Nghiên cứu phương pháp ổn định mái dốc bằng đất trộn xi măng kết hợp sợi xơ dừa

Luận văn 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 sét đến ảnh hưởng của yếu tố mưa kéo dài khiến mái dốc bị giảm s

PHẠM THÀNH LONG

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ỔN ĐỊNH MÁI DỐC BẰNG

ĐẤT TRỘN XI MĂNG KẾT HỢP SỢI XƠ DỪA

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình ngầm

Mã số: 60.58.02 04

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2016

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1

2

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA…………

Tp.HCM, ngày 17 tháng 06 năm 2016

Họ tên học viên: Phạm Thành Long MSHV: 13090085

Ngày, tháng, năm sinh: 29 – 06 - 1990 Nơi sinh: Long Thành

Địa chỉ mail: phamthanhlong20@gmail.com Điện thoại: 0987.123.156

Chuyên ngành: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM MS: 60 58 02 04

I TÊN ĐỀ TÀI

“Nghiên cứu phương pháp ổn định mái dốc bằng đất trộn xi măng kết hợp sợi xơ dừa”

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

Chương 3: Thí nghiệm xác định cường độ sức chống cắt không thoát nước của hỗn hợp

đất trộn xi măng và sợi xơ dừa

Chương 4: Ứng dụng tính toán

Kết luận và kiến nghị

Tp.HCM, ngày 17 tháng 06 năm 2016

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƯỞNG KHOA

TS Đỗ Thanh Hải PGS.TS Lê Bá Vinh PGS.TS.Nguyễn Minh Tâm

Sau cùng, học viên xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đền thầy TS Đỗ Thanh Hải đã ân cần hướng dẫn và giúp học viên có những định hướng tốt cho luận văn Thầy đã tạo cho em ý tưởng thực hiện đề tài này và luôn đồng hành, tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức cho em trong suốt quá trình hoàn hiện luận văn

Xin kính chúc sức khỏe các Thầy Cô

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2016

Học viên

Phạm Thành Long

Luận văn 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 sét đến ảnh hưởng của yếu tố mưa kéo dài khiến mái dốc bị giảm sức chống cắt đột ngột gây xạc lỡ nguy hiểm cho khu dân cư bên dưới Mục tiêu là làm tăng sức chống cắt không thoát nước của đất cát pha sét ở các mái dốc thuộc khu vực này 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 tác giả cũng ứng dụng hỗn hợp vật liệu này vào 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 bảo hòa Sr=80%) lên 1.409 khi mái dốc được gia cố bằng hệ thống cọc xi măng đất trộn xơ dừa

SUMMARY OF THESIS

Abstract : This thesis 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 slope showed 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

Qua quá trình nghiên cứu và thí nghiệm,tôi cam đoan luận văn tốt nghiệp này được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết và tiến hành thí nghiệm thực tiễn dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Đỗ Thanh Hải Các số liệu, kết quả thí nghiệm, mô hình tính toán và những kết quả trong luận văn là trung thực

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2016

Học viên

Phạm Thành Long

DANH MỤC HÌNH ẢNH CHƯƠNG 1

Hình 1.1: Các loại mái dốc tự nhiên và nhân tạo 7 Hình 1.2: Mô hình mái dốc điển hình cho trượt xoay 8 Hình 1.3: Các dạng mặt phá hoại: a) mặt phẳng; b) cung tròn; c) không theo quy tắc; d) hỗn hợp 10 Hình 1.4 : Góc ma sát φ' ứng với hàm lượng sợi hữu cơ trong thí nghiệm của

Andersland, O B, Khattak, A.S 11 Hình 1.5: Quan hệ ứng suất và biến dạng của đất sét có và không có gia cường sợi theo Nataraj, M.S, McManis 12 Hình 1.6 : Quan hệ ứng suất, biến dạng tại các độ ẩm khác nhau của mẫu đất cát có gia cường 0.3% hàm lượng sợi theo Nataraj, M.S, McManis 12 Hình 1.7 : Ứng suất lệch, biến dạng thể tích tương quan với biến dạng dọc trục ứng với chiều dài sợi khác nhau trong thí nghiệm của Feuerharmel, M.R 13 Hình 1.8 : Quan hệ ứng suất, biến dạng của đất sét trộn với sợi nylon theo Kumar, S

và Tabor, E 14 Hình 1.9 : Sợi polypropylene dùng trong nghiên cứu của Chaosheng Tang , Bin

Shi,wei Gao,Fengjun,Yi cai 14 Hình 1.10 :Áp lực nước lỗ rỗng do biến dạng trượt trong thí nghiệm của Freilich, B J., Li, C., Zornberg 15 Hình 1.11 : Kết quả thí nghiệm cắt trực tiếp với chiều dài sợi 10mm, áp lực 100kPa trong thí nghiệm của Amin Chegenizadeh, Prof Hamid Nikraz 16 Hình 1.12 : Hiệu ứng “bắt cầu” của đất sét gia cố xi măng và sợi polypropylene trong thí nghiệm của Chaosheng Tang, Bin Shi, Wei Gao, Fengjun Chen 17 Hình 1.13 : Quan hệ ứng suất, biến dạng của đất gia cường bằng xi măng và sợi trong thí nghiệm của Chaosheng Tang, Bin Shi, Wei Gao, Fengjun Chen 18 Hình 1.14 : Hình dạng phá hủy của mẫu (a) mẫu đất có gia cường sợi (b) mẫu đất không có gia cường sợi 18

