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

TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 367 NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CẢI TẠO ĐẤT ĐỊA PHƯƠNG BẰNG VÔI KẾT HỢP VẢI ĐỊA KỸ THUẬT LÀM ĐẤT ĐẮP NỀN ĐƯỜNG KHU VỰC TỈNH HẬU GIANG STUDY ON THE APPROACH TO USING LOCAL EARTH REINFORCED WITH LIME AND GEOTEXTILE FOR ROAD EMBANKMENT IN HAU GIANG PROVINCE PGS. TS. Võ Phán, KS. Nguyễn Hữu Trung Tín Trường Đại học Bách Khoa-ĐHQG TP.HCM TÓM TẮT Bài báo trình bày phương pháp sử dụng đất sét yếu địa phương đã được cải tạo với vôi để đắp nền đường có trải vải địa kỹ thuật. Bằng thí nghiệm cắt trực tiếp và nén một trục nở hông, nghiên cứu xác định hàm lượng vôi hợp lý nhất về mặt hiệu quả cải tạo đất, từ đó áp dụng vào nền đất đắp để làm giảm hàm lượng vải địa kỹ thuật cần sử dụng. Các hàm lượng vôi được xét đến: 0%, 6%, 8%, 10. Ứng dụng kết quả này vào công trình đường tại Thành phố Vị Thanh - tỉnh Hậu Giang. ABSTRACT This paper presents a solution of using local soft clay mixed with lime for road embankment reinforced with geotextile. By using Direct Shear Test and Unconfined Compression Test, with different contents of lime: 0%, 6%, 8%, 10%, the research figures out the optimum content of lime in respect of earth reinforcement efficiency, apply to road embankment to decrease the content of geotextile required. In addition, the author considers to apply this result to a road in Vi Thanh city – Hau Giang province. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ 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, hệ thống giao thông trong khu vực này đang trên đà phát triển nhanh. Trước nhu cầu tăng cao đó, việc tận dụng đất địa phương làm đất đắp sẽ giúp tiết kiệm đáng kể chi phí và thời gian thi công. 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, việc sử dụng lớp đất mặt để làm đất đắp nền đường cũng vì thế mà trở nên không khả thi. Vì vậy, nghiên cứu phương pháp gia cường đất ở các khu vực này trở nên một ngày càng thiết yếu. Trong các phương pháp cải tạo đất hiện nay, phương pháp 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, tuy nhiên lại 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 vào đất đã cải tạo bằng vôi trong việc ổn định đất đắp nền đường. TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 368 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Thí nghiệm trong phòng: Tiến hành thí nghiệm cắt trực tiếp và nén một trục nở hông của đất trộn với các hàm lượng vôi 6%, 8%, 10%. - Tính toán và mô phỏng: Sử dụng phần mềm Geo Slope/W để tính toán chiều cao mỗi lớp đất đắp có thể đối với nền đường. 3. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 3.1 . Nguyên vật liệu chính dùng trong thí nghiệm Đất dùng cho thí nghiệm thuộc khu vực Thành phố Vị Thanh, tỉnh Hậu Giang với các thông số cơ lý như sau: Bảng 1. Các thông số cơ lý của đất tự nhiên Trọng lượng riêng γw Độ ẩm W Tỷ trọng hạt Gs Giới hạn chảy WL Giới hạn dẻo WP Lực dính c Góc ma sát trong φ Môđun nén E1-2 kN/m3 % % % kPa Độ kPa 16,31 72,32 2,64 76,40 30,9 4,2 3°20' 2.100 Bảng 2. Hàm lượng thành phần hóa học của vôi dùng trong thí nghiệm (%) CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO 69,67 12,25 7,78 3,82 0,88 3.2 . Kết quả thí nghiệm cắt trực tiếp 3.2.1 Góc ma sát trong ϕ và lực dính c của hỗn hợp đất trộn vôi Bảng 3. Bảng tổng hợp lực dính c của hỗn hợp đất – vôi (kN/m2) Vôi (%) Bảo dưỡng (ngày) 0 6 8 10 Lực dính c (kN/m2) 14 5,5 21,1 29,0 30,2 21 6,5 26,0 35,2 41,0 28 10,6 32,5 42,1 47,8 Bảng 4. Bảng tổng hợp góc ma sát trong φ của hỗn hợp đất – vôi (độ) Vôi (%) Bảo dưỡng (ngày) 0 6 