Nghiên cứu giải pháp cải tạo đất địa phương bằng vôi kết hợp vải địa kỹ thuật làm đất đắp đường khu vực tỉnh hậu giang

- Xác định hàm lượng vải địa kỹ thuật thích hợp để dùng kết hợp với loại đất đã được cải tạo bằng vôi nói trên.. Cuối cùng là cải tạo đất đắp nền đường bằng cách trộn đất với vật liệu gi



NGUYỄN HỮU TRUNG TÍN

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CẢI TẠO ĐẤT ĐỊA PHƯƠNG BẰNG VÔI KẾT HỢP VẢI ĐỊA KỸ THUẬT LÀM ĐẤT ĐẮP ĐƯỜNG

KHU VỰC TỈNH HẬU GIANG

MÃ NGÀNH: 60.58.02.11

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, 2016

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 PGS TS Bùi Trường Sơn Chủ tịch hội đồng

2 PGS TS Tô Văn Lận Thành viên, Phản biện 1

3 PGS TS Nguyễn Văn Chánh Thành viên, Phản biện 2

4 PGS TS Võ Ngọc Hà Thành viên

5 PGS TS Trương Quang Hùng Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng khoa quản lý chuyên

ngành sau khi nhận được luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

KỸ THUẬT XÂY DỰNG

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Hữu Trung Tín

Ngày, tháng, năm sinh: 1985

Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

MSHV: 7140777Nơi sinh: Tp.HCM

- Bằng loại đất lấy ở huyện Phụng Hiệp, tỉnh Hậu Giang, xác định các đặc trưng

cơ học của hỗn hợp đất-vôi tương ứng với từng hàm lượng vôi

- Xác định hàm lượng vôi thích hợp dùng cho việc cải tạo đất ở địa phương này

- Xác định hàm lượng vải địa kỹ thuật thích hợp để dùng kết hợp với loại đất đã được cải tạo bằng vôi nói trên

2.2 Nội dung

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan về xử lý nền đất yếu bằng đất trộn vôi và vải địa kỹ thuật Chương 2: Cơ sở lý thuyết về ổn định trượt trong nền đường và tương tác giữa

các vật liệu trong hỗn hợp đất trộn vôi

Chương 3: Xác định cường độ chống cắt và cường độ nén đơn của đất trộn vôi

trong phòng

Chương 4: Tính toán ổn định nền đường trước và sau khi gia cố bằng vôi kết

hợp với vải địa kỹ thuật

Ngày 17 tháng 06 năm 2016

PGS TS Võ Phán PGS TS Lê Bá Vinh PGS TS Nguyễn Minh Tâm

Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, người thân, bạn bè và các anh chịu em đồng nghiệp đã quan tâm, giúp đỡ và cổ vũ học viên trong thời gian qua

Xin cám ơn các thầy cô của Bộ môn Địa cơ Nền móng, khoa Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã truyền đạt kiến thức cho học viên, giúp học viên

có những kiến thức căn bản phục vụ cho việc học tập, nghiên cứu, đồng thời đã tạo điều kiện cho học viên thực hiện các thí nghiệm phục vụ cho hướng nghiên cứu của đề tài

Học viên cũng xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy PGS TS Võ Phán đã ân cần hướng dẫn và giúp học viên trong quá trình hình thành ý tưởng và thực hiện luận văn Với sự chỉ bảo tận tình, thầy đã dạy dỗ và trang bị cho học viên rất nhiều kiến thức không chỉ trong phạm vi luận văn mà cả trong phương pháp nghiên cứu và cách thức làm việc sau này

Xin kính chúc các thầy cô luôn dồi dào sức khỏe

Học viên

Luận văn nghiên cứu khả năng cải tạo đất yếu khu vực tỉnh Hậu Giang bằng vôi

có gia cường vải địa kỹ thuật Sử dụng các thí nghiệm : cắt trực tiếp, nén đơn để xác định hàm lượng vôi thích hợp Các hàm lượng vôi được xét đến : 6%, 8%, 10% Ứng dụng của hỗn hợp vật liệu này vào đắp đường có gia cường vải địa kỹ thuật tại Tuyến đường nối Quốc lộ 61B với Trung tâm Hành chính Thành phố Vị Thanh, tỉnh Hậu Giang

ABSTRACT

Thesis researchs the improvement of soft soil capabilities in Hau Giang province by lime-mixing soil combine with geotextile Using experiments: direct shear test, compression test to determine the appropriate amount of lime The lime content be taken into account: 6%, 8%, 10% Application of the mixed material in embankment of road with reinforcement geotextile in the connection road of 61B national road and Vi Thanh City Administrative Office, Hau Giang province

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

I Đặt vấn đề nghiên cứu 1

II Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 2

III Phương pháp nghiên cứu 2

IV Ý nghĩa khoa học của đề tài 3

V Giá trị thực tiễn của đề tài 3

VI Giới hạn và kiến nghị 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG ĐẤT TRỘN VÔI VÀ VẢI ĐỊA KỸ THUẬT 4

1.1 Vải địa kỹ thuật 4

1.1.1 Tổng quan 4

1.1.2 Ứng dụng vải địa kỹ thuật 8

1.1.3 Thi công vải địa kỹ thuật 11

1.2 Cải tạo đất bằng vôi trộn với đất 13

1.2.1 Tổng quan 13

1.2.2 Cơ chế hình thành cường độ khi gia cố đất với vôi 15

1.2.3 Các nghiên cứu sử dụng vôi trong cải tạo đất 20

1.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ 22

1.2.5 Thi công đất trộn vôi 23

Nhận xét chương 26

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ỔN ĐỊNH TRƯỢT TRONG NỀN ĐẮP ĐƯỜNG 27

