Luận án tiến sĩ kỹ thuật xây dựng công trình giao thông nghiên cứu ứng xử thấm c

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LƯƠNG THỊ BÍCH NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ THẤM CỦA ĐẤT TRỘN VỮA XI MĂNG TRONG PHÒNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP. HỒ CHÍ MINH - NĂM 2023 VIET NAM NATIONAL UNIVERSITY HO CHI MINH CITY HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY LUONG THI BICH INVESTIGATION OF PERMEABILITY OF SOILCRETE IN THE LABORATORY A DISSERTATION SUBMITTED FOR THE DEGREE OF DOCTOR OF PHILOSOPHY HO CHI MINH CITY - 2023 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LƯƠNG THỊ BÍCH NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ THẤM CỦA ĐẤT TRỘN VỮA XI MĂNG TRONG PHÒNG Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Giao Thông Mã số chuyên ngành: 9580205 Phản biện độc lập: PGS.

Võ Ngọc Hà Phản biện độc lập: TS. Nguyễn Bá Phú Phản biện: PGS. Tô Văn Lận Phản biện: PGS. Võ Phán Phản biện: TS.

Nguyễn Thị Thu Trà NGƯỜI HƯỚNG DẪN: PGS. TRẦN NGUYỄN HOÀNG HÙNG 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 khác đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.

Tác giả luận án LƯƠNG THỊ BÍCH i TÓM TẮT LUẬN ÁN Công nghệ đất trộn xi măng đã được đề xuất và ứng dụng trong các công trình chống thấm như đê, đập, tường ngăn, vách hố đào, v. Hệ số thấm (ks) của đất trộn xi măng (soilcrete) là một thông số vật lý quan trọng để đánh giá tính hiệu quả của soilcrete trong các ứng dụng này. Tuy nhiên, các nghiên cứu trên thế giới về hệ số thấm của soilcrete chưa nhất quán. Ở Việt Nam, hệ số thấm của soilcrete khó xác định, chưa được nghiên cứu chuyên sâu và toàn diện.

Mục tiêu của đề tài này là nghiên cứu bao quát ứng xử thấm của đất khu vực ĐBSCL trộn xi măng trong phòng. Thiết bị thí nghiệm thấm thành mềm đã được chế tạo phù hợp với tiêu chuẩn của Mỹ ASTM D5084 để phục vụ thí nghiệm thấm cho các mẫu soilcrete. Đất sử dụng trong nghiên cứu là các loại đất đặc trưng vùng ĐBSCL gồm đất bùn sét, sét dẻo mềm, sét dẻo cứng, và đất cát san lấp được thu thập tại hai tỉnh đại diện là Đồng Tháp và Hậu Giang. Hơn 100 mẫu soilcrete được chế tạo từ các loại đất trộn lần lượt với ba loại xi măng gồm Portland thông thường (OPC40), Portland hỗn hợp (PCB40), và xi măng Portland chứa 50% xỉ lò cao (PCS) ở các hàm lượng khác nhau (200, 250, 300, 350, 400 kg/m3), riêng với mẫu đất cát san lấp trộn xi măng có trộn thêm bentonite với các hàm lượng lần lượt 15, 25, 50, 75, 100 kg/m3.

Các mẫu soilcrete được thực hiện các thí nghiệm thấm, cường độ, và vi cấu trúc. Thí nghiệm thấm được thực hiện theo phương pháp cột áp vào hạ - cột áp ra không đổi hoặc phương pháp cột áp vào hạ - cột áp ra dâng. Thí nghiệm xác định cường độ soilcrete bằng máy nén một trục nở hông tự do. Vi cấu trúc được khảo sát bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM), phân tích nhiễu xạ tia X (XRD), và phân tích phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS).