8 10 Góc ma sát trong φ (o) 14 5o26'  25o43' 26o06' 26o32'  21 8o58'  26o33' 28o33' 28o44'  28 12o33'  27o33' 29o28' 29o58'  TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 369 0 5 10 15 20 25 30 35 10 20 30 G óc m a sá t t ro ng (o ) Thời gian bảo dưỡng (ngày) Hình 1. Biểu đồ quan hệ giữa lực dính c và góc ma sát trong φ với thời gian bảo dưỡng ở các hàm lượng vôi khác nhau ¾ Khi tăng hàm lượng vôi từ 0% đến 8% thì lực dính tăng nhanh, nhưng khi tăng vôi từ 8% đến 10% thì tốc độ tăng của lực dính giảm dần. Góc ma sát trong chỉ tăng mạnh khi tăng hàm lượng vôi từ 0% đến 6%, còn khi tăng hàm lượng vôi từ 6% đến 10% thì tốc độ tăng góc ma sát trong chậm hơn. ¾ Theo thời gian, lực dính c phát triển khá nhanh, còn góc ma sát trong φ thì phát triển chậm hơn. Đáng chú ý là ở đất với hàm lượng vôi 8% và 10%, sự chênh lệch góc ma sát trong là không đáng kể (<2%). 3.2.2. Sức chống cắt của hỗn hợp đất trộn vôi ¾ Việc trộn vôi vào đất có tác dụng cải thiện sức chống cắt của đất rất đáng kể. Đất cải tạo có sức chống cắt cao hơn so với đất tự nhiên từ 460% - 530% ở thời gian bảo dưỡng 14 ngày, từ 330% - 420% ở thời gian bảo dưỡng 21 ngày, từ 250% - 310% ở thời gian bảo dưỡng 28 ngày. ¾ Hàm lượng vôi càng lớn thì sức chống cắt càng lớn. Tuy nhiên, trong khi tăng hàm lượng vôi từ 6% đến 8% sẽ làm sức chống cắt tăng 15,56% thì khi tăng hàm lượng vôi từ 8% đến 10% chỉ làm tăng sức chống cắt 6,46%. Nói cách khác, khi hàm lượng vôi sử dụng vượt quá 8%, hiệu quả của việc trộn vôi giảm dần. Vì vậy, hàm lượng vôi 8% có thể được xem là hàm lượng hiệu quả nhất. Bảng 5. Bảng tổng hợp sức chống cắt tại cấp áp lực 200 kPa Vôi (%) Bảo dưỡng (ngày) 0 6 8 10 Sức chống cắt Su (kN/m2) 14 16,9 78,9 87,8 90,1 21 25,5 86,0 100,5 106,8 28 37,2 95,1 109,9 117,0 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 10 20 30 L ực d ín h (k N /m 2) Thời gian bảo dưỡng (ngày) 6 % 8 % TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 370 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM Hình 2. Biểu đồ quan hệ giữa sức chống cắt không thoát nước Su với thời gian bảo dưỡng ở các hàm lượng vôi khác nhau 3.3 . Kết quả thí nghiệm nén đơn Bảng 6. Kết quả thí nghiệm nén đơn của mẫu đất trộn vôi Số hiệu mẫu Hàm lượng vôi (%) Thời gian bảo dưỡng (ngày) Độ ẩm khi nén (%) Biến dạng phá hoại (%) Cường độ chịu nén qu (kN/m2) E50 (kPa) N-0007 0 7 68,67 2,92 24 4.900 N-0014 0 14 67,29 2,87 63 6.320 N-0021 0 21 65,72 2,84 92 7.880 N-0028 0 28 64,87 2,79 120 9.210 N-0607 6 7 42,62 2,65 253 13.230 N-0614 6 14 41,02 2,60 312 16.870 N-0621 6 21 39,22 2,54 342 18.920 N-0628 6 28 38,29 2,51 366 20.320 N-0807 8 7 41,23 2,53 390 24.200 N-0814 8 14 39,62 2,48 433 26.220 N-0821 8 21 37,56 2,45 458 27.890 N-0828 8 28 36,21 2,42 473 28.900 N-1007 10 7 39,22 2,51 472 25.310 N-1014 10 14 36,89 2,46 523 27.330 N-1021 10 21 35,24 2,42 563 29.020 N-1028 10 28 34,33 2,37 583 30.210 0.000 20.000 40.000 60.000 80.000 100.000 120.000 140.000 10 20 30S ức c hố ng c ắt (k N /m 2) Thời gian bảo dưỡng (ngày) 6% 8% TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 371 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 5 15 25 35 E 50 (k Pa ) Thời gian bảo dưỡng (ngày) Hình 3. Quan hệ giữa cường độ chịu nén qu và E50 với thời gian bảo dưỡng ở các hàm lượng vôi khác nhau ¾ Khi hàm lượng vôi tăng lên thì cường độ nén đơn qu cũng tăng theo. Khi tăng hàm lượng vôi từ 6% lên 8% thì qu tăng mạnh (tăng 137 kN/m2, tức 54.1%). Khi tăng hàm lượng vôi từ 8% lên 10% thì qu tăng chậm hơn (tăng 82 kN/m2, tức 21.0%). Điều này cho thấy khi hàm lượng vôi vượt quá 8% thì hiệu quả cải tạo đất của vôi giảm dần. ¾ Module biến dạng E50 của đất trộn vôi hàm lượng 8% gần bằng với hàm lượng 10%. Điều này, một lần nữa, khẳng định thêm cho nhận định 8% là hàm lượng vôi hợp lý nhất cho việc cải tạo đất. 4. ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CHO NỀN ĐẤT ĐẮP KHI XỬ LÝ BẰNG GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG VÔI KẾT HỢP VẢI ĐỊA KỸ THUẬT Từ các kết quả thí nghiệm tác giảtiến hành mô phỏng bài toán đắp nền đường bằng đất có gia cường trên phần Geo Slope/W để phân tích ổn định cho công trình đường nối Quốc lộ 61B với Trung tâm Hành chính Thành phố Vị Thanh, tỉnh Hậu Giang. Nền đất đắp đường cao 4 m, đắp nhiều lớp có gia cường bằng vải địa kỹ thuật. Bảng 7. Bảng tổng hợp chỉ tiêu cơ lý các lớp đất Ký hiệu Đơn vị Đất tự nhiên Đất trộn vôi 8% (giá trị thí nghiệm) γw kN/m3 16,3 17,5 φ o 03o20' 29o46' c kN/m2 4,2 42,1 qu kN/m2 24 473 0 100 200 300 400 500 600 700 5 15 25 35 C ườ ng đ ộ ch ịu n én (k N /m 2) Thời gian bảo dưỡng (ngày) 0% 6% 8% 10% TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 372 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM Hình 4. Kết quả tính toán ổn định bằng phần mềm Slope/W Bảng 8. Bảng tổng hợp hệ số an toàn với các chiều cao đắp khác nhau Bề dày một lớp (m) 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 FS (đất tự nhiên) 1,124 1,180 1,254 1,357 1,462 FS (đất trộn vôi 8%) 1,365 1,427 1,498 1,593 1,702 ¾ Để FS > [FS] = 1.4 (Bishop), nếu sử dụng đất tự nhiên có vải địa kỹ thuật thì chiều dày mỗi lớp đất đắp không được quá 0,4 m. Tức để đắp nền đường cao 4 m, ta cần 10 lớp đất đắp, sử dụng 8 lớp vải địa kỹ thuật. ¾ Trong khi đó, nếu sử dụng đất đã được cải tạo với hàm lượng vôi bột là 8% thì chiều cao mỗi lớp đất đắp có thể là 0,7 m. Tức để đắp nền đường cao 4 m, ta cần 6 lớp đất đắp, chỉ sử dụng 4 lớp vải địa kỹ thuật. 5. KẾT LUẬN 1. Qua quá trình thí nghiệm và mô phỏng đối với loại đất yếu bề mặt ở khu vực thành phố Vị Thanh, tỉnh Hậu Giang thì hàm lượng vôi thích hợp để làm tăng cường độ của đất là 8%. 2. Đất được cải tạo với hàm lượng vôi 8% gia tăng sức kháng cắt đáng kể: lực dính c tăng 401% (từ 10,5 kN/m2 lên 42,1 kN/m2), góc nội ma sát φ tăng 234% (từ 12,54o lên 29,47o). 3. Đất cải tạo vôi 8% cũng gia tăng cường độ chịu nén đơn: qu tăng 394% (từ 120 kN/m2 lên 473 kN/m2). 4. Khi đắp nền đường cao 4 m có kết hợp vải địa kỹ thuật, để đạt được hệ số an toàn FS > [FS] = 1,4 (theo Bishop), mỗi lớp đất dắp chỉ dày tối đa 0,4 m đối với đất tự nhiên, hoặc mỗi lớp đất đắp dày 0,7 m đối với đất đã được cải tạo bằng vôi 8%. TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 373 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Võ Phán, Phan Lưu Minh Phượng. Cơ học đất. Nhà xuất bản Xây dựng, 2011. 2. Châu Ngọc Ẩn. Cơ học đất. Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh. 3. 22 TCN – 211 - 06, “ Áo đường mềm – Các yêu cầu và chỉ dẫn thiết kế.” 4. Locat J., Bérubé M., Choquet M. "Laboratory investigations on the lime stabilization of sensitive clays: shear strength development". Groupe de recherche en géologie de I'ingénieur, Département de géologie, Université Laval, Sainte-Foy (Québec), 1989. 5. Kaur, P., & Singh, G. "Soil improvement with lime". IOSR Journal of Mechanical and Civil Engineering (IOSRJMCE), 2012. 6. Negi, A. S., Faizan, M., Siddharth, D. P., & Singh, R. (2013). "Soil stabilization using lime". International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology , vol.2, no.2, 2013. 7. Bergado, D. T., Anderson, L. R., Miura, N., and Balasubramaniam, A. S.. Soft ground improvement, ASCE Press, 1996. Người phản biện: GS. TSKH. Nguyễn Văn Thơ