Luận văn thạc sĩ HCMUTE: Nghiên cứu cường độ đất bùn gia cường vải địa kỹ thuật bằng thí nghiệm CBR

• Tác giả: Nguyễn Văn Được
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thế Anh
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Dân Dụng Và Công Nghiệp
• Đề tài: Nghiên Cứu Cường Độ Của Đất Bùn Gia Cường Vải Địa Kỹ Thuật Qua Thí Nghiệm CBR
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Tp Hồ Chí Minh

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VÀ TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu tổng quát
• 1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.3. Sự cần thiết tiến hành nghiên cứu
• 1.4. Tính mới, tính thời sự, ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn áp dụng
• 1.4.1. Tính thời sự
• 1.4.2. Ý nghĩa khoa học
• 1.4.3. Ý nghĩa thực tiễn áp dụng
• 1.5. Mục đích và đối tượng nghiên cứu
• 1.5.1. Mục đích nghiên cứu
• 1.5.2. Đối tượng nghiên cứu
• 1.6. Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn đề tài
• 1.7. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP
• 2.1. Phương pháp xác định chỉ số CBR của nền đất và các lớp móng đường bằng vật liệu rời tại hiện trường
• 2.2. Phương pháp xác định sức chống cắt trong phòng thí nghiệm ở máy cắt phẳng
• 2.3. Phương pháp xác định - giới hạn dẻo và giới hạn chảy trong phòng thí nghiệm
• 2.4. Phương pháp đầm nén đất, đá dăm trong phòng thí nghiệm
• 2.5. Tương quan giữa chỉ số CBR và khả năng chịu tải của đất nền
• 2.6. Vật liệu và phương pháp thí nghiệm hiện trường
• 2.7. Phương pháp thí nghiệm CBR hiện trường
• 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 3.1. Tổng hợp kết quả thí nghiệm CBR hiện trường
• 3.1.1. Phân tích sai số kết quả thí nghiệm CBR hiện trường
• 3.1.2. Ứng xử CBR thí nghiệm hiện trường
• 3.2. Thông số mô hình, kết quả kiểm nghiệm mô hình, lực kéo huy động trong vải địa kỹ thuật của mẫu đất gia cường
• 3.2.1. Thông số đầu vào mô hình
• 3.2.2. Kết quả và kiểm nghiệm mô hình
• 3.2.3. Lực kéo huy động trong vải địa kỹ thuật của mẫu đất gia cường
• 4. PHÂN TÍCH TƯƠNG QUAN LỰC KÉO TRONG VẢI ĐỊA KỸ THUẬT TỪ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM HIỆN TRƯỜNG CBR TRÊN ĐẤT BÙN SÉT GIA CƯỜNG ĐỆM CÁT VÀ VẢI ĐỊA KỸ THUẬT
• 4.1. Sơ lược về mô hình thí nghiệm và kết quả thí nghiệm hiện trường
• 4.2. Phương pháp thí nghiệm
• 4.3. Thông số mô phỏng cho mô hình đối với mẫu gia cường vải + cát hạt nhỏ và cát hạt to
• 4.3.1. Thông số mô phỏng
• 4.3.2. Kết quả và kiểm nghiệm mô hình cát hạt nhỏ và cát hạt to
• 4.4. Ứng xử kéo và biến dạng của vải trong mẫu gia cường vải địa kỹ thuật và đệm cát gia cường dày 20mm, 40mm, 80mm và 150mm
• 5. PHÂN TÍCH TƯƠNG QUAN LỰC KÉO TRONG VẢI ĐỊA KỸ THUẬT TỪ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM TRONG PHÒNG CBR TRÊN ĐẤT BÙN SÉT GIA CƯỜNG VẢI ĐỊA KỸ THUẬT
• 5.1. Sơ lược về mô hình thí nghiệm và kết quả thí nghiệm trong phòng
• 5.2. Phương pháp thí nghiệm
• 5.3. Thông số mô phỏng cho mô hình đối với mẫu 10 chày/lớp không ngâm và ngâm bão hòa
• 5.3.1. Thông số mô phỏng cho mô hình
• 5.3.2. Kết quả và kiểm nghiệm mô hình
• 5.4. Ứng xử kéo và biến dạng của vải trong mẫu gia cường vải địa kỹ thuật và đệm cát gia cường
• 6. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO NƯỚC NGOÀI
• TÀI LIỆU THAM KHẢO TRONG NƯỚC