Các kết quả thí nghiệm cho thấy (1) ks của đất bùn sét trộn xi măng giảm 100 lần so với đất tự nhiên; (2) ks của đất cát san lấp trộn xi măng giảm hơn 1000 lần so với đất cát đầm chặt; (3) ks của soilcrete giảm theo thời gian bảo dưỡng; (4) ks của soilcrete giảm khi tăng hàm lượng xi măng; (5) đất sét trộn xi măng có hệ số thấm thấp hơn đất cát trộn xi măng 10 lần; (6) bentonite làm giảm hệ số thấm của đất cát san lấp trộn xi măng, nhưng khi hàm lượng bentonite vượt quá giá trị tối ưu, hệ số thấm soilcrete bentonite tăng nhẹ khi tăng hàm lượng bentonite; (7) ks đất cát trộn xi măng PCS thấp hơn so với trộn với xi măng OPC và PCB; (8) ks của soilcrete không phụ thuộc vào gradient thủy lực; (10) cường độ các mẫu soilcrete tăng thì hệ số thấm giảm; (11) ks của soilcrete là thấp, nhỏ hơn 10-9 m/s và được xem là vật liệu không thấm; (12) cấu trúc bề ii mặt của mẫu đất cát san lấp trộn xi măng đặc chắc hơn so với mẫu đất cát chưa xử lý và ngày càng đặc chắc dần theo thời gian và hàm lượng xi măng, phù hợp với kết quả thí nghiệm thấm. Kết quả nghiên cứu trong phòng về cường độ và hệ số thấm của soilcrete cho thấy hoàn toàn có thể ứng dụng công nghệ đất trộn xi măng để gia cố đường giao thông nông thôn (GTNT) kết hợp đê bao chống lũ ở khu vực ĐBSCL. Hàm lượng xi măng để tạo cọc soilcrete cho mục đích ngăn thấm đê bao được đề xuất: đối với các loại đất bùn sét, sét dẻo mềm, sét dẻo cứng trộn xi măng PCB40 thì Ac = 300 kg/m3; đối với đất cát san lấp trộn xi măng OPC40 hoặc xi măng PCS Ac = 250 - 300 kg/m3, hoặc xi măng PCB40 hàm lượng 300 kg/m3 trộn thêm bentonite hàm lượng 25 kg/m3. Khả năng chống thấm, ổn định của đê đất gia cố cọc xi măng đất dưới điều kiện mực nước lũ rút nhanh được mô phỏng và phân tích bằng phần mềm SEEP/W và SLOPE/W.

Kết quả phân tích cho thấy tường soilcrete có hiệu quả cao trong việc ngăn dòng thấm và gia tăng ổn định cho đê bao. Tường soilcrete một hàng cọc dày 0.4 m được áp dụng hiệu quả khi gia cố ở khu vực có khả năng sạt lở thấp. Tường soilcrete hai hàng cọc dày 0.8 m có thể ứng dụng các đoạn nguy cơ sạt lở cao đảm bảo chống thấm và ổn định lâu dài. iii ABSTRACT The in-situ soils mixed with cement (soilcrete) technology (SCM) has been applied for seepage cutoff purposes such as impermeable cores for embankments, dams, containment walls, or leakage prevention for contamination.

The hydraulic conductivity of soilcrete (ks) is an important property to evaluate the effect of the soilcrete in these applications. However, some researches of authors in the world on the soilcrete permeability remains inconsistent. In Vietnam, the soilcrete hydraulic conductivity remains difficult to determine. It has not been studied thoroughly and full aspects yet.

This study aims a better understanding of the soilcrete permeability behaviors made from some typical soils in the Mekong delta mixing with cement in the laboratory. The flexible wall permeameters were manufactured according to the ASTM D5084 standard to conduct the permeability tests of the soilcrete. Several typical soil types in the Mekong delta such as soft clay, medium clay, medium stiff clay, and dredging sand were taken in Dong Thap and Hau Giang provinces for this study. About 100 soilcrete specimens were created from the soil types mixing with three types of cement including the Ordinary portland cement (OPC40), Portland cement blended (PCB40), and Portland cement slag (PCS) at various contents of 200, 250, 300, 350, 400 kg/m3, respectively.

