật và đệm cát gia tăng khả năng chịu lực cho lớp đất yếu. Hệ kết cấu liên hợp này giúp tăng hệ số nền K0 thêm 30 lần và độ lún giảm 44% và làm giảm ứng suất tại bề mặt lớp đất yếu so với đất yếu khi không được gia cố. Một nghiên cứu khác đề xuất bởi Sitharam et al., 2013 sử dụng Geocell làm nền móng đỡ đập cao 3m trên bùn đỏ - sản phẩm thải ra từ quá trình tuyển quặng nhôm. Nghiên cứu đề xuất phương pháp giải tích nhằm xác định khả năng chịu tải của lớp bùn yếu được gia cường bởi Geocell kết hợp với lưới vải địa kỹ thuật. Kết quả nghiên cứu cho thấy sự kết hợp này đem lại hiệu quả lớn hơn khi chỉ sử dụng Geocell. Đệm cát kết hợp với vải địa kỹ thuật đã được áp dụng làm nền móng cho đê chắn trên nền đất yếu đề xuất trong nghiên cứu của Yu et al., 2005. Nghiên cứu cho thấy đệm cát kết hợp với vải địa kỹ thuật đóng 2 vai trò: (1) vải địa kỹ thuật ngăn cản biến dạng ngang và tăng tính ổn định cho đê; (2) vải địa kỹ thuật ngăn cản dịch chuyển ngang của đất nền dưới đê. Đất nền càng yếu càng gây ra dịch chuyển ngang lớn và càng làm tăng hiệu quả của vải địa kỹ thuật, đặc biệt khi lớp đệm cát nằm dưới hoặc kẹp giữa lớp đất yếu. Nghiên cứu thể hiện vải địa kỹ thuật có mô đun đàn hồi và độ rộng càng lớn càng đem lại hiệu quả cao trong ổn định nền đê. 1/54
Geocell và đệm cát còn được kết hợp với cọc vật liệu rời (đá - sỏi) để gia cố nền đất yếu như được trình bày trong nghiên cứu của Dash et al., 2013. Nghiên cứu cho thấy cọc vật liệu rời có chiều dài và mật độ đảm bảo sẽ làm tăng gấp 3 lần khả năng chịu lực cho đất yếu. Vải địakỹ thuật và đệm cát sẽ có thể làm tăng khả năng chịu lực của đất nền lên 7 lần. Tuy nhiên nếu được kết hợp cả đệm cát, vải địa kỹ thuật Geocell và cọc vật liệu rời, khả năng chịu lực của đất nền có thể gấp 10 lần so với đất nền ban đầu chưa gia cố. Hufenus et al. 2006 nghiên cứu khả năng chịu tải và ứng xử của đất yếu gia cường vải địa kỹ thuật dựa theo thí nghiệm tỷ lệ thực của nền đường. Nghiên cứu chỉ ra sự gia cường cho đất yếu chỉ xảy ra khi sử dụng lớp mỏng cốt liệu thô kẹp giữa vải địa kỹ thuật. Trong trường này, khi vệt lún tạo ra trên nền đường sẽ gây ra biến dạng dài và lực lực kéo trong vải địa kỹ thuật và tạo ra hiệu ứng gia cường cho đất nền. Các nghiên cứu về kết cấu đất gia cường vải địa kỹ thuật cho thấy việc sử dụng đất sét có tính thấm kém làm đất đắp đòi hỏi áp dụng những công nghệ xây dựng và hệ thống thoát nước phù hợp (Sridharan et al. 1991; Glendinning et al. 2005; Chen and Yu 2011; Taechakumthorn and Rowe 2012; Yang et al. 2015). Nghiên cứu của Zornberg and Mitchell (1994) và Mitchell and Zornberg (1995) đã khẳng định vai trò thoát nước của vải địa kỹ thuật trong tăng cường sức chịu tải và sự ổn định của công trình đất đắp từ đất sét tính thấm kém. Các thí nghiệm nén 3 trục được sử dụng rộng rãi nhằm xác định ứng xử của đất sét gia cường vải địa kỹ thuật trong các điều kiện thoát nước khác nhau (Ingold 1983; Ingold và Miller 1982, 1983; Fabian và Foure 1986; Fourier và Fabian 1987; Al-Omari et al. 1989; Indraratna et al. 1991; Unnikrishnan et al. 2002; Noorzad và Mirmoradi 2010; Jamei et al. 2013; Mirzababaei et al. 2013; Yang et al. 2015). Ingold và Miller (1982) tiến hành thí nghiệm không thoát nước với đất cao lanh gia cường bằng