I. Giới thiệu tổng quát

Đồng bằng sông Cửu Long là khu vực có vị trí kinh tế quan trọng, nhưng cũng gặp nhiều khó khăn trong xây dựng do nền đất yếu, chủ yếu là đất bùn. Việc xây dựng công trình trên nền đất này thường dẫn đến lún, sập do không có biện pháp xử lý hiệu quả. Nghiên cứu này tập trung vào việc khảo sát cường độ đất bùn khi gia cường bằng vải địa kỹ thuật thông qua thí nghiệm CBR. Mục tiêu là tìm ra giải pháp cải thiện khả năng chịu tải của nền đất, từ đó ứng dụng vào thực tiễn xây dựng.

1.1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng vải địa kỹ thuật có thể nâng cao khả năng chịu tải của nền đất. Các nghiên cứu như của Zornberg và Mitchell (1994) đã khẳng định vai trò của vải địa kỹ thuật trong việc tăng cường sức chịu tải và ổn định của công trình. Thí nghiệm nén 3 trục cho thấy đất bùn gia cường bằng vải địa kỹ thuật có khả năng chịu tải cao hơn so với đất không gia cường. Kết quả từ các nghiên cứu này cho thấy việc áp dụng vải địa kỹ thuật là một giải pháp khả thi cho các công trình xây dựng trên nền đất yếu.

II. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thí nghiệm CBR để xác định cường độ của đất bùn gia cường. Mẫu thí nghiệm được chuẩn bị bằng cách đầm nén theo độ ẩm tối ưu và dung trong khô lớn nhất. Các mẫu đất được gia cường với một lớp vải địa kỹ thuật có bề dày thay đổi từ 10-20cm. Kết quả cho thấy cường độ CBR của mẫu gia cường tăng 20.1% so với mẫu không gia cường. Điều này chứng tỏ rằng việc gia cường bằng vải địa kỹ thuật có thể cải thiện đáng kể khả năng chịu tải của nền đất.

2.1. Kết quả thí nghiệm

Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng bề dày lớp đất gia cường càng nhỏ thì chỉ số cường độ CBR càng lớn. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng lực kéo trong vải địa kỹ thuật gia tăng tuyến tính theo độ gia tăng chỉ số CBR. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế và thi công các công trình xây dựng trên nền đất yếu, giúp giảm thiểu rủi ro lún sập và nâng cao độ bền cho công trình.

III. Ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn cao. Việc sử dụng vải địa kỹ thuật trong cải tạo đất bùn có thể giúp tận dụng nguồn bùn thải từ quá trình nạo vét sông, giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Kết quả nghiên cứu cho thấy khả năng ứng dụng của vải địa kỹ thuật trong các công trình san lấp mặt bằng, thay thế cho cát, từ đó tiết kiệm chi phí và tài nguyên.

3.1. Tính khả thi và hiệu quả

Việc áp dụng vải địa kỹ thuật trong cải tạo đất bùn không chỉ giúp nâng cao cường độ mà còn cải thiện khả năng thoát nước của nền đất. Điều này có thể giảm thiểu tình trạng ngập úng trong mùa mưa, đồng thời tạo ra một nền tảng vững chắc cho các công trình xây dựng. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới trong việc xử lý nền đất yếu, góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành xây dựng.

Tổng quan nghiên cứu

Đồng bằng sông Cửu Long, đặc biệt tỉnh An Giang, là vùng kinh tế trọng điểm miền Tây Nam Bộ với nhiều tiềm năng phát triển kinh tế - xã hội và giao thương. Tuy nhiên, nền đất yếu, chủ yếu là đất bùn sét có độ dày từ 2 đến 30m, gây nhiều khó khăn trong xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp. Đất bùn sét yếu có đặc tính độ ẩm cao (khoảng 54.4%), hệ số rỗng lớn (khoảng 1.44), và khả năng chịu tải thấp, dẫn đến hiện tượng lún, sụt, mất ổn định công trình nếu không xử lý đúng cách. Đồng thời, lượng bùn thải từ quá trình nạo vét sông rất lớn nhưng thường bị loại bỏ do tính chất yếu kém của đất bùn.

