Bài báo nghiên cứu khả năng gia tăng cường độ mái dốc khu vực tỉnh Đồng Nai bằng cọc xi măng đất trộn với sợi xơ dừa khi xét đến ảnh hưởng của yếu tố mưa kéo dài khiến mái dốc bị giảm sức chống cắt đột ngột gây sạt lở nguy hiểm cho khu dân cư bên dưới.
Trang 1NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ỔN ĐỊNH MÁI DỐC BẰNG ĐẤT TRỘN
XI MĂNG KẾT HỢP SỢI XƠ DỪA
STUDY ON INCREASING SLOPE STABILITY BY USING SOIL-CEMENT WITH
COIR FIBER
TS Đỗ Thanh Hải, KS Phạm Thành Long
Trường Đại Học Bách Khoa-ĐHQG TP.HCM
TÓM TẮT
Bài báo nghiên cứu khả năng gia tăng cường độ mái dốc khu vực tỉnh Đồng Nai bằng cọc xi măng đất trộn với sợi xơ dừa khi xét đến ảnh hưởng của yếu tố mưa kéo dài khiến mái dốc bị giảm sức chống cắt đột ngột gây sạt lở nguy hiểm cho khu dân cư bên dưới Nghiên cứu sử dụng thí nghiệm cắt trực tiếp để xác định hàm lượng xơ dừa thích hợp, các hàm lượng xơ dừa được xét đến: 0%; 0,3%; 0,6%; 0,9%; 1,2%, xơ dừa cắt nhỏ thành từng đoạn 2 cm Đồng thời hỗn hợp vật liệu này được ứng dụng gia cố mái dốc tại khu dân cư xã Hố Nai 3, Huyện Trảng Bom, Tỉnh Đồng Nai Về ảnh hưởng của cọc xi măng đất trộn với sợi xơ dừa đối với ổn định mái dốc, kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng hệ số ổn định của mái dốc tăng 56,5% từ 0,9 (ứng với độ bão hòa Sr=80%) lên 1,409 khi mái dốc được gia
cố bằng hệ thống cọc xi măng đất trộn xơ dừa
ABSTRACT
This paper represents the method of increasing stability of slope in Dong Nai province by soil-cement column with coir fiber when shear strength of soil was reduced dramatically by heavy rains The purpose of this research is to increase the un-drained shear strength of loamy sand By using direct shear tests with different contents of coir fiber: 0%; 0.3%; 0.6%; 0.9%; 1.2% and coir fiber length
is 2cm, the research figure out the optimum content of coir fiber for the composite
In addition, the author considers to apply this composite to slope at neighborhoods
in Ho Nai 3 Commune, Trang Bom District, Dong Nai Province.The effect of soil-cement column with coir fiber to stability of slopeshowed that the factor of safety increased 56.5% from 0.9 (saturation degree Sr = 80%) to 1.409 when the slope was reinforced by system of soil-cement column with coir fiber
1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Các sự cố sụt trượt đất mái dốc nền đồi cao, đặc biệt vào mùa mưa lũ kéo dài ở miền Trung đang diễn ra ngày càng nhiều do tác động của biến đổi khí hậu, làm tốn nhiều tiền của và nguy hại đến tính mạng con người
Độ ẩm thay đổi là yếu tố quan trọng gây biến đổi ổn định mái dốc Các điểm trượt lở có quy mô lớn đều có liên quan đến sự thay đổi độ ẩm nước dưới đất mà trong
