MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HO CHI MINH CITYUNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION Ph. THESIS NGUYEN THANH TU IMPROVEMENT METHODS TO REINFORCE RIVERBED SILTY SOIL USING GEOTEXTILE - CEMENT - SAND CUSHION MAJOR: CIVIL ENGINEERING SKA 0 0 0 0 7 2 Ho Chi Minh City, March 2024 MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION NGUYEN THANH TU IMPROVEMENT METHODS TO REINFORCE RIVERBED SILTY SOIL USING GEOTEXTILE - CEMENT - SAND CUSHION MAJOR: CIVIL ENGINEERING - 9580201 Supervisor 1: Assoc.Prof NGUYEN MINH DUC Supervisor 2: Dr TRAN VAN TIENG Examiner 1: Assoc.Prof LE BA VINH Examiner 2: Assoc.Prof DUONG HONG THAM Examiner 3: Dr NGUYEN VAN HAI Ho Chi Minh City, 03/2024 ORIGINALITY STATEMENT I hereby declare that this is my research work. The data and results presented in the thesis are accurate and have never been previously published. Ho Chi Minh City, December 24, 2023 Nguyen Thanh Tu i ACKNOWLEDGEMENTS This dissertation was completed at the Faculty of Civil Engineering at the HCM City University of Technology and Education in Vietnam.
There were many obstacles as well as excitement during the process of completing this thesis. Without the encouragement, support and assistance of my advisors, colleagues and family, I could not conduct my research. First, I would like to thank my knowledgeable professors, Assoc. NGUYEN MINH DUC and Dr.
TRAN VAN TIENG for admitting me as a Ph. They imparted knowledge and taught me a great deal about not only academics but also life. Before anything else, I would like to thank Dr. Nguyen Minh Duc for inspiring, motivating and encouraging me to complete the thesis.
Second, I would like to thank HCM City University of Technology and Education, Faculty of Civil Engineering, for the resources and equipment that allowed me to complete my research project. In addition, I would like to thank my coworkers for their consistent support during the implementation process. Lastly, this dissertation is dedicated to my parents, who have always provided me with support and encouragement. Finally, this thesis is a memorial to my parents, who have always supported and encouraged me.
Nguyen Thanh Tu ii ABSTRACT Using silty soil dredged from riverbeds as a substitute for sand in road basements presents potential advantages. However, this riverbed soil exhibits softness when saturated, characterized by low shear resistance, a high void ratio, weak permeability and sensitive swell and bearing capacity loss. To enhance its properties, geotextile, sand cushion and cement are employed due to their popularity and effectiveness. Laboratory experiments, including the California Bearing Ratio (CBR) test, triaxial compression test, one-dimensional consolidation test using a modified oedometer apparatus and modified direct shear test, were conducted to investigate swelling behavior, CBR value, shear strength and consolidation of the reinforced soil.
Subsequently, the feasibility of these methods for the reinforcement of dredged soil from the Cai Lon River is assessed. The use of geotextiles, owing to their high permeability, accelerated the soil expansion process and reduced swelling by 1. Moreover, CBR values increased from 1.5 times for unsaturated samples and up to 3 times for saturated samples. Notably, samples reinforced with two layers achieved the highest CBR value.
In triaxial compression testing, the shear strength of unsaturated samples reinforced with three geo-layers increased to approximately 1.6 times that of unreinforced soil and about 2.1 times for saturated conditions due to soil-geotextile interaction. In saturated samples, pore water pressure initially increased with small displacement, then sharply decreased when slippage between geotextile and soil occurs. In addition, consolidation tests indicated that reinforced samples consolidated 1–2 times faster than unreinforced samples of the same height. In the one-dimensional consolidation test of reinforced soil, the height of the specimen must be significant and threfore, side friction between the soil and the ring must be considered.
A modified odometer apparatus was used to measure the friction force between the soil and the ring. The results indicated that friction pressure increased as the diameter-to-height (D/H) ratio decreased. When the D/H ratio was less than 2.5, the effect of friction was significant, reducing the compression pressure iii by up to 20% at the end of consolidation (EOP). An analytical approach based on the Taylor method was proposed to predict the stress loss and coefficient of variation of the void ratio, COV, at EOP.
The results showed that there was an increase in the void ratio with depth. Additionally, when the D/H ratio exceeded 2.5, the COV would be less than 1. When the reinforcement was performed with sand cushions, the swelling and dried unit weight decreased with increasing sand cushion thickness. In addition, the CBR value experienced an increase for saturated clay samples rather than unsaturated ones.
In the UU triaxial compression test, the shear resistance of reinforced soil under unsaturated conditions increased with higher horizontal pressure. Specifically, the shear strength of unsaturated samples with a 20 mm-thick sand cushion increased approximately 1.9 times compared to that of unreinforced samples and about 3.3 times in the saturated case. Moreover, pore water pressure in saturated samples increased with slight strain and then decreased. Consolidation results also showed that reinforced samples consolidated between 3.5 and 5 times faster than unreinforced samples.
As a binder, cement reduced the swelling of riverbed clay by 1.5 times when the cement ratio increased from 3 to 10%. After a 28-day saturation curing, the CBR value of the soil-cement mixture increased from 1.8 times that of the soil only. In the UU triaxial compression test, the shear strength of soil cement increased in both unsaturated and saturated samples. The increase was due to hydration and pozzolanic processes, resulting in a change in particle composition.
In the case of 10% cement, the percentage of sand granules doubled after 28 days. Brittle failure and an increase in shear resistance and interface shear were also observed in the direct shear test of soil cement and the modified shear test of soil cement and steel. The peak shear strength and residual shear resistance of cement soil increased to 2.8 times than those of clay, respectively. In the case of the interface shear strength between cement and steel, the maximal and residual shear resistance of cement-metal soils were 1.40 times greater than soil-steel, respectively.
