Nghiên cứu ảnh hưởng của khoáng vật montmorillonite đến cường độ chịu nén của trụ đất xi măng

Luận án này tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng MMT đến cường độ chịu nén của mẫu đất xi măng bằng thí nghiệm nén một trục nở hông kết hợp với phương pháp phân tích bằng tia X..

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN NGỌC THẮNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA KHOÁNG VẬT

MONTMORILLONITE ĐẾN CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA

TRỤ ĐẤT XI MĂNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

TP HỒ CHÍ MINH NĂM 2017

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 PGS TS Lê Văn Nam

2 PGS TS Nguyễn Minh Tâm

i

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận án

Nguyễn Ngọc Thắng

ii

TÓM TẮT LUẬN ÁN

Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) là đồng bằng lớn nhất Việt Nam được phủ bởi trầm tích Holocence do sự lắng đọng trầm tích của hệ thống sông Mekong Đất sét trong vùng này thông thường gồm có các thành phần khoáng vật là Montmorillonite (MMT), Illite, Chlorite, Kaolinite Khoáng vật MMT trong đất sét ảnh hưởng đáng kể đến tính trương nở và co ngót của đất Áp lực trương nở hoặc tính co ngót phát triển có thể phá hoại sự làm việc ổn định của các công trình có tải trọng nhẹ và kết cấu mặt đường

Luận án này tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng MMT đến cường độ chịu nén của mẫu đất xi măng bằng thí nghiệm nén một trục nở hông kết hợp với phương pháp phân tích bằng tia X Tất cả mẫu được bảo dưỡng trong môi trường nước ngọt với thời gian bảo dưỡng là 7, 14 và 28 ngày Đầu tiên, thí nghiệm được thực hiện trên mẫu đất xi măng được chế tạo bằng sét Kaolinite với hàm lượng xi măng 20%, độ ẩm khi trộn là 80% và hàm lượng MMT thay đổi từ 0%, 3,3%, 6,5% đến 9,8% Kết quả thí nghiệm cho thấy cường độ chịu nén và giá trị CT-value của mẫu đất xi măng giảm khi tăng hàm lượng MMT Kết quả tương tự cũng được tìm thấy trong mẫu đất xi măng sử dụng đất sét ở ĐBSCL Kết quả nghiên cứu này cũng giúp tìm ra hàm lượng xi măng thích hợp cho đất sét ở ĐBSCL có hàm lượng MMT khác nhau

Ngoài ra, mô hình nghiên cứu 1-g trong phòng thí nghiệm cũng được thực hiện để đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng MMT trong đất sét đến khả năng chịu tải nén của nền đất yếu gia cố trụ đất xi măng Kết quả nghiên cứu trên mô hình thu nhỏ phòng thí nghiệm cũng cho thấy với cùng một hàm lượng xi măng, khi tăng hàm lượng MMT, cường độ chịu nén của nền đất gia cố trụ đất xi măng giảm

iii

ABSTRACT

Mekong Delta, the largest delta in Vietnam, covered by Holocence sediment due to sedimentation of Mekong River system The soft clay in this area usually contains minerals, including Montmorillonite (MMT), Illite, Chlorite, and Kaolinite The presence of MMT in clay has been reported to significantly affect to the swelling properties of the soil The development of swelling pressure or shrinkage of swelled soil could reduce the stability of light building constructs and macroscopic structures

of road surface

This research study focused on the influence of MMT content onto the unconfined compressive strength of Cement Deep Mixing (CDM) by using the unconfined compression test, X-ray CT method and laboratory scale model All samples were stabilized in fresh water for 7, 14 and 28 days before performing the test The effect of MMT content on the unconfined compression property of CDM specimens has been performed using the standard samples (the diameter of 50 mm and the height of 100 mm), which were made of Kaolinite clay, cement (20%) and different MMT content (0%, 3,3%, 6,5% and 9,8%) with 80% water content From the experimental results,

we found that the unconfined compressive strength of CDM specimens and the value of soil cement specimens decreased with increasing the MMT content The similar behavior was also observed in the CDM specimens made of Mekong delta clay with different MMT contents This study also provide a good reference chart to optimize the cement and MMT contents for improving the unconfined compressive strength of the CDM specimens made of clays, which contain different amount of MMT, including clay from Mekong River delta

CT-In addition, the 1-g laboratory model has been used to evaluate the influence of MMT content in the clays on the compressive strength of soft ground supported CDM columns The results proved that the compressive strength of soft ground improved by CDM columns when the MMT content increased

iv

LỜI CÁM ƠN

Luận án được sự hướng dẫn tận tâm của PGS TS Lê Văn Nam, PGS TS Nguyễn Minh Tâm Luận án cũng được sự chỉ bảo và giúp đỡ của GS TSKH Nguyễn Văn Thơ, PGS TS Võ Phán, PGS TS Châu Ngọc Ẩn, PGS TS Võ Ngọc Hà, PGS TS

Lê Bá Vinh, PGS TS Bùi Trường Sơn, TS Lê Trọng Nghĩa, TS Đỗ Thanh Hải, TS Trương Quang Hùng Luận án được sự giúp đỡ của Dự án SUPREM – JICA, Bộ môn Địa cơ – Nền Móng, Trường Đại học Bách khoa Tp HCM, Trường Đại học Kumamoto và GS TS Jun Otani, Trường Đại học Tiền Giang, Sở Khoa học Công nghệ Tiền Giang Xin chân thành cảm ơn do đã tạo mọi điều kiện cho tôi được học tập

và nghiên cứu để hoàn thành luận án này

Nghiên cứu sinh xin chân thành ghi nhớ những công ơn này và sẽ cố gắng hơn nữa để nâng cao năng lực và trình độ để phục vụ tốt cho công việc

v

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU xi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT xii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu 1

2 Mục đích nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

3 Phương pháp nghiên cứu 3

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

5 Cấu trúc của luận án 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG TRỤ ĐẤT XI MĂNG, CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG VÀ THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH 5

Một số tính chất đặc trưng của đất yếu ở ĐBSCL 5

Phương pháp gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng 6

Ảnh hưởng của khoáng vật MMT đến cường độ chịu nén của đất xi măng 12 Phương pháp phân tích địa kỹ thuật bằng tia X 16

Các nghiên cứu xác định cường độ chịu nén của nền đất yếu gia cố trụ đất xi măng bằng mô hình trong phòng thí nghiệm 20

Nhận xét 28

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA KHOÁNG VẬT MONTMORILLONITE ĐẾN CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA ĐẤT XI MĂNG 29 Khoáng vật Montmorillonite 29

2.1.1 Thành phần hóa học của Montmorillonite 29

2.1.2 Cấu trúc của Montmorillonite 30

Ảnh hưởng của khoáng vật Montmorillonite đến tính trương nở của đất 31

Ảnh hưởng của khoáng vật Montmorillonite đến cường độ chịu nén của đất xi măng 34

