Nghiên Cứu Đặc Tính Kỹ Thuật Của Đất Trộn Xi Măng Có Cốt Sợi Lưới Nông Nghiệp Và Ứng Dụng Vào Nền Đường

• Tác giả: Nguyễn Hoàng Vũ
• Người hướng dẫn: PGS. Châu Ngọc An
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Địa Kỹ Thuật Xây Dựng
• Đề tài: Nghiên Cứu Đặc Tính Kỹ Thuật Của Đất Trộn Xi Măng Có Cốt Sợi Lưới Nông Nghiệp
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU CẢI TẠO ĐẤT YẾU TẠI CHO DÙNG LÀM VẬT LIỆU ĐẮP Ở ĐỒNG THÁP
• 1.1. Đặc điểm chung về đất yếu khu vực tỉnh Đồng Tháp
• 1.2. Xi măng gia cường đất yếu như thế nào
• 1.3. Đặc tính của xi măng và cơ chế của phản ứng thuỷ hoá xi măng
• 1.4. Đặc tính của hỗn hợp đất trộn xi măng
• 1.5. Nhận xét về quá trình thuỷ hoá xi măng trong đất
• 1.6. Các yếu tố ảnh hưởng đến hỗn hợp đất trộn xi măng
• 1.7. Cốt sợi gia cường đất như thế nào
• 1.7.1. Nghiên cứu ứng dụng cốt sợi gia cường đất trên thế giới
• 1.7.2. Nghiên cứu ứng dụng cốt sợi lưới nông nghiệp gia cường đất yếu
• 1.7.3. Tổng quan về sợi lưới nông nghiệp
• 1.7.4. Sự làm việc đồng thời của khối xi măng - đất - lưới
• 1.7.5. Sự gia tăng cường độ của xi măng được gia cường sợi lưới
• 1.7.6. Các yếu tố ảnh hưởng đến hỗn hợp đất trộn xi măng có cốt sợi lưới
• 1.7.7. Các tính chất vật lý và tính chất cơ học của chính cốt sợi
• 1.7.8. Hàm lượng chỉ xơ
• 1.7.9. Kích thước cốt sợi
• 1.7.10. Ảnh hưởng của dung trọng khô
• 1.7.11. Ảnh hưởng của lượng xi măng
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH NỀN ĐƯỜNG
• 2.1. Thuyết bền theo Mohr - Coulomb
• 2.2. Thuyết cân bằng theo Mohr - Rankin
• 2.3. Xác định cường độ chịu nén từ thí nghiệm nén đơn có nở hông
• 2.4. Xác định lực dính c và góc nội ma sát ϕ từ thí nghiệm cắt trực tiếp
• 2.5. Cơ sở lý thuyết xác định sức chống cắt không thoát nước từ thí nghiệm cắt trực tiếp theo TCVN 4199 - 1995
• 2.6. Xác định sức chống cắt của đất có gia cố sợi lưới nông nghiệp
• 2.7. Cơ sở lý thuyết xác định các thông số nén lún
• 2.8. Thí nghiệm nén cô kết theo TCVN 4200 - 1995
• 2.9. Cơ sở lý thuyết xác định hệ số thấm
• 2.10. Định luật thấm
• 2.11. Gradient thuỷ lực ban đầu
• 2.12. Tính toán ổn định mái dốc
• 2.12.1. Phân tích ổn định mái dốc theo mặt trượt
• 3. CHƯƠNG 3: THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC CỦA ĐẤT, ĐẤT TRỘN XI MĂNG, ĐẤT TRỘN XI MĂNG CÓ CỐT SỢI LƯỚI NÔNG NGHIỆP
• 3.1. Công tác chuẩn bị
• 3.2. Chuẩn bị các nguyên vật liệu
• 3.3. Số lượng mẫu cho các thí nghiệm
• 3.4. Chế bị các mẫu thí nghiệm
• 3.5. Bao dưỡng các mẫu thí nghiệm
• 3.6. Các thí nghiệm xác định các đặc trưng vật lý của đất nền
• 3.6.1. Thí nghiệm xác định trọng lượng riêng (γ) của đất tự nhiên
• 3.6.2. Thí nghiệm xác định độ ẩm (W) của đất tự nhiên
• 3.6.3. Thí nghiệm xác định giới hạn nhão (li) và giới hạn dẻo (Ip) của đất tự nhiên theo tiêu chuẩn TCVN 4197-2012
• 3.7. Mục đích thí nghiệm nền
• 3.8. Dụng cụ thí nghiệm
• 3.9. Tiến hành thí nghiệm nén
• 3.10. Thí nghiệm cắt trực tiếp theo TCVN 4199 - 2012
• 3.10.1. Mục đích thí nghiệm
• 3.10.2. Dụng cụ thí nghiệm cắt trực tiếp
• 3.10.3. Tiến hành thí nghiệm cắt trực tiếp
• 3.11. Thí nghiệm nén cô kết
• 3.11.1. Mục đích thí nghiệm
• 3.11.2. Dụng cụ thí nghiệm nén cô kết
• 3.11.3. Tiến hành thí nghiệm nén cô kết
• 3.12. Thí nghiệm xác định hệ số thấm
• 3.12.1. Mục đích thí nghiệm xác định hệ số thấm
• 3.12.2. Dụng cụ thí nghiệm xác định hệ số thấm
• 3.12.3. Tiến hành thí nghiệm xác định hệ số thấm
• 3.13. Tổng hợp kết quả các thí nghiệm
• 4. CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG VẬT LIỆU ĐẤT TRỘN XI MĂNG CÓ GIA CƯỜNG SỢI LƯỚI NÔNG NGHIỆP VÀO NỀN ĐƯỜNG Ở ĐỒNG THÁP
• 4.1. Đặt vấn đề
• 4.2. Tính toán công trình thực tế
• 4.2.1. Giới thiệu công trình nền
• 4.2.2. Tính toán ổn định mái dốc
• 4.2.3. Phương pháp tính toán
• 4.2.4. Kiểm tra ổn định công trình bằng Geo Slope và Geo Seep
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC
• Phụ lục 1. Phụ lục tính toán thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của các mẫu đất
• Phụ lục 2. Phụ lục tính toán thí nghiệm cắt trực tiếp
• Phụ lục 3. Phụ lục tính toán thí nghiệm nén GON
• Phụ lục 4. Phụ lục tính toán thí nghiệm nén CỔ KẾT
• Phụ lục 5. Phụ lục tính toán thí nghiệm xác định hệ số thấm
• Phụ lục 6. Phụ lục tính toán, mô phỏng bằng phần mềm GeoSlope và GeoSeep