2.1 Cơ sở lý thuyết của ổn định mái dốc 27

2.2 Phân tích ứng suất tổng - ổn định không thoát nước 28

2.3 Phân tích ứng suất có hiệu - ổn định thoát nước 31

2.4 Phương pháp mặt trượt trụ tròn của W Fellenius 32

2.5 Phương pháp mặt trượt trụ tròn của A Bishop 33

2.6 Các yếu tố gây ảnh hưởng đến ổn định tổng thể của công trình 35

2.6.1 Áp lực đẩy nổi cho phân mảnh bị ngập nước 35

2.6.2 Ảnh hưởng của áp lực thủy tĩnh 35

2.6.3 Tác dụng của hoạt tải 36

2.7 Gia cường mái dốc bằng vải địa kỹ thuật 37

2.7.1 Khái niệm 37

2.7.2 Cấu tạo mái dốc có vải địa kỹ thuật 37

2.8 Tính khoảng cách và các chiều dài lớp vải 38

2.8.1 Tính khoảng cách giữa các lớp vải 38

2.8.2 Kiểm tra ổn định tổng thể tường chắn 39

2.9 Ổn định mái taluy nền đắp cao (đường, đê, đập) trên đất yếu có gia cường vải địa kỹ thuật 40 2.9.1 Cơ sở xác định mặt trượt nguy hiểm nhất dựa vào hệ số an toàn FS 40

2.9.2 Tính hệ số FS khi có vải địa kỹ thuật 40

Nhận xét chương 41

CHƯƠNG 3 XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ CHỐNG CẮT VÀ CƯỜNG ĐỘ NÉN ĐƠN CỦA ĐẤT TRỘN VÔI TRONG PHÒNG 42

3.1 Chuẩn bị nguyên vật liệu thí nghiệm 42

3.1.1 Phương pháp lấy mẫu 42

3.1.2 Vôi bột 43

3.1.3 Nước dùng trong thí nghiệm 44

3.1.4 Hàm lượng vôi trộn với đất 45

3.2 Chuẩn bị thiết bị thí nghiệm 45

3.2.1 Thiết bị trộn 45

3.2.2 Cân điện tử 46

3.2.3 Lò sấy 47

3.2.4 Ký hiệu mẫu: 47

3.3 Chế bị mẫu 48

3.4 Thí nghiệm đầm chặt đất 50

3.5 Thí nghiệm cắt trực tiếp 54

3.5.1 Thiết bị thí nghiệm 54

3.5.2 Tổ hợp mẫu thí nghiệm 55

3.5.3 Trình tự thí nghiệm 56

3.5.4 Kết quả thí nghiệm 57

3.6 Thí nghiệm nén 1 trục nở hông 63

3.6.1 Thiết bị thí nghiệm 63

3.6.2 Tổ hợp mẫu thí nghiệm 64

3.6.3 Trình tự thí nghiệm 66

3.6.4 Kết quả thí nghiệm 67

Kết luận chương 71

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH NỀN ĐƯỜNG TRƯỚC VÀ SAU KHI GIA CỐ BẰNG VÔI KẾT HỢP VẢI ĐỊA KỸ THUẬT 72

4.1 Đặt vấn đề 72

4.2 Giới thiệu công trình 73

4.3 Cấu tạo đường 74

4.4 Điều kiện địa chất 74

4.5 Tải trọng tác dụng lên nền đường (22TCN 262-2000) 76

4.6 Tính toán ổn định cho công trình đắp bằng đất tự nhiên 78

Kết luận chương 83

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 85

KẾT LUẬN 85

KIẾN NGHỊ 85

Hướng nghiên cứu tiếp theo 86

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 : Vải địa kỹ thuật dệt 5

Hình 1.2 : Vải địa kỹ thuật không dệt 5

Hình 1.3 : Chức năng phân cách của vải địa kỹ thuật 9

Hình 1.4 : Chức năng gia cố mái dốc của vải địa kỹ thuật 10

Hình 1.5 : Chức năng lọc của vải địa kỹ thuật 11

Hình 1.6 : Chức năng tiêu nước của vải địa kỹ thuật 11

Hình 1.7 : Thi công trải vải địa kỹ thuật 12

Hình 1.8 : Thi công đắp đất 13

Hình 1.9 : Thi công lu đất 13

Hình 1.10 : Cấu tạo vi mô của đất trộn vôi theo thời gian 19

Hình 1.11 : Hiệu quả cải tạo đất của vôi theo thời gian 20

Hình 1.12 : Sự suy giảm chỉ số dẻo của đất trộn vôi 21

Hình 1.13 : Sự phát triển cường độ của đất trộn vôi theo thời gian 22

Hình 1.14 : Thi công trộn vôi - Làm tơi đất 24

Hình 1.15 : Thi công trộn vôi - Rải vôi 24

Hình 1.16 : Thi công trộn vôi - Trộn vôi với đất 25

Hình 1.17 : Thi công trộn vôi - Đầm chặt đất 25

Hình 2.1 : Mặt trượt mái dốc 27

Hình 2.2 : Cung trượt phân tích theo ứng suất tổng (φ u = 0) 29

Hình 2.3 : Ảnh hưởng của khe nứt căng trong phân tích ứng suất tổng 30

Hình 2.4 : Phân mảnh mặt trượt và các lực tác dụng lên một mảnh 31

Hình 2.5 : Mảnh đơn giản hóa của Bishop 33

Hình 2.6 : Tải trọng tác dụng lên nền đường 36

Hình 2.7 : Cấu tạo mái dốc có vải địa kỹ thuật 37

Hình 2.8 : Vùng tác dụng của một lớp vải 38

Hình 2.9 : Các dạng mất ổn định của mái dốc 39

Hình 2.10 : Mặt trượt mái dốc khi có vải địa kỹ thuật 40

Hình 3.1 : Vôi bột dùng trong thí nghiệm 44

Hình 3.2 : Nước dùng trong thí nghiệm 44

Hình 3.3 : Máy trộn Rhino 46

Hình 3.4 : Cân điện tử 46

Hình 3.5 : Lò sấy Binder 47

Hình 3.6 : Sấy mẫu 48

Hình 3.7 : Cân vật liệu 49

Hình 3.8 : Khuôn đúc mẫu cắt và nén 50

Hình 3.9 : Đường cong đầm chặt đất - hàm lượng vôi 0% 51

Hình 3.10 : Đường cong đầm chặt đất - hàm lượng vôi 6% 52

Hình 3.11 : Đường cong đầm chặt đất - hàm lượng vôi 8% 52

Hình 3.12 : Đường cong đầm chặt đất - hàm lượng vôi 10% 53

Hình 3.13 : Hộp cắt trực tiếp 54

Hình 3.14 : Máy cắt trực tiếp 55

Hình 3.15 : Dạng phá hoại của mẫu thí nghiệm cắt trực tiếp 57

Hình 3.16 : Quan hệ giữa Sức chống cắt và Hàm lượng vôi ở các thời gian bảo dưỡng khác nhau 59