Kim, Woo Sik·Jung, Du Hwoe·Cho, Il Muk 19

Hình 1.16 : Quan hệ ứng suất biến dạng của mẫu đất trộn xi măng với chiều dài sợi 6mm và 12mm theo Kim, Woo Sik·Jung, Du Hwoe·Cho, Il Muk 19

Hình 1.17 : Các loại xơ dừa dùng trong thí nghiệm của Rao, G V., Dutta, R K., Ujwala 20

Hình 1.18 : Cường độ nén của hỗn hợp đất sét pha cát trộn với sợi xơ dừa với hàm lượng khác nhau theo Bryan Gaw and Sofia Zamora 21

Hình 1.19 : Cường độ nén của hỗn hợp đất sét pha cát trộn với sợi xơ dừa với chiều dài sợi khác nhau theo Bryan Gaw and Sofia Zamora 22

Hình 1.20 : Quan hệ ứng suất, biến dạng của đất sét nhiễm mặn được gia cường với xơ dừa với các hàm lượng khác nhau theo Bindu Sebastian 22

Hình 1.21 : Quan hệ ứng suất, biến dạng của đất sét nhiễm mặn được gia cường với xơ dừa với các chiều dài sợi khác nhau theo Bindu Sebastian 23

Hình 1.22 : Quan hệ ứng suất, biến dạng của mẫu đất gia cường bằng sợi xơ dừa khô 23

Hình 1.23 : Quan hệ ứng suất, biến dạng của mẫu đất gia cường bằng sợi xơ dừa xử lý bằng NaOH 24

Hình 1.24 : Quan hệ ứng suất, biến dạng của mẫu đất gia cường bằng sợi xơ dừa xử lý bằng CCl 4 24

CHƯƠNG 2 Hình 2.1 : Các lực tác dụng lên điểm M trong nền đất 26

Hình 2.2 : Vòng tròn Mohr và đường bao sức chống cắt 27

Hình 2.3 : Vòng tròn Mohr của đất rời 28

Hình 2.4 :Vòng tròn Mohr của đất dính 29

Hình 2.5 : Cung trượt phân tích theo ứng suất tổng (φ u =0)[19] 30

Hình 2.6 : Ảnh hưởng của khe nứt căng trong phân tích ứng suất tổng [19] 31

Hình 2.7 : Mái dốc nhiều lớp 32

Hình 2.8 : Cung trượt của mái dốc nhiều lớp[19] 32

Hình 2.9 : Ảnh hưởng của một lớp đất cứng nằm bên dưới[19] 33

Hình 2.10 : Ảnh hưởng của mái dốc ngập nước[19] 33

Hình 2.11 : Phương pháp phân mảnh[19] 34

Hình 2.12 : Phân tích ổn định theo phương pháp A.W.BISHOP 38

CHƯƠNG 3 Hình 3.1: Vị Trí Lấy Mẫu Đất 40

Hình 3.2: Địa hình khu vực nghiên cứu 41

Hình 3.3 : Sợi xơ dừa Bến Tre 46

Hình 3.4 : Sơ đồ hộp cắt trực tiếp 48

Hình 3.5 : Thiết bị cắt trực tiếp trong phòng thí nghiệm 48

Hình 3.6 : Xấy khô đất trước khi trộn với nước 49

Hình 3.7 : Chuẩn bị các nguyên vật liệu trộn 50

Hình 3.8 : (a) Hỗn hợp đất sau khi trộn xong; (b) Cho đất vào khuôn 50

Hình 3.9 : Bão dưỡng mẫu cắt trực tiếp 51

Hình 3.10 : Tiến hành thí nghiệm cắt trực tiếp 52

Hình 3.11 : Hình dạng phá hoại mẫu cắt trực tiếp 53

Hình 3.12 : Biểu đồ quan hệ giữu góc ma sát trong φ và hàm lượng xơ dừa 54

Hình 3.13 : Biểu đồ quan hệ giữu lực dính và hàm lượng xơ dừa 55

Hình 3.14 : 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 57

Hình 3.15 : 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 57

Hình 3.16 : 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 58

CHƯƠNG 4 Hình 4.1 : Toàn cảnh mái dốc tự nhiên 61

Hình 4.2 : Mặt cắt mái dốc 62

Hình 4.3 : Kết quả tính ổn định mái dốc với độ bão hòa 60% 63

Hình 4.4 : Kết quả tính ổn định mái dốc với độ bão hòa 70% 64

Hình 4.5 : Kết quả tính ổn định mái dốc với độ bão hòa 80% 64

Hình 4.7 : Mô hình bài toán khi có hệ cọc xi măng đất 69

Hình 4.8 : Mô hình bài toán khi có hệ cọc xi măng đất 71

DANH MỤC BẢNG

CHƯƠNG 1

CHƯƠNG 2

CHƯƠNG 3

Bảng 3.1 : Tỷ lệ thành phần hạt 41

Bảng 3.2 : Số liệu thí nghiệm Tỷ trọng hạt 42

Bảng 3.3 : Số liệu Thí nghiệm độ ẩm 42

Bảng 3.4 : Số liệu thí nghiệm sức chống cắt 42

Bảng 3.5 : Tính chất cơ lý của đất thí nghiệm 43

Bảng 3.6 : Thành phần hóa học của sợi xơ dừa 47

Bảng 3.7 : Bảng tổng hợp góc ma sát trong φ của hỗn hợp đất-xi măng-xơ dừa ở 7 ngày 53

