Luận án tiến sĩ địa kỹ thuật xây dựng nghiên cứu ảnh hưởng của độ ẩm và thành phần hạt mịn đến mô đun đàn hồi của nền đường đắp đất sét pha cát ở đồng bằng sông cửu long

Luận án tiến sĩ nghiên cứu ảnh hưởng của độ ẩm và thành phần hạt mịn đến mô đun đàn hồi của nền đường đắp đất sét pha cát ở đồng bằng sông Cửu Long.

• Tác giả: Phan Quang Chiêu
• Người hướng dẫn: PGS. TS. Võ Ngọc Hà
• Trường học: Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh - Trường Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng
• Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của độ ẩm và thành phần hạt mịn đến mô đun đàn hồi của nền đường đắp đất sét pha cát ở Đồng bằng sông Cửu Long
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu và mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu này tập trung vào việc xác định ảnh hưởng của độ ẩm và thành phần hạt mịn đến mô đun đàn hồi (MĐĐH) của nền đường đắp đất sét pha cát tại Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL). Mục tiêu chính là đề xuất phương pháp ước tính MĐĐH thay thế cho các thí nghiệm hiện trường tốn kém và phức tạp. Nghiên cứu cũng nhằm thiết lập mối tương quan giữa kết quả thí nghiệm bàn nén tải trọng tĩnh và thí nghiệm nén ba trục trong phòng, từ đó cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế và quản lý nền đường trong điều kiện ngập lũ.

1.1. Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

ĐBSCL là khu vực thường xuyên chịu ảnh hưởng của lũ lụt, dẫn đến sự gia tăng độ ẩm và giảm MĐĐH của nền đường. Điều này gây ra hiện tượng biến dạng và sạt lở, ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng và tuổi thọ của các tuyến đường. Việc xác định chính xác MĐĐH dựa trên độ ẩm và thành phần hạt mịn là cần thiết để thiết kế nền đường bền vững, đặc biệt trong điều kiện ngập lũ.

1.2. Mục tiêu cụ thể

Nghiên cứu nhằm xác định mức độ ảnh hưởng của độ ẩm và thành phần hạt mịn đến MĐĐH, đề xuất phương pháp ước tính MĐĐH thông qua các hệ số hồi qui, và thiết lập mối tương quan giữa thí nghiệm hiện trường và thí nghiệm trong phòng. Kết quả nghiên cứu sẽ hỗ trợ việc thiết kế nền đường hiệu quả, giảm thiểu biến dạng và sạt lở trong điều kiện ngập lũ.

II. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thí nghiệm trong phòng và hiện trường để xác định MĐĐH của nền đường đất sét pha cát. Các thí nghiệm bao gồm thí nghiệm bàn nén tải trọng tĩnh và thí nghiệm nén ba trục, được thực hiện trên các mẫu đất thu thập từ các tuyến đường tại ĐBSCL. Phương pháp phân tích hồi qui theo giải thuật Levenberg-Marquardt được áp dụng để tìm các hệ số ước tính MĐĐH.

2.1. Thu thập mẫu và thí nghiệm

Các mẫu đất được thu thập từ các tuyến đường ngập lũ tại ĐBSCL, sau đó được chế bị với các giá trị độ ẩm khác nhau. Thí nghiệm nén ba trục được thực hiện để xác định MĐĐH dưới các cấp áp lực hông và ứng suất lệch khác nhau.

2.2. Phân tích hồi qui

Dữ liệu từ thí nghiệm được phân tích bằng giải thuật Levenberg-Marquardt để tìm các hệ số hồi qui. Các hệ số này được sử dụng để ước tính MĐĐH và so sánh với kết quả thí nghiệm hiện trường, từ đó thiết lập mối tương quan giữa hai phương pháp thí nghiệm.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy thành phần hạt mịn và độ ẩm có ảnh hưởng đáng kể đến MĐĐH của nền đường đất sét pha cát. Giá trị MĐĐH giảm khi độ ẩm tăng và tỉ lệ hạt mịn cao. Phương pháp ước tính MĐĐH dựa trên các hệ số hồi qui cho kết quả tương đối chính xác so với thí nghiệm hiện trường.

3.1. Ảnh hưởng của độ ẩm và hạt mịn

Kết quả thí nghiệm cho thấy độ ẩm tối ưu khoảng 16,3% là giá trị mà MĐĐH đạt cao nhất. Tỉ lệ hạt mịn hơn 0,075mm càng cao, MĐĐH càng giảm, đặc biệt trong điều kiện ngập lũ.

3.2. Ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu đề xuất các hệ số hồi qui để ước tính MĐĐH, giúp giảm thiểu chi phí và thời gian thí nghiệm hiện trường. Kết quả có thể áp dụng trong thiết kế nền đường tại ĐBSCL, đặc biệt trong điều kiện ngập lũ và tốc độ xe chậm dưới 40 km/h.