Hình 3.17 : Quan hệ giữa Sức chống cắt và Thời gian bảo dưỡng ở các hàm lượng vôi khác nhau 60

Hình 3.18 : Quan hệ Lực dính và Góc ma sát trong với Hàm lượng vôi 61

Hình 3.19 : Quan hệ Lực dính và Góc ma sát trong với Thời gian bảo dưỡng 62

Hình 3.20 : Chương trình xử lý số liệu LabVIEW SignalExpress 64

Hình 3.21 : Thiết bị thí nghiệm nén 1 trục nở hông kết nối với máy tính ghi nhận kết quả và vẽ biểu đồ tự động 64

Hình 3.22 : Dạng phá hoại của mẫu nén đơn 67

Hình 3.23 : Quan hệ giữa Cường độ chịu nén q u và Thời gian bảo dưỡng ở các hàm

lượng vôi khác nhau 68

Hình 3.24 : Quan hệ giữa Module biến dạng E 50 và Thời gian bảo dưỡng ở các hàm lượng vôi khác nhau 69

Hình 3.25: Quan hệ Độ ẩm hay Biến dạng với Thời gian bảo dưỡng 69

Hình 4.1 : Tuyến đường nối Quốc Lộ 61B với Trung tâm hành chính Thành phố Vị Thanh, tỉnh Hậu Giang 72

Hình 4.2 : Mặt cắt ngang đường 73

Hình 4.3 : Hình trụ hố khoan địa chất tại Vị Thanh, Hậu Giang 76

Hình 4.4 : Sơ đồ xác định hoạt tải xe 77

Hình 4.5 : Mô hình nền đất đắp với đất tự nhiên, không vải địa kỹ thuật 79

Hình 4.6 : Kết quả bài toán khi đắp bằng đất tự nhiên, không có vải địa kỹ thuật 80

Hình 4.7 : Mô hình mái dốc đắp bằng đất tự nhiên, có vải địa kỹ thuật 81

Hình 4.8 : Kết quả bài toán trường hợp đắp đất tự nhiên, có vải địa kỹ thuật 81

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 : So sánh thông số kỹ thuật của vải địa kỹ thuật nhóm dệt và không dệt 6

Bảng 1.2 : Giá thành tham khảo của vải địa kỹ thuật ART (tháng 05/2016) 7

Bảng 1.3 : Kết quả thí nghiệm nén đơn của mẫu đất trộn vôi 21

Bảng 3.1 : Các thông số cơ lý của loại đất dùng trong thí nghiệm 43

Bảng 3.2 : Thành phần hóa học của vôi dùng trong thí nghiệm 43

Bảng 3.3 : Hàm lượng vôi và thời gian bảo dưỡng mẫu 45

Bảng 3.4 : Tổng hợp kết quả thí nghiệm đầm chặt 53

Bảng 3.5 : Các tổ hợp mẫu thí nghiệm cắt trực tiếp 55

Bảng 3.6 : Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm cắt trực tiếp 58

Bảng 3.7 : Các tổ hợp mẫu thí nghiệm nén một trục có nở hông 65

Bảng 3.8 : Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm nén đơn có nở hông 67

Bảng 4.1 : Thông số cơ lý của các lớp đất tại khu vực Vị Thanh, Hậu Giang 76

Bảng 4.2 : Các thông số của đất tự nhiên dùng để đắp nền đường 79

Bảng 4.3 : Kết quả trường hợp 2 (đất tự nhiên, có vải địa kỹ thuật) 82

Bảng 4.4 : Các thông số của đất cải tạo vôi 8% dùng để đắp nền đường 82

Bảng 4.5 : Kết quả trường hợp 3 (đất cải tạo vôi 8%, có vải địa kỹ thuật) 83

Bảng 4.6 : Tổng hợp kết quả các bài toán mô phỏng 83

BẢNG KÝ HIỆU VÀ ĐƠN VỊ

qua O

tâm trượt

qu kPa Cường độ nén đơn hay sức kháng nén một trục

thái cân bằng giới hạn

tâm cung trượt

 kPa Ứng suất nén dọc trục

Atn Giá trị tìm được từ kết quả thí nghiệm

MỞ ĐẦU

I Đặt vấn đề nghiên cứu

Hiện nay, vì nhu cầu khai thác tiềm năng kinh tế và nâng cao đời sống của người dân khu vực Đồng bằng sông Cửu Long, cơ sở hạ tầng trong khu vực này đang trên đà phát triển nhanh Ở vùng ven của các đô thị lớn và vùng sâu vùng xa, việc xây dựng những tuyến đường liên xã, liên huyện rất được chính quyền địa phương chú trọng đầu tư Tuy nhiên, do lịch sử hình thành địa chất ở Đồng bằng sông Cửu Long là bồi tích nên các lớp đất bề mặt ở khu vực này thường là đất yếu (NSPT < 5) Vì vậy, nghiên cứu phương pháp gia cường nền đường ở các khu vực này với chi phí thấp trở

nên một ngày càng thiết yếu

Trong số các vấn đề cần nghiên cứu, ổn định nền đường bằng đất đắp là một vấn

đề quan trọng cần phải giải quyết để đạt được mục tiêu trên Có ba phương thức tiếp cận đối với mục tiêu này Thứ nhất là sử dụng các phương pháp gia tải trước bằng cọc cát, bấc thấm v v để tăng độ cố kết của lớp đất đắp Các phương pháp này có hiệu quả cao, nhưng thời gian thi công kéo dài và chi phí lớn nên chỉ thích hợp với các công trình đường quốc lộ, đường dẫn vào cầu Cách tiếp cận thứ hai là sử dụng vải/lưới địa

kỹ thuật với nền đất đắp nhiều lớp để giảm khả năng trượt của nền đất đắp Cuối cùng

là cải tạo đất đắp nền đường bằng cách trộn đất với vật liệu gia cường hoặc/và một số chất kết dính để cải thiện các thông số chống cắt như xơ dừa, dây cao su, mạt thép, vôi,

xi măng, vôi/ximăng và tro bay, v v Trong đó, việc cải tạo đất bằng vôi được đánh giá là hiệu quả nhất về mặt chi phí, đất sau cải tạo sẽ có cường độ cao nhưng có khuyết điểm là sẽ trở thành vật liệu giòn