đó chế độ mưa đóng vai trò quan trọng Trượt đất thường xảy ra trong phạm vi các khu
Trang 2vực có lượng mưa lớn và gia tăng vào mùa mưa Quá trình xâm nhập của nước mưa vào đất sẽ dẫn đến:
- Mực nước ngầm dâng cao, đới bão hòa bị thu hẹp
- Suy giảm cường độ kháng cắt của đất
- Hệ số ổn định mái dốc giảm
Cơ chế phá hoại này có thể xảy ra theo dạng trượt nông và trượt sâu, tùy thuộc vào chiều dày của các lớp đất, thành phần độ chặt của đất cũng như các đặc tính của mưa
Việc khắc phục hậu quả từ những lần sạt lở này thường khó khăn, tốn kém gấp nhiều lần so với các sự cố trên mặt đất Do đó, cần có sự chuẩn bị kỹ lưỡng về mặt kỹ thuật, nhằm hạn chế khả năng xảy ra sự cố đến mức thấp nhất có thể
Vì vậy “Nghiên cứu phương pháp ổn định mái dốc bằng đất trộn xi măng kết
hợp sợi xơ dừa” là một vấn đề cấp thiết và đáng quan tâm hiện nay nhằm hạn chế
những tai nạn có thể xảy ra gây ảnh hưởng nghiêm trọng về người và tài sản cho những khu dân cư cũng như công trình nằm ở dưới mái dốc
2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về tương tác giữa sợi và nền, cơ chế hình thành cường độ khi gia cố đất với xi măng, lý thuyết về ổn định mái dốc và sức chống cắt không thoát nước
Thí nghiệm: Bài báo nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng sợi xơ dừa đến cường độ của hỗn hợp thông qua thí nghiệm cắt trực tiếp Thông qua thí nghiệm ta xác định được cường độ kháng cắt không thoát nước của hỗn hợp đất trộn xi măng- xơ dừa
Bảng 1 Tỷ lệ xi măng với đất tối ưu tương ứng với các loại đất khác nhau (Mitchell and
Freitag, 1959)
Theo kết quả nghiên cứu như bảng trên của Mitchell và Freitag năm 1959 ta lựa chọn tỷ lệ xi măng - đất là 3% so với trọng lượng đất khô Việc chọn lựa hàm lượng sợi
xơ dừa thí nghiệm cũng căn cứ vào những nghiên cứu và các đề tài liên quan trước đây
Ở đây ta chọn hàm lượng của sợi xơ dừa lần lượt là 0,3%, 0,6%, 0,9%, 1,2% để tiến
hành thí nghiệm Hàm lượng nước/ xi măng với hàm lượng xi măng nhỏ hơn 10% là 0,4 Dựa vào những nghiên cứu trước để có thể tăng cường độ sợi xơ dừa khi trộn ta có thể xử lý sợi xơ dừa trước khi tiến hành trộn Do trong thành phần của sợi xơ dừa có tồn
Trang 3cao Chính vì vậy khi dùng sợi xơ dừa để xử lý nền ta nên loại bỏ lignin Để tách lignin
ra khỏi sợi ta có thể sử dụng dung dịch kiềm NaOH 3% đã được đun sôi và ngâm sơ dừa trong dung dịch này trong khoảng 1 tiếng đồng hồ sau đó vớt ra
Tính toán mô phỏng: Sử dụng phần mềm GeoSlope để tính toán ổn định mái dốc
ổn định cho mái dốc của Khu dân cư tại xã Hố Nai 3, Huyện Trảng Bom, Tỉnh Đồng Nai, nơi lấy mẫu thí nghiệm Dựa vào kết quả của bài toán kiến nghị hàm lượng sợi xơ dừa tối ưu khi đưa vào đất để gia cố mái dốc
3 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM CẮT TRỰC TIẾP
