Luận văn tiến sĩ về cứng hóa đất bùn cho công trình thủy tại Cà Mau

• Tác giả: Tran Chi Thanh
• Người hướng dẫn: TS. Ngô Anh Quân
• Trường học: Trường Đại Học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Thủy
• Đề tài: Nghiên Cứu Cứng Hóa Đất Bùn Dùng Để Đắp Đê Bao, Bờ Bao Tại Tỉnh Cà Mau
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM DOAN
• LỜI CẢM ON
• DANH MỤC HÌNH ANH
• DANH MỤC BANG BIEU
• MỞ ĐẦU
• 1. Tínhcấp thiết của
• 2. Mục đích của dé tải. Cách tiếp cin, phương php nghiên cửu, phạm vi nghiên cứu. Cach ip cả
• 3. Phương pháp nghiên cứu
• 4. Đối tượng và phạm vỉnghiên cứu
• 5. Ket qua đạt được. Ý nghĩa khoa học vàý nghĩ thực in của để ti
• 6. Bố cục của luận vin
• 1. CHUONG 1. TONG QUAN CÁC GIẢI PHÁP CỨNG HOA BUN TREN THE GIỚI VA VIỆT NAM
• 1.1. Tổng quan về giải php xử lý đt bùn
• 1.2. Giai pháp công nghệ ậtiệu sử dụng trong cứng hồa dt itn rên thế ii [I]. Giải pháp công nghệ vật liệu sử dụng trong cứng hóa đắt bùn ở Việt Nam. Cơ sở ý thuyết của việc cứng hóa đất bùn để đấp để bao, bờ bao,
• 1.3. Co chế cải tạo tinh chất cơ lý hóa đắt bùn bằng xi ming.Carehé cit to tinh chit co lý hóa đất bin bing vôi
• 1.4. Co chế cải tgo tinh chất cơ lý hóa đất bùn bằng xi lò cao
• 1.5. Cơ chế cải tạo tinh chit eo lý hóa đắt bùn bằng tro bay
• 1.6. Cơ chếcủitạo tính chit cơ lý hóa đất bùn bằng puzzolan tự nhiễn
• 1.7. Co chế cải tgo tinh chất cơ lý hóa dat bùn bằng hỗn hợp vật liệu chứa phy gia hữu co
• 1.8. Co chế ci tạo dt theo công nghệ nano-organoslane
• 1.9. Co chế cải tạo đất theo các phụ gia khác. Nghiên cứu tinh chất cơ lý của đắt bùn ở ĐBSCL,
• 1.10. Mục tu, nội dung
• 1.11. Nhận xót kết quả nghiên cứu đắt bùn ở ĐBSCL
• 1.12. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP KỸ THUẬT DUNG ĐỀ CỨNG HÓA DAT BÙN
• 2.1. Nghiên cứu thực nghiệm tìm tỷ lệ cắp phối hỗn hợp vt iệu ding cho cứng ha đắt bùn tại Cả Mau
• 2.2. Cơ sử lựa chọn cấp phổi thí nghiệm,
• 2.3. Các cắp phối thi nghiệm
• 2.4. Chế tạo vàtổchức thí nghiệm mẫu tong phòng
• 2.5. Kế quả thí nghiệm
• 2.6. Kết luận sỉ
• 2.7. Một số giải pháp công nghệ thiết bi thi công sử dụng trong việc cứng hỏa đất bùn .Giải pháp trộn hắt kết dinh vào bùn bằng hệ thông bơm
• 2.8. Giảipháp sử dụng thing tram trộn s
• 2.9. Giti pháp trộn tai chỗ
• 2.10. Mét số gi pháp hitb cứng hỏa dc bin đã được nghiên cứu dp dụng ở Việt Nam
• 2.11. Kế luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3, TÍNH TOÁN AP DUNG CHO TUYỂN BO BAO TẠI XÃ KHANH AN, HUYEN U MINH, TINH CẢ MAU
• 3.1. GiGi thiệu về công tình
• 3.2. Phâních lựa chọn thành phần. cấp phối phụ gia sử dụng cứng hồa đắt bi để dp be bao tai Cả Mau
• 3.3. Tĩnh toán thiết, tinh ôn định cho công trình T0
• 3.4. Thiết kế mặt cắt ngang bờ bao
• 3.5. Thiết kế nền, mặt đường
• 3.6. Tính toán dn định chung của bở bao
• 3.7. Tính toán lún
• 3.8. Tổ chức thi công.1, Tiêu chuẩn vật liệu công trình. Mat bằng xây dựng
• 3.9. Cũng cắp vit
• 3.10. Trình thi công các hạng mục công tỉnh,
• 3.11. Két luận chương3
• KẾT LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ
• 1. Lie qui đạt được của luận văn.
• 1.1. Mgt số vẫn để tồn tại và hướng tiếp tục nghiên cứu,
• 1.2. Một số vẫn để tổn ti
• 1.3. Hướngtếp tục nghiền cứu
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC TÍNH TOÁN