Để cải thiện khuyết điểm đó của đất trộn vôi, nghiên cứu này xem xét giải pháp kết hợp vải địa kỹ thuật làm vật liệu chịu kéo với đất đã cải tạo bằng vôi trong việc ổn định đất đắp nền đường Trong đó, nguồn vật liệu dùng để làm đất đắp sẽ được khai

thác ở địa phương nhằm giúp tiết kiệm chi phí vận chuyển, giảm thiểu các tác động xấu đến môi trường

Vì vậy, đề tài "Nghiên cứu cải tạo đất địa phương bằng vôi kết hợp vải địa

kỹ thuật làm đất đắp đường khu vực tỉnh Hậu Giang" là một đề tài khoa học có

tính thực tiễn cao, giúp đạt được mục tiêu tiết kiệm chi phí

II Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu này nhằm các mục tiêu sau:

- Xác định tỷ lệ vôi thích hợp để trộn với đất yếu địa phương khu vực tỉnh Hậu

Giang nhằm mục đích nâng cao các thông số sức chống cắt

- Xác định chiều dày mỗi lớp đất đắp thích hợp cho một nền đường đất đắp có

chiều cao 4 mét Mục đích là để tìm ra lượng vải địa kỹ thuật cần thiết khi dùng kết hợp với đất đã được cải tạo bằng vôi

III Phương pháp nghiên cứu

Từ các mục tiêu đã nêu trên, nghiên cứu này sẽ được thực hiện bằng các phương pháp sau:

- Phương pháp giải tích: áp dụng các phương pháp tính toán mái dốc đối với đất

có vải địa kỹ thuật của Bishop, Fellenius, Janbu…

- Thí nghiệm trong phòng: các mẫu đất sẽ được cho trộn với hàm lượng vôi

khác nhau Sử dụng thí nghiệm cắt trực tiếp và nén đơn có nở hông để xác định các thông số sức chống cắt của từng mẫu đất sau khi cải tạo

- Mô phỏng bằng máy tính: sử dụng phần mềm Geo Slope/W để xây dựng mô

hình mái dốc nền đường đắp bằng đất sau khi cải tạo, có sử dụng vải địa kỹ thuật để kiểm tra lại hiệu quả của việc cải tạo đất

IV Ý nghĩa khoa học của đề tài

Xác định tỷ lệ vôi hợp lý nhằm mục đích nâng cao các thông số sức chống cắt của đất yếu địa phương khu vực tỉnh Hậu Giang

Xác định lượng vải địa kỹ thuật cần thiết khi dùng kết hợp với đất đã được cải tạo bằng vôi nhằm mục đích xác định chiều dày mỗi lớp đất đắp thích hợp

V Giá trị thực tiễn của đề tài

Nghiên cứu này đóng góp thêm một giải pháp mới cho đất đắp nền đường, giúp người thiết kế sau này có thêm nhiều lựa chọn hơn khi thiết kế cho các công trình giao thông tương tự

VI Giới hạn và kiến nghị

Nghiên cứu này có một số giới hạn sau:

- Nghiên cứu này chỉ nghiên cứu phần nền đường bằng đất đắp chứ chưa xét tới

khả năng chịu tải, tính biến dạng phần đất nền bên dưới đường

- Nghiên cứu này chỉ làm các thí nghiệm trong phòng với đất trộn vôi rồi mô

phỏng loại đất sau cải tạo này với vải địa kỹ thuật trên máy tính chứ chưa tìm được phương án để đưa vải địa kỹ thuật vào mẫu thí nghiệm đất trộn vôi

- Nghiên cứu này cũng chưa xét tới tính cố kết của phần đất đắp nền đường theo

thời gian

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU

BẰNG ĐẤT TRỘN VÔI VÀ VẢI ĐỊA KỸ THUẬT

1.1 Vải địa kỹ thuật

1.1.1 Tổng quan

Vải địa kĩ thuật là tấm vải có tính thấm, khi sử dụng lót trong đất nó có khả năng phân cách, lọc, bảo vệ, gia cường và thoát nước Vải địa kĩ thuật được chế tạo từ những sản phẩm phụ của dầu mỏ, từ một hoặc hai loại polymer (polyamide) như polyester và/hoặc polypropylen Tùy theo hợp chất và cách cấu tạo, mỗi loại vải địa kĩ thuật có những đặc tính cơ lí hóa như sức chịu kéo, độ dãn dài, độ thấm nước, môi trường thích nghi, v v khác nhau

Vải địa kĩ thuật được chia làm ba nhóm chính dựa theo cấu tạo sợi: dệt, không dệt và vải địa phức hợp

- Nhóm dệt: gồm những sợi được dệt ngang dọc giống như vải may Vải địa kỹ

thuật dệt thường được tạo nên từ các sợi polypropylen (PP) có tính bền xé và bền đứt cao, được dệt theo hai chiều với mật độ sợi 12×12 hoặc 10×10 được điều chỉnh theo khung chuẩn sao cho đảm bảo được tính năng chịu lực, độ dãn dài, khả năng thoát nước và lọc ngược của sản phẩm Đặc biệt trong quá trình kéo sợi PP cần có chất phụ gia kháng UV, chất tạo màu cho sản phẩm Khả năng chịu lực của sợi được kiểm tra bằng máy chuyên dụng trước khi dệt Khả năng biến dạng của nhóm dệt thường được thí nghiệm theo 2 hướng chính: hướng dọc máy (MD - machine direction) và hướng ngang máy (CD - cross-machine direction) Sức chịu kéo theo hướng dọc máy bao giờ cũng lớn hơn sức chịu kéo theo hướng ngang máy Vải dệt thường được ứng dụng làm cốt gia cường cho các công tác xử lí nền đất khi có yêu cầu