Nghiên cứu tập trung vào việc gia cường đất bùn sét yếu bằng vải địa kỹ thuật không dệt, dựa trên thí nghiệm xác định chỉ số California Bearing Ratio (CBR) hiện trường. Mục tiêu chính là khảo sát sự gia tăng cường độ CBR của đất bùn khi được gia cường bằng vải địa kỹ thuật, phân tích ảnh hưởng của bề dày lớp đất và ứng xử lực kéo trong vải thông qua mô phỏng phần mềm Plaxis 8.2. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào đất bùn nạo vét từ lòng sông rạch Long Xuyên, tỉnh An Giang, với các mẫu thí nghiệm có bề dày lớp đất từ 10 đến 20 cm.

Nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc ứng dụng vải địa kỹ thuật để cải tạo nền đất yếu, giảm chi phí xây dựng, đẩy nhanh tiến độ thi công và tận dụng nguồn đất bùn sét nạo vét làm vật liệu đắp thay thế cho cát trong các công trình san lấp mặt bằng. Kết quả nghiên cứu cũng góp phần làm rõ cơ chế gia tăng cường độ của đất bùn gia cường vải địa kỹ thuật, hỗ trợ thiết kế và thi công các công trình xây dựng trên nền đất yếu hiệu quả hơn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Chỉ số CBR (California Bearing Ratio): Là chỉ số đánh giá khả năng chịu tải của đất nền và các lớp móng đường, được xác định theo tiêu chuẩn TCVN 8821:2011 và ASTM D4429. Giá trị CBR phản ánh áp lực nén tại các độ sâu xuyên nhất định (2,54 mm và 5,08 mm) so với áp lực tiêu chuẩn, từ đó đánh giá chất lượng nền đất.

• Mô hình Mohr-Coulomb: Áp dụng trong mô phỏng phần tử hữu hạn (Plaxis 8.2) để mô tả ứng xử cơ học của đất và vải địa kỹ thuật, với các thông số như lực dính (c), góc ma sát trong (φ), modun đàn hồi (E), hệ số Poisson (ν), và góc giản nở (ψ).

• Khái niệm gia cường đất bằng vải địa kỹ thuật: Vải địa kỹ thuật không dệt có tính thấm cao, chịu kéo trung bình khoảng 9 kN/m, độ giãn dài khi đứt khoảng 50%, giúp tăng cường sức chịu tải, giảm hệ số rỗng, tăng độ chặt và cường độ chống cắt của đất bùn sét yếu.

• Mối quan hệ giữa lực kéo trong vải và chỉ số CBR: Qua mô phỏng Plaxis, lực kéo trong vải gia tăng tuyến tính theo độ gia tăng chỉ số CBR của đất gia cường, làm rõ cơ chế gia tăng cường độ của đất bùn khi được gia cường bằng vải địa kỹ thuật.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Đất bùn sét yếu được khai thác từ lòng sông rạch Long Xuyên, tỉnh An Giang, với đặc tính cơ lý được xác định qua các thí nghiệm chuẩn như độ ẩm, hệ số rỗng, giới hạn dẻo, giới hạn chảy, sức chống cắt, và khối lượng thể tích khô tối ưu.

• Thí nghiệm CBR hiện trường: Mẫu đất được đầm chặt theo độ ẩm tối ưu (khoảng 18.3%) và khối lượng thể tích khô lớn nhất, gia cường bằng một lớp vải địa kỹ thuật không dệt. Bề dày lớp đất thay đổi từ 10 cm đến 20 cm. Thí nghiệm được thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM D4429 với 5 điểm đo trên mỗi mẫu, đảm bảo độ chính xác và tin cậy.

• Mô phỏng phần tử hữu hạn (Plaxis 8.2): Mô hình 2D dạng phẳng, sử dụng mô hình Mohr-Coulomb, khai báo các thông số đất và vải địa kỹ thuật dựa trên kết quả thí nghiệm. Mô phỏng nhằm xác định lực kéo trong vải địa kỹ thuật và mối tương quan với chỉ số CBR, đồng thời kiểm nghiệm kết quả thí nghiệm hiện trường.

• Timeline nghiên cứu: Thu thập mẫu đất và vật liệu (tháng 1-3/2019), tiến hành thí nghiệm CBR hiện trường (tháng 4-5/2019), mô phỏng và phân tích dữ liệu (tháng 6/2019), hoàn thiện luận văn và bảo vệ (tháng 7/2019).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Gia tăng cường độ CBR nhờ vải địa kỹ thuật: Kết quả thí nghiệm cho thấy chỉ số CBR của đất bùn gia cường vải địa kỹ thuật tăng trung bình 20.1% so với đất không gia cường. Ví dụ, mẫu đất bùn dày 10 cm gia cường có CBR cao hơn đáng kể so với mẫu không gia cường cùng kích thước.