Bảng 3.8 : Bảng tổng hợp góc ma sát trong φ của hỗn hợp đất-xi măng-xơ dừa ở 14 ngày 53

Bảng 3.9 : Bảng tổng hợp góc ma sát trong φ của hỗn hợp đất-xi măng-xơ dừa ở 28 ngày 53

Bảng 3.10 : Bảng tổng lực dính của hỗn hợp đất-xi măng-xơ dừa ở 7 ngày 55

Bảng 3.11 : Bảng tổng lực dính của hỗn hợp đất-xi măng-xơ dừa ở 14 ngày 55

Bảng 3.12 : Bảng tổng lực dính của hỗn hợp đất-xi măng-xơ dừa ở 28 ngày 55

Bảng 3.13 : Bảng tổng hợp sức chống cắt tại cấp áp lực 25 kPa 56

Bảng 3.14 : Bảng tổng hợp sức chống cắt tại cấp áp lực 50 kPa 56

Bảng 3.15 : Bảng tổng hợp sức chống cắt tại cấp áp lực 100 kPa 56

CHƯƠNG 4 Bảng 4.1 : Chỉ tiêu cơ lý của lớp đất 1 đưa vào mô hình tính toán 63

Bảng 4.2 : Bảng tính c tđ và φ tđ cho cọc xi măng đất – xơ dừa 66

Bảng 4.3 : Kết quả tính toán ổn định mái dốc theo hàm lượng xơ dừa 67

Bảng 4.4 : Bảng tính c tđ và φ tđ cho cọc xi măng đất – xơ dừa 69

Bảng 4.5 : Kết quả tính toán ổn định mái dốc theo khoảng cách cọc 69

Bảng 4.6 : Bảng tính c tđ và φ tđ cho cọc xi măng đất – xơ dừa 70

Bảng 4.7 : Kết quả tính toán ổn định mái dốc theo góc bố trí cọc 71

CÁC KÝ HIỆU

không thoát nước

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP -1

MỞ ĐẦU 4

1 ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 4

3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 5

4 Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI 5

5 GIÁ TRỊ THỰC TIẾN CỦA ĐỀ TÀI 5

6 PHẠM VI GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 6

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU GIA CỐ ĐẤT MÁI DỐC BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT TRỘN XƠ DỪA 7

1.1 Tổng quan về mái dốc và sự mất ổn định của mái dốc 7

1.2 Tổng quan gia cố đất bằng sợi 10

1.3 Tổng quan gia cố đất bằng sợi kết hợp với xi măng 16

1.4 Tổng quan gia cố đất bằng sợi xơ dừa 20

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ỔN ĐỊNH MÁI DỐC 26

2.1 Tổng quan sức chống cắt của đất 26

2.2 Cơ sở lý thuyết của ổn định mái dốc 29

2.2.1 Ổn định không thoát nước của mái dốc 29

2.2.2 Mái dốc không đồng nhất không thoát nước 31

2.2.3 Mái dốc ngập nước 33

2.2.4 Phương pháp mặt trượt trụ tròn W.FELLENIUS 34

2.2.5 Phương pháp mặt trượt trụ tròn A.W.BISHOP 38

CHƯƠNG 3: THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ SỨC CHỐNG CẮT KHÔNG THOÁT NƯỚC CỦA HỖN HỢP ĐẤT TRỘN XI MĂNG VÀ SỢI XƠ DỪA .40

3.1 Tính chất cơ bản của đất dùng trong thí nghiệm 40

3.1.1 Vị trí khu vực nghiên cứu 40

3.1.2 Tính chất cơ lý của đất 41

3.2 Phương Pháp Nghiên cứu 44

3.2.1 Tính Chất các loại vật liệu 44

3.2.2 Lựa chọn cấp phối thí nghiệm 45

3.2.3 Bảng lựa chọn cấp phối thí nghiệm 45

3.3 Các thí nghiệm thực hiện 46

HVTH: PHẠM THÀNH LONG - 13090085 GVHD: TS ĐỖ THANH HẢI

3.3.2 Thí nghiệm cắt trực tiếp 47

3.3.2.1 Thiết bị thí nghiệm Cắt trực tiếp 47

3.3.2.2 Chế Bị mẫu : 48

3.3.2.3 Qui Trính Thí Nghiệm : 51

3.4 Kết quả thí nghiệm 52

3.4.1.1 Kết quả thí nghiệm cắt trực tiếp 52

3.4.1.2 Góc ma sát trong φ của hỗn hợp đất- xi măng- xơ dừa 53

3.4.1.3 Lực dính của hỗn hợp đất- xi măng- xơ dừa 55

3.4.1.4 Sức chống cắt của hỗn hợp đất trộn xi măng và sợi xơ dừa 56

KẾT LUẬN CHƯƠNG 59

CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN 60

4.1 Giới thiệu về phần mềm tính toán GEO SLOPE 60

4.2 Ứng dụng tính toán ổn định mái dốc 61

4.2.1 Đặc điểm tính toán của mái dốc 61

4.2.2 Kết quả bài toán từ nghiên cứu trước 63

4.2.2.1 Thông số bài toán ban đầu 63

4.2.2.2 Kết quả bài toán ban đầu : 63

4.2.3 Kiểm tra ổn định công trình bằng phần mềm Geo Slope khi sét đến ảnh hưởng của cọc xi măng đất trộn xơ dừa 65

4.2.3.1 Các trường hợp bài toán 65

4.2.3.2 Thông số đưa vào mô hình 65

4.2.3.3 Khảo sát sự thay đổi hệ số ổn định mái dốc khi thay đổi hàm lượng xơ dừa trong hỗn hợp cọc xi măng đất trộn xơ dừa : 66