Lý thuyết phân tích mẫu đất xi măng bằng phương pháp chụp tia X 36

Cơ sở xây dựng mô hình thu nhỏ trong phòng thí nghiệm 40

Nhận xét 42

vi

ĐẾN CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA MẪU ĐẤT XI MĂNG 43

Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của Montmorillonite 43

3.1.1 Chế tạo và bảo dưỡng mẫu đất xi măng 43

3.1.2 Thí nghiệm nén và chụp tia X mẫu đất xi măng 47

Kết quả thí nghiệm 49

3.2.1 Sự thay đổi tính chất của hỗn hợp Kaolinite và Bentonite 49

3.2.2 Sự thay đổi tính chất của đất xi măng 50

3.2.3 Sự thay đổi cường độ chịu nén của đất xi măng 59

3.2.4 Nhận xét kết quả thí nghiệm nén và chụp tia X mẫu đất xi măng 75

Thí nghiệm xác định hàm lượng xi măng thích hợp cho đất ĐBSCL có hàm lượng MMT khác nhau 75

Kết luận chương 83

CHƯƠNG 4 THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA KHOÁNG VẬT MONTMORILLONITE ĐẾN CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA NỀN ĐẤT YẾU GIA CỐ TRỤ ĐẤT XI MĂNG 84

Nội dung thí nghiệm 84

Xây dựng mô hình thí nghiệm trong phòng 84

Quy trình thao tác trên mô hình thí nghiệm 87

Kết quả thí nghiệm 92

Kết luận chương 93

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 94

1 Kết luận 94

2 Kiến nghị nghiên cứu tiếp theo 95

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 96

TÀI LIỆU THAM KHẢO 99

vii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Bản đồ phân vùng đất yếu khu vực ĐBSCL (Nguyễn Văn Thơ và Trần Thị

Thanh, 2002) 6

Hình 1.2 Dạng phá hoại của trụ đất xi măng 8

Hình 1.3 Bố trí trụ đất xi măng 9

Hình 1.3 Lún của nhóm trụ đất xi măng 11

Hình 1.4 Các dạng bố trí trụ đất xi măng (Yang, D.S, 1997) 12

Hình 1.5 Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của mẫu đất xi măng với các loại đất khác nhau (Thiam-Soon Tan và các đồng nghiệp, 2002) 14

Hình 1.6 Quan hệ giữa cường độ chịu nén và hàm lượng xi măng của mẫu đất xi măng với các loại đất khác nhau (Nozu, M và Nakai, N., 2010) 15

Hình 1.7 Phân tích thành phần hạt của đất (Lenoir, N., 2002) 16

Hình 1.8 Sự thấm của vật liệu Super Geo (Otani J và các đồng nghiệp, 2002a) 17

Hình 1.9 Phân bố ứng suất dưới mũi cọc (Toshifumi Mukunoki, 2010) 17

Hình 1.10 Máy TOSCANER 20000 min (Toshifumi Mukunoki, 2010) 18

Hình 1.11 Cấu tạo bên trong của máy chụp tia X (Toshifumi Mukunoki, 2010) 19

Hình 1.12 Xây dựng ảnh 3D từ ảnh tia X (Otani J và các đồng nghiệp, 2000) 19

Hình 1.13 Mô hình thí nghiệm ly tâm gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng (Kitazume, M và các đồng nghiệp, 1999) 21

Hình 1.14 Mô hình thí nghiệm trụ đất xi măng chịu tải ngang (Larsson, S., 1999) 23

Hình 1.15 Mô hình thí nghiệm khảo sát ứng xử của đất tại vùng tiếp giáp (Kosche, M., 2004) 24

Hình 1.16 Mô hình thí nghiệm trụ đất xi măng chịu tải đứng (Sengor, M.Y., 2011) 25

Hình 1.17 Mô hình thí nghiệm trụ đất xi măng khi chịu tải đứng dưới tấm cứng (Ailin Nur J.O và các đồng nghiệp, 2011) 26

Hình 1.18 Mô hình thí nghiệm nền đất yếu gia cố trụ đất xi măng chịu tải đứng và ngang (K Omine và đồng nghiệp, 1999) 27

Hình 2.1 Đơn vị cơ bản của tinh thể MMT (Grim, R.E., 1959) 30

Hình 2.2 Sơ đồ rút gọn về cấu tạo MMT (Lambe, T.W., 1953) 31

Hình 2.3 Thành phần khoáng vật trong đất sét ở ĐBSCL (Nozu và các đồng nghiệp, 2010) 31

viii

Hình 2.4 Kích thước một số khoáng vật sét (Yong và Warkentin, 1975) 32

Hình 2.5 Quá trình hình thành cường độ đất xi măng 35

Hình 2.6 Nguyên lý về phép chiếu tia X qua mẫu 37

Hình 2.7 Kỹ thuật chụp tia X 38

Hình 2.8 Một lát cắt được tạo thành từ n voxels x n voxels 38

Hình 2.9 Mối quan hệ giữa hạt đất và voxel 39

Hình 3.1 Quá trình tạo và bảo dưỡng mẫu đất xi măng 46

Hình 3.2 Sơ đồ thí nghiệm chụp tia X ngang mẫu đất xi măng 48

Hình 3.3 Vị trí chụp tia X ngang qua mẫu đất xi măng 48

Hình 3.4 Sự thay đổi giới hạn chảy, giới hạn dẻo và chỉ số dẻo khi đất có hàm lượng MMT khác nhau 50

Hình 3.5 Quan hệ giữa khối lượng thể tích và hàm lượng MMT của mẫu đất xi măng ứng với thời gian bảo dưỡng 7 ngày 51

Hình 3.6 Quan hệ giữa khối lượng thể tích và hàm lượng MMT của mẫu đất xi măng ứng với thời gian bảo dưỡng 14 ngày 51

Hình 3.7 Quan hệ giữa khối lượng thể tích và hàm lượng MMT của mẫu đất xi măng ứng với thời gian bảo dưỡng 28 ngày 52

Hình 3.8 Sự phân bố các hạt MMT trong hỗn hợp 52

Hình 3.9 Ảnh tia X ngang các mẫu đất xi măng có hàm lượng MMT khác nhau khi tỉ số tổng lượng nước và xi măng wT/c=3 54

Hình 3.10 Ảnh tia X ngang các mẫu đất xi măng có hàm lượng MMT khác nhau khi tỉ số tổng lượng nước và xi măng wT/c=5 55

Hình 3.11 Giá trị CT-value tại vị trí A-A của các mẫu đất xi măng có hàm lượng MMT aMMT=0%, khi tỉ số tổng lượng nước và xi măng wT/c=3, 5 56

Hình 3.12 Giá trị CT-value tại vị trí A-A của các mẫu đất xi măng có hàm lượng MMT aMMT=3,3%, khi tỉ số tổng lượng nước và xi măng wT/c=3, 5 56

Hình 3.13 Giá trị CT-value tại vị trí A-A của các mẫu đất xi măng có hàm lượng MMT aMMT=6,5%, khi tỉ số tổng lượng nước và xi măng wT/c=3, 5 57

Hình 3.14 Giá trị CT-value tại vị trí A-A của các mẫu đất xi măng có hàm lượng MMT aMMT=9,8%, khi tỉ số tổng lượng nước và xi măng wT/c=3, 5 57

Hình 3.15 Giá trị CT-value trung bình tại vị trí A-A của các mẫu đất xi măng có hàm lượng MMT khác nhau khi tỉ số tổng lượng nước và xi măng wT/c=3, 5 58