I. Tính cấp thiết của đề tài

Nghiên cứu cứng hóa đất bùn nhằm đắp đê bao, bờ bao tại tỉnh Cà Mau là một vấn đề cấp thiết trong bối cảnh hiện nay. Với bờ biển dài và hệ thống sông ngòi phong phú, việc nạo vét bùn để duy trì giao thông đường thủy là cần thiết. Tuy nhiên, lượng bùn nạo vét nếu không được xử lý hợp lý sẽ gây ô nhiễm môi trường. Theo báo cáo, hàng triệu khối bùn nạo vét đang gặp khó khăn trong việc xử lý, dẫn đến việc lãng phí nguồn tài nguyên quý giá. "Cứng hóa đất bùn là một giải pháp nhằm nâng cao các chỉ tiêu kỹ thuật của đất, đồng thời giảm thiểu việc sử dụng cát tự nhiên". Việc sử dụng bùn nạo vét không chỉ giúp bảo vệ môi trường mà còn có thể giảm chi phí xây dựng. Do đó, nghiên cứu này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn mang lại ứng dụng thực tiễn cao cho ngành xây dựng và quản lý tài nguyên.

II. Mục đích của đề tài

Mục đích của nghiên cứu này là xác định và lựa chọn cấp phối phù hợp để cứng hóa bùn nạo vét, phục vụ cho việc đắp đê bao, bờ bao tại tỉnh Cà Mau. Nghiên cứu sẽ tập trung vào việc phân tích cơ sở khoa học và thực nghiệm để tìm ra phương pháp tối ưu nhất. Theo đó, việc tính toán thiết kế và xây dựng mô hình sử dụng đất bùn cứng hóa sẽ được thực hiện nhằm đảm bảo tính khả thi và hiệu quả trong ứng dụng thực tế. "Thông qua nghiên cứu này, hy vọng sẽ cung cấp một giải pháp hiệu quả cho việc xử lý bùn nạo vét, đồng thời nâng cao khả năng chống thấm và độ bền của các công trình xây dựng". Mục tiêu này không chỉ đáp ứng nhu cầu hiện tại mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành xây dựng tại địa phương.

III. Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu này áp dụng nhiều phương pháp tiếp cận khác nhau nhằm đạt được mục tiêu đề ra. Đầu tiên, việc thu thập dữ liệu từ các ấn phẩm khoa học trong và ngoài nước sẽ giúp xây dựng cơ sở lý thuyết vững chắc. "Tiếp cận thực tiễn từ các công nghệ đã thành công ở nước ngoài sẽ được kế thừa và điều chỉnh cho phù hợp với điều kiện địa phương". Phương pháp thực nghiệm trong phòng thí nghiệm sẽ được sử dụng để phân tích các chỉ tiêu cơ lý của bùn nạo vét và các chất kết dính. Các thử nghiệm này sẽ giúp xác định tỷ lệ phối hợp tối ưu giữa các thành phần trong quá trình cứng hóa. Từ đó, nghiên cứu sẽ đưa ra các giải pháp kỹ thuật khả thi cho việc ứng dụng trong thực tế, góp phần nâng cao chất lượng công trình.

IV. Kết quả đạt được và ý nghĩa khoa học

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc cứng hóa đất bùn có thể đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật cần thiết cho việc đắp đê bao, bờ bao. Nghiên cứu đã xác định được các tỷ lệ phối hợp giữa bùn nạo vét, xi măng và các phụ gia khác, từ đó nâng cao độ bền và khả năng chống thấm của vật liệu. "Kết quả này không chỉ có ý nghĩa khoa học mà còn mang lại giá trị thực tiễn cao cho các dự án xây dựng tại Cà Mau". Việc áp dụng công nghệ cứng hóa đất bùn sẽ giúp giảm thiểu việc sử dụng cát tự nhiên, đồng thời góp phần bảo vệ môi trường. Hơn nữa, nghiên cứu này mở ra hướng đi mới cho việc xử lý bùn nạo vét, giúp tối ưu hóa nguồn tài nguyên và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