4.2.3.4 Khảo sát sự thay đổi hệ số ổn định mái dốc khi thay đổi khoảng cách cọc .68

4.2.3.5 Khảo sát sự thay đổi hệ số ổn định mái dốc khi thay đổi góc bố trí cọc .70

KẾT LUẬN CHƯƠNG 72

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 73

I KẾT LUẬN 73

II KIẾN NGHỊ 74

Hướng nghiên cứu tiếp theo 74

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP -3

PHẦN MỞ ĐẦU

1 ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

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 vực 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 hoà 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, tuỳ 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

Đề tài “Nghiên cứu phương pháp ổn định mái dốc bằng đất trộn xi măng kết hợp

sợi xơ dừa” được thực hiện cũng nhằm mục đích như vậy

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

- Xác định hàm lượng sợi xơ dừa trong hỗn hợp đất trộn xi măng- xơ dừa để

gia cố đất mái dốc

- Từ đó đưa ra được biểu đồ so sánh cường độ đất nền trước và sau khi gia cố

với các tỉ lệ trộn giữa đất, xi măng và xơ dừa khác nhau

HVTH: PHẠM THÀNH LONG - 13090085 GVHD: TS ĐỖ THANH HẢI

- Đề xuất phương án bố trí cọc trên mái dốc với tỷ lệ trộn tốt nhất vào công

trình thực tế ở Khu dân cư tại xã Hố Nai 3, Huyện Trảng Bom, Tỉnh Đồng Nai

3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Sử dụng phần mềm Geo Slope/W để tính toán ổn định trượt cho mái dốc

được gia cố bằng cọc đất trộn xi măng- xơ dừa

4 Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI

- Đề tài khảo sát được đặc trưng cơ lý của hỗn hợp vật liệu mới dùng để gia cố

mái dốc

- Thông qua các kết quả thí nghiệm đánh giá được sự gia tăng cường độ của

hỗn hợp vật liệu mới ứng với loại đất cụ thể

- Đánh giá được phần nào ứng xử của sợi trong đất

5 GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

- Đưa ra một giải pháp xử lý gia cố mái dốc trên nền cát pha sét mang lại hiệu

quả và giá trị kinh tế, tiết kiệm chi phí cho nhà đầu tư

- Từ kết quả tính toán đánh giá được khả năng ứng dụng của vật liệu mới ở

khu dân cư tại xã Hố Nai 3, Huyện Trảng Bom, Tỉnh Đồng Nai và các khu vực có điều kiện địa chất tương tự

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP -5

6 PHẠM VI GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI :

- Như ta đã biết, đất là một loại vật chất không đồng nhất và có tính chất phức

tạp, ứng xử khó lường, vì thế với mỗi loại đất khác nhau thì đất thể hiện những tính chất khác nhau Đề tài chỉ nghiên cứu cụ thể cho một loại đất

- Đề tài chỉ nghiên cứu được phần cường độ còn phần ứng xử của vật liệu này

trong nền hỗn hợp (cố kết, tính thấm) thì chưa được đề cập

- Các biến số trong bài toán thực nghiệm này còn hạn chế, ví dụ như : chiều

dài sợi, cách sử lý sợi, các loại sợi xơ dừa khác nhau, công nghệ trộn

HVTH: PHẠM THÀNH LONG - 13090085 GVHD: TS ĐỖ THANH HẢI

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU GIA CỐ ĐẤT MÁI

DỐC BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT TRỘN XƠ DỪA

1.1 Tổng quan về mái dốc và sự mất ổn định của mái dốc

Mái dốc của khối đất đá có thể được hình thành do tác nhân tự nhiên hay nhân tạo Tất cả các mái dốc đều có xu hướng giảm độ dốc đến một dạng ổn định hơn, cuối cùng chuyển sang nằm ngang và trong bối cảnh này, mất ổn định được quan niệm là khi có xu hướng di chuyển và phá hoại Các lực gây mất ổn định liên quan chủ yếu với trọng lực và thấm trong khi sức chống phá hoại cơ bản là do hình dạng mái dốc kết hợp với bản thân độ bền kháng cắt của đất và đá tạo nên, do đó khi tính toán ổn định của mái dốc cần phải xét đến đầy đủ các nội lực và ngoại lực[1]

Hình1.1:Các loại mái dốc tự nhiên và nhân tạo

Sự di chuyển của khối đất đá có thể xảy ra do phá hoại cắt dọc theo một mặt ở bên trong khối hay do ứng suất hiệu quả giữa các hạt giảm tạo nên sự hóa hỏng một phần hay toàn bộ Người ta đã quan sát được nhiều dạng di chuyển ( phá hoại) khác nhau, có 3 dạng di chuyển thường xảy ra nhiều hơn [1]:

a) Sụt lở: đất đá di chuyển rời xa khỏi chỗ bị gián đoạn: các thớ nứt, khe nứt,

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP -8-

mặt phẳng phân lớp dốc, mặt đứt gãy, … và điều kiện phá hoại có thể được

hỗ trợ hay thúc đẩy do tác động của áp lực nước ở trong các gián đoạn đó

b) Trượt : khối đất đá cơ bản không bị xáo động trong khi trượt theo một mặt

xác định Xét về kết cấu, có 2 dạng trượt sau:

+ Trượt tịnh tiến: sự di chuyển tuyến tính của khối đá dọc theo mặt

phẳng phân lớp hoặc sự di chuyển của lớp đất nằm gần mặt đất dốc Sự

di chuyển như thế thường khá nông và song song với mặt đất

+ Trượt xoay: sự di chuyển dọc theo mặt cắt cong bằng cách là khối

trượt tụt xuống ở gần đỉnh mái dốc và đẩy trồi ở gần chân dốc (Hình

Đối tượng nghiên cứu trong luận văn là mái dốc tự nhiên do xói mòn hoặc chia cắt, tại sười đồi hoặc thung lũng Dạng mái dốc này có thể tồn tại hàng năm ở trạng thái bắt đầu phá hoại, ở trạng thái tới hạn, nhưng khi có sự thay đổi các điều kiện tự nhiên (như mưa, thoát nước, …) hay có sự can thiệp của con người ( chất tải, bóc lớp phủ bề mặt, đào chân mái dốc,…) sẽ thúc đẩy sự phá hoại mái dốc theo mặt trượt đã tồn tại trước hay tạo ra mặt trượt mới

Những sự cố trượt lở lớn mái dốc trên thế giới và ở Việt Nam phần lớn có liên

HVTH: PHẠM THÀNH LONG - 13090085 GVHD: TS ĐỖ THANH HẢI

quan đến trạng thái không bão hòa của đất.Các đất có vấn đề về trượt lở này thường

có nguồn gốc tàn tích và mực nước ngầm ở sâu.Các lớp đất trên mặt có áp lực nước

lỗ rỗng âm, đóng vai trò quan trọng trong sự ổn định của mái dốc Tuy nhiên, lượng mưa nhiều, liên tục có thể làm giảm áp lực lỗ rỗng âm của khối đất phía trên đường bão hòa, do đó cường độ chống cắt giảm dẫn đến mái dốc mất ổn định

Phương pháp thường dùng nhất để phân tích sự ổn định của mái dốc trong đất dính là dựa trên việc xem xét cân bằng dẻo giới hạn Về căn bản, điều kiện cân bằng dẻo giới hạn tồn tại từ thời điểm mà dịch chuyển trượt cắt bắt đầu và biến dạng cứ tiếp diễn mà ứng suất không đổi [1]

Trong thực tế, khi mái dốc bị mất ổn định, mặt trượt có thể có nhiều hình dạng khác nhau.Sự trượt có thể xảy ra cục bộ hoặc phổ biến trên một chiều dài nhất định; mặt trượt có dạng của mặt cầu (bài toán không gian 3 chiều) hoặc mặt trụ (bài toán phẳng 2 chiều) Dạng đơn giản nhất, do Cullmann đưa ra vào năm 1866, là một mặt phẳng dài vô hạn đi qua chân mái dốc Phương pháp này cho hệ số chảy an toàn nên

đã đánh giá quá cao điều kiện ổn định thực Khi lựa chọn mặt trượt phức tạp hơn như mặt cong xoắn logarit hay có dạng không theo quy tắc có thể cho kết quả gần với giá trị thực, nhưng việc phân tích dài dòng và kém hấp dẫn Việc dùng mặt trụ tròn xoay với mặt cắt ngang là cung tròn sẽ cho kết quả thỏa mãn độ chính xác mà không cần tính toán quá phức tạp.Hiện nay hầu hết các phương pháp đều giả thiết mặt trượt có dạng mặt trụ tròn xoay.Trường hợp tồn tại lớp đá cứng dưới nền hoặc lớp đất mềm yếu trong nền, mặt trượt có dạng phức tạp [1]

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP -10-

Hình 1.3: Các dạng mặt phá hoại: a) mặt phẳng; b) cung tròn; c) không theo quy

tắc; d) hỗn hợp

Sự ổn định của mái dốc phụ thuộc nhiều vào sự thay đổi của động thái áp lực nước lỗ rỗng.Độ bền chống cắt thường quan hệ nghịch với áp lực nước lỗ rỗng

1.2 Tổng quan gia cố đất bằng sợi

Công nghệ sử dụng vật liệu gia cường để trộn vào đất nhằm tăng cường độ kháng cắt cũng như khả năng chịu tải của đất nền đã được nghiên cứu và ứng dụng ở nhiều nước trên thế giới

- Năm 1981 :Andersland, O B, Khattak, A.S(Michigan State University,

USA) nghiên cứu ảnh hưởng của vật liệu hữu cơ đến sức chống cắt của đất

Thí nghiệm sử dụng sợi bã củ cải đường (pulp) hàm lượng 20% và đất kaolinite.[2]