Hình 3.16 Quan hệ giữa giá trị CT-value và khối lượng thể tích của đất xi măng 58

ix

Hình 3.17 Quan hệ giữa cường độ chịu nén và thời gian bảo dưỡng khi mẫu có hàm lượng MMT aMMT= 0% 59Hình 3.18 Quan hệ giữa cường độ chịu nén và thời gian bảo dưỡng khi mẫu có hàm lượng MMT aMMT= 3,3% 60Hình 3.19 Quan hệ giữa cường độ chịu nén và thời gian bảo dưỡng khi mẫu có hàm lượng MMT aMMT= 6,5% 60Hình 3.20 Quan hệ giữa cường độ chịu nén và thời gian bảo dưỡng khi mẫu có hàm lượng MMT aMMT= 9,8% 61Hình 3.21 Quan hệ giữa cường độ chịu nén và hàm lượng MMT của mẫu đất xi măng ứng với thời gian bảo dưỡng 7 ngày 62Hình 3.22 Quan hệ giữa cường độ chịu nén và hàm lượng MMT của mẫu đất xi măng ứng với thời gian bảo dưỡng 14 ngày 62Hình 3.23 Quan hệ giữa cường độ chịu nén và hàm lượng MMT của mẫu đất xi măng ứng với thời gian bảo dưỡng 28 ngày 63Hình 3.24 Ảnh tia X và sự phân bố giá trị CT-value ngang các mẫu đất xi măng có hàm lượng MMT aMMT= 0% khi tỉ số tổng lượng nước và xi măng wT/c=3 64Hình 3.25 Ảnh tia X và sự phân bố giá trị CT-value ngang các mẫu đất xi măng có hàm lượng MMT aMMT= 3,3% khi tỉ số tổng lượng nước và xi măng wT/c=3 65Hình 3.26 Ảnh tia X và sự phân bố giá trị CT-value ngang các mẫu đất xi măng có hàm lượng MMT aMMT= 6,5% khi tỉ số tổng lượng nước và xi măng wT/c=3 66Hình 3.27 Ảnh tia X và sự phân bố giá trị CT-value ngang các mẫu đất xi măng có hàm lượng MMT aMMT= 9,8% khi tỉ số tổng lượng nước và xi măng wT/c=3 67Hình 3.28 Quan hệ giữa giá trị CT-value và hàm lượng MMT của mẫu đất xi măng trước và khi bị nén 68Hình 3.29 Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng dọc trục của mẫu đất xi măng 69Hình 3.30 Mẫu đất trộn xi măng sau khi thí nghiệm nén, có aw=20%, wT/c=5 70Hình 3.31 Ảnh chụp tia X ngang vết nứt bên trong của mẫu đất trộn xi măng trường hợp 3 (aMMT=0%, aw=20%, wT/c=5) 71Hình 3.32 Ảnh chụp tia X ngang vết nứt bên trong của mẫu đất trộn xi măng trường hợp 6 (aMMT=3,3%, aw=20%, wT/c=5) 72Hình 3.33 Ảnh chụp tia X ngang vết nứt bên trong của mẫu đất trộn xi măng trường hợp 9 (aMMT=6,5%, aw=20%, wT/c=5) 73Hình 3.34 Ảnh chụp tia X ngang vết nứt bên trong của mẫu đất trộn xi măng trường hợp 12 (aMMT=9,8%, aw=20%, wT/c=5) 74

x

Hình 3.35 Quan hệ giữa cường độ chịu nén và hàm lượng xi măng ứng với thời gian

bảo dưỡng 7 ngày 78

Hình 3.36 Quan hệ giữa cường độ chịu nén và hàm lượng MMT ứng với thời gian bảo dưỡng 7 ngày 79

Hình 3.37 Quan hệ giữa cường độ chịu nén và hàm lượng xi măng ứng với thời gian bảo dưỡng 14 ngày 80

Hình 3.38 Quan hệ giữa cường độ chịu nén và hàm lượng MMT ứng với thời gian bảo dưỡng 14 ngày 80

Hình 3.39 Quan hệ giữa cường độ chịu nén và hàm lượng xi măng ứng với thời gian bảo dưỡng 28 ngày 81

Hình 3.40 Quan hệ giữa cường độ chịu nén và hàm lượng MMT ứng với thời gian bảo dưỡng 28 ngày 82

Hình 4.1 Mặt cắt ngang nền đất yếu được gia cố bằng trụ đất xi măng 84

Hình 4.2 Kích thước mô hình thí nghiệm 85

Hình 4.3 Hộp mô hình thí nghiệm 86

Hình 4.4 Khung tạo áp lực nén lên nền đất trong hộp mô hình 87

Hình 4.5 Quá trình tạo lớp đất yếu 88

Hình 4.6 Quá trình khoan tạo lỗ 89

Hình 4.7 Dụng cụ bơm hỗn hợp đất xi măng 90

Hình 4.8 Trụ đất xi măng trong lớp đất sét 90

Hình 4.9 Bảo dưỡng lớp đất được gia cố bằng trụ đất xi măng 90

Hình 4.10 Thí nghiệm nén lớp đất gia cố trụ đất xi măng 91

Hình 4.11 Quan hệ giữa cường độ chịu nén của lớp đất sét gia cố trụ đất xi măng và hàm lượng MMT 92

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 93

xi

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Cường độ chịu nén trong các dự án DMM tại U.S (Bruce, D.A., 2000) 7

Bảng 1.2 Yếu tố ảnh hưởng đến cường độ đất xi măng (Terashi, M., 1997) 13

Bảng 1.3 Đặc điểm của các máy chụp tia X (Toshifumi Mukunoki, 2010) 18

Bảng 2.1 Hàm lượng các thành phần hóa học của MMT (Grim, R.E, 1959) 30

Bảng 2.2 Phân loại đất trương nở (Nguyễn Văn Thơ và Trần Thị Thanh, 2001) 34

Bảng 3.1 Các trường hợp tạo mẫu đất xi măng với Kaolinite 44

Bảng 3.2 Tính chất cơ bản của Kaolinite và Bentonite 44

Bảng 3.3 Tính chất của xi măng 45

Bảng 3.4 Khối lượng vật liệu cho mỗi lần trộn 45

Bảng 3.5 Các trường hợp chụp tia X 49

Bảng 3.6 Tính chất của Kaolinite khi thêm Bentonite 49

Bảng 3.7 Kết phân tích giá trị CT-value trung bình tại mặt cắt A-A 53

Bảng 3.8 Các tính chất của đất dùng thí nghiệm 76

Bảng 3.9 Độ trương nở của đất tự nhiên và đất trộn xi măng 77

Bảng 3.10 Các trường hợp thí nghiệm xác định hàm lượng xi măng hợp thích hợp 77

Bảng 3.11 Cường độ chịu nén của các mẫu đất xi măng ứng với 7 ngày bảo dưỡng 78

Bảng 3.12 Cường độ chịu nén của các mẫu đất xi măng ứng với 14 ngày bảo dưỡng 79 Bảng 3.13 Cường độ chịu nén của các mẫu đất xi măng ứng với 28 ngày bảo dưỡng 81 Bảng 4.1 Cường độ chịu nén của lớp đất gia cố xi măng 92