nhôm không thấm nước và chất bọt nhựa dẻo thấm nước. Kết quả cho thấy vật liệu gia cường thấm nước cho cường độ kháng cắt cao hơn so với vật liệu gia cường không thấm nước. Sử dụng thí nghiệm nén 3 trục không cố kết, không thoát nước, Fabian và Fourie (1986) khảo sát sự ảnh hưởng của khả năng dẫn nước của vật liệu gia cường đối với tính kháng cắt không thoát nước của đất sét. Kết quả cho thấy vật liệu gia cường thấm nước gia tăng cường độ cho đất sét khoảng 40% trong khi vật liệu gia cường không thấm nước làm giảm cường độ của đất sét với giá trị tương tự. Al-Omari et al. (1989) tiến hành thí nghiệm nén 3 trục cố kết thoát nước và cố kết không thoát nước đối với đất sét gia cường lưới vải địa kỹ thuật. Kết quả cho thấy sự phá hoại của mẫu đất sét gia cường là do sự trượt tương đối của đất sét và lớp vải địa kỹ thuật gia cường. Noorzad và Mirmoradi (2010), Mirzababaei et al. (2013), và Yang et al. (2015) tiến hành thí nghiệm nén 3 trục không cố kết, không thoát nước đối với đất sét gia cường vải địa kỹ thuật. Kết quả cho thấy vải địa kỹ thuật thấm nước gia tăng khả năng chống cắt lớn nhất, giảm sự mất mát khả năng chống cắt với biến dạng lớn. Lớp cát mỏng kẹp giữa lớp vải địa chất gia cường đất sét và ảnh hưởng của nó đến ứng xử chịu cắt và biến dạng của mẫu đất đã được nghiên cứu và khảo sát sử dụng thí nghiệm 2/54
cắt đất trực tiếp (Abdi et al. 2009), thí nghiệm kéo tuột vải địa kỹ thuật (Sridharan et al. 1991; Abdi & Arjomand 2011; Abdi & Zandieh 2014) và thí nghiệm nén 3 trục (Unnikrishnan et al. 2002). Kết quả nghiên cứu cho thấy lớp cát mỏng này cải thiện tương tác bề mặt (lực ma sát) giữa đất sét và vải địa kỹ thuật từ đó gia tăng cường độ cho đất sét. Lớp cát cũng đóng vai trò là biên thoát nước nhằm làm giảm áp lực nước lỗ rỗng xuất hiện trong quá trình tải trọng tác dụng lên mẫu. Các nghiên cứu của Unnikrishnan et al. (2002); Abdi et al. (2009); Abdi & Arjomand (2011); Abdi & Zandieh (2014) cũng đã chỉ ra bề dày tối ưu của lớp cát này khoảng từ 8-15mm đối với thí nghiệm không cố kết, không thoát nước (UU) và thí nghiệm cắt đất trực tiếp và thậm chí đến 8cm đối với thí nghiệm kéo tuột vải địa kỹ thuật. Ngoài ra với vai trò là biên thoát nước, các nghiên cứu của Raisinghani & Viswanadham (2010) và Lin & Yang (2014) đã cho thấy vải địa kỹ thuật còn là đóng vai trò ngăn chặn sự xâm nhập của đất sét vào biên thấm này. Bên cạnh đó, một số công trình nghiên cứu trong nước về công trình trên nền đất yếu. Pierre Lareal và cộng sự, 1989 đã đưa ra những tính toán ổn định và biến dạng nền đường và công trình đắp tương tự trên đất yếu. Bên cạnh đó nghiên cứu đưa ra một số giải pháp xử lý khi xây dựng nền đường đắp trên đất yếu bao gồm phương pháp gia tải, tăng tốc độ cố kết bằng đường thấm đứng, rãnh thấm, phương pháp gia cố bằng cọc vôi, cọc xi măng đất… 1.2. Nghiên cứu trong nước Lê Bá Vinh và cộng sự, 2003 nghiên cứu giải pháp xử lý nền và tính toán ổn định của công trình đường cấp III trên nền có lớp đất yếu mỏng. Nghiên cứu tập trung các biện pháp xử lý nền đất yếu bằng đệm cát kết hợp vải địa kỹ thuật và cừ tràm. Nghiên cứu đề xuất phương pháp tính toán hệ số an toàn chống trượt đối với nền tự nhiên và xét ảnh hưởng của vải địa kỹ thuật gia cố tăng ổn định của nền đất