HVTH: PHẠM THÀNH LONG - 13090085 GVHD: TS ĐỖ THANH HẢI

Hình 1.4 :Góc ma sát φ' ứng với hàm lượng sợi hữu cơ trong thí nghiệm của

Andersland, O B, Khattak, A.S

- Năm 1990: Maher, M.H., and Gray, D.H đã có nghiên cứu về ổn định của

nền cát được gia cố bằng sợi phân tán một cách ngẫu nhiên.[3]

- Năm 1997 : Nataraj, M.S, McManis nghiên cứu về các đặc tính cường độ và

biến dạng của đất gia cố sợi trên đất sét và đất cát.[4]

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP -12-

Hình 1.5: Quan hệ ứng suất và biến dạng của đất sét có và không có gia cường

sợi theo Nataraj, M.S, McManis

Hình 1.6 : Quan hệ ứng suất, biến dạng tại các độ ẩm khác nhau của mẫu đất cát

có gia cường 0.3% hàm lượng sợi theo Nataraj, M.S, McManis

- Năm 1998: Zeigler, S., Leshchinsky, H I L và Perry đã nghiên cứu về

ảnh hưởng của sợi polyme dạng ngắn đến sự phát triển vết nứt của đất sét.[5]

- Năm 1999: Gregory, G.H đã đưa ra lý thuyết về sức kháng cắt của mô

hình đất trộn với sợi tổng hợp.[6]

HVTH: PHẠM THÀNH LONG - 13090085 GVHD: TS ĐỖ THANH HẢI

- Năm 2000 : Feuerharmel, M.R( Diss MSc Dissertation, Federal Univ of Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Brazil)phân tích ứng xử của sợi polypropylen

trong việc gia cường đất.[7]

Hình 1.7 : Ứng suất lệch, biến dạng thể tích tương quan với biến dạng dọc trục ứng với chiều dài sợi khác nhau trong thí nghiệm của Feuerharmel, M.R

- Năm 2003 : Kumar, S.( Associate Professor, Department of Civil

Engineering Southern Illinois University-Carbondale), Tabor, E., nghiên cứu các đặc tính cường độ của đất sét bùn trộn ngẫu nhiên với sợi nylon.[8]

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP -14-

Hình 1.8 : Quan hệ ứng suất, biến dạng của đất sét trộn với sợi nylon theo

Kumar, S và Tabor, E

Năm 2006: Ở Trung Quốc, những nghiên cứu về sợi gia cường cho đất yếu cũng

đã được tiến hành bởi Chaosheng Tang , Bin Shi,wei Gao,Fengjun,Yi cai Tập trung vào ứng xử về cường độ và các đặc tính cơ học của sợi polypropylene dạng ngắn và xi măng khi trộn với đất sét.[9]

Hình 1.9 :Sợi polypropylene dùng trong nghiên cứu của Chaosheng Tang , Bin

Shi,wei Gao,Fengjun,Yi cai

HVTH: PHẠM THÀNH LONG - 13090085 GVHD: TS ĐỖ THANH HẢI

- Năm 2010 :Freilich, B J., Li, C., Zornberg (The University of Texas at

Austin, USA)nghiên cứu về cường độ kháng cắt hiệu quả của đất gia cố bằng

sợi polypropylene với hàm lượng sợi là 0.5% so với trọng lượng đất khô và đường kính mẫu thí nghiệm là 7.1 cm, cao 14.2 cm.[10]

Hình 1.10 :Áp lực nước lỗ rỗng do biến dạng trượt trong thí nghiệm của

Freilich, B J., Li, C., Zornberg

- Năm 2012 : Amin Chegenizadeh, Prof Hamid Nikraz (Curtin University of

Technology, Australia) thí nghiệm : cắt trực tiếp và thí nghiệm CBR Vật

liệu: sợi cọ, đất cát pha sét Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng, chiều dài sợi đến sức chống cắt, chỉ số CBR Kết luận được khi tăng hàm lượng, chiều dài sợi thì : sức chống cắt tăng, tính dẻo tăng, CBR tăng, tỷ trọng khô giảm nhẹ và lý thuyết của Michalowski and Cermak phù hợp với kết quả thí nghiệm.[11]

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP -16-

Hình 1.11 : Kết quả thí nghiệm cắt trực tiếp với chiều dài sợi 10mm, áp lực 100kPa trong thí nghiệm của Amin Chegenizadeh, Prof Hamid Nikraz

1.3 Tổng quan gia cố đất bằng sợi kết hợp với xi măng

- Năm 1987 : R Craig đã nghiên cứu ứng xử của đất - xi măng thêm sợi so

sánh với đất - xi măng không có sợi trong đất cát - pha sét về các chỉ tiêu cường độ chịu nén, chịu kéo, sức chống cắt, quan hệ ứng suất biến dạng, tính bền khi chịu chu kỳ khô ẩm Kết quả trong 4 loại sợi : thép thẳng, thép móc, polypropylene, sợi thủy tinh; sợi thủy tinh cho kết quả tốt nhất (tăng 140% cường độ chịu kéo).[12]

- Năm 1998 :Nilo C Consoli(Assoc Prof., Dept of Civ Engrg., Fed Univ of

Rio Grande do Sul), Pedro D M Prietto (Assoc Prof., School of Engrg and Arch., Catholic Univ of Pelotas), Luciane A Ulbrich (Res Assist., Dept of Civ Engrg., Fed Univ of Rio Grande do Sul)(Brazil) nghiên cứu ảnh hưởng

của sợi thủy tinh đến ứng xử của đất gia cố xi măng Thí nghiệm dùng sợi có chiều dài 12.8 mm và dùng lượng sợi 0% - 3% trọng lượng đất, xi măng khô