L (m) Biến dạng chiều dài

A (m2) Diện tích tiết diện ngang của mẫu đất xi măng

E (kPa) Module đàn hồi

F (m2) Diện tích chịu nén của lớp đất gia cố

Gs Tỷ trọng hạt

IP (%) Chỉ số dẻo

Khc Hệ số hiệu chỉnh cường độ giữa cường độ chịu nén của trụ đất xi măng

và mẫu nén

L0 (m) Chiều dài ban đầu của mẫu đất xi măng

N Trị số xuyên tiêu chuẩn SPT

Pmax (kN) Lực nén dọc trục

qn (kPa) Cường độ chịu nén của lớp đất gia cố trụ đất xi măng

qu (kPa) Cường độ chịu nén của mẫu đất xi măng

s (m) Khoảng cách các trụ đất xi măng

Su (kPa) Sức kháng cắt không thoát nước

W (%) Độ ẩm

w/c Tỉ lệ nước và xi măng tạo vữa

Wb (g) Khối lượng Bentonite

Wc (g) Khối lượng xi măng

Wk (g) Khối lượng Kaolinite

WL (%) Giới hạn chảy

WP (%) Giới hạn dẻo

WT (g) Tổng khối lượng lượng nước

wT/c Tỷ lệ tổng lượng nước và xi măng

xiii

CÁC TỪ VIẾT TẮT

CDM Cement Deep Mixing

DMM Deep Mixing Method

CT-value Computed Tomograph value (Giá trị CT)

ĐBSCL Đồng bằng sông Cửu Long

FEM Finite Element Method (Phương pháp phần tử hữu hạn) MMT Montmorillonite

TPHCM Thành phố Hồ Chí Minh

XRD X-ray Diffraction (Nhiễu xạ tia X)

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu

Hiện nay, tại TPHCM và ĐBSCL ngày càng có nhiều công trình sử dụng trụ đất xi măng để gia cố nền đất yếu và đã được đánh giá khả năng ứng dụng vào thiết kế móng của các công trình [1] Giải pháp này cũng được áp dụng cho các dự án đường sân bay, đường cao tốc để tăng sức chịu tải của nền đất yếu [2], [3], [4], [5] Việc nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ trụ đất xi măng đóng vai trò quan trọng trong quyết định lựa chọn đặc tính kỹ thuật cũng như giá trị kinh tế của công trình Trong các công trình gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng, việc xác định tính chất cơ học

và vật lý của trụ đất xi măng cần phải được thực hiện Tính chất cơ học của trụ đất xi măng thường căn cứ kết quả thí nghiệm nén mẫu hỗn hợp đất, xi măng và nước Điều này giúp cho người kỹ sư thiết kế biết rõ các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ của trụ đất xi măng và đề xuất hàm lượng xi măng sử dụng cho gia cố trụ đất xi măng hợp lý [6]

ĐBSCL là đồng bằng lớn nhất Việt Nam, được phủ bởi trầm tích Holocence do sự lắng đọng trầm tích của hệ thống sông Mekong Thành phần khoáng vật trong đất sét thông thường gồm có các thành phần khoáng vật như: MMT, Illite, Chlorite và Kaolinite Thành phần khoáng vật MMT trong đất sét ảnh hưởng lớn đến tính trương

nở và co ngót của đất Theo nghiên cứu của J David Rogers và các đồng nghiệp (2005), áp lực trương nở hoặc co ngót trong nền đất có thể gây mất ổn định các công trình có tải trọng nhẹ và kết cấu mặt đường [7]

Theo nghiên cứu của Phan Thị San Hà và các đồng nghiệp (2007), trong phân loại khoáng vật sét theo thí nghiệm Methylene Blue hấp thụ kết hợp so sánh với phương pháp nhiễu xạ tia X - XRD cho 42 mẫu đất lấy từ 5 hố khoan ở các độ sâu 5 m, 10 m,

15 m, 20 m, 25 m và 30 m tại Bình Chánh – TPHCM, hàm lượng khoáng vật MMT trong đất có giá trị từ 11,3% đến 13,3% [8], theo nghiên cứu của James L Post và Richard L Sloane (1971), hàm lượng MMT ở An Giang ở độ sâu 0,6 m đến 1,0 m có giá trị từ 5% đến 10% [9] và theo Nguyen Huu Chiem (1993) với 38 hố khoan địa chất phân bố khắp ĐBSCL, hàm lượng MMT từ 0% đến 8% [10] Theo Luận án tiến sĩ địa

độ chịu nén của mẫu đất xi măng và nền đất yếu gia cố trụ đất xi măng Kết quả nghiên cứu cung cấp cho người làm công tác xây dựng có những đánh giá sát hơn về hiệu quả khi chọn lựa áp dụng giải pháp này đối với các trường hợp cụ thể

2 Mục đích nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Các nghiên cứu về trụ đất xi măng ở ĐBSCL trước đây chưa phân tích nguyên nhân cường độ mẫu đất xi măng thay đổi khi thay đổi loại đất và không phân tích cụ thể ảnh hưởng của hàm lượng khoáng vật MMT đến cường độ chịu nén của mẫu đất xi măng Khi thực hiện giải pháp gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng cần phải nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần và hàm lượng khoáng vật MMT có trong đất đến cường độ chịu nén của đất xi măng Do đó, nghiên cứu được tiến hành với các mục đích:

i) Đánh giá nguyên nhân ảnh hưởng đến khả năng chịu nén của nền đất yếu gia cố trụ

đất xi măng

ii) Nâng cao hiệu quả gia cố nền đất yếu bằng bằng trụ đất xi măng phù hợp với các

điều kiện cụ thể

iii) Tương quan giữa hàm lượng MMT và cường độ chịu nén của mẫu đất xi măng đối

với đất có các độ ẩm, thời gian bảo dưỡng khác nhau

iv) Phân tích ảnh hưởng của hàm lượng MMT trong đất đến cường độ chịu nén của

nền đất gia cố bằng trụ đất xi măng

v) Đề xuất hàm lượng xi măng thích hợp cho các vùng đất có hàm lượng thành phần

khoáng vật MMT khác nhau

3

3 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu đã được dùng trong luận án là thực hiện tạo và thí nghiệm nén mẫu trong phòng thí nghiệm kết hợp với phương pháp chụp tia X Mô hình thu nhỏ trong phòng cũng được nghiên cứu sử dụng để mô phỏng ứng xử của công trình thực tế với tỉ lệ 1/50

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Luận án nghiên cứu khả năng chịu nén của mẫu đất xi măng khi thay đổi hàm lượng MMT dưới các điều kiện khác nhau về lượng nước khi trộn, hàm lượng xi măng và thời gian bảo dưỡng mẫu Kết quả thí nghiệm được phân tích bằng thí nghiệm nén một trục nở hông, chụp tia X để xem xét các tính chất vật lý và cơ học của mẫu đất xi măng Đồng thời, mô hình nền đất yếu gia cố trụ đất xi măng trong phòng thí nghiệm cũng được thực hiện để xem xét ảnh hưởng của khoáng vật MMT có trong đất đến khả năng chịu nén của nền đất yếu gia cố trụ đất xi măng

5 Cấu trúc của luận án

Luận án gồm có các phần: Mở đầu, 4 chương, kết luận và kiến nghị những nghiên cứu tiếp theo và phần phụ lục Tổng cộng luận án có 105 trang, trong đó có 79 hình, 19 bảng biểu và các công thức tính toán, phương trình phản ứng hóa học Phần phụ lục có