Hình 1.10 : Vải địa kỹ thuật dệt

- Nhóm không dệt: gồm những sợi ngắn và sợi dài liên tục, không theo một

hướng nhất định nào, được liên kết với nhau bằng phương pháp hóa (dùng chất dính), hoặc nhiệt (dùng sức nóng) hoặc cơ (dùng kim dùi)

Hình 1.11 : Vải kỹ địa thuật không dệt

- Nhóm vải phức hợp là loại vải kết hợp giữa vải dệt và không dệt Nhà sản xuất

may những bó sợi chịu lực (dệt) lên trên nền vải không dệt để tạo ra một sản phẩm có

đủ các chức năng của vải dệt và không dệt

Bảng 1.1 : So sánh thông số kỹ thuật của vải địa kỹ thuật nhóm dệt và không dệt

(Thương hiệu Daejung - Hàn Quốc)

Các thương hiệu vải địa kỹ thuật được sử dụng rộng rãi hiện nay là:

 Vải địa kỹ thuật không dệt: Aritex (ART - Việt Nam), VNT (Hàn Quốc), Haicatex (HD - Đức), Phahatex (PH - Việt Nam), TenCate Geosynthetics (TS - Hà Lan),

 Vải địa kỹ thuật dệt: Daejung (DJ, DJL - Hàn Quốc), GET (Việt Nam) Daeyoun (DM, DML - Hàn Quốc), Daehan (GM, GML - Hàn Quốc), PP (Việt Nam),

Bảng 1.2 : Giá thành tham khảo của vải địa kỹ thuật ART (tháng 05/2016)

9 ART 22 4 125 23.300

1.1.2 Ứng dụng vải địa kỹ thuật

Trong giao thông vải địa kĩ thuật có thể làm tăng độ bền, tính ổn định cho các tuyến đường đi qua những khu vực có nền đất yếu như đất sét mềm, bùn, than bùn Trong thủy lợi, dùng che chắn bề mặt vách bờ bằng các ống vải địa kĩ thuật độn cát nhằm giảm nhẹ tác động thủy lực của dòng chảy lên bờ sông Còn trong xây dựng, dùng để gia cố nền đất yếu ở dạng bấc thấm ứng dụng trong nền móng Trong các công trình bảo vệ bờ (đê, kè, ) vải địa kỹ thuật được sử dụng thay cho tầng lọc ngược ngược, có tác dụng hạ thấp mực nước ngầm vẫn đảm bảo giữ cốt liệu nền khỏi bị rửa trôi theo dòng thấm Dựa vào mục công dụng chính, người ta chia vải địa kĩ thuật thành 3 loại: phân cách, gia cường, tiêu thoát và lọc ngược

a Chức năng phân cách: các phương pháp thông thường để ổn định hoá

lớp đất đắp trên nền đất yếu bão hoà nước là phải tăng thêm chiều dày đất đắp để bù vào lượng đất bị mất do lún chìm vào nền đất yếu trong quá trình thi công Mức độ tổn thất có thể hơn 100% đối với đất nền có CBR nhỏ hơn 0,5 Việc sử dụng loại vải địa kĩ thuật thích hợp đặt giữa đất yếu và nền đường sẽ ngăn cản sự trộn lẫn của hai loại đất Vải địa kĩ thuật phân cách ngăn ngừa tổn thất đất đắp và vì vậy tiết kiệm đáng kể chi phí xây dựng Ngoài ra, vải địa kĩ thuật còn ngăn chặn không cho

đất yếu thâm nhập vào cốt liệu nền đường nhằm bảo toàn các tính chất cơ lí của vật liệu đắp và do đó nền đường có thể hấp thụ và chịu đựng một cách hữu hiệu toàn bộ tải trọng xe

Hình 1.12 : Chức năng phân cách của vải địa kỹ thuật

b Chức năng gia cường: áp dụng trong trường hợp tăng tính ổn định cho

đường đắp cao trên nền đất yếu, sức kháng cắt thấp Với tính năng cường lực chịu kéo và ứng suất cao, ngăn chặn và triệt tiêu các sụt trượt tiềm năng của phần đắp cao Đối với đường có chiều cao nhỏ (từ 0,5 đến 1,5m), có giả thiết cho rằng cần phải dùng vải cường độ cao như là một bộ phận chịu lực của kết cấu móng đường Tuy nhiên, tải trọng xe tác dụng trên móng đường chủ yếu theo phương đứng, trong khi phương chịu kéo của vải địa lại là phương nằm ngang Vì vậy, cường độ chịu kéo và độ cứng chịu uốn của vải có ảnh hưởng rất nhỏ trong sự gia tăng khả năng chịu tải của nền dưới tải trọng đứng của bánh xe Trong thực tế, dưới tải trọng bánh

xe khả năng chịu tải của nền đường có vải địa kĩ thuật chủ yếu là do chức năng phân cách (nhằm duy trì chiều dày thiết kế và tính chất cơ học ban đầu của các lớp cốt liệu nền móng đường) hơn là chức năng gia cường về khả năng chịu kéo của kết cấu Trong trường hợp đường có tầng mặt cấp cao (đường bê tông hoặc đường nhựa) hiệu ích từ chức năng gia cường càng rất giới hạn Đó là bởi vì, để phát triển lực kéo trong vải địa cần phải có chuyển vị đủ lớn trong kết cấu móng đường để sinh ra biến dạng ngang tương ứng, mà điều này thì không cho phép đối với đường

có tầng mặt cấp cao Trong trường hợp xây dựng đê, đập hay đường dẫn vào cầu có

chiều cao đất đắp lớn, có thể dẫn đến khả năng trượt mái hoặc chuyển vị ngang của đất đắp, vải địa kĩ thuật có thể đóng vai trò cốt gia cường cung cấp lực chống trượt theo phương ngang nhằm gia tăng ổn định của mái dốc Trong trường hợp này vải địa có chức năng gia cường