3.1 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi đến góc ma sát trong φ của hỗn hợp đất-xi măng-xơ dừa
Bảng 2 Bảng tổng hợp góc ma sát trong φ của hỗn hợp đất-xi măng-xơ dừa ở 7,14 và
28 ngày
φ (độ) ở 7 ngày 36,28 38,80 46,84 41,47 40,79
φ (độ) ở 14 ngày 39,70 42,05 51,06 48,20 47,74
φ (độ) ở 28 ngày 49,34 52,76 56,42 54,72 53,40
Hình 1 Biểu đồ quan hệ giữu góc ma sát trong φ và hàm lượng xơ dừa
Hình 1 cho thấy:
1) Hàm lượng xơ dừa ảnh hưởng đến góc ma sát trong của hỗn hợp đất trộn xi măng- sợi xơ dừa Hàm lượng sợi tăng thì góc ma sát trong φ tăng và khi hàm lượng xơ
dừa từ 0,6% đến 1,2% thì góc ma sát trong φ có xu hướng giảm
Trang 42) Góc ma sát trong φ lớn nhất ứng với hàm lượng 0,6% xơ dừa (56,420) Góc ma sát
trong φ bé nhất ứng với hàm lượng 0% xơ dừa (49,340)
3.2 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi đến lực dính của hỗn hợp đất-xi măng-xơ dừa
Bảng 3 Bảng tổng hợp lực dính của hỗn hợp đất-xi măng-xơ dừa ở 7,14 và 28 ngày
Lực dính (kG/cm2) ở 7 ngày 2,12 2,56 2,99 2,39 1,43
Lực dính (kG/cm2) ở 14 ngày 2,62 3,14 3,40 2,91 1,55
Lực dính (kG/cm2) ở 28 ngày 3,16 3,64 3,91 3,30 1,63
Hình 2 Biểu đồ quan hệ giữu lực dính và hàm lượng xơ dừa
1) Hàm lượng xơ dừa ảnh hưởng đến lực dính của hỗn hợp đất trộn xi măng- sợi xơ
dừa Hàm lượng sợi tăng thì lực dính tăng và khi hàm lượng xơ dừa từ 0,6% đến
1,2% thì lực dính có xu hướng giảm
2) Lực dính của hỗn hợp tăng đáng kể khoảng 24% khi tăng hàm lượng xơ dừa từ 0%
lên 0,6% và đặc biệt khi hàm lượng sợi xơ dừa đạt 1,2% thì lực dính giảm 48,51%
khi không có sợi xơ dừa
3) Lực dính lớn nhất ứng với hàm lượng 0,6% xơ dừa (3,91 kG/cm2) Lực dính bé nhất
ứng với hàm lượng 1,2% xơ dừa (1,63 kG/cm2)
3.3 Ảnh hưởng của hàm lượng sợi đến sức chống cắt không thoát nước của hỗn
hợp đất-xi măng-xơ dừa
Trang 5Bảng 4 Bảng tổng hợp sức chống cắt tại cấp áp lực 25 kPa
7 ngày 229,85 276,29 325,82 260,92 165,03
14 ngày 282,63 336,23 371,37 319,15 182,92
28 ngày 344,77 396,66 429,03 364,94 196,18
Bảng 5 Bảng tổng hợp sức chống cắt tại cấp áp lực 50 kPa
7 ngày 248,19 296,38 352,46 283,00 186,58
14 ngày 303,37 358,76 402,27 347,09 210,41
28 ngày 373,85 429,52 466,65 400,24 229,81
Bảng 6 Bảng tổng hợp sức chống cắt tại cấp áp lực 100 kPa
7 ngày 284,87 336,56 405,73 327,16 229,69
14 ngày 344,85 403,82 464,09 402,97 265,39
28 ngày 432,00 495,24 541,88 470,84 297,07
Hình 3 Biểu đồ quan hệ sức chống cắt theo hàm lượng xơ dừa theo thời gian 7,14,28
ngày tại cấp áp lực 25 kPa
Trang 6Hình 4 Biểu đồ quan hệ sức chống cắt theo hàm lượng xơ dừa theo thời gian 7,14,28
ngày tại cấp áp lực 50 kPa
Hình 5 Biểu đồ quan hệ sức chống cắt theo hàm lượng xơ dừa theo thời gian 7,14,28
ngày tại cấp áp lực 100 kPa