44 trang Nội dung chính của luận án được thể hiện qua các chương:

Chương 1: Phân tích tổng quan về tình hình nghiên cứu sự ảnh hưởng của các yếu tố

ảnh hưởng đến cường độ chịu nén của mẫu đất xi măng trong đó nhấn mạnh ảnh hưởng của khoáng vật MMT Phương pháp phân tích địa kỹ thuật bằng tia X và các nghiên cứu xác định cường độ chịu nén của nền đất yếu gia cố trụ đất xi măng bằng

mô hình trong phòng thí nghiệm cũng được trình bày trong chương này

Chương 2: Trình bày cơ sở lý thuyết để phân tích ảnh hưởng của khoáng vật MMT

đến tính chất của đất và đất xi măng từ các tính chất cơ bản của MMT, cơ chế hình thành cường độ đất xi măng khi có sự tham gia của MMT Cơ sở lý thuyết của phương pháp chụp tia X và cơ sở xây dựng mô hình thí nghiệm cũng được mô tả

4

Chương 3: Thực hiện tạo mẫu và nén một trục mẫu đất xi măng với các điều kiện trộn

và bảo dưỡng khác nhau để xem xét sự ảnh hưởng của MMT đến khối lượng thể tích

và cường độ chịu nén của mẫu đất xi măng Từ kết quả thí nghiệm, hàm lượng xi măng hợp lý được đề xuất cho đất có hàm lượng MMT khác nhau Trong chương này, thí nghiệm chụp tia X ngang qua các mẫu đất xi măng cũng được thực hiện trước, trong và sau khi nén mẫu Với thí nghiệm này, khối lượng thể tích của mẫu trước và trong qua trình nén cũng được phân tích và so sánh với nhau Hình dạng phá hoại của mẫu được quan sát qua các ảnh tia X 2D và được xây dựng thành ảnh 3D bằng phần mềm ImageJ

Chương 4: Khả năng chịu nén của nền đất yếu được gia cố trụ đất xi măng được phân

tích mô phỏng bằng mô hình thí nghiệm trong phòng, còn gọi là mô hình 1-g, để xem xét ảnh hưởng của hàm lượng khoáng vật MMT đến khả năng chịu nén của nền gia cố

Kết luận và kiến nghị của nghiên cứu: Cường độ chịu nén của mẫu đất xi măng và

lớp đất yếu gia cố trụ đất xi măng bị ảnh hưởng bởi hàm lượng MMT Khi hàm lượng MMT trong đất cao thì cường độ chịu nén đồng thời giá trị CT-value của mẫu đất xi măng cũng giảm Kiến nghị trong thi công trụ đất xi măng ngoài hiện trường cần chú ý hàm lượng MMT, cao độ mực nước ngầm và độ ẩm của nền đất yếu để điều chỉnh hàm lượng xi măng, lượng nước trộn cho thích hợp để cường độ chịu nén của đất xi măng thích hợp nhất

5

CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG TRỤ ĐẤT XI MĂNG, CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG VÀ THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH

Một số tính chất đặc trưng của đất yếu ở ĐBSCL

Đất yếu có thể được định nghĩa là những loại đất không có khả năng tiếp nhận tải trọng công trình nếu không có các biện pháp gia cố hoặc xử lý thích hợp ĐBSCL được hình thành và phát triển trên nền đất yếu với những điều kiện hết sức phức tạp của đất nền dọc theo các dòng sông và bờ biển Do đó, địa chất dưới nền móng của các công trình nhà ở, nhà xưởng, đường xá, đê điều, đập chắn nước và một số công trình khác ở đây thường đặt ra hàng loạt vấn đề cần phải giải quyết như sức chịu tải của nền thấp, độ lún lớn

Các loại đất yếu thường gặp ở ĐBSCL [12] như là đất sét mềm gồm các loại đất sét hoặc á sét tương đối chặt, ở trạng thái bão hòa nước, có cường độ thấp; bùn là các loại đất tạo thành trong môi trường nước, thành phần hạt rất mịn ở trạng thái luôn no nước,

hệ số rỗng rất lớn, rất yếu về mặt chịu lực; than bùn là loại đất yếu có nguồn gốc hữu

cơ, được hình thành do kết quả phân hủy các chất hữu cơ có ở các đầm lầy

Theo 22TCN 262: 2000 [13] và TCXD 245: 2000 [14], đất yếu là đất ở trạng thái tự nhiên, độ ẩm của chúng gần bằng hoặc cao hơn giới hạn chảy, hệ số rỗng lớn, lực dính (c) theo kết quả cắt nhanh không thoát nước từ 15 kPa trở xuống, góc ma sát trong ()

từ 0o đến 10o, lực dính từ kết quả cắt cánh hiện trường ≤ 35 kPa, sức chống mũi xuyên tĩnh < 100 kPa, chỉ số xuyên tiêu chuẩn SPT < 5 Nói chung, đất sét yếu là loại đất có sức chịu tải thấp và tính nén lún cao Phần lớn các nước trên thế giới thống nhất về định nghĩa nền đất yếu theo sức kháng cắt không thoát nước (Su) và trị số xuyên tiêu chuẩn (N) như sau: đất rất yếu có Su ≤ 12,5 kPa hoặc N ≤ 2; đất yếu có Su ≤ 25 kPa hoặc N ≤ 4

Lê Bá Lương và các đồng nghiệp (2005) kết luận trong nghiên cứu về đất yếu ở ĐBSCL là phần lớn đất thuộc dạng đất yếu và có chiều dày từ 10 m đến 40 m [15] Sự phân bố đất yếu ở ĐBSCL theo Nguyễn Văn Thơ và Trần Thị Thanh (2002) như bản

đồ Hình 1.1 [16]

6

Phương pháp gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng

Có nhiều phương pháp xử lý và ổn định nền đất yếu, Han-Georg Kempfert (2006) đã phân loại phương pháp xử lý và ổn định nền đất yếu theo ba nhóm chính là cố kết, thay thế đất và các phần tử dạng trụ [17] Phương pháp gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng là một trong những phương pháp phần tử dạng trụ trong cách phân loại này

Hình 1.1 Bản đồ phân vùng đất yếu khu vực ĐBSCL (Nguyễn Văn Thơ và Trần Thị

Thanh, 2002) [16]

Đất sét màu xám nâu, xám vàng Đất bùn sét, bùn á sét, bùn á cát xen kẹp với các lớp á cát (IIa, IIb, IIc, IId) Cát hạt mịn, á cát xen kẹp ít bùn á cát (IIIa, IIIb, IIIc)

Đất than bùn xen kẹp bùn sét, bùn á sét, cát bụi, á cát (IVa, IVb)

V

GHI CHÚ:

Một số cụm từ khác đôi khi cũng được dùng như “mixed – in – place piles”, “in situ soil mixing” và “soil cement columns” [19], [20], [21] Trong nghiên cứu này, sẽ sử dụng thuật ngữ trộn sâu (DMM) và sản phẩm của quá trình thi công trộn sâu là trụ đất

xi măng (CDM column – Cement Deep Mixing column)