IV. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu đã xác định được mức độ ảnh hưởng của độ ẩm và thành phần hạt mịn đến MĐĐH của nền đường đất sét pha cát tại ĐBSCL. Phương pháp ước tính MĐĐH dựa trên các hệ số hồi qui được đề xuất có thể thay thế các thí nghiệm hiện trường tốn kém. Kết quả nghiên cứu có giá trị thực tiễn cao, hỗ trợ thiết kế và quản lý nền đường bền vững trong điều kiện ngập lũ.

4.1. Kết luận

Nghiên cứu khẳng định độ ẩm và thành phần hạt mịn là hai yếu tố chính ảnh hưởng đến MĐĐH của nền đường đất sét pha cát. Phương pháp ước tính MĐĐH dựa trên các hệ số hồi qui cho kết quả chính xác và có thể áp dụng rộng rãi.

4.2. Kiến nghị

Cần tiếp tục nghiên cứu để mở rộng phạm vi ứng dụng của phương pháp ước tính MĐĐH, đặc biệt trong các điều kiện địa chất và khí hậu khác nhau. Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc cải thiện độ chính xác của các hệ số hồi qui và ứng dụng công nghệ mới trong thí nghiệm đất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ MÔ ĐUN ĐÀN HỒI CỦA NỀN ĐƯỜNG 1.1 MÔ ĐUN ĐÀN HỒI VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG 1.1 Cách xác định MĐĐH MĐĐH được xác định trên cơ sở biến dạng đàn hồi. Đối với công trình đường, MĐĐH được sử dụng để tính toán lún nền và mặt đường. Do tải trọng công trình đường có tính chất tức thời, thời gian gia tải và dỡ tải rất nhanh, lặp đi lặp lại nhiều lần, sau một số lần tải trọng tác dụng, biến dạng dư tích lũy giảm dần và triệt tiêu, độ lún của công trình đường phụ thuộc chủ yếu vào biến dạng đàn hồi của nền đường và kết cấu mặt đường. MĐĐH được định nghĩa là tỉ số giữa ứng suất lệch và biến dạng trục đàn hồi theo công thức (1.1) 𝜀𝑟 𝜀𝑟 Ứng suất tác dụng lên mẫu được trình bày như trên hình 1.1 ↓σ d Ứng suất lệch = σd Áp lực hông Hình 1.1 Ứng suất tác dụng lên mẫu Biến dạng dẻo tích luỹ, cuối cùng triệt tiêu chỉ còn biến dạng đàn hồi dưới tác dụng của tải trọng lặp được trình bày như trên hình 1.

8 Biến dạng đàn hồi Tổng biến dạng Biến dạng dư tích lũy Biến dạng dẻo Biến dạng dẻo Hình 1.2 Biến dạng dẻo và biến dạng đàn hồi dưới tác dụng của tải trọng lặp Kim và Drabkin năm 1994 đã giới thiệu cách xác định MĐĐH Mr sau khi đất đã tích lũy đủ biến dạng dư, cuối cùng triệt tiêu chỉ còn biến dạng đàn hồi như hình 1.3 Xác định MĐĐH Mr [6] Quá trình đặt tải, đất gia tăng biến dạng theo quan hệ với ứng suất lệch như đường cong OAB. Quá trình dỡ tải, đất giảm biến dạng theo quan hệ với ứng suất lệch như đường cong BDO.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến MĐĐH MĐĐH của nền đường là một trong những thông số quan trọng nhất để thiết kế mới hay thiết kế khôi phục mặt đường mềm. Chiều dày của các lớp mặt đường được xác định dựa trên MĐĐH của nền đường. Xác định chính xác giá trị của MĐĐH của nền đường sẽ giúp tính toán chính xác độ biến dạng của mặt đường và ngăn ngừa sự xuất hiện các vết nứt trên mặt đường; Chính vì sự cần thiết và quan trọng nêu trên nên hơn bốn thập niên gần đây, đặc tính biến dạng của nền đường đất đắp được xem xét bằng cách thực hiện các thí nghiệm xác định MĐĐH.

Kết quả của những nghiên cứu từ hơn 40 năm qua đã chỉ ra rằng MĐĐH của đất dính phụ thuộc vào loại đất, độ ẩm, độ bão hòa, thành phần hạt lọt sàng No.200, ứng suất lệch, lực hút dính, chỉ số dẻo, áp lực nước lỗ rỗng, áp lực hông và cường độ chịu nén nở hông. - Độ ẩm: Chu et al. Kết quả nghiên cứu đã thiết lập tương quan giữa lực hút dính của đất với độ ẩm của nền đường. Đại học Xây Dựng Hà Nội (1995) nghiên cứu độ ẩm tương đối ảnh hưởng nền đường [8], đề xuất quan hệ giữa trị số MĐĐH thí nghiệm của đất với độ ẩm tương đối.