yếu dưới nền đường. Lê Xuân Roanh, 2014 đề xuất công nghệ xử lý nền và thi công đê, đập chắn sóng trên nền đất yếu. Nghiên cứu phân tích một số công nghệ xử lý nền đất sét yếu bao gồm (1) xử lý nền đê bằng đệm cát đóng vai trò lớp chịu lực và lớp thoát nước cho nền đê, (2) xử lý nền bằng bấc thấm làm tăng khả năng thoát nước trong nền qua hệ thống thoát nước đứng, (3) xử lý nền bằng giếng cát vừa đóng vai trò là biên thấm đứng, vừa đóng vai trò chịu tải trọng, tăng cường sức chịu tải cho nền, (4) ứng dụng vải địa kỹ thuật gia cố nền phân cách nền đê và thân đê, phân bố đều áp lực đất đắp, tăng độ bền chống trượt của khối đất đắp, giảm mặt cắt ngang đê, (5) xử lý nền bằng bè cây, (6) xử lý nền bằng cọc đệm cát và (7) gia cố bằng cọc xi măng đất. Nghiên cứu cho thấy phương pháp sử dụng vật liệu như cát hoặc cọc vật liệu rời giúp rút ngắn khoảng cách thoát nước bằng cách bố trí các hành lang thoát nước theo phương thẳng đứng và phương ngang, đồng thời trên bề mặt đất nền lại phủ lớp cát thoát nước và lớp gia tải nhằm đẩy nhanh cố kết. II. TÍNH CẤP THIẾT ĐỀ TÀI 3/54
Cát xây dựng đóng vai trò là thành phần quan trọng trong công trình xây dựng ở Việt Nam. Nhu cầu về cát xây dựng (cát san lấp. cát đổ bê tông, xây tô) là rất lớn. Trong khi đó, trữ lượng dự báo hiện nay chỉ hơn 2 tỉ m3. Đặc biệt, các công trình đường giao thông nông thôn khu vực Đồng bằng sông Cửu Long, nhu cầu về cát san lấp là rất lớn. Việc khai thác cát từ lòng sông sẽ tăng nguy cơ mất an toàn giao thông thuỷ lợi, ảnh hưởng đê điều, môi trường tự nhiên. . Trong khi đó, hàng năm chi phí cho việc nạo vét đất từ lòng kênh sông là rất lớn. Đặc biệt là khu vực đồng bằng sông Cửu Long, nơi có mạng lưới sông ngòi rất dày đặc. Như vậy, chi phí công trình xây dựng công trình đường giao thông nông thôn sẽ giảm được chi phí rất lớn nếu cát san lấp được thay thế bằng đất nạo vét từ lòng kênh, sông. Biện pháp này tránh làm mất đất canh tác tại địa phương giúp gia tăng độ sâu lòng sông nhằm chống lại ảnh hưởng mực nước dâng cao do biến đổi khí hậu toàn cầu. Tuy nhiên, đất bùn nhão khai thác từ lòng sông có hệ số rỗng lớn, sức chống cắt thấp gây mất ổn định, lún quá mức cho công trình. Khi đó nền đường cần áp dụng các biện pháp gia cố nhằm gia tăng khả năng chịu lực của đất nền. Đã có nhiều nghiên cứu gia cường đất sét bằng vải địa kỷ thuật và đệm cát. Tuy nhiên các các nghiên cứu này đều dựa trên thí nghiệm cố kết 1 trục. Khi chiều dài lớp đất tăng lên, hay lớp gia cường tăng lên nên tỷ lệ tổng chiều cao mẫu và đường kính mẫu không còn đảm bảo trong thí nghiệm cố kết 1 trục. Do đó, việc nghiên cứu ứng xử cố kết của đất sét cố kết gia cường đệm cát và vải địa kỹ thuật dưới điều kiện thí nghiệm cố kết 3 trục là cần thiết để có thể áp dụng thực tế. Quá trình thực hiện nghiên cứu bắt đầu với công tác khảo sát và xác định tính chất vật lý và cơ học của đất bùn từ lòng sông tại ĐBSCL. Sau đó, đất bùn gia cố đệm cát kết hợp vải địa kỹ thuật được thí nghiệm cố kết và nén 3 trục theo nguyên lý (1) đệm cát tạo biên thoát nước đẩy nhanh quá trình cố kết đất sét bùn yếu; (2) vải địa kỹ thuật tạo biên ngăn cách sự xâm nhập của đất bùn vào đệm cát; (3) lớp đệm cát giúp gia tăng tương tác bề mặt giữa đất sét và vải địa kỹ thuật từ đó tăng