Mặc dù có nhiều kỹ thuật trộn sâu khác nhau, nhưng kết quả chung nhất là tạo ra các cột gia cố bằng thiết bị khoan với một hoặc nhiều cần trộn để đưa chất kết dính vào đất

tự nhiên nơi gia cố Chất kết dính thường được sử dụng là hỗn hợp xi măng hoặc xi măng/vôi và nước Kết quả của sự trộn chất kết dính và đất tạo ra một vật liệu có cường độ và độ cứng lớn hơn đất tự nhiên (Bảng 1.1)

Chức năng chính của trụ đất xi măng dùng trong gia cố nền đất yếu chịu tải trọng đứng

là truyền tải trọng phía trên xuống nền đất bên dưới đồng thời giảm độ lún của nền đất Các quan điểm tính toán trụ đất xi măng hiện nay: Quan điểm 1 là trụ đất xi măng làm việc như cọc đơn chịu lực Tính toán thiết kế như móng cọc Quan điểm 2 là trụ đất xi

Bảng 1.1 Cường độ chịu nén trong các dự án DMM tại U.S (Bruce, D.A., 2000) [18]

Dự án Loại đất/ Hàm lượng chất kết dính Cường độ nén, q u

I-95 Route 1,

Alexandria, VA

Phương pháp trộn ướt Đất hữu cơ

Hàm lượng xi măng: 300 kg/m3, w/c=1

Trung bình qu ≥ 1,100 kPa khoảng 1,517 kPa

Nhỏ nhất qu ≥ 690 kPa Central Artery

Project, Boston,

MA

Phương pháp trộn ướt Đất san lấp, đất hữu cơ và đất sét Boston Blue

Hàm lượng xi măng: 20 - 300 kg/m3, w/c = 0,9

Nhỏ nhất qu ≥ 2,100 kPa Lớn nhất qu ≥ 6,900 kPa

Oakland Airport

Roadway,

California

Phương pháp trộn ướt Đất cát san lấp và đất sét yếu Hàm lượng xi măng: 60 - 240 kg/m3

Trung bình qu ≥ 1,035 kPa Nhỏ nhất qu ≥ 690 kPa

8

măng và nền đất tự nhiên làm việc đồng thời như một nền tương đương Tính toán thiết kế như nền thông thường với chiều dày bằng chiều dài trụ đất xi măng Quan điểm 3 là kết hợp hai quan điểm trên, sức chịu tải tính toán như móng cọc, trong khi biến dạng tính theo nền tương đương

Trong thực tế, trụ đất xi măng thường được thi công xuyên qua toàn bộ lớp đất yếu nằm trên địa tầng rắn chắc lúc này trụ làm việc gần giống với cọc chống Đôi khi các trụ này chỉ nằm trong phạm vi lớp đất yếu còn gọi là trụ treo Khi trụ đất xi măng đơn chịu tải trọng đứng có thể xảy ra 1 trong 3 dạng phá hoại là phá hoại do phình nén, phá hoại do cắt và phá hoại do xuyên thủng (Hình 1.2)

Phá hoại do phình nén (Hình 1.2a) do trụ đất xi măng có đường kính bé trong khi chiều dài lớn và mũi trụ tựa vào tầng cứng còn gọi là trụ mềm Phá hoại do phình nén thường xảy ra tại đầu trụ dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng

Ngược lại, phá hoại do cắt (Hình 1.2b) ngay tại vùng được gia cố, trụ đất xi măng có đường kính lớn nhưng chiều dài bé và mũi trụ tựa vào tầng đất cứng Khả năng mang tải của từng đoạn trụ bị chi phối bởi sức kháng cắt của đất được xử lý cũng như cường

độ cắt của đất không được xử lý xung quanh trụ Mặt trượt phá hoại cắt ngang trụ và đất

Phá hoại xuyên do mũi trụ (Hình 1.2c) nằm trong tầng đất yếu, sức chịu tải của trụ chủ yếu do thành phần ma sát xung quanh trụ Lực đứng lớn hơn khả năng chịu tải do a) Phá hoại phình nén b) Phá hoại cắt c) Phá hoại xuyên

Hình 1.2 Dạng phá hoại của trụ đất xi măng

Trường hợp nền đất được gia cố bằng trụ đất xi măng, các trụ đất xi măng được bố trí theo dạng ô vuông như Hình 1.3 Khả năng chịu tải của trụ đất xi măng được tính toán theo các công thức từ 1.1 đến 1.12

max col ult, col Q

max soil ult, col Q

col col col q A

col eq

col

eq E a 1 a E

2 s

s

d4

10

  u, soil

2 c

ult s max

1, 0,95a σ

h col u, ult 3,5c 3σ

soil u, v

Qcol: Tải tác dụng lên đầu cột đất trộn xi măng;

đất nền;

vật liệu;

Eeq: Mô đun đàn hồi tương đương của đất và cột đất trộn xi măng;

Ecol: Mô đun đàn hồi của cột đất trộn xi măng;

Esoil: Mô đun đàn hồi của lớp đất yếu;

q: Tải trên đường;

Acol : Diện tích mặt cắt ngang cột đất trộn xi măng;

ult: Khả năng mang tải giới hạn của cột đất trộn xi măng đơn;

h: Áp lực ngang giữa đất và cột đất trộn xi măng;

v: Áp lực đất;

’: Dung trọng đẩy nổi

Độ lún của nền đất yếu gia cố trụ đất xi măng gồm độ lún của nền đất đã được gia cố

và nền đất phía dưới vùng gia cố, được tính toán như công thức 1.13, 1.14, 1.15

11

2

1 Δh Δh

 s soil col

s

c 1

E a 1 E a

qL Δh

σ

qσlogCe1

h2: Độ lún của nền đất bên dưới cột đất trộn xi măng;

qu: ứng suất của lớp đất đắp gây ra tại giữ lớp đất bên dưới vùng xử lý

Ứng dụng của đất trộn xi măng để cải tạo đất được trình bày trong một số công bố của Bengt B Homs (1999), D.A Bruce (2000)… Các nghiên cứu ứng dụng khác nhau của

kỹ thuật trộn sâu được thực hiện như nền móng của nhà, đường vào cầu, móng bồn dầu, đường đắp cao, ổn định mái dốc… Các dạng bố trí cột đất trộn xi măng để xử lý đất cho các dự án ở biển và đất liền (Hình 1.5) [22]

q u

q

2 1

Hình 1.4 Lún của nhóm trụ đất xi măng

12

Ảnh hưởng của khoáng vật MMT đến cường độ chịu nén của đất xi măng

Terashi, M (1997) đã thống kê tất các các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu nén của mẫu đất xi măng như đặc điểm của tác nhân gia cố, đặc điểm và điều kiện của đất, điều kiện trộn và điều kiện bảo dưỡng (Bảng 1.2) [23] Trong các yếu tố này, yếu tố quan trọng làm ảnh hưởng lớn đến cường độ chịu nén của đất xi măng là đặc điểm và điều kiện của môi trường nền đất cần gia cố

Dạng tường Dạng lưới Dạng khối Dạng diện

Dạng khối Dạng tường Dạng lưới Dạng cột

Dạng cột tiếp xúc Dạng tường tiếp xúc Dạng lưới tiếp xúc Dạng khối tiếp xúc

Hình 1.5 Các dạng bố trí trụ đất xi măng (Yang, D.S, 1997) [22]