HVTH: PHẠM THÀNH LONG - 13090085 GVHD: TS ĐỖ THANH HẢI

Kết quả cho thấy, sợi làm tăng cường độ dư, làm cho đất từ tính dòn chuyển sang tính dẻo [13]

- Năm 2006 :Chaosheng Tang, Bin Shi, Wei Gao, Fengjun Chen(Yi Cai

Nanjing University, China)nghiên cứu ứng xử về cường độ và các đặc tính

cơ học của sợi polypropylene dạng ngắn và xi măng khi trộn với đất sét [9]

Hình 1.12 : Hiệu ứng “bắt cầu” của đất sét gia cố xi măng và sợi polypropylene trong thí nghiệm của Chaosheng Tang, Bin Shi, Wei Gao, Fengjun Chen

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP -18-

Hình 1.13 : Quan hệ ứng suất, biến dạng của đất gia cường bằng xi măng và sợi trong thí nghiệm của Chaosheng Tang, Bin Shi, Wei Gao, Fengjun Chen

Năm 2010 :Freilich, B J., Li, C., Zornberg (The University of Texas at Austin,

USA)nghiên cứu về cường độ kháng cắt hiệu quả của đất gia cố bằng sợi

polypropylene với hàm lượng sợi là 0.5% so với trọng lượng đất khô và đường kính mẫu thí nghiệm là 7.1 cm, cao 14.2 cm.[10]

Hình 1.14 : Hình dạng phá hủy của mẫu (a) mẫu đất có gia cường sợi (b) mẫu

đất không có gia cường sợi

HVTH: PHẠM THÀNH LONG - 13090085 GVHD: TS ĐỖ THANH HẢI

- Năm 2012 : Kim, Woo Sik·Jung, Du Hwoe·Cho, Il Muk nghiên cứu gia

cường đất bằng sợi PVC chiều dài 6mm và 12mm, với hàm lượng xi măng

200, 250, 300 (kg/m3) Thông qua thí nghiệm nén đơn, nhận thấy đất có gia cường bằng PVC module E50 tăng, cường độ chịu nén tăng, phá hoại dẻo trong khi đó dất không được gia cường bằng PVC phá hoại dòn.[14]

Hình 1.15 : Biến dạng của mẫu đất trộn xi măng với chiều dài sợi 6mm và 12mm theoKim, Woo Sik·Jung, Du Hwoe·Cho, Il Muk

Hình 1.16 : Quan hệ ứng suất biến dạng của mẫu đất trộn xi măng với chiều dài sợi 6mm và 12mm theo Kim, Woo Sik·Jung, Du Hwoe·Cho, Il Muk

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP -20-

1.4 Tổng quan gia cố đất bằng sợi xơ dừa

- Năm 2005 : Rao, G V (Professor, Department of Civil Engineering, Indian

Institute of Technology, New Delhi, Indian), Dutta, R K và Ujwala nghiên

cứu về các đặc tích cường độ của đất cát gia cố sợi xơ dừa và thảm xơ dừa Dùng thí nghiệm nén đơn nở hông, áp lực nén thay đổi từ 24.5 kPa đến 196 kPa, mẫu cao 200 mm, đường kính 100 mm Vật liệu : xơ dừa, thảm xơ dừa, đất cát.[15]

Hình 1.17 : Các loại xơ dừa dùng trong thí nghiệm của Rao, G V., Dutta, R K.,

Ujwala

Bảng 1.1 : Kết quả thí nghiệm của Rao, G V., Dutta, R K., Ujwala

HVTH: PHẠM THÀNH LONG - 13090085 GVHD: TS ĐỖ THANH HẢI

- Năm 2008 : Babu, G.L.S và Vasudevan, A.K.(Indian)ứng xử về cường độ

và độ cứng của đất vùng nhiệt đới được gia cố sợi xơ dừa với hàm lượng sợi

xơ dừa là 1-2%.[16]

- Năm 2008 : Ramesh, H.N.(Prof and Chairman, Dept of Civil Engineering,

UVCE, Bangalore, Indian), Manoj Krishna, Mamatha nghiên cứu về quá

trình đầm nén và ứng xử của loại đất đen vùng nhiệt đới khi xử lý bằng vôi,

xơ dừa.[17]

- Năm 2010 : Bryan Gaw and Sofia Zamora (Worcester Polytechnic Institute,

USA), đã nghiên cứu lựa chọn hàm lượng sợi xơ dừa tối ưu để gia cường đất

cát pha sét ở Rio de Janerio [18]

Hình 1.18 : Cường độ nén của hỗn hợp đất sét pha cát trộn với sợi xơ dừa với

hàm lượng khác nhau theo Bryan Gaw and Sofia Zamora

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP -22-

Hình 1.19 : Cường độ nén của hỗn hợp đất sét pha cát trộn với sợi xơ dừa với

chiều dài sợi khác nhau theo Bryan Gaw and Sofia Zamora

- Năm 2011 : Dasaka, S M., Sumesh nghiên cứu ảnh hưởng của sợi xơ dừa

đến ứng suất và biến dạng của đất hạt mịn với hàm lượng xơ dừa từ 0 -2% trọng lượng đất khô và chiều dài xơ dừa trong nghiên cứu là 15 mm.[19]