khả năng chịu cắt của đất sét gia cường. Thí nghiệm nén 3 trục rất cần thiết để mô phỏng sự làm việc của mẫu đất trong điều kiện thực tế. III. MỤC TIÊU Nghiên cứu ứng xử cố kết của đất sét cố kết gia cường đệm cát và vải địa kỹ thuật dưới điều kiện thí nghiệm cố kết 3 trục. So sánh kết quả ứng xử cố kết của đất sét không gia cường, gia cường đệm cát và vải địa kỹ thuật khi cố kết 1 trục và 3 trục. IV. CÁCH TIẾP CẬN, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 4.1. Cách tiếp cận 4/54
Tìm hiểu, tham khảo các tài liệu liên quan đến nén cố kết, đất sét gia cường vải địa kỹ thuật và đệm cát và áp dụng vào thực tế đất sét vùng đồng bằng sông Cửu Long với những đặc trưng cơ lý riêng biệt 4.2. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu thực hiện thí nghiệm xác định chỉ tiêu cơ lý và cố kết 3 trục với các mẫu đất sét: - Thí nghiệm cơ lý của đất: xác định trọng lượng hạt, độ ẩm…. - Thí nghiệm nén cố kết 1 trục với mẫu đất không có gia cường, gia cường vải địa kỷ thuật và gia cường bằng vải địa kỹ thuật và đệm cát. - Thí nghiệm cố kết 3 trục với mẫu đất không có gia cường, gia cường vải địa kỷ thuật và gia cường bằng vải địa kỹ thuật và đệm cát. V. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU 5.1. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: đất xét, cát, vải địa kỹ thuật. 5.2. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu: đất sét yếu vùng đồng bằng song Cửu Long. 5/54
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN I. SƠ BỘ VỀ TÍNH NÉN LÚN VÀ CỐ KẾT CỦA ĐẤT 1.1. Tính nén lún của đất Là khả năng giảm thể tích của nó (do giảm độ rỗng, biểu hiện ở sự giảm chiều cao) dưới tác dụng của tải trọng ngoài Quá trình nén lún của đất dưới tác dụng của tải trọng ngoài thực chất là quá trình nén chặt đất. Dưới tác dụng của tải trọng ngoài, các hạt rắn sắp xếp lại, thể tích lỗ rỗng trong đất giảm xuống, độ chặt của đất tăng lên. Như vậy, tính nén lún của đất hoàn toàn khác nhau tùy thuộc vào từng loại đất và từng trạng thái, và trong từng hoàn cảnh cụ thể đối với một loại đất. Hình 1: Tính nén lún của đất Khi công trình được xây dựng trên đất bão hoà, tải trọng của công trình được xem như truyền lên nước trong các lỗ rỗng của đất trước tiên. Vì chịu tải nên nước có xu hướng thoát ra từ các lỗ rỗng trong đất (áp lực nước lỗ rỗng phân tán từ nơi có áp lực lớn đến nơi có áp lực bé hơn và áp lực hữu hiệu tăng dân lền), gât ra sự giảm thể tích phần rỗng của đất và lún công trình. Đối với đất có hệ thấm lớn (đất hạt thô), quá trình này hoàn tất trong khoảng thời gian ngắn và kết quả như lún kết thúc hoàn toàn trong thi công. Tuy nhiên, tuy nhiên đối với đất có hệ số thấm nhỏ (đất hạt mịn, đặt biệt là đất loại sét), quá trình này chiếm một khoảng thời gian rất lớn, mức độ lún và độ lún xẩy ra rất chậm. Tính nén lún của đất gồm 2 loại: a. Nén chặt: là quá trình các hạt đất bị ép chuyển sang trạng thái lèn chặt hơn cùng với sự giảm tương ứng về mặt thể tích và khí thoát ra. Quá trình này đòi hỏi một năng lượng cơ học và thường là sự gia tài do trọng lượng bản thân hoặc tải trọng phụ trên mặt đất sinh ra như: sự dao động xe cộ, sóng va chấn động đất…. Những đất nhạy cảm nhất là cát hay cát chứa cuội rời, vật liệu đắp, đặc biệt là sau khi đổ không được lu lăn hay đầm chặt đầy đủ. 6/54