13

Thiam-Soon Tan và các đồng nghiệp (2002) đã làm thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của mẫu đất xi măng trên 3 loại đất sét ở ba vùng biển khác nhau: đất sét vùng biển Eunos, City Hall và SAC với hàm lượng xi măng 20% và độ ẩm 90% [24] Sau thời gian bảo dưỡng 7 ngày, cường độ chịu nén của các mẫu đất xi măng khác nhau rất lớn (Hình 1.6) Như vậy mỗi loại đất sét có thành phần khoáng khác nhau ảnh hưởng lên mức độ cải tạo cường độ của mẫu đất xi măng

Bảng 1.2 Yếu tố ảnh hưởng đến cường độ đất xi măng (Terashi, M., 1997) [23]

I Đặc điểm của tác nhân gia cố I.1 Loại tác nhân gia cố

I.2 Chất lượng I.3 Nước trộn và các chất thêm vào

II Đặc điểm và các điều kiện của đất

(Đặc biệt quan trọng cho các loại đất sét)

II.1 Tính chất vật lý, hóa học và khoáng vật học của đất

II.2 Hàm lượng hữu cơ II.3 pH của nước lỗ rỗng II.4 Độ ẩm

III Điều kiện trộn III.1 Nhiệt độ trộn

III.2 Thời gian trộn III.3 Hàm lượng của tác nhân gia cố

IV Điều kiện bảo dưỡng IV.1 Nhiệt độ

IV.2 Thời gian bảo dưỡng IV.3 Độ ẩm

IV.4 Thời tiết (Ướt và khô /đóng băng và tan băng)

14

Nozu, M và Nakai, N (2010) thực hiện thí nghiệm mẫu đất xi măng với ba loại đất có khoáng vật sét khác nhau giữa đất sét miền Nam Việt Nam, đất sét Mỹ và đất sét Nhật Bản [25] Mẫu đất xi măng được tạo bằng đất sét Việt Nam và Mỹ rất khó thực hiện do đất có tính hút nước của khoáng vật MMT có trong đất Đồng thời, kết quả thí nghiệm nén một trục thì đất sét Việt Nam và Mỹ đều có cường độ thấp (Hình 1.7) Từ kết quả thí nghiệm này, phạm vi và phương pháp thi công trụ đất xi măng tại Việt Nam trong gia cố tường vây để tránh áp lực ngang do đất trương nở gây ra cũng được đề xuất

Hình 1.6 Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của mẫu đất xi măng với các loại đất

khác nhau (Thiam-Soon Tan và các đồng nghiệp, 2002) [24]

15

Tiêu chuẩn TCVN 9403:2012 đặt ra yêu cầu xác định đặc trưng vật lý và thành phần khoáng của đất trong khâu khảo sát địa kỹ thuật trước khi thiết kế gia cố nền đất yếu bằng công nghệ trụ đất xi măng [26] Tuy nhiên, các phụ lục D và E của tiêu chuẩn này chỉ nêu lên các phương pháp để xác định sức kháng nén trong phòng của mẫu đất

xi măng mà không đề cặp ảnh hưởng của khoáng vật có trong đất đến cường độ chịu nén của đất xi măng

Tính chất cơ học của đất được gia cố xi măng bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố như lượng nước, hàm lượng sét, hàm lượng chất hữu cơ trong đất; loại và tỉ lệ chất kết dính

và phụ gia [6] Viện Phát Triển công nghệ ven biển – Nhật Bản (CDIT, 2002) nhận định rằng tất cả các yếu tố trên ảnh hưởng đến cường độ của đất được gia cố bằng trụ đất xi măng, ngay cả sự khác nhau tương đối nhỏ trong đất dùng để trộn nhưng kết quả lại khác nhau rất lớn trong tính chất cơ học của đất xi măng [27]

Hình 1.7 Quan hệ giữa cường độ chịu nén và hàm lượng xi măng của mẫu đất xi măng

với các loại đất khác nhau (Nozu, M và Nakai, N., 2010) [25]

16

Phương pháp phân tích địa kỹ thuật bằng tia X

Phương pháp phân tích bài toán địa kỹ thuật bằng tia X (X-ray CT: X-ray Computed Tomograph) được sử dụng nhiều trong nghiên cứu Phương pháp này cho phép nhận

biết sự thay đổi ứng suất, biến dạng bên trong vật liệu mà không gây bất kỳ sự phá hủy nào (còn gọi là thí nghiệm không phá hủy) [28], [29], [30] Một số kết quả nghiên cứu ứng dụng tia X như đặc tính của đất, sự phá huỷ của đất nén cố kết, sự phá hủy của đất trộn với bùn, xi măng, xỉ xốp, nghiên cứu sự tương tác thành phần và cấu trúc của đất (Hình 1.8); nghiên cứu đặc tính thấm và thoát nước phục vụ công tác cải tạo nền đất yếu (Hình 1.9); phát triển thiết bị nén ba trục; khả năng chịu tải của nền đất dưới tải trọng của cọc (Hình 1.10); sử dụng số liệu thu được để giải các bài toán của phương pháp số [31], [32], [33], [34]

Hình 1.8 Phân tích thành phần hạt của đất (Lenoir, N., 2002) [30]

17

Máy chụp tia X được phát minh bởi Hounsfield vào đầu thập niên 70 trong kỹ thuật chụp ảnh cắt lớp vùng đầu con người và giành được giải Nobel năm 1979 cùng với Cormack Tia X là một dạng của sóng điện từ, có bước sóng trong khoảng từ 0,01 nm đến 10nm tương ứng với dãy tần số từ 30 PHz đến 30 EHz và năng lượng từ 120 eV đến 120 keV Bước sóng tia X ngắn hơn tia tử ngoại nhưng dài hơn tia Gamma [28]

Hình 1.9 Sự thấm của vật liệu Super Geo (Otani J và các đồng nghiệp, 2002a) [31]

a)

b) Hình 1.10 Phân bố ứng suất dưới mũi cọc (Toshifumi Mukunoki, 2010) [28]

18

Ngày nay, máy chụp tia X đã được sử dụng rộng rãi trên thế giới trong y khoa, công nghiệp và trong máy gia tốc hạt Sự khác nhau chính của ba máy chụp tia X sử dụng trong y khoa, công nghiệp và trong máy gia tốc hạt là nguồn phát, hình dạng tia X, độ phân giải, kích thước mẫu và thời gian chụp ảnh (Bảng 1.3)

Trong nghiên cứu này, thí nghiệm chụp tia X được thực hiện bằng máy X-ray CT công nghiệp TOSCANER-20000min (Hình 1.11) tại Trường Đại học Kumamoto (Nhật Bản)

Bảng 1.3 Đặc điểm của các máy chụp tia X (Toshifumi Mukunoki, 2010) [28]

Các loại máy Y khoa Công nghiệp Máy gia tốc hạt

Nguồn phát Ống tia X Ống tia X Sự tăng tốc các hạt

Hình 1.11 Máy TOSCANER 20000 min (Toshifumi Mukunoki, 2010) [28]