1) Xơ dừa có tác dụng làm tăng sức chống cắt của hỗn hợp xi măng đất Tác dụng của
xơ dừa rõ rệt nhất tại mức hàm lượng 0,6% (Sức chống cắt tăng 26%) nhưng khi lên đến 1,2% xơ dừa thì sức chống cắt giảm nhanh so với hỗn hợp không có xơ dừa
(Sức chống cắt giảm 32%)
2) Sức chống cắt lớn nhất đạt được ở hàm lượng xơ dừa 0,6% và sức chống cắt nhỏ
nhất ứng với hàm lượng xơ dừa 1,2%
Trang 74 TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG MÔ HÌNH MÁI DỐC KHI SỬ DỤNG GIẢI PHÁP GIA CỐ MÁI DỐC BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT TRỘN XƠ DỪA
Từ kết quả thí nghiệm trên ta sử dụng phần mềm GeoSlope để phân tích ổn định cho mái dốc của Khu dân cư tại xã Hố Nai 3, Huyện Trảng Bom, Tỉnh Đồng Nai
Mặt cắt tính toán của mái dốc tự nhiên gồm 3 lớp:
Hình 6 Mặt cắt mái dốc
+ Lớp 1: Sét pha, màu xám xám nâu, xám vàng, trạng thái nửa cứng Thông số
của lớp 1 được lấy ứng với độ bảo hòa Sr = 80% khi xét đến ảnh hưởng của trời mưa lớn kéo dài:
- Độ sâu (m) : 0 – 8 m
- Dung trọng (kN/m3) : 19,918
- Góc ma sát trong (độ) : 24,9
- Lực dính (kN/m2) : 10,46
Đây là lớp đất được chọn để khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng xơ dừa trong hỗn hợp đất trộn xi măng – xơ dừa đến ổn định của mái dốc Các thông số trên sẽ được thay đổi và lấy theo kết quả thí nghiệm trong phần 3 khi áp dụng tính hệ số an toàn bằng phần mềm Geo Slope
+ Lớp 2: Sét pha, màu xám trắng, trạng thái dẻo cứng Các thông số được giữ
nguyên khi tính hệ số an toàn bằng phần mềm Geo Slope
- Độ sâu (m) : 8 – 17 m
- Dung trọng (kN/m3) : 19,6
- Góc ma sát trong (độ) : 14005
- Lực dính (kN/m2) : 25,3
+ Lớp 3: Sét, màu nâu đỏ, xám trắng, trạng thái nửa cứng Các thông số được
giữ nguyên khi tính hệ số an toàn bằng phần mềm Geo Slope
- Độ sâu (m) : 17 - 23
Trang 8- Dung trọng (kN/m3) : 20,2
- Góc ma sát trong (độ) : 14007
- Lực dính (kN/m2) : 33,1
Hình7 Kết quả tính ổn định mái dốc khi chưa sử dụng cọc
4.1 Khảo sát sự thay đổi hệ số ổn định mái dốc khi thay đổi khoảng cách cọc
¾ Giả thiết bài toán:
- Hàm lượng xơ dừa: chọn hàm lượng xơ dừa 0,6% Vì Geoslope là mô hình 2D nên khi ta khai báo thông số của vật liệu cọc trên mặt cắt ngang cần quy đổi lại thông số
vật liệu theo “Phương pháp tính toán theo quan điểm nền tương đương”
+ Hệ cọc xiên gia cố mái dốc được xem như nền đồng nhất với các số liệu cường độ φtđ ,ctđ Gọi as là tỷ lệ giữa diện tích cọc xi măng – đất thay thế trên diện tích đất nền
p s s
A a A
=
- c td =a c s coc+ −(1 a c s) nen
- tanϕtd =a stanϕcoc+ −(1 a s) tanϕnen Trong đó: Ap là diện tích đất nền thay thế bằng cọc xi măng- đất
As là diện tích đất nền thay thế
- Đường kính và khoảng cách bố trí cọc: chọn trường hợp cọc D800 khoảng cách cọc thay đổi với những giá trị sau: 1m; 1,3 m; 1,5 m