- Độ bão hòa: Thadkamalla và George (1995) nghiên cứu ảnh hưởng của độ bão hòa đến MĐĐH của nền đường [9], kết quả cho thấy đối với nền đường sử dụng đất hạt mịn, sự gia tăng độ bão hoà làm giảm từ 50% đến 75% giá trị MĐĐH.Drumm et al (1997) nghiên cứu và đề xuất phương pháp hiệu chỉnh giá trị MĐĐH của nền đường theo sự gia tăng độ bão hòa [10]. - Độ ẩm và độ chặt: Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để nghiên cứu ảnh hưởng của độ chặt và độ ẩm đến ứng xử đàn hồi của nền đường Florida (Elfino và Davidson, 1989) [11], nền đường Arkansas (Elliot và Thornton, 1988) [12], nền đường Texas (Pezo và Hudson 1994) [13], nền đường Tennessee (Drumm et al. Kết quả nghiên cứu cho thấy, ước tính giá trị MĐĐH của nền đường theo hướng dẫn của AASHTO có sai số so với thí nghiệm chưa xét đến điều kiện độ ẩm, chu kỳ đóng băng và tan băng, xe cộ tương lai. 10 Một số tác giả đã nghiên cứu quan hệ giữa MĐĐH với các đặc trưng khác của đất.

- Các yếu tố ảnh hưởng: Burczyk et al. (1994) nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến việc xác định giá trị MĐĐH của nền đường [15], kết quả cho thấy có nhiều nhân tố ảnh hưởng quan trọng đến giá trị MĐĐH. Thompson và Robnett (1979) đã thực hiện một nghiên cứu mở rộng về đặc trưng đàn hồi của đất Illinois [16], kết quả nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả của kỹ thuật phân tích phần tử hữu hạn để xác định chỉ số CBR. Rada và Witczak (1981) đã giới thiệu sự đánh giá những thay đổi ảnh hưởng ứng xử của MĐĐH của vật liệu hạt [17].

Kết quả nghiên cứu đã đề xuất quan hệ giữa hệ số k1 và k2 của các loại vật liệu hạt. - Dung trọng khô và độ ẩm: Li và Selig (1994) nghiên cứu MĐĐH của nền đường sử dụng đất hạt mịn [18]. Đề xuất phương pháp đơn giản ước tính giá trị MĐĐH của nền đường sử dụng đất dính phù hợp với kết quả thí nghiệm. - Ứng suất lệch: Fredlund et al.

Đề xuất phương trình liên quan giữa MĐĐH với ứng suất lệch. - Lực hút dính: Vanapalli, S.O [20], 2007 đã chứng minh trong điều kiện không bão hòa MĐĐH của đất bị ảnh hưởng đáng kể bởi sự hút dính của các hạt đất. Tiên đoán khả năng chịu tải của đất không bão hoà bằng các thông số sức chống cắt và đường cong SWRC. Oh et al.2) 𝐸𝑢𝑛𝑠𝑎𝑡 = 𝐸𝑠𝑎𝑡 [1 + 𝛼 𝑃𝛼 (𝑆𝛽 )] ( ) 101,3 Ảnh hưởng của độ bão hoà đến MĐĐH tuỳ thuộc loại đất, thông qua hệ số β.

Đối với đất dính β = 2. 11 Hệ số α xét đến ảnh hưởng của lực hút dính đến MĐĐH, α được xác định từ kết quả đo đạc thực nghiệm. Costa et al., 2003 chọn giá trị α = 1/10 đến 1/3,2 để thực nghiệm, kết quả thu được tương đối phù hợp với công thức (1. Mô đun đàn hồi (kPa) Thí nghiệm bàn nén hiện trường D = 800 mm Thí nghiệm Ước tính (α =1/3,2, β = 2) Ước tính (α =1/10, β = 2) Lực hút (ua –uw) (kPa) Hình 1.4 So sánh ảnh hưởng của lực hút dính thực nghiệm với công thức (1.2) [22] Năm 2007, Rojas et al chọn giá trị α từ 1/20 đến 1/6,5 để thực nghiệm, kết quả thu được tương đối phù hợp với công thức (1.