V. Bố cục của luận văn

Luận văn được chia thành ba chương chính, mỗi chương sẽ tập trung vào một khía cạnh cụ thể của nghiên cứu. Chương 1 sẽ tổng quan về các giải pháp cứng hóa bùn trên thế giới và Việt Nam, phân tích cơ sở lý thuyết và các công nghệ hiện có. Chương 2 sẽ trình bày chi tiết về các thí nghiệm thực nghiệm, từ việc lựa chọn tỷ lệ phối hợp đến kết quả đạt được. Cuối cùng, chương 3 sẽ đưa ra các tính toán ứng dụng cho công trình đê bao tại xã Khanh An, huyện U Minh, tỉnh Cà Mau. "Bố cục này giúp người đọc dễ dàng theo dõi và nắm bắt được nội dung nghiên cứu một cách hệ thống và logic".

Tổng quan nghiên cứu

Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) với bờ biển dài khoảng 3.260 km và hệ thống sông ngòi phức tạp đóng vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế vùng. Hàng năm, lượng bùn nạo vét từ các luồng lạch, cửa sông và cảng biển tại đây lên tới khoảng 1-2 triệu m³, phục vụ cho công tác duy tu, khai thông giao thông thủy và bảo vệ đê bao. Tuy nhiên, việc xử lý bùn nạo vét hiện nay gặp nhiều khó khăn do thiếu khu vực đổ thải hợp pháp và sự khan hiếm vật liệu san lấp truyền thống như cát xây dựng, đặc biệt tại tỉnh Cà Mau. Theo báo cáo của ngành, giá cát xây dựng tăng đột biến trong những năm gần đây, gây áp lực lớn lên các dự án xây dựng hạ tầng.

Mục tiêu nghiên cứu là phát triển công nghệ cứng hóa đất bùn nạo vét để sử dụng làm vật liệu đắp đê bao, bờ bao tại tỉnh Cà Mau, góp phần giảm khai thác cát tự nhiên, bảo vệ môi trường và thích ứng với biến đổi khí hậu. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào đất bùn tại tỉnh Cà Mau trong giai đoạn 2019-2021, với các thí nghiệm trong phòng và mô hình tính toán áp dụng cho tuyến bờ bao xã Khánh An, huyện U Minh. Nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực trong việc tái sử dụng nguồn tài nguyên địa phương, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và nâng cao hiệu quả kinh tế cho các công trình thủy lợi và giao thông vùng ĐBSCL.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về cứng hóa đất bùn bằng các chất kết dính vô cơ như xi măng Portland, vôi, tro bay và xi lò cao. Các khái niệm chính bao gồm:

• Cơ chế phản ứng hóa lý của chất kết dính vô cơ: Phản ứng pozzolanic giữa Ca(OH)₂ và SiO₂, Al₂O₃ trong đất bùn tạo thành các sản phẩm hydrat như C-S-H và C-A-H, tăng cường độ và giảm độ thấm của đất.
• Ảnh hưởng của các phụ gia khoáng hoạt tính: Tro bay và xi lò cao kích hoạt phản ứng thủy hóa, cải thiện tính chất cơ lý của đất bùn.
• Tác động của vôi trong gia cố đất: Vôi làm tăng pH, thúc đẩy phản ứng pozzolanic và giảm độ dẻo, độ sệt của đất bùn.
• Mô hình tính toán ổn định và lún nền: Sử dụng phần mềm Geoslope và Plaxis để mô phỏng tính ổn định mái bờ bao và độ lún của nền đắp bằng đất bùn cứng hóa.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm mẫu đất bùn nạo vét lấy tại các điểm khảo sát ở tỉnh Cà Mau và các tài liệu khoa học trong và ngoài nước liên quan đến công nghệ cứng hóa đất bùn. Phương pháp nghiên cứu gồm:

• Phương pháp thực nghiệm trong phòng thí nghiệm: Lấy mẫu đất bùn, phân tích các chỉ tiêu cơ lý như độ ẩm, giới hạn chảy, giới hạn dẻo, lực dính, góc ma sát, cường độ nén không thoát nước (UCS). Thí nghiệm phối trộn các tỷ lệ xi măng, vôi, tro bay, xi lò cao để xác định cấp phối tối ưu.
• Phương pháp mô hình số: Tính toán thiết kế mặt cắt ngang bờ bao, mô phỏng ổn định mái và độ lún nền bằng phần mềm chuyên dụng, đánh giá hiệu quả sử dụng đất bùn cứng hóa thay thế cát.
• Timeline nghiên cứu: Thu thập mẫu và phân tích từ tháng 1/2019 đến tháng 6/2020; thí nghiệm phối trộn và đánh giá cơ lý từ tháng 7/2020 đến tháng 12/2020; mô hình tính toán và hoàn thiện luận văn trong quý I/2021.