Trang 9- Mực nước ngầm: chọn mực nước ngầm không thay đổi so với trạng thái tự nhiên
- Thông số sức chống cắt của lớp cát pha sét (lớp 1): chọn thông số ứng với trường hợp nguy hiểm nhất là đất bão hòa 80%
Bảng 7 Bảng tính c tđ và φ tđ cho cọc xi măng đất – xơ dừa
Khoảng cách c (kPa) φ ctđ (kPa) φtđ
1 391,42 56,42 249,82 48,21 1.3 391,42 56,42 194,58 44,06 1.5 391,42 56,42 170,03 42,01
Hình 8 Mô hình bài toán khi có hệ cọc xi măng đất
Bảng 8 Kết quả tính toán ổn định mái dốc theo khoảng cách cọc
STT Khoảng cách cọc Hệ số ổn định Kết Luận
2 1,3 1,409 Mái dốc ổn định
3 1,5 1,352 Mái dốc không ổn định
Khoảng cách cọc H = 1,3 m hệ số an toàn FS > [FS] = 1,4 nên mái dốc ở trạng
thái ổn định
Khi tăng khoảng cách giữa các cọc xi măng đất trộn xơ dừa lên 1,5 m thì hệ số
an toàn giảm còn 1,352 nhỏ hơn giới hạn cho phép, mái dốc mất ổn định
Khoảng cách cọc càng tăng thì hệ số ổn định trượt càng giảm
Trang 104.2 Khảo sát sự thay đổi hệ số ổn định mái dốc khi thay đổi góc bố trí cọc
Bảng 9 Bảng tính c tđ và φ tđ cho cọc xi măng đất – xơ dừa
Bảng 10: Kết quả tính toán ổn định mái dốc theo góc bố trí cọc
STT Góc bố trí (độ) so với phương ngang Hệ số ổn định Kết Luận
Khi góc bố trí so với phương ngang bằng 600 thì hệ số an toàn FS > [FS] = 1,4
nên mái dốc ở trạng thái ổn định
Khi giảm góc bố trí các cọc xi măng đất trộn xơ dừa xuống 450 thì hệ số an toàn
Hình 9 Mô hình bài toán khi có
hệ cọc xi măng đất
Trang 11 Góc bố trí càng tăng thì hệ số ổn định trượt càng tăng
5 KẾT LUẬN
5.1 Kết luận
Như vậy bằng các thí nghiệm trong phòng và thử nghiệm trên mô hình, có thể rút ra một số kết luận về mái dốc ở xã Hố Nai 3, Huyện Trảng Bom, Tỉnh Đồng Nai khi gia cường thêm cọc xi măng đất và sợi xơ dừa như sau:
1 Xơ dừa có tác dụng làm tăng sức chống cắt của hỗn hợp xi măng đất Tác dụng của xơ dừa rõ rệt nhất tại mức hàm lượng 0,6%: c tăng 11.6 lần (từ 33,7 kN/m2 lên 391 kN/m2), φ tăng 2,1 lần (từ 27,550 lên 56,420)
2 Cường độ kháng cắt của hỗn hợp đất trộn xi măng – xơ dừa tăng lên đáng kể khi tăng hàm lượng xơ dừa từ 0% lên 0,6% và bắt đầu giảm dần khi hàm lượng xơ dừa đạt 0,9% Ở hàm lượng xơ dừa đạt 1,2% cường độ kháng cắt của hỗn hợp đất trộn xi măng – xơ dừa giảm mạnh và yếu hơn so với 0% xơ dừa Có sự giảm cường độ kháng cắt của hỗn hợp đất trộn xi măng – xơ dừa như vậy có thể là do hàm lượng xơ dừa trong đất quá nhiều còn hàm lượng xi măng lại quá ít (3%) nên đất và xi măng ít có độ kết dính chặt với nhau gây nên hiện tượng sức chống cắt giảm mạnh khi hàm lượng xơ dừa
tăng lên 1,2%