2. Ảnh hưởng của bề dày lớp đất: Khi bề dày lớp đất bùn giảm từ 20 cm xuống 10 cm, chỉ số CBR gia tăng rõ rệt, cho thấy lớp đất mỏng hơn khi được gia cường sẽ có khả năng chịu tải tốt hơn. Cụ thể, mẫu 10 cm có CBR cao hơn khoảng 15-20% so với mẫu 20 cm.

3. Mối quan hệ lực kéo trong vải và CBR: Mô phỏng Plaxis 8.2 cho thấy lực kéo trong vải địa kỹ thuật tăng tuyến tính theo độ gia tăng chỉ số CBR của đất gia cường. Lực kéo lớn nhất trong vải tương ứng với mẫu có CBR cao nhất, minh chứng cho vai trò quan trọng của vải trong việc truyền tải lực và gia tăng cường độ đất.

4. Ảnh hưởng của điều kiện ngâm nước: Mẫu đất bùn ngâm bão hòa có chỉ số CBR giảm đến 97% so với mẫu không ngâm, đồng thời lực kéo trong vải cũng giảm mạnh, cho thấy điều kiện ngập nước làm giảm hiệu quả gia cường. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc kiểm soát độ ẩm và thoát nước trong thi công.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân gia tăng cường độ CBR của đất bùn gia cường vải địa kỹ thuật là do vải địa kỹ thuật chịu lực kéo, phân phối tải trọng đều hơn và hạn chế biến dạng đất. Việc giảm bề dày lớp đất gia cường làm tăng hiệu quả truyền lực qua vải, từ đó nâng cao chỉ số CBR. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về gia cường đất bằng vải địa kỹ thuật và đệm cát.

Mô phỏng Plaxis 8.2 cung cấp cái nhìn sâu sắc về ứng xử lực kéo trong vải, điều mà thí nghiệm hiện trường không thể trực tiếp đo được. Biểu đồ tương quan giữa lực kéo trong vải và độ gia tăng CBR minh họa rõ ràng mối quan hệ tuyến tính, giúp giải thích cơ chế gia tăng cường độ đất bùn gia cường.

So với các nghiên cứu trong và ngoài nước, kết quả nghiên cứu này khẳng định tính hiệu quả của vải địa kỹ thuật không dệt trong gia cường đất bùn sét yếu, đồng thời bổ sung thêm dữ liệu thực nghiệm hiện trường và mô phỏng chi tiết, góp phần hoàn thiện cơ sở khoa học cho ứng dụng thực tiễn tại Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng vải địa kỹ thuật không dệt trong gia cố nền đất yếu: Khuyến nghị sử dụng vải địa kỹ thuật loại không dệt với độ dày khoảng 2.9 mm để gia cường đất bùn sét yếu, nhằm tăng cường độ chịu tải và giảm lún công trình. Chủ thể thực hiện: các nhà thầu xây dựng và tư vấn thiết kế. Thời gian áp dụng: ngay trong các dự án xây dựng mới.

2. Tối ưu bề dày lớp đất gia cường: Đề xuất thiết kế lớp đất gia cường có bề dày từ 10-15 cm để đạt hiệu quả gia cường tối ưu, đồng thời giảm vật liệu và chi phí. Chủ thể thực hiện: kỹ sư thiết kế và giám sát thi công. Thời gian áp dụng: trong giai đoạn thiết kế và thi công.

3. Kiểm soát độ ẩm và thoát nước: Cần thiết lập hệ thống thoát nước hiệu quả để tránh ngập úng, giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực đến cường độ đất gia cường. Chủ thể thực hiện: chủ đầu tư và nhà thầu thi công. Thời gian áp dụng: trong quá trình thi công và vận hành công trình.

4. Sử dụng mô phỏng phần mềm Plaxis trong thiết kế: Khuyến khích áp dụng mô phỏng phần tử hữu hạn để đánh giá lực kéo trong vải và dự báo hiệu quả gia cường, giúp tối ưu thiết kế và lựa chọn vật liệu phù hợp. Chủ thể thực hiện: các đơn vị tư vấn thiết kế và nghiên cứu. Thời gian áp dụng: trong giai đoạn thiết kế kỹ thuật.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư xây dựng và thiết kế công trình: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu thực nghiệm và mô phỏng chi tiết về gia cường đất bùn sét yếu, hỗ trợ thiết kế nền móng và lớp móng đường hiệu quả.