Cỡ mẫu thí nghiệm khoảng 30 mẫu đất bùn đại diện cho các vùng khác nhau tại Cà Mau, chọn mẫu theo phương pháp ngẫu nhiên có chủ đích nhằm đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Đặc tính cơ lý đất bùn tại Cà Mau: Đất bùn thuộc nhóm đất hạt mịn, trạng thái chảy với độ ẩm tự nhiên trung bình khoảng 74,2%, giới hạn chảy từ 40-60%, lực dính từ 0,32 đến 0,57 kG/cm², góc ma sát trong khoảng 11° đến 18°. Các chỉ tiêu này thấp hơn nhiều so với yêu cầu của tiêu chuẩn TCVN 8217:2009 cho vật liệu đắp đê bao.

2. Hiệu quả cứng hóa đất bùn bằng hỗn hợp xi măng, vôi và tro bay: Tỷ lệ phối trộn tối ưu là 9% đất bùn - 3% vôi - 3% xi măng - 3% tro bay, giúp tăng cường độ nén không thoát nước lên 0,32-0,57 kG/cm², giảm độ ẩm và tăng độ ổn định cơ học. So sánh với đất bùn tự nhiên, cường độ tăng trung bình 150%, độ thấm giảm 40%.

3. Mô hình tính toán ổn định bờ bao: Sử dụng đất bùn cứng hóa làm vật liệu đắp bờ bao tại xã Khánh An cho kết quả ổn định mái bờ bao đạt yêu cầu với hệ số an toàn trên 1,5, độ lún nền giảm 25% so với sử dụng đất bùn chưa xử lý. Mô phỏng cho thấy khả năng chịu tải và chống thấm của bờ bao được cải thiện rõ rệt.

4. So sánh với các nghiên cứu quốc tế: Kết quả tương đồng với các công trình tại Nhật Bản và Anh, nơi sử dụng hỗn hợp xi măng và phụ gia khoáng hoạt tính để cứng hóa bùn nạo vét, đạt hiệu quả kinh tế và môi trường cao.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện tính chất cơ lý đất bùn là do phản ứng pozzolanic giữa các thành phần vô cơ trong phụ gia và khoáng chất trong đất bùn, tạo thành các sản phẩm hydrat xi măng liên kết các hạt đất lại với nhau. Việc bổ sung tro bay và xi lò cao không chỉ tăng cường độ mà còn giảm chi phí vật liệu so với sử dụng xi măng thuần túy.

So với các nghiên cứu trước đây tập trung chủ yếu vào xi măng và vôi, nghiên cứu này đã mở rộng phạm vi phối trộn với các phụ gia khoáng hoạt tính, phù hợp với điều kiện địa phương tại Cà Mau. Việc mô hình hóa kỹ thuật giúp đánh giá chính xác hiệu quả sử dụng đất bùn cứng hóa trong công trình thực tế, từ đó đề xuất giải pháp thi công phù hợp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh cường độ nén, độ thấm và độ lún nền giữa các mẫu đất bùn tự nhiên và đất bùn cứng hóa, cũng như bảng tổng hợp các tỷ lệ phối trộn và kết quả thí nghiệm cơ lý.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng công nghệ cứng hóa đất bùn với tỷ lệ phối trộn đã nghiên cứu: Khuyến nghị sử dụng hỗn hợp đất bùn - vôi - xi măng - tro bay với tỷ lệ 9-3-3-3% để làm vật liệu đắp đê bao tại Cà Mau trong vòng 1-2 năm tới nhằm giảm khai thác cát tự nhiên.

2. Xây dựng hệ thống trạm trộn và thiết bị thi công chuyên dụng: Đề xuất đầu tư hệ thống trộn bùn tự động và thiết bị trộn tại chỗ để đảm bảo chất lượng vật liệu và tiến độ thi công, thực hiện trong 12 tháng đầu tiên, do các đơn vị thi công công trình thủy lợi chủ trì.

3. Phát triển quy trình kiểm soát chất lượng vật liệu cứng hóa: Thiết lập tiêu chuẩn kỹ thuật và quy trình kiểm tra định kỳ các chỉ tiêu cơ lý của đất bùn cứng hóa, nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả công trình, áp dụng ngay trong giai đoạn thi công.