Hình 1.13 : Chức năng gia cố mái dốc của vải địa kỹ thuật

c Chức năng tiêu thoát/lọc ngược: đối với các nền đất yếu có độ ẩm tự

nhiên lớn và độ nhạy cảm cao Vải địa kĩ thuật có thể làm chức năng thoát nước nhằm duy trì và thậm chí gia tăng cường độ kháng cắt của đất nền và do đó làm gia tăng khả năng ổn định tổng thể của công trình theo thời gian Vải địa kĩ thuật loại không dệt, xuyên kim có chiều dày và tính thấm nước cao là vật liệu có khả năng tiêu thoát tốt, cả theo phương đứng (thẳng góc với mặt vải) và phương ngang (trong mặt vải) Vì thế, loại vải địa này có thể làm tiêu tán nhanh chóng áp lực nước lỗ rỗng thặng dư trong quá trình thi công cũng như sau khi xây dựng và dẫn đến sức kháng cắt của nền đất yếu sẽ được gia tăng Hai tiêu chuẩn để đánh giá về đặc trưng lọc ngược là khả năng giữ đất và hệ số thấm của vải Vải địa kỹ thuật cần phải có kích thước lỗ hổng đủ nhỏ để ngăn chặn không cho các hạt đất cần bảo vệ đi qua đồng thời kích thước lỗ hổng cũng phải đủ lớn để có đủ khả năng thấm nước bảo đảm cho áp lực nước lỗ rỗng được tiêu tán nhanh

Hình 1.14 : Chức năng lọc của vải địa kỹ thuật

Hình 1.15 : Chức năng tiêu nước của vải địa kỹ thuật

1.1.3 Thi công vải địa kỹ thuật

Các bước chuẩn bị mặt bằng trước khi trải vải địa kỹ thuật [1]:

 Bơm hút nước hoặc tháo khô lên nền đường tổng thể diện tích rải vải địa kỹ thuật

 Dọn sạch sẽ gốc cây, cỏ rác và các nguyên vật liệu khác

 Đào đất tới cao độ thiết kế trải vải

 San phẳng đất nền trước lúc trải

Trải và nối vải địa kỹ thuật:

 Trong khi dùng vải địa kỹ thuật gia cường thì trải vải theo hướng vuông góc so với tim đường

 Sau lúc tạo mặt bằng, sử dụng trải vải và nối vải Việc nối vải phải kết hợp bằng máy khâu với những kiểu khâu được quy định

 Đường khâu các biên 5 – 15 cm, khoảng cách mũi chỉ là 7 -10 mm Đắp nền vải:

 Sau khi trải vải hoàn thành sẽ sử dụng đắp lớp thứ nhất trên vải địa kỹ thuật Thời gian từ lúc trải vải cho đến khi đắp kín mặt vải không quá

7 ngày Không cho phép thiết bị thi công di chuyển trực tiếp trên mặt vải

 Nếu không có quy định trong thiết kế thì chiều dày lớp đắp đầu tiên không nên quá 300 mm

 Tiến hành đầm chặt bằng xe lu bành xích hay lu rung, tải trọng tăng dần đến khi đạt độ chặt theo yêu cầu

Lặp lại quá trình trên đến khi đạt độ cao thiết kế

Hình 1.16 : Thi công trải vải địa kỹ thuật

Mãi đến thập niên 1950 - 1960, mối quan tâm đối với phương pháp cải tạo đất này bỗng dưng quay trở lại bằng hàng loạt các nghiên cứu của các viện khoa học đường bộ Liên Xô, Pháp, Mỹ, Tây Đức Từ đó, kỹ thuật cải tạo đất bằng cách trộn vôi được chú ý, phát triển và áp dụng thành công vào các công trình đường cao tốc, đường băng sân bay và ngày càng được phổ biến, mở ra cơ hội cho những nghiên cứu sâu hơn

về phương pháp này

Các nghiên cứu của các tác giả như M M Filatov, V V Okhontin, E.G Borico v v cho thấy khi gia cố đất bằng vôi, các quá trình hình thành cấu trúc thứ sinh đã làm biến đổi cơ bản tính chất của đất, khiến cho đất có thể chịu lực và ổn định nước hơn so với đất không gia cố Quá trình hình thành cường độ của đất gia cố vôi diễn ra trong một thời gian dài, là tổng hợp các quá trình lý hóa Hóa học và vật lý, các quá trình này xảy ra đồng thời khi vôi hóa cứng Đây là quá trình thủy hóa và tái kết tinh của vôi, tạo thành hydro silica canxi

Khi gia cố đất, vôi tham gia tác dụng tương hỗ lý hóa và hóa học với các hạt mịn trong đất tạo nên chất kết dính "vôi đất", chất kết dính này trong quá trình biến cứng lại liên kết các khung cốt liệu của đất lại với nhau và khiến cho hỗn hợp đất-vôi trở nên toàn khối và vững chắc, mất tính dẻo Tác dụng này của vôi diễn ra trên tất cả các loại đất, không có ngoại lệ

Ngoài ra, các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng nếu đất cát và á cát gia cố với vôi và các thành phần phụ gia khác như tro bay hay các chất điện phân thì có thể cho cường

độ cao hơn nữa Kết quả này cho phép mở rộng diện gia cố vôi với nhiều loại đất khác nhau Sự tương tác giữa vôi với các hạt sét mịn phân tán hoặc tro bay sẽ làm cho vôi từ chỗ là chất kết dính biến cứng trong không khí trở thành chất kết dính biến cứng được trong nước và biến cứng mạnh trong điều kiện ẩm

Vôi để gia cố đất thường dùng là vôi cục nghiền (chưa tôi), vôi thủy hóa (đã tôi) hoặc vôi chưa tôi kỵ nước Người ta có thể sử dụng vôi như chất liên kết độc lập hay

có thể dùng kết hợp với các chất phụ gia hay chất kết dính khác

Cũng có trường hợp vôi được dùng như phụ gia cho chất kết dính khác như bitum, ximăng Khi gia cố đất bằng bitum lỏng có vôi làm phụ gia thì sẽ tăng cường khả năng kết dính và tăng nhanh quá trình polime hóa bitum trên bề mặt hạt đất