2. Nhà thầu thi công nền móng: Thông tin về phương pháp gia cường bằng vải địa kỹ thuật giúp lựa chọn vật liệu và kỹ thuật thi công phù hợp, giảm thiểu rủi ro lún sụt.

3. Chuyên gia nghiên cứu địa kỹ thuật: Cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về mối quan hệ giữa lực kéo trong vải và chỉ số CBR, mở rộng hiểu biết về cơ chế gia cường đất yếu.

4. Cơ quan quản lý và quy hoạch xây dựng: Tham khảo để xây dựng các tiêu chuẩn, quy định về xử lý nền đất yếu, đặc biệt tại các vùng đồng bằng sông Cửu Long có nền đất bùn sét yếu.

Câu hỏi thường gặp

1. Chỉ số CBR là gì và tại sao quan trọng trong nghiên cứu này?
   Chỉ số CBR (California Bearing Ratio) là thước đo khả năng chịu tải của đất nền và lớp móng. Trong nghiên cứu, CBR được dùng để đánh giá hiệu quả gia cường đất bùn sét yếu bằng vải địa kỹ thuật, giúp xác định khả năng chịu lực và ổn định công trình.

2. Vải địa kỹ thuật không dệt có đặc điểm gì nổi bật?
   Vải địa kỹ thuật không dệt có độ dày khoảng 2.9 mm, cường độ chịu kéo trung bình 9 kN/m, độ giãn dài khi đứt 50%, và hệ số thấm cao (k = 60×10⁻³ m/s). Những đặc tính này giúp vải chịu lực kéo tốt và thoát nước hiệu quả, tăng cường độ đất gia cường.

3. Tại sao bề dày lớp đất ảnh hưởng đến chỉ số CBR?
   Lớp đất mỏng hơn khi được gia cường giúp vải địa kỹ thuật phát huy hiệu quả chịu lực tốt hơn, giảm biến dạng và tăng cường độ CBR. Kết quả thí nghiệm cho thấy lớp đất 10 cm có CBR cao hơn khoảng 15-20% so với lớp 20 cm.

4. Mô phỏng Plaxis 8.2 giúp gì cho nghiên cứu?
   Phần mềm Plaxis 8.2 mô phỏng ứng xử cơ học của đất và vải địa kỹ thuật, xác định lực kéo trong vải mà thí nghiệm hiện trường không đo được trực tiếp. Mô phỏng giúp hiểu rõ cơ chế gia tăng cường độ đất và hỗ trợ thiết kế kỹ thuật chính xác.

5. Ảnh hưởng của điều kiện ngâm nước đến hiệu quả gia cường như thế nào?
   Đất bùn ngâm bão hòa có chỉ số CBR giảm đến 97% so với đất không ngâm, đồng thời lực kéo trong vải giảm mạnh, làm giảm hiệu quả gia cường. Do đó, kiểm soát độ ẩm và thoát nước là yếu tố quan trọng trong thi công và bảo trì công trình.

Kết luận

• Đất bùn sét yếu tại An Giang có đặc tính cơ lý đặc trưng với độ ẩm tự nhiên khoảng 54.4%, hệ số rỗng 1.44 và chỉ số dẻo PI = 26, ảnh hưởng lớn đến khả năng chịu tải công trình.
• Gia cường bằng vải địa kỹ thuật không dệt làm tăng chỉ số CBR trung bình 20.1%, cải thiện đáng kể sức chịu tải của đất bùn.
• Bề dày lớp đất gia cường ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu quả gia cường, lớp đất mỏng hơn cho chỉ số CBR cao hơn.
• Mô phỏng Plaxis 8.2 xác định lực kéo trong vải gia tăng tuyến tính theo độ gia tăng CBR, làm rõ cơ chế gia tăng cường độ đất bùn gia cường.
• Nghiên cứu mở ra hướng ứng dụng hiệu quả vải địa kỹ thuật trong cải tạo nền đất yếu, giảm chi phí và rút ngắn thời gian thi công các công trình xây dựng tại vùng đồng bằng sông Cửu Long.

Hành động tiếp theo: Áp dụng kết quả nghiên cứu vào thiết kế và thi công thực tế, đồng thời mở rộng nghiên cứu với các loại đất yếu khác và điều kiện môi trường đa dạng hơn nhằm hoàn thiện giải pháp gia cường nền đất.