For dredging sand mixed with the PCB40 at a content of 300 kg/m3 was additional mixed with bentonite at some contents of 15, 25, 50, 75, and 100 kg/m3, respectively. The soilcrete specimens were tested the unconfined compressive strength (UCS), the permeability, and the microstructure. The UCS tests were carried out according to the ASTM D2166 standard. The permeability tests were performed by the falling head - constant tailwater method or falling head - rising tailwater method.

The soilcrete microstructure was investigated by a combination of scanning electron microscope (SEM), X-ray powder diffractometer (XRD), and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) methods. The results show that: (1) the ks of the soilcrete made from cement - mixed soft clay was lower 100 times than that of the unmixed soft clay; (2) the ks of the sand soilcrete decreased 1000 times in comparison with the compacted sand sample; (3) the ks of soilcrete reduced with increasing in cement contents and in curing time; (6) bentonite reduced the ks of sand soilcrete. However, when bentonite content exceeded an optimum value, the ks of bentonite soilcrete increased slightly with bentonite content; iv (7) the ks of soilcrete made from the PCS cement was lower than those made from the OPC and PCB cement; (8) the ks of soilcrete was independent on hydraulic gradient; (9) the more soilcrete strength increases, the more hydraulic conductivity decreases; (10) the ks of soilcrete was lower than 10-9 m/s; (11) the surface structure of the cement treated dredging sand was denser than that of the untreated sand; (12) the soilcrete structure was gradually dense with the increase in curing time and cement contents. The microstructural examination of the soilcrete by XRD, SEM-EDS interpreted for the strength enhancement and the hydraulic conductivity reduction of the soilcrete.

The results of the SEM examination agreed well with the results from the strength and permeability tests. The results of strength and permeability of the soilcrete demonstrated that the soil cement mixing technology can be used to reinforce earth levees against floods in the Mekong delta. Cement contents to create seepage cutoff soilcrete wall for the earth levees were proposed following: for clay soilcrete, Ac = 300 kg/m3; for sand soilcrete made from the OPC40 or the PCS, Ac = 250 -300 kg/m3; for sand soilcrete made from the PCB40, Ac = 300 kg/m3, Ab = 25 kg/m3. The effectiveness of soilcrete to reinforce the earth levees under rapid drawdown of floodwater was analysed by the SEEP/W and SLOPE/W softwares.

The results indicate that the soilcrete walls were highly effective in cutting seepage off and increasing stability significantly.4-m single row soilcrete wall can reinforce successfully for earth levees with less slide situation.8-m double row soilcrete wall can reinforce earth levees sustainably. v LỜI CÁM ƠN Lời đầu tiên, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS. Trần Nguyễn Hoàng Hùng đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận án này. Tác giả gởi lời cảm ơn đến GSTS.

Trần Thị Thanh, PGS. TS Võ Phán, PGS. Đậu Văn Ngọ, PGS.TS Nguyễn Thành Đạt, TS Phạm Văn Hùng đã đóng góp những ý kiến quí báu trong quá trình phát triển nghiên cứu. Tác giả xin cảm ơn Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM đã hỗ trợ cho nghiên cứu này.

Tác giả trân trọng cảm ơn quý lãnh đạo, các thầy cô giáo, bộ môn Cầu đường, khoa Kỹ thuật xây dựng, và phòng đào tạo sau đại học của trường Đại học Bách Khoa TP. HCM đã giúp đỡ tác giả trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trường. Cảm ơn tất cả các thành viên trong nhóm nghiên cứu đã nhiệt tình giúp đỡ để tác giả hoàn thành luận án này. Tác giả xin cảm ơn lãnh đạo, bạn bè đồng nghiệp trường Đại học Xây dựng Miền Trung nơi tác giả đang công tác đã tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành khóa học.

Cuối cùng là lời cảm ơn thân thương nhất tác giả xin gởi đến gia đình, nguồn động viên to lớn giúp tác giả hoàn thành luận án. vi MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH. xi DANH MỤC BẢNG BIỂU.