- Năm 2011 :Bindu Sebastian (Associate Professor, KMEA Engineering

College, Indian) nghiên cứu ảnh hưởng của sợi xơ dừa trên đất sét nhiễm

mặn [20]

Hình 1.20 :Quan hệ ứng suất, biến dạng của đất sét nhiễm mặn được gia

cường với xơ dừa với các hàm lượng khác nhau theoBindu Sebastian

HVTH: PHẠM THÀNH LONG - 13090085 GVHD: TS ĐỖ THANH HẢI

Hình 1.21: Quan hệ ứng suất, biến dạng của đất sét nhiễm mặn được gia cường với xơ dừa với các chiều dài sợi khác nhau theoBindu Sebastian

- Năm 2012 : Rakesh Kumar Dutta (( Associate Professor, Department of Civil Engineering Southern Illinois University-Carbondale), Vishwas Nandkishor Khatri and V Gayathri, nghiên cứu ảnh hưởng của việc sử dụng hóa chất xử lý sợi xơ dừa trước khi trộn Thí nghiệm được tiến hành với loại đất sét Ấn Độ [21]

Hình 1.22 : Quan hệ ứng suất, biến dạng của mẫu đất gia cường bằng sợi xơ dừa

khô

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP -24-

Hình 1.23 : Quan hệ ứng suất, biến dạng của mẫu đất gia cường bằng sợi xơ dừa

xử lý bằng NaOH

Hình 1.24 : Quan hệ ứng suất, biến dạng của mẫu đất gia cường bằng sợi xơ dừa

xử lý bằng CCl 4

HVTH: PHẠM THÀNH LONG - 13090085 GVHD: TS ĐỖ THANH HẢI

Nhận xét :

− Việc gia cường đất bằng sợi đã được nghiên cứa và ứng dụng ở nhiều quốc gia với nhiều loại sợi khác nhau và các loại sợi này đều là những sợi có tính chịu kéo tốt Trên thế giới cũng đã có nhiều công trình nghiên cứa về sợi xơ dừa trên nhiều loại đất với các tính chất cơ lý khác nhau

− Vấn đề gia cường đất yếu bằng sợi và xi măng bắt đầu nghiên cứu từ những năm 1981 và liên tục đến nay với rất nhiều vài bài báo, công trình nghiên cứu khoa học, luận văn, chứng tỏ tiềm năng khai thác của đề tài này rất lớn

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP -26-

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ỔN ĐỊNH MÁI DỐC 2.1 Tổng quan sức chống cắt của đất

- Phương trình tổng quát sức chống cắt của đất theo Morh_Coulumb

- Cường độ sức chống cắt của đất theo Columb là cường độ mà đất có thể phát huy trên một mặt phẳng đang xét Xét điểm M nằm trong nền đất dưới tác dụng của ngoại lực, điểm M sẽ bị phá hoại trượt theo một mặt phẳng θ nào đó

Hình 2.1 : Các lực tác dụng lên điểm M trong nền đất

HVTH: PHẠM THÀNH LONG - 13090085 GVHD: TS ĐỖ THANH HẢI

Trong đó:

τ : lực gây trượt

σ: lực chống trượt

σo: Tổng áp lực của τ và σ Một điểm M nằm trên mặt phẳng đó ở trạng thái cân bằng bền (ổn định) khi:

τ< s = σ tanϕ hay τ< s = σ tanϕ + c Điểm M nằm trên mặt phẳng đó ở trạng thái cân bằng giới hạn khi:

τ = s = σ tanϕ hay τ = s = σ tanϕ + c

τ >s : không xảy ra trong đất vì đất đã bị phá hoại trước khi đạt đến ứng suất đó Có thể biểu diễn quan hệ giữa cường độ chống cắt s và áp lực pháp tuyến σ

- Trên hình biểu diễn các điểm theo hệ trục tọa độ (τ;σ), điểm a,b là các điểm ở trạng thái cân bằng giới hạn, còn điểm c,d là các điểm ở trạng thái cân bằng bền (ổn định)

- Xét 1 điểm M trong đất dưới tác dụng của ngoại lực và tải trọng bản thân.Trên một mặt phẳng a-b qua M, ứng suất tổng tác dụng lên M là σohợp bởi của ứng suất pháp σ và ứng suất tiếp τ

Hình 2.2 : Vòng tròn Mohr và đường bao sức chống cắt

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP -28-

- Giả sử điểm M ở trạng thái cân bằng giới hạn thì vòng tròn Mohr tiếp xúc với đường Coulomb tại 1 điểm I Nếu mặt phẳng a-b đi qua M không phải

là mặt trượt tới hạn thì điểm K nằm trên vòng tròn Mohr ứng với mặt phẳng

ấy sẽ thấp hơn đường bao sức chống cắt

- Trường hợp quay mặt phẳng a-b quanh điểm M, ta sẽ có mặt trượt và điểm tương ứng trên vòng tròn Mohr là I Lúc đó góc lệch ứng suất θ giữa σ vàσo

sẽ đạt cực đại là θmax So sánh với góc nội ma sát của đất, ta đánh giá được trạng thái ổn định của đất nền:

2 sin

2

m

IC OC