Accordingly, a formula iv was proposed to estimate shear resistance over 28 days and predict the shear strength of the soil-cement mixture at 28 days based on the water and cement content. In summary, the results indicated the effectiveness of riverbed soil reinforcement methods, including geotextile, sand cushion and cement. However, soil cement stabilization was found to outperform the others. Soil cement mixtures could be used as backfill material for roads with car traffic, whereas geotextile and sand cushions could be used for roads with car-free traffic.
The results of laboratory experiments formed the theoretical basis for practical applications. v TÓM TẮT Sử dụng đất sét nạo vét từ lòng sông thay thế cho cát san lấp nền đường giao thông được xem là giải pháp thay thế có nhiều lợi ích. Tuy nhiên, đất từ lòng sông là đất yếu, sức kháng cắt thấp, hệ số rỗng cao, tính thấm kém, đặc biệt là có độ trương nở cao và mất khả năng chịu lực khi bão hoà. Vải địa kỹ thuật, đệm cát và xi măng được sử dụng để gia tăng cường độ đất do tính phổ biến và hiệu quả của các loại vật liệu này.
Các thí nghiệm trong phòng, bao gồm California Bearing Ratio (CBR), sức kháng cắt 3 trục trong điều kiện UU, cố kết một trục với thiết bị cải tiến và cắt đất trực tiếp được hiệu chỉnh, được thực hiện để khảo sát sự trương nở, cường độ và quá trình cố kết của đất và đất gia cường. Từ đó, đánh giá khả năng áp dụng của các phương pháp gia cường này cho đất nạo vét từ sông Cái Lớn. Vải địa kỹ thuật với tính thấm cao thúc đẩy nhanh quá trình trương nở của đất và độ trương nở giảm đến 1. Bên cạnh đó, giá trị CBR tăng lên từ 1.5 lần cho trường hợp không bão hoà và đến 3 lần khi mẫu bão hoà.
Đặc biệt, mẫu gia cường bằng 2 lớp vải cho giá trị CBR lớn nhất. Trong thí nghiệm 3 trục với các mẫu không bão hoà, sức kháng cắt trong điều kiện UU của đất sét được gia cường bằng 3 lớp vải tăng đến 1.6 lần so với mẫu không gia cường và khoảng 2.1 lần khi mẫu bão hoà do tương tác giữa đất và vải. Trong các mẫu bão hoà, áp lực nước lỗ rỗng gia tăng khi chuyển vị nhỏ, sau khi có sự trượt giữa vải và đất, áp lực nước giảm nhanh. Bên cạnh đó, kết quả cố kết cho thấy, thời gian cố kết của mẫu gia cường giảm từ 1- 2 lần so với mẫu không gia cường có cùng chiều cao.
Trong thí nghiệm cố kết một trục đất gia cường, chiều cao mẫu phải lớn. Ma sát thành giữa đất và dao vòng cần phải được xét đến. Thiết bị cố kết cải tiến được giới thiệu để tính được lực ma sát giữa đất và dao vòng. Kết quả cho thấy áp lực ma sát tăng khi tỉ lệ đường kính và chiều cao D/H giảm.
Ảnh hưởng của ma sát là đáng kể khi tỉ lệ D/H nhỏ hơn 2.5 và áp lực nén giảm đến 20% tại thời điểm kết thúc quá trình cố kết (EOP). Dựa trên phương pháp Taylor, phương pháp giải tích được đề xuất để dự đoán sự mất mát ứng suất và hệ số sai khác hệ số rỗng, COV, dọc theo chiều sâu vi mẫu tại tời điểm kết thúc quá trình cố kết, EOP. Kết quả cho thấy, hệ số rỗng tăng dần theo chiều sâu và với tỉ lệ D/H lớn hơn 2.5, giá trị COV sẽ nhỏ hơn 1. Với phương pháp đất gia cường bằng đệm cát, độ trương nở và độ giảm trọng lượng đơn vị khô cũng giảm khi tăng bề dày đệm cát.
Bên cạnh đó, giá trị CBR được cải thiện một cách hiệu quả cho trường hợp đất bão hoà hơn là trường hợp đất không bão hoà. Trong thí nghiệm 3 trục UU, sức kháng cắt trong điều kiện không bão hoà của đất sét gia cường đệm cát tăng khi áp lực ngang tăng. Sức kháng cắt mẫu không bão hoà với đệm cát dày 20mm tăng đến 1.9 lần so với mẫu không gia cường và khoảng 3.3 lần đối với mẫu bão hoà. Đặc biệt, áp lực nước lỗ rỗng trong mẫu thí nghiệm gia tăng khi chuyển vị nhỏ, sau đó, áp lực nước giảm mạnh.
Bên cạnh đó, kết quả cố kết cho thấy, thời gian cố kết của mẫu gia cường giảm từ 3. Xi măng đóng vai trò như chất dính làm giảm độ trương nở đất lòng sông từ 1.5 lần khi hàm lượng xi măng gia cường tăng từ 3% đến 10%, so với trường hợp không gia cường. Trong trường hợp ngâm bão hoà, sau 28 ngày, giá trị CBR của xi măng đất được gia tăng từ 1.8 lần so với trường hợp đất không gia cường. Cường độ kháng cắt của xi măng đất cũng gia tăng trong điều kiện nén 3 trục UU khi mẫu không bão hoà và bão hoà.
Sự gia tăng cường độ của hỗn hợp xi măng đất là kết quả của quá trình hydart và pozzolanic của xi măng và đất, dẫn đến sự thay đổi thành phần hạt. Kết quả sau 28 ngày cho thấy, phần trăm hạt cát tăng lên 2 lần cho trường hợp 10% xi măng.