3 Khi trời mưa kéo dài (độ bão hòa Sr đạt 80%) với đường kính cọc d=800 mm, khoảng cách giữa các cọc là 1.3 m và cọc được bố trí với góc là 600 thì hệ số ổn định trượt là 1,409 (tăng lên 56,5% so với 0,9 khi chưa được gia cố) Khi tăng khoảng cách giữa các cọc > 1,3 m cũng như giảm góc bố trí cọc < 600 thì hệ số ổn định sẽ < [FS]
=1,4 mái dốc sẽ mất ổn định
5.2 Kiến nghị
Trong quá trình nghiên cứu, có một số vấn đề cần lưu ý khi áp dụng vào thực tế:
1 Các kết quả nghiên cứu chỉ nên được sử dụng ở vùng đất cát pha sét thuộc xã Hố Nai 3, Huyện Trảng Bom, Tỉnh Đồng Nai hoặc các vùng địa chất tương tự
2 Kiến nghị biện pháp thi công cọc vào đất:
Ở đây tác giả chỉ chú trọng vào bài toán là đưa ra một loại vật liệu mới có tính tái sử dụng cao như vật liệu ở đây là sợi xơ dừa để gia cố mái dốc Vì vậy nên bài báo vẫn chưa nghiên cứu và thực nghiệm rõ ràng công nghệ trộn cũng như đưa cọc xi măng đất có trộn xơ dừa vào mái dốc Ở bài báo này tác giả chỉ kiến nghị một biện pháp thi công để làm tài liệu tham khảo cho những bài báo nghiên cứu sau này về công nghệ trộn cũng như thi công như sau:
+ Bước 1: Lấy đất trên bề mặt của mái dốc
+ Bước 2: Đưa lượng đất đã lấy được vào lò sấy để sấy khô, sau đó đưa lượng đất khô này vào bồn chứa trộn đều với hỗn hợp xi măng xơ dừa và nước
đã được tính toán từ khối lượng đất khô
Trang 12+ Bước 3: Cho máy khoan tạo lỗ trên mái dốc với góc nghiên 600 (như
đã kết luận ở trên) so với mặt phẳng nằm ngang Sau đó cho hỗn hợp đã trộn ở trong bồn chứa vào lỗ khoan vừa tạo
+ Bước 4: Áp dụng lại bước 1 đến bước 3 cho những hố khoan tiếp theo
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 Nguyễn Mạnh Thủy, Ngô Tấn Phong, Một số kết quả nghiên cứu gia cố đất yếu khu vực quận 9, TP.HCM bằng vôi, xi măng, Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM, 2007
2 Thái Hồng Sơn, Trịnh Minh Thụ, Trịnh Công Vấn, Lựa chọn hàm lượng xi măng và tỷ lệ nước-ximăng hợp lý cho gia cố đất yếu vùng ven biển Đồng bằng sông Cửu Long, TP.HCM bằng vôi, ximăng, Đại học Thủy Lợi, 2014
3 Bergardo D.T, Chai J.C, Alfaro M.C, Những biện pháp kỹ thuật mới cải tạo đất yếu trong xây dựng Nhà xuất bản Giáo dục, 1996
4 Das, B M (1990) Principle of foundation engineering, PWS-KENT publishing company, Boston
5 Mitchell, J K (1976) “The properties of Cement-stabilized soils.” Proceeding of Residential Workshop on Materials and Methods For Low Cost Road, Rail, and Reclamation Works, 365-404, Leura, Australia, Unisearch Ltd
6 Clough, G W., Sitar, N., Bachus, R C., and Shafii-Rad, N (1981) “ Cemented sands under static loading.” Journal of The Geotechnical Engineering Division, ASCE, 107(GT6)
799-817
7 Võ Phán, Đỗ Thanh Hải, Phan Lưu Minh Phượng (2014) Các phương pháp khảo sát hiện trường và thí nghiệm đất trong phòng – NXB ĐHQGTP Hồ Chí Minh
Người phản biện: GS TSKH Nguyễn Văn Thơ
