Giáo trình Đĩa kĩ thuật - Phần 3: Địa chất nền móng-Vật liệu xây dưng-Công nghệ mới, vật liệu mới trong xây dựng thủy lợi

EARCHING OF LANDSLIDE PREVENTION OF RIVERSIDE IN LONG AN PROVINCE BY SOIL-CEMENT WALL SOLUTION TS. Đỗ Thanh Hải, KS. Đoàn Nhật Phi Trường Đại học Bách Khoa –TP.HCM TÓM TẮT Bài báo này tiến hành thí nghiệm đất ở Long An trộn xi măng với các hàm lượng xi măng/đất tương ứng với 150 kg/m3, 200 kg/m3 và 250 kg/m3 được bảo dưỡng trong điều kiện ngập nước, gần đúng như trong nền với thời gian bảo dưỡng lần lượt 7, 14, 28 ngày; từ đó đề xuất tỷ lệ hợp lý để đưa vào sử dụng gia cố mái dốc ven sông. Từ kết quả thí nghiệm, lựa chọn các thông số dựa trên kết quả của mẫu đất với tỷ lệ (X/Đ) là 200 kg/m3 ở 28 ngày tuổi tính toán, so sánh chuyển vị ngang của nền đất yếu được gia cố bằng tường cọc xi măng đất với chuyển vị ngang của nền đất yếu được gia cố bằng cọc bê tông cốt thép dự ứng lực. Kết quả là chuyển vị ngang của bờ kè giảm 0,126 cm và 0,039 cm khi khai thác ngắn hạn và dài hạn. ABSTRACT This article conducted the cement-soil treated experiments with different cement contents/soil : 150 kg/m3, 200 kg/m3, 250 kg/m3 which are cured in the saturated condition with curing time 7, 14, 28 days, respectively. From this, It is suggested the suitable ratio (X/Đ) to improve the slope on riverside. Based on the result of the experiment, selecting parameters of specimens of the ratio 200 kg/m3 (X/Đ) at 28 days curing time to calculate and compare the horizontal displacement of cement-soil pile wall to the horizontal displacement of pre-stressed pile. The result showed that the horizontal displacement decreases 0.126 cm and 0.039 cm for short-term and long-term using, respectively. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Tình trạng sạt lở bờ sông, kênh rạch trên địa bàn tỉnh Long An đang diễn ra mạnh mẽ gây ra những tổn thất rất lớn cho những công trình ven sông. Để giải quyết vấn đề này, người ta thường phải sử dụng các giải pháp móng cọc ép bê tông cốt thép, cọc khoan nhồi kết hợp với tường cừ bản, kè sông, thảm đá Tuy nhiên, chi phí cho các phương án này khá lớn và tiến độ thi công chậm. Phương án sử dụng tường cọc xi măng-đất gia cố mái dốc ven sông hiện đang được áp dụng rộng rãi và hiệu quả vì có nhiều ưu điểm về kinh tế và tiến độ thi công. Tuy nhiên, tùy theo địa chất theo từng khu vực mà hàm lượng xi măng, sự gia tăng sức chống cắt của xi măng theo thời gian rất khác nhau. Đặc biệt đối với khu vực Đồng bằng sông Cửu Long, phần lớn là đất yếu, địa chất phân bố rất phức tạp, cần nhiều kết TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016  288 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM  quả nghiên cứu cho từng khu vực nhỏ để tiết kiệm được chi phí cũng như hiệu quả khi áp dụng phương pháp gia cố này. Ngoài ra, vấn đề nghiên cứu tính toán biến dạng và ổn định cho tường cọc xi măng gia cố mái dốc ven sông chưa được đào sâu nghiên cứu và còn lẻ tẻ. Vì vậy bài báo “Nghiên cứu giải pháp tường cọc xi măng đất chống sạt lở bờ sông ở tỉnh Long An” góp phần nhỏ vào kết quả nghiên cứu trên cho tỉnh Long An nói riêng và Đồng bằng sông Cửu Long nói chung. 2. CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ LÝ CỦA ĐẤT VÀ XI MĂNG LÀM THÍ NGHIỆM 2.1. Đặc trưng cơ lý của đất tự nhiên Mẫu đất tự nhiên được lấy đại diện cho đất yếu khu vực Long An. Đất được khảo sát là loại đất yếu ở trên bề mặt ở độ sâu nhỏ 2 – 4 m (tính từ mặt đất tự nhiên). Bảng 1. Bảng tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý của đất tự nhiên 2.2. Các chỉ tiêu cơ lý của loại xi măng tạo mẫu xi măng – đất Bảng 2. Kết quả tính chất cơ lý của xi măng TT Tính chất cơ lý Tiêu chuẩn thử nghiệm Đơn vị Kết quả thử nghiệm Quy định 1 Khối lượng riêng TCVN 4030 - 2003 g/cm3 3,09 2 Độ mịn TCVN 4030 - 2003 % 1,7 ≤ 10% 3 Độ dẻo tiêu chuẩn TCVN 6017 - 95 % 31 4 Thời gian ninh kết TCVN 6017 - 95 Phút Bắt đầu 120 > 45 phút Kết thúc 235 < 420 phút 5 Cường độ nén TCVN 6016 - 95 N/mm203 ngày 29,8 ≥ 18 N/mm2 28 ngày 53,2 ≥ 40 N/mm2 TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016  VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 289  Từ các kết quả nghiên cứu đã được công bố về ảnh hưởng của loại xi măng đến sự phát triển cường độ của mẫu đất trộn xi măng [1], cho thấy xi măng Nghi Sơn phát triển cường độ nhanh hơn các loại xi măng hiện có mặt trên thị trường như xi măng Holcim, Hà Tiên ở gian đoạn ban đầu (7 ngày, 14 ngày), vì vậy sử dụng xi măng Nghi Sơn để thí nghiệm trên đất ở khu vực này.  3. CÔNG TÁC CHẾ BỊ MẪU THỬ XI MĂNG – ĐẤT [2] Các mẫu đất thí nghiệm được trộn với tỷ lệ X/Đ 150 kg/m3, 200 kg/m3, 250 kg/m3. Sau đó, thiết bị trộn được dùng để phối trộn, tạo mẫu. Quy trình tạo mẫu được thực hiện một cách liên tục theo các bước sau: ¾ Bước 1: Cân các nguyên liệu trộn theo đúng tỷ lệ mong muốn. ¾ Bước 2: Trộn thô các nguyên liệu lại với nhau Sau khi trộn thô hỗn hợp và cho vào cối trộn, tiến hành lắp cối trộn vào máy trộn và vận hành máy trộn để tạo hỗn hợp. ¾ Bước 3: Tiến hành công tác đúc mẫu Đối với thí nghiệm cắt trực tiếp: chuẩn bị khuôn mẫu có đường kính 6,3 cm, chiều cao 2 cm. Dán nhãn cho các mẫu vừa tạo. ¾ Bước 4: Tiến hành bảo dưỡng mẫu Nhằm giảm hiện tượng mẫu bị nứt do co ngót và đảm bảo điều kiện bảo dưỡng gần đúng với thực tế, các mẫu thí nghiệm được dưỡng hộ trong thùng xốp có chứa đất tại hiện trường được đánh tơi ra và cho ngập nước, đậy kín nắp. Hình 1. Quá trính tạo mẫu cắt trực tiếp Hình 2. Bảo dưỡng mẫu Hình 3. Mẫu cắt trực tiếp TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016  290 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM  4. THÍ NGHIỆM CẮT TRỰC TIẾP (TCVN 4199-2012) Thí nghiệm được thực hiện tại phòng thí nghiệm Cơ Học Đất – bộ môn Địa Cơ Nền Móng – ĐH Bách Khoa TPHCM. 4.1. Thiết bị thí nghiệm − Máy cắt trực tiếp. − Dao vòng để tạo mẫu thí nghiệm: đường kính 6,3 cm (A = 31.17 cm2), chiều cao 2 cm. − Đồng hồ đo chuyển vị ngang, đồng hồ đo ứng lực ngang: 1 vạch tương đương 0,001 mm. − Dao, bình nước, các quả cân để tạo áp lực. Hình 4. Các bộ phận trong hộp cắt Hình 5. Máy cắt trực tiếp 4.2. Thực hiện thí nghiệm cắt trực tiếp ¾ Bước 1: Cho mẫu vào hộp cắt, đặt hộp cắt có chứa mẫu lên máy và điều chỉnh tiếp xúc; ¾ Bước 2: Đặt tải trọng thẳng đứng phù hợp với cánh tay đòn 1:12 của máy cắt ứng lực. Cho khởi động và chạy máy với tốc độ 1 mm/min. Ghi số đọc đồng hồ sau mỗi 25 giây cho đến khi số đọc giảm hoặc không tăng thì ngừng máy. Số đọc lớn nhất được ghi nhận để tính toán. Hệ số máy 1.708 kPa/div; ¾ Bước 3: Lặp lại thí nghiệm với các cấp áp lực khác (25, 50, 100 kPa); ¾ Bước 4: Lặp lại thí nghiệm 3 lần. TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016  VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 291  Hình 6. Báo cáo kết quả thí nghiệm cắt trực tiếp TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016  292 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM  5. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 5.1. Lực dính của mẫu B ở độ sâu 4m tại thời điểm 7, 14, 28 ngày Hình 7. Biểu đồ quan hệ giữa lực dính và hàm lượng X/Đ ở độ sâu 4 m của vị trí B ở 7, 14, 28 ngày tuổi Lực dính của mẫu hỗn hợp X/Đ ở vị trí B, độ sâu 4 m tăng theo ngày và theo hàm lượng xi măng. Tuy nhiên tốc độ phát triển cường độ của các mẫu không đồng nhất. Cụ thể với hỗn hợp X/Đ 150 kg/m3, mẫu 7 ngày - 14 ngày tăng 49,72% và mẫu 7 ngày - 28 ngày tăng 107,92%; với hỗn hợp X/Đ 200 kg/m3, mẫu 7 ngày - 14 ngày tăng 75,34% và mẫu 7 ngày - 28 ngày tăng 159.236%; với hỗn hợp X/Đ 250 kg/m3, mẫu 7 ngày - 14 ngày tăng 54,23% và mẫu 7 ngày - 28 ngày tăng 114,39%. 5.2. Góc ma sát trong của mẫu B ở độ sâu 4m tại thời điểm 7, 14, 28 ngày Hình 8. Biểu đồ quan hệ giữa góc ma sát và hàm lượng X/Đ ở độ sâu 4 m của vị trí B ở 7, 14, 28 ngày tuổi Góc ma sát của mẫu hỗn hợp X/Đ ở vị trí B, độ sâu 4 m tăng theo ngày và theo hàm lượng xi măng. Tuy nhiên tốc độ phát triển cường độ của các mẫu không đồng TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016  VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 293  nhất. Cụ thể với hỗn hợp X/Đ 150 kg/m3, mẫu 7 ngày - 14 ngày tăng 15,92% và mẫu 7 ngày - 28 ngày tăng 35,85%; với hỗn hợp X/Đ 200 kg/m3, mẫu 7 ngày - 14 ngày tăng 7,28% và mẫu 7 ngày - 28 ngày tăng 21,96%; với hỗn hợp X/Đ 250 kg/m3 mẫu 7 ngày - 14 ngày tăng 7,32% và mẫu 7 ngày - 28 ngày tăng 23,45%. Từ kết quả thí nghiệm của mẫu đất trộn xi măng nêu trên, hàm lượng X/Đ là 200 kg/m3, bảo dưỡng 28 ngày, độ sâu 4 m để tính toán phương án tường cọc xi măng đất gia cố bờ kè huyện Cần Đước, Long An. 6. ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN Tên dự án: Kè bảo vệ bờ đoạn Rạch Cầu Giáo – Sông Vàm Cỏ Đông. Địa điểm: xã Long Sơn, huyện Cần Đước, tỉnh Long An. Hình 9. Bản đồ vị trí công trình 6.1. Tính toán biến dạng cho công trình theo phương án cọc DUL [9],[10],[11] Bảng 3. Các thông số của đất dùng trong tính toán biến dạng ngang bằng FEM, phương án cọc dự ứng lực. Lớp đất Đơn vị Đất đắp Lớp 1 Lớp 2 Lớp 3 Lớp 4 Lớp 5 Rọ đá Mô hình [-] MC SSM MC MC MC MC MC Loại [-] drained undrained undrained undrained drained undrained drained γ kN/m3 19,0 15,0 19,0 19,0 20,0 20,0 22 k m/ngày 0,1 3,5x10-5 1,5x10-5 6x10-6 6x10-5 8x10-6 2 Cc [-] 0,894 Cr [-] 0,179 eo [-] 2,067 cref kN/m2 5 6 6 6 1 15 15 φ’ [o] 30 23 25 25 30 25 35 Eref kN/m2 75E2 - 20E3 15E3 30E3 25E3 10E3 ν’ [-] 0,25 - 0,25 0,25 0,25 0,25  0,25  TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016  294 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM  Bảng 4. Các thông số tính tóan biến dạng ngang theo FEM dùng cho một hàng cọc DUL, lưới neo, phương án cọc dự ứng lực. STT Vật liệu EA EI w [kN/m] [kNm²/m] [kN/m/m] 1 Cọc BTDUL D400 (K/c 2m) 6,9x106 2,00x104 4,63 2 Mũ cọc 3,5x106 4100 2,98 3 Lưới neo 400 Hình 10. Chuyển vị ngang của nền khai thác trong 2 năm với mực nước trung bình +0,080 = 4,386 cm Hình 11. Chuyển vị ngang của nền khai thác trong 50 năm với mực nước trung bình +0,080 = 5,523 cm Hình 13. Chuyển vị ngang của nền khi mực nước hạ thấp nhất -2,640 trong 6 tháng = 4,479 cm Hình 12. Chuyển vị ngang của nền khi mực nước dâng cao nhất +1,640 trong 6 tháng = 3,328 cm TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016  VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 295  6.2. Tính toán biến dạng cho công trình theo phương án tường cọc xi măng đất [9],[10],[11]. Bảng 5. Các thông số của đất dùng trong tính tóan biến dạng ngang bằng FEM Lớp đất Đơn vị Đất đắp Lớp 1 Lớp 2 Lớp 3 Lớp 4 Lớp 5 Rọ đá XMĐ Mô hình [-] MC MC MC MC MC MC MC MC Loại [-] drained un- drained un- drained un- drained un- drained un- drained drained un- drained γ kN/m3 19,0 14,78 19,67 19,29 19,7 19,87 22 19 k m/ngày 0,1 3,5x10-5 1,5x10-5 6x10-6 6x10-5 8x10-6 2 1E-3 cu kN/m2 5 6,9 40,6 33,5 3,3 44,6 15 155,71 φu [o] 30 3 15,25 14,42 32 15,42 35 43,19 Eref kN/m2 75E2 - 20E3 15E3 30E3 25E3 10E3 34,11E3 ν’ [-] 0,25 -  0,25 0,25 0,25 0,25  0,25  0,25 Hình 14. Chuyển vị ngang của nền khai thác trong 2 năm với mực nước trung bình +0,080 = 4,261 cm Hình 10. Chuyển vị ngang của nền khi mực nước dâng cao nhất +1,640 trong 6 tháng = 3,022 cm Hình 11. Chuyển vị ngang của nền khi mực nước hạ thấp nhất -2,640 trong 6 tháng = 4,528 cm Hình 15. Chuyển vị ngang của nền khai thác trong 50 năm với mực nước trung bình +0,080 = 5,484 cm TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016  296 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM  6.3. So sánh hai phương án tường cọc dự ứng lực và tường cọc xi măng đất Bảng 6. So sánh chuyển vị ngang của nền đất giữa phương án tường cọc dự ứng lực và tường cọc xi măng đất Phương án tường cọc dự ứng lực Phương án tường cọc xi măng đất Khai thác 2 năm 4.386 cm 4.261 cm Khai thác 50 năm 5.523 cm 5.484 cm Mực nước cao nhất +1.640 3.328 cm 3.022 cm Mực nước thấp nhất -2.640 4.479 cm 4.528 cm 7. KẾT LUẬN - Kết quả thí nghiệm cho thấy sức chống cắt không thoát nước của mẫu đất trộn xi măng tăng theo hàm lượng X/Đ và thời gian bảo dưỡng nhưng không đồng nhất. Lực dính của mẫu đất trộn xi măng 7 ngày – 28 ngày tăng theo thứ tự 159,236% (200 kg/m3) >114,39% (250 kg/m3) >107,92% (150 kg/m3); góc ma sát trong của mẫu đất trộn xi măng 7 ngày – 28 ngày tăng theo thứ tự 21,96% (200 kg/m3) < 23,45% (250 kg/m3) < 35,85% (150 kg/m3). Từ đó cho thấy, lựa chọn hàm lượng X/Đ là 200 kg/m3, thời gian bảo dưỡng 28 ngày là hợp lí khi tiến hành trộn đất với xi măng đại trà ngoài hiện trường. - Chuyển vị ngang của nền đất trong các trường hợp của phương án tường cọc xi măng đất đều nhỏ hơn chuyển vị ngang của nền đất bằng phương án tường cọc dự ứng lực: Δ=0,126 cm (khai thác 2 năm); Δ=0,039 cm (khai thác 50 năm); Δ=0,306 cm (mực nước cao nhất); Ngoại trừ trường hợp mực nước hạ thấp nhất, chuyển vị ngang của nền đất bằng phương án tường cọc xi măng đất lại cao hơn phương án cọc dự ứng lực: Δ=0,049 cm (mực nước thấp nhất) TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Đậu Văn Ngọ, Các nhân tố ảnh hưởng đến cường độ xi măng đất, Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM, 2008. 2. TCVN 4199-2012 : Tiêu chuẩn thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý.  3. 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. 4. Thái Hồng Sơn, Trịnh Minh Thụ, Trịnh Công Vấn, Lựa chọn hàm lượng xi măng và tỷ lệ nước-xi măng hợp lý cho gia cố đất yếu vùng ven biển Đồng bằng sông Cửu Long, TP.HCM bằng vôi, xi măng, Đại học Thủy Lợi, 2014. 5. 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 6. Das, B. M. (1990). Principle of foundation engineering, PWS-KENT publishing company, Boston. 7. 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. TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016  VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 297  8. 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. 9. Manual of PLAXIS 2D version 8.5 10. 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. 11. Châu Ngọc Ẩn, Cơ học đất, Nhà xuất bản Đại học quốc gia Tp HCM, 2012. Người phản biện: GS. TSKH. Nguyễn Văn Thơ