19

Máy TOSCANER-20000min có thể chụp với tia X có độ dày 0,3 mm, 0,5 mm, 1 mm,

2 mm, 3 mm và 4 mm Cấu tạo của máy chụp tia X gồm 3 phần chính như nguồn phát tia X, bộ phận giữ mẫu và bộ phận cảm biến (Hình 1.12) [28]

Sau khi tia X được chụp, phần mềm ImageJ [30] được sử dụng để phân tích các ảnh tia

X và từ các ảnh tia X dạng 2D xây dựng hình thành ảnh 3D như (Hình 1.13) [33] Hình 1.12 Cấu tạo bên trong của máy chụp tia X (Toshifumi Mukunoki, 2010) [28]

Hình 1.13 Xây dựng ảnh 3D từ ảnh tia X (Otani J và các đồng nghiệp, 2000) [33]

Bàn giữ mẫu

Xoay tròn

Di chuyển dọc D400 mm

600 mm

Mô hình thí nghiệm của Kitazume, M và các đồng nghiệp (1999) [35]

Mô hình xem xét cường độ chịu nén và hình dạng phá hoại của trụ đất xi măng bên dưới nền đường đắp cao (Hình 1.14) Mô hình có kích thước 700 mm x 200 mm, cao

600 mm, đất trong mô hình gồm 02 lớp: lớp cát phía dưới và bên trên là lớp đất sét Kaolinite, trụ đất xi măng có đường kính 20 mm, dài 200 mm, hệ số diện tích gia cố lần lượt là as= 6%, 14% và 28% Lớp đất sét Kaolinite trộn với nước tạo độ ẩm 120% được cố kết dưới áp lực 10 kN/m2 trong máy ly tâm với gia tốc 50g Trụ đất xi măng được tạo thành bằng cách cho hỗn hợp đất xi măng vào trong ống trụ tròn, sau 7 ngày được lấy ra và bảo dưỡng trong điều kiện ẩm, có nhiệt độ bằng nhiệt độ phòng trong 8 ngày, sau cho các trụ đất xi măng này vào các lỗ đã được tạo sẵn trong lớp đất yếu Sau đó mô hình tiếp tục được đưa vào máy ly tâm quay, khi máy quay đạt gia tốc 50g,

hệ thống gia tải sẽ được kích hoạt để tác dụng tải thẳng đứng lên mặt trên của mặt đường Các thiết bị đo áp lực, áp lực nước, thiết bị đo chuyển vị cũng được gắn để đo biến dạng của nền và trụ đất xi măng Mô hình được gọi là mô hình 50-g, do mô hình được đưa vào máy quay ly tâm quay với gia tốc 50g Nghĩa là các trụ đất xi măng có đường kính như trên gia cố cho lớp đất yếu dày 200 mm Khi đưa vào buồng quay ở gia tốc 50g, mô hình sẽ tương đương với 10 m đất sét gia cố bằng trụ đất xi măng có đường kính 1 m dài 10 m

Cảm biến

Thiết bị tạo lực nén

22

Mô hình thí nghiệm của Larsson, S (1999) [36]

Mô hình thí nghiệm là một hộp cắt trụ tròn có đường kính 500 mm, cao 900 mm gồm hai phần: phần dưới cố định và phần di động trượt phía trên (Hình 1.15) Trong quá trình cố kết lớp đất yếu, mô hình còn được gắn thêm phần phía trên cùng để tạo quá trình cố kết, khí nén được sử dụng để tạo áp lực nén cố kết

Mô hình gồm 12 trụ đất vôi/xi măng dài 500 mm, đường kính 50 mm chống lên lớp cát dày 50 mm Mô hình dùng để xem xét cường độ chịu cắt của trụ đất vôi/xi măng trong nền đất yếu Đất được sử dụng để mô phỏng trong mô hình là Kaolinite trộn với nước tạo độ ẩm từ 90% đến 95% Trụ đất vôi/xi măng được tạo thành bằng cách bơm chất kết dính (vôi/xi măng) khô với hàm lượng 150 kg/m3 vào lớp đất yếu, sau đó được trộn với đất yếu để hình thành các trụ đất vôi/xi măng Kết quả nghiên cứu cho thấy sức kháng cắt của lớp đất chưa được gia cố chỉ 4,4 kPa với chuyển vị ngang 8

mm, nhưng khi đất được gia cố bằng trụ vôi/xi măng thì sức kháng cắt tăng lên 6,0 kPa

và chuyển vị ngang 18 mm

500 Khí nén

Tấm nhựa Tấm thép

Thiết bị kéo Motor

Ống định hướng

Ống dẫn

Trụ đất xi măng Lưỡi trộn

23

Mô hình thí nghiệm của Kosche, M (2004) [37]

Mô hình có kích thước như mô hình thí nghiệm của Larson, S (1999) nhưng hai phần của mô hình được liên kết thành một phần, mô hình dùng khảo sát ứng xử của đất tại vùng chuyển tiếp giữa trụ đất xi măng và đất xung quanh (Hình 1.16)

Lực kéo

Vòng lực

Khung thép

500 Khí nén

Tấm nhựa Tấm thép

24

Đất dùng trong mô hình là đất sét Kaolinite, mô hình chỉ gồm có 7 trụ đất xi măng Các thí nghiệm về mặt cơ lý và hóa học của đất tại vùng tiếp giáp đều được thực hiện

ở tuổi 7, 14 ,30 và 90 ngày

Mô hình thí nghiệm của Sengor, M.Y (2011) [38]

Mô hình xem xét cường độ chịu nén của trụ đất xi măng khi tác dụng tải thẳng đứng (Hình 1.17) Đất sử dụng trong mô hình là Kaolinite được tạo độ ẩm 40% giữ trong 2 đến 3 ngày sau đó cho vào hộp mô hình trụ tròn có đường kính 410 mm x cao 390

mm, hệ thống khí nén được sử dụng để tạo áp lực cố kết 50 kPa cho lớp đất yếu

Trụ đất xi măng trong mô hình được tạo thành bằng cách khoan các lỗ trong lớp đất Kaolinite, sau đó vữa đất xi măng được bơm vào các lỗ đã tạo sẵn này, mô hình nghiên cứu với 4 trường hợp: 19, 38, 55 và 85 trụ Hệ thống thủy lực được sử dụng để tạo áp lực thẳng đứng Đồng thời hệ thống đồng hồ đo cũng được sử dụng để đo chuyển vị của trụ đất xi măng

Đường biên ngoài của trụ đất xi măng

A A

MẶT CẮT A-A

25

Mô hình thí nghiệm của Ailin Nur J.O và các đồng nghiệp (2011) [39]

Mô hình nghiên cứu cường độ chịu nén của trụ đất xi măng dưới tấm cứng (Hình 1.18) Mô hình gồm có 04 trụ đất xi măng đường kính 25 mm, dài 200 mm, hàm lượng

xi măng 15% và 20% Các trụ đất xi măng này được bố trí trong nền đất yếu đã được

cố kết Mô hình có kích thước 1000 mm x 600 mm, cao700 mm Đất sét trong mô hình được cho lượng nước rất lớn vào trộn để tạo độ ẩm trong khoảng 90% đến 98%

a) Mô hình 85 trụ đất xi măng

b) Thiết bị tạo lực nén Hình 1.17 Mô hình thí nghiệm trụ đất xi măng chịu tải đứng (Sengor, M.Y., 2011)

[38]

400