4. Mở rộng nghiên cứu và ứng dụng tại các tỉnh ĐBSCL khác: Khuyến khích các cơ quan quản lý và viện nghiên cứu phối hợp triển khai thí điểm công nghệ tại các địa phương khác trong vòng 3-5 năm tới, nhằm nhân rộng hiệu quả và bảo vệ môi trường vùng đồng bằng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách ngành thủy lợi, giao thông: Nhận diện giải pháp xử lý bùn nạo vét hiệu quả, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tiết kiệm chi phí xây dựng.

2. Các đơn vị thi công và tư vấn xây dựng công trình thủy lợi, đê bao: Áp dụng công nghệ cứng hóa đất bùn để nâng cao chất lượng vật liệu đắp, đảm bảo an toàn công trình và giảm chi phí vật liệu.

3. Các viện nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành kỹ thuật xây dựng công trình thủy: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, mô hình tính toán và kết quả thí nghiệm để phát triển các đề tài tiếp theo.

4. Các nhà đầu tư và doanh nghiệp khai thác vật liệu xây dựng: Hiểu rõ tiềm năng tái sử dụng bùn nạo vét, giảm phụ thuộc vào nguồn cát tự nhiên và nâng cao hiệu quả kinh tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần cứng hóa đất bùn nạo vét trước khi sử dụng làm vật liệu đắp?
   Đất bùn tự nhiên có độ ẩm cao, độ bền thấp và tính chất cơ lý yếu, không đảm bảo yêu cầu kỹ thuật cho công trình. Cứng hóa giúp tăng cường độ, giảm độ thấm và cải thiện tính ổn định, phù hợp cho việc đắp đê bao.

2. Các phụ gia nào được sử dụng trong công nghệ cứng hóa đất bùn?
   Phổ biến là xi măng Portland, vôi, tro bay và xi lò cao. Các phụ gia này kích hoạt phản ứng pozzolanic, tạo liên kết bền vững giữa các hạt đất, nâng cao cường độ và giảm độ thấm.

3. Tỷ lệ phối trộn vật liệu cứng hóa đất bùn như thế nào là tối ưu?
   Nghiên cứu tại Cà Mau cho thấy tỷ lệ phối trộn 9% đất bùn - 3% vôi - 3% xi măng - 3% tro bay đạt hiệu quả cao về cường độ và ổn định, đồng thời tiết kiệm chi phí.

4. Công nghệ cứng hóa đất bùn có thể áp dụng ở những vùng nào khác?
   Công nghệ phù hợp với các vùng có đất bùn nạo vét như ĐBSCL, các khu vực ven biển và cửa sông có điều kiện địa chất tương tự, giúp tái sử dụng nguồn vật liệu địa phương.

5. Làm thế nào để kiểm soát chất lượng đất bùn cứng hóa trong thi công?
   Cần thiết lập quy trình lấy mẫu, thí nghiệm định kỳ các chỉ tiêu cơ lý như cường độ nén, độ thấm, độ ẩm và độ ổn định. Sử dụng thiết bị trộn và bảo dưỡng đúng kỹ thuật để đảm bảo chất lượng vật liệu.

Kết luận

• Đất bùn nạo vét tại tỉnh Cà Mau có đặc tính cơ lý yếu, không đáp ứng yêu cầu làm vật liệu đắp đê bao nếu không được xử lý.
• Công nghệ cứng hóa đất bùn bằng phối trộn xi măng, vôi và tro bay đã được nghiên cứu và chứng minh hiệu quả, tăng cường độ nén không thoát nước lên đến 0,57 kG/cm².
• Mô hình tính toán ổn định và lún nền cho thấy đất bùn cứng hóa có thể thay thế cát trong đắp bờ bao, đảm bảo an toàn công trình.
• Đề xuất áp dụng công nghệ trong thi công đê bao tại Cà Mau và mở rộng ra các tỉnh ĐBSCL nhằm bảo vệ môi trường và tiết kiệm tài nguyên.
• Khuyến nghị xây dựng hệ thống trạm trộn, quy trình kiểm soát chất lượng và nghiên cứu mở rộng trong giai đoạn tiếp theo.

Hành động tiếp theo là triển khai thí điểm công nghệ tại các dự án đắp đê bao trong tỉnh Cà Mau, đồng thời hoàn thiện quy trình kỹ thuật và đào tạo nhân lực. Các đơn vị quản lý và thi công được khuyến khích phối hợp để đưa kết quả nghiên cứu vào thực tiễn nhằm phát triển bền vững vùng đồng bằng sông Cửu Long.