Ở Việt Nam, cải tạo đất bằng vôi cũng đã được sử dụng ở khu vực Đồng Bằng

(bão hòa nước) thì hiệu cường độ của đất gia cường chỉ còn khoảng 55% - 60% so với khi không ngập nước

Sự tác động của vôi đối với sức chống cắt, các đặc tính chịu nén và độ thấm của đất sét yếu là ở 3 cơ chế sau:

 Phản ứng trao đổi cation

 Phản ứng khử nước

 Phản ứng keo hóa (phụ thuộc vào thời gian và nhiệt độ)

Cường độ của đất sau khi được trộn sẽ tăng từ từ và chủ yếu là phụ thuộc vào phản ứng keo hóa

1.2.2 Cơ chế hình thành cường độ khi gia cố đất với vôi

Vôi sẽ tác dụng với nước trong đất, xảy ra hydrat hóa các thành phần trong vôi

có xu thế dẫn tới kết tinh tạo nên hệ gồm có vật chất tinh thể kết dính với nhau bằng

CaO + H2O -> Ca(OH)2 + 15.3 kCal Nhờ nhiệt lượng tỏa ra do phản ứng, nước trong đất bị bốc hơi làm giảm độ ẩm của đất Nhờ có phản ứng trên mà vôi bột được sử dụng để cải tạo các loại đất sét bão hòa nước và than bùn Hydroxit canxi được tạo ra sẽ tham gia vào các quá trình hóa lý

và hóa học trong hỗn hợp đất - vôi

Phân tử Ca(OH)2 có tính điện ly, chúng phân lý thành các ion Ca2+ và (OH)- Khi nồng độ Ca2+ trong dung dịch tăng lên, nó có vai trò quan trọng trong việc hình

trong đất tăng cao sẽ xâm nhập và khuếch tán chung quanh hạt sét và thay thế các phân

tử HOH lưỡng cực làm cho bề dày của các màng nước ép chặt xung quanh hạt sét giảm

đi Hạt sét sẽ trở nên cân bằng điện tích do điện tích âm của lõi keo được trung hòa bởi các ion dương kể trên, đây là hiện tượng keo tụ

Sự hình thành cường độ do cấu trúc keo tụ là quan trọng, nó làm cho hỗn hợp đất gia cố tăng tính chịu nước Ngoài ra, trong khi chuyển động, các hạt va đập vào tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình keo tụ lan rộng (các hạt đất liên kết thành khối lại với nhau) và do đó, hỗn hợp trở nên ổn định và bền vững hơn ban đầu

Một tính chất quan trọng khác của cấu trúc keo tụ là chúng có khả năng xúc biến tối đa, tức là có thể khôi phục hoàn toàn cường độ sau khi bị xáo trộn Quá trình đầm nén rất có ảnh hưởng đến sự tạo thành cường độ Mức độ tăng độ chặt càng cao thì các hạt càng ép sát với nhau, nhờ vậy, số chỗ tiếp xúc trong một đơn vị thể tích và cường độ của cấu trúc keo tụ cũng tăng cao theo

Sau khi trộn, tiến hành công tác đầm nén, do tác động của công đầm nén mà các hạt đất bị ép sát lại với nhau tạo điều kiện cho sự tiếp xúc tốt giữa các hạt đất Đối với cấu trúc keo tụ thì cường độ hình thành là do sự biến cứng xúc biến Nếu công đầm nén lớn, độ chặt cao làm cho diện tích tiếp xúc giữa các hạt càng lớn thì cường độ của cấu trúc càng cao

Cường độ của cấu trúc trong đất gia cố bằng vôi còn phụ thuộc vào sự hình thành các cấu trúc kết tinh Cấu trúc kết tinh có cường độ và tính chịu nước cao nhất so với các cấu trúc keo tụ, ngưng kết Cấu trúc kết tinh hình thành do trong dung dịch quá bão hòa các chất điện ly Ca2+ và Mg2+, chúng kết tinh thành dạng tinh thể của các chất mới được tạo thành trong quá trình gia cố đất - vôi Các tinh thể này kết tinh thành khối

và dính bám vào các hạt đất tạo ra dạng khung kết cấu bền vững

đã lu lèn chặt, thể tích pha lỏng bị các hạt chèn ép và chiếm chỗ, nước bị ép ra ngoài,

tinh Nếu mức độ lu lèn đất đạt cường độ cao thì các hạt càng bị ép sát vào nhau, không

cao nhưng đây là nguyên nhân hình thành cường độ hỗn hợp đất gia cố vôi trong giai đoạn đầu

Như đã biết: vôi là chất biến cứng trong không khí, nhưng nếu cho mẫu đất gia

cố vôi biến cứng trong nước thì mẫu vẫn cho cường độ đảm bảo và tính chịu nước tốt

Có thể giải thích điều này là khi xảy ra sự tương tác giữa 2 thành phần vôi và đất ở trong nước thì ở trên bề mặt các hạt nhỏ sẽ xảy ra phản ứng hóa học để tạo thành hydro silicat canxi, tức là ximăng hóa đất

Hydroxit canxi tham gia vào phản ứng thủy hóa với thành phần SiO2 có trong

tại ở dạng kết tinh và biến cứng:

Ca(OH)2 + Al2O3.2SiO2 + m.H2O = CaO.Al2O3.SiO2.(m+1).H2O

Quá trình trên diễn ra liên tục và lâu dài tạo ra cấu trúc kết tinh Đặc điểm của cấu trúc kết tinh là cường độ cao và ổn định với nước Trong hai phương trình trên thì phương trình (*) quan trọng hơn bởi vì trong nhóm khoáng sét chủ yếu có hàm lượng SiO2, còn hàm lượng Al2O3.2SiO2 rất nhỏ Nếu làm tăng độ hòa tan các thành phần SiO2, Al2O3.2SiO2 trong đất thì sẽ làm tăng đáng kể độ bền của đất gia cố

lại với nhau Phương trình phản ứng như sau:

Ca(OH)2 + CO2 -> CaCO3 + H2O Như vậy, các quá trình hóa lý học xảy ra giữa đất với vôi có tác dụng tương hỗ lẫn nhau hình thành nên độ bền của đất gia cố Đóng vai trò quan trọng nhất của các quá trình trên là hydro silicat canxi