Thí nghiệm bàn nén hiện trường Mô đun đàn hồi (kPa) D = 310 mm Thí nghiệm Ước tính (α =1/6,5, β = 2) Ước tính (α =1/20, β = 2) Lực hút (ua –uw)(kPa) Hình 1.5 So sánh ảnh hưởng của lực hút dính thực nghiệm với công thức (1.3) 1/ α tăng phi tuyến theo chỉ số dẻo Ip như trên hình 1.6 so sánh kết quả thực nghiệm với công thức (1.3) rất phù hợp với giá trị 1/ α bằng 10. đànhồi đunđàn Môđun (kPa) hồi(kPa) Đế móng 50 x 50 mm • Thí nghiệm ∆ Ước tính Mô Lực hút (kPa) Hình 1.6 So sánh ảnh hưởng của lực hút dính thực nghiệm với công thức (1.3)[20] Quan hệ giới hạn trên và giới hạn dưới tùy thuộc vào giá trị lực hút dính cho các loại đất có giá trị chỉ số dẻo Ip khác nhau được thể hiện trên hình 1.7: Biên trên Biên dưới Đất hạt thô Sét tảng Sét Sét pha Chỉ số dẻo, Ip Hình 1.7 Quan hệ giữa 1/ α và chỉ số dẻo Ip 13 Giá trị MĐĐH tùy thuộc vào độ bão hòa và chỉ số dẻo của đất. Độ chênh lệch giá trị MĐĐH trong điều kiện không bão hòa với điều kiện bão hòa của đất sét lớn hơn đất cát. Do đất sét có tỉ lệ phần trăm hạt mịn lớn hơn đất cát, tỷ diện tích các hạt lớn hơn đất cát, ở trạng thái khô lực hút ion giữa các hạt mịn lớn, MĐĐH của đất sét lớn hơn đất cát.

Khi độ ẩm tăng lên cho tới lúc bão hòa, các hạt mịn của đất sét hút nước nhiều hơn đất cát, MĐĐH của đất sét nhỏ hơn của đất cát. - So sánh thí nghiệm trong phòng và hiện trường: Ping và Ge (1996) thực hiện kiểm tra giá trị MĐĐH của nền đường trong phòng thí nghiệm với đo đạc hiện trường [24]. Đề xuất trình tự đơn giản so sánh MĐĐH trong phòng thí nghiệm với bàn nén tải trọng tĩnh hiện trường. Nguyễn Văn Thơ (1967) đã thiết lập tương quan về mô đun biến dạng của đất giữa thí nghiệm bàn nén tải trọng tĩnh hiện trường với thí nghiệm nén không nở hông ở trong phòng.

- Ảnh hưởng của tải trọng trùng phục: Raad và Zeid (1990) nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng trùng phục đến nền đường [25], [26]. Kết quả cho thấy biến dạng của nền đường bị ảnh hưởng đáng kể bởi độ ẩm đầm chặt. Từ đó, thiết lập công thức ước tính ứng suất cho phép tương ứng với biến dạng giới hạn. - Áp dụng chỉ số CBR: nghiên cứu của Thomson và Robnett (1976) chỉ ra rằng áp dụng chỉ số CBR trong thiết kế nền đường sử dụng đất hạt mịn là chưa thỏa đáng [27].

- Thí nghiệm xuyên ở hiện trường: Mohammad et al, 1998 [28] đã nghiên cứu cho thấy MĐĐH của nền đường bị ảnh hưởng bởi điều kiện hiện trường, vị trí đất và loại đất. Mohammad et al, 1999 [29], thiết lập công thức ước tính giá trị MĐĐH từ thí nghiệm CPT và đặc trưng cơ lý của đất. Rahim và George (1981) thực hiện thí nghiệm xuyên trên đất dính (CPT) để xác định MĐĐH [30]. Thiết lập tương quan giữa chỉ số DCP với MĐĐH trong phòng và cải tiến công thức hồi qui.

- Thí nghiệm trong phòng: Kim, Kweon và Rhee (2001) đề xuất phương pháp xác định MĐĐH của nền đường bằng thí nghiệm nén ba trục tĩnh [31]. 14 Một số nghiên cứu cho rằng áp lực hông ảnh hưởng đáng kể đến MĐĐH nhưng một số nghiên cứu khác cho rằng độ ẩm lại ảnh hưởng đáng kể đến MĐĐH. Quan hệ giữa MĐĐH và đặc trưng cơ lý của đất cũng như trạng thái ứng suất của đất dính trở thành nền tảng cho việc phát triển công thức để đánh giá MĐĐH của đất dính. Các thí nghiệm hiện trường thì phức tạp, đắt tiền, tốn thời gian so với thí nghiệm trong phòng.

Vì vậy, xác định chính xác MĐĐH của nền đường đắp ở hiện trường bằng các thí nghiệm trong phòng là hết sức hiệu quả.2 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ƯỚC LƯỢNG MĐĐH CỦA NỀN ĐƯỜNG MĐĐH của nền đường theo hướng dẫn của tiêu chuẩn AASHTO T294-94 [32] được xác định theo công thức tổng quát như sau: Mr = k1(θ)k2 (1.4) Trong đó: θ = 1+2+3; k1, k2 : hệ số hồi qui, từ thí nghiệm xác định MĐĐH tương ứng ứng suất lệch và áp lực hông bằng phương pháp bình phương cực tiểu.