b. Cố kết: là quá trình nước lỗ rỗng thoát ra do tải trọng tác dụng tăng lên. Thể tích giảm dần dần cho tới khi áp lực nước lỗ rỗng ở bên trong đạt cân bằng, việc giảm tải trọng có thể gây ra sự trương nở làm cho đất duy trì sự bão hoà. Đất nhạy cảm nhất là đất bùn và đất sét cố kết bình thường, một số loại đất đắp nhất định được bão hoà. c. Biến dạng đàn hồi: khi chịu tải trọng thì tất cả vật liệu rắn đều biến dạng. Đất có bản chất riêng biệt, biến dạng một phần là do nén chắt hay cốt kết, phần khác là do biến dạng đàn hồi. 1.2. Cố kết Khi đất chịu tải trọng tác dụng, như là trong quá trình xây dựng, đất sẽ chịu áp lực nén nhất định. Quá trình nén xảy ra theo nhiều cách: sự sắp xếp lại các hạt đất hoặc là sự thoát ra của khí hoặc/ và nước. Tezaghi (1943) cho rằng: quá trình giảm thể tích nước trong đất bão hoà khi không có sự sắp xếp lại hạt đất gọi là quá trình cố kết. Khi đất bão hoà chịu tác dụng tải trọng nén, áp lực nước lỗ rỗng lập tức gia tăng, tuy nhiên bởi vì tính thấm thấp của đất, nên có thời gian trễ khi lực tác dụng và sự thoát nước trong mẫu đất, và do đó mẫu đất sẽ bị lún. Hiện tượng này được gọi là quá trình cố kết. Khi xem xét cơ chế nén lún của đất, có thể giả thuyết là hạt khoáng và nước lỗ rỗng không bị co ép. Vì thế hiệu quả tức thời của việc tăng ứng suất là áp lực nước lỗ rỗng tăng lên. Khi nước lỗ rỗng thấm khỏi đất, sự tăng áp lực nước lỗ rỗng bị tiêu tan dần một cách chậm chạp. Khi toàn bộ độ tăng áp lực nước lỗ rỗng bị tiêu tan, đất lại hoàn toàn cố kết. Để biểu thị quá trình này, Terzaghi (1963) đã đưa ra mô hình dùng lò xo bằng thép để biểu hiện khung kết cấu của đất. Giả thuyết là pit tông không có ma sát được chống đỡ bởi lò xo và ống trụ chứa đầ nước. Nếu tải trọng tác dụng lên pit tông mà van bị đóng thi chiều dài lò xo không thay đổi vì giả thuyết là nước không co ép. Nếu tải trọng gây ra độ tăng của ứng suất tổng là  thì toàn bộ giá trị này phải nhận được bằng sự tăng tương đương của áp lục nước lỗ rỗng. Khi van mở, áp lục nước lỗ rỗng dư là cho nước thoát ra, áp lực nước lỗ rỗng giảm và pit tông lún xuống vì lò xo bị nén. Như thế, tải trọng truyền dần dần vào cho lò xo làm cho nó co ngắn lại cho tới khi chịu toàn bộ tải trọng. Do vậy, ở giai đoạn cuối, độ tăng ứng suất hữu hiệu bằng độ tăng ứng suất tổng và áp lực nước lỗ rỗng thặng dư đã giảm đến không. Tốc độ ép co phụ thuộc vào độ mở của van – tương tự tính thấm của đất . Khi nghiên cứu cố kết, đất được xem như một kết cấu khung có tính ép co của các hạt khoáng vật (bản thân các hạt khoáng vật không bị ép co). Hơn nữa, nếu giả thuyết trong suốt quá trình cố kết đất luôn bão hoà thì độ giảm thể tích bằng thể tích nước thoát ra và điều đó được thể hiện bằng sự thay đổi hệ số rỗng e. 7/54
,u Ban đầu Cuối cùng Nước u =  u =0 ’=0 ;=  Lò xo  Van Thời gian a) Mô hình Terzaghi b) Đường cong ứng suất thời gian Hình 2: Cố kết một hướng Hình 3: Sự cố kết của đất sét bão hòa II. BIẾN DẠNG KHÔNG NỞ HÔNG- HỆ SỐ ÁP LỰC NGANG TĨNH KO 2.1. Biến dạng mẫu đất: Biến dạng thể tích mẫu đất v được xác định bằng: v = 1 + 2 + 3 Trong đó: v ; 1 ; 2; 3 lần lượt là biến dạng thể tích, biến dạng dọc trục (trục 1); biến dạng ngang theo trục 2, 3. 1 2 3 Hình 4: Biến dạng mẫu đất 8/54