Hình 1.10 : Cấu tạo vi mô của đất trộn vôi theo thời gian [2]

A) Đất ban đầu, chưa trộn vôi B) Đất ngay sau khi trộn vôi hàm lượng 4%

C) Đất trộn vôi 4% sau 5 ngày D) Đất trộn vôi 4% sau 10 ngày E) Đất trộn vôi 4% sau 50 ngày F) Đất trộn vôi 4% sau 100 ngày

1.2.3 Các nghiên cứu sử dụng vôi trong cải tạo đất

Theo các tác giả người Canada [2], vôi bột, khi sử dụng với hàm lượng trên 7%,

có tác dụng cải thiện sức chống cắt của đất rất đáng kể Tuy nhiên, hiệu quả cải tạo đất của vôi phụ thuộc nhiều vào thời gian

Hình 1.11 : Hiệu quả cải tạo đất của vôi theo thời gian [2]

Các tác giả Parampreet Kaur, Gurdeep Singh sử dụng vôi để cải tạo đất địa phương bang Pradesh ở Ấn Độ cho thấy cường độ nén đơn có nở hông của đất sau cải tạo tăng lên từ 2.00 - 2.44 lần [3]

Ngày

Bảng 1.3 : Kết quả thí nghiệm nén đơn của mẫu đất trộn vôi [3]

Về dài hạn, việc phát triển cường độ còn tiếp tục kéo dài 3 - 6 tháng tính từ lúc thi công trộn vôi Điều này giúp cho đất trộn vôi có tính linh hoạt hơn trong khi thi công các công trình hạ tầng [4]

Hình 1.12 : Sự suy giảm chỉ số dẻo của đất trộn vôi [4]

Hình 1.13 : Sự phát triển cường độ của đất trộn vôi theo thời gian [4]

Ngoài ra, vôi còn được dùng để điều chỉnh nồng độ các ion trong đất, nhất là

Ca2+, Mg2+ và H+, từ đó cho phép người dùng điều chỉnh nồng độ pH của đất [5]

Ở Việt Nam, đối với nền đất yếu ở khu vực Quận 9 Thành phố Hồ Chí Minh, kết quả nghiên cứu đất trộn vôi cho thấy khi hàm lượng vôi dưới 8%, hiệu quả cải tạo đất của vôi là không đáng kể, còn từ hàm lượng 8% trở lên thì hiệu quả cải tạo đất của vôi là đáng kể [6] Trên cơ sở này, tác giả chọn các hàm lượng vôi gần với hàm lượng

8% (6%, 8%, 10%) khi thực hiện nghiên cứu này

1.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ

Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến cường của đất khi đã được keo hóa Một vài yếu tố đóng vai trò quan trọng như sau:

- Các chỉ tiêu vật lý và hóa học của đất: thành phần khoáng vật của đất, đường

cong thành phần hạt, độ ẩm, chất hữu cơ, pH ảnh hưởng rất nhiều đến kết quả sau khi đất được cải tạo Thông thường, nếu lượng đất sét tăng lên thì lượng vôi cần dùng cũng cần phải tăng (do diện tích bề mặt của hạt đất tăng) Ảnh hưởng của khoáng chất trong

Ngày

đất đến cường độ của đất đã được nghiên cứu bởi Hilt và Davidsion [7] và Wissa và các cộng sự [8] Lấy ví dụ là đất sét montmorillonite phản ứng dễ dàng hơn hẳn so với illite do có cấu trúc gắn kết yếu [7]

- Chất lượng và tỷ lệ chất keo: nếu lượng vôi trộn tăng lên thì cường độ của đất

sau khi trộn cũng tăng lên tùy thuộc vào tính chất của đất Chỉ số phát triển cường độ được định nghĩa bằng tỷ số giữa cường độ của đất sau và trước khi xử lý thông qua thí nghiệm cắt trực tiếp [8] [9]

- Điều kiện bảo dưỡng và thời gian phản ứng: độ ẩm càng cao thì cường độ của

đất sau xử lý càng bị giảm mà không phụ thuộc vào lượng vôi gắn kết Ngược lại, nhiệt

độ càng cao thì quá trình gắn kết hóa học xảy ra càng nhanh [2] [8] [9]

- Phương pháp lấy mẫu và thử mẫu (tốc độ gia tải, loại thí nghiệm ): Tại

cường độ nén dưới 1 MPa, biến dạng nằm trong khoảng 1-3% Mặc dù vậy, khi vượt

qua giá trị này, biến dạng là khoảng 1% [8] [9]

1.2.5 Thi công đất trộn vôi

Trình tự thi công đất trộn vôi trải qua 4 giai đoạn chủ yếu sau: [10]

- Làm tơi bề mặt: công tác này được thực hiện bằng thiết bị cày, mục đích chủ

yếu là để loại bỏ những tảng đá lớn có thể làm giảm hiệu quả trộn vôi Ngoài ra, việc làm tơi đất cũng có tác dụng điều chỉnh độ ẩm của đất Trường hợp đất và vôi được trộn tại nhà máy thì không cần làm bước này

- Trải vôi: được thực hiện với những xe rải vôi (spreader) khi mặt bằng rộng rãi,

bằng phẳng hay bằng thủ công khi mặt bằng chật hẹp, địa hình phức tạp Đối với thi công trải đất trộn vôi từng lớp thì có thể trộn sẵn hỗn hợp vôi-đất ở nhà máy rồi vận chuyển ra công trường để trải

- Trộn vôi với đất: được thực hiện bằng máy trộn đất chuyên dụng Tùy theo địa

hình mà người thi công có thể chọn máy trộn dạng dao cắt, lưỡi xoắn, gàu trộn Mục đích của việc này là để trộn đều vôi vào đất

- Đầm chặt đất: thực hiện với xe lu bánh xích hay xe lu chân cừu Mục đích là để

lèn chặt các lớp đất đã được trộn vôi lại với nhau

Hình 1.14 : Thi công trộn vôi - Làm tơi đất [10]

Hình 1.15 : Thi công trộn vôi - Rải vôi [10]