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Đất Trộn Xi Măng Cốt Sợi Giới Thiệu

Nghiên cứu đất trộn xi măng gia cố bằng cốt sợi lưới nông nghiệp mở ra hướng tiếp cận mới trong lĩnh vực xây dựng nền đường. Vấn đề đặt ra là làm sao tận dụng vật liệu địa phương, giảm chi phí, đồng thời nâng cao khả năng chịu lực và độ bền của nền đường. Giải pháp gia cố đất bằng xi măng và sợi lưới nông nghiệp được kỳ vọng giải quyết vấn đề này, đặc biệt ở các vùng có nền đất yếu. Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích các đặc tính kỹ thuật của loại vật liệu mới này thông qua thí nghiệm và mô phỏng số. Mục tiêu là tạo ra vật liệu đắp đường vừa kinh tế, vừa đáp ứng yêu cầu kỹ thuật. Các thí nghiệm trong phòng và ứng dụng phần mềm GeoStudio 2007 được sử dụng để đánh giá hiệu quả của phương pháp.

1.1. Đặc Điểm Đất Yếu và Giải Pháp Cải Tạo Tại Chỗ

Khu vực Đồng Tháp nói riêng và Đồng bằng sông Cửu Long nói chung có đặc điểm địa chất phức tạp với nền đất yếu, thường xuyên chịu tác động của lũ lụt. Việc xây dựng hạ tầng giao thông gặp nhiều khó khăn do nền đất không ổn định, dễ lún và trượt. Các giải pháp truyền thống như gia tải trước, cọc cát, hoặc thay thế đất gặp nhiều hạn chế về chi phí và thời gian thi công. Vì vậy, việc nghiên cứu các giải pháp cải tạo đất yếu tại chỗ, sử dụng vật liệu địa phương là rất cần thiết. Đất trộn xi măng kết hợp cốt sợi là một trong những giải pháp tiềm năng. Nghiên cứu tập trung vào việc đánh giá khả năng cải thiện các đặc tính cơ học của đất yếu sau khi gia cố bằng xi măng và sợi lưới nông nghiệp.

1.2. Ứng Dụng Sợi Lưới Nông Nghiệp Gia Cường Đất Tổng Quan

Việc sử dụng sợi lưới nông nghiệp như một loại vật liệu gia cường cho đất đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu. Ưu điểm của sợi lưới nông nghiệp là giá thành rẻ, dễ kiếm, và có khả năng phân hủy sinh học, thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, độ bền của sợi lưới nông nghiệp cũng là một vấn đề cần được quan tâm. Nghiên cứu này xem xét khả năng gia cường của sợi lưới nông nghiệp đối với đất trộn xi măng, đánh giá sự tương tác giữa đất, xi măng và sợi lưới, từ đó đưa ra các khuyến nghị về hàm lượng sử dụng và phương pháp thi công phù hợp. Các nghiên cứu trên thế giới cũng được tổng quan để so sánh và đối chiếu.

II. Cách Xác Định Đặc Tính Cơ Học Đất Trộn Xi Măng Hướng Dẫn

Việc xác định chính xác các đặc tính cơ học của đất trộn xi măng có cốt sợi là yếu tố then chốt để đảm bảo an toàn và hiệu quả của công trình. Các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm được thực hiện để xác định các chỉ tiêu quan trọng như cường độ chịu nén, sức chống cắt, độ thấm, và độ lún. Các thí nghiệm này tuân thủ theo các tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) hiện hành. Kết quả thí nghiệm được phân tích và so sánh với các loại đất khác để đánh giá mức độ cải thiện các đặc tính kỹ thuật. Phương pháp thí nghiệm nén ba trục, cắt trực tiếp, và nén cố kết được sử dụng phổ biến. Ngoài ra, các phương pháp phân tích lý thuyết cũng được áp dụng để giải thích kết quả thí nghiệm.

2.1. Thí Nghiệm Cắt Trực Tiếp Xác Định Sức Chống Cắt

Thí nghiệm cắt trực tiếp là phương pháp đơn giản và hiệu quả để xác định sức chống cắt của đất. Nguyên lý của thí nghiệm là tạo ra một mặt trượt trên mẫu đất và đo lực cần thiết để gây ra trượt. Kết quả thí nghiệm cho phép xác định các thông số quan trọng như lực dính (c) và góc ma sát trong (φ) của đất. Đối với đất trộn xi măng có cốt sợi lưới nông nghiệp, thí nghiệm cắt trực tiếp giúp đánh giá khả năng tăng cường sức chống cắt của sợi lưới. Phương pháp này tuân thủ TCVN 4199 – 1995.

2.2. Thí Nghiệm Nén Cố Kết Xác Định Độ Lún và Hệ Số Thấm

Thí nghiệm nén cố kết được sử dụng để xác định các thông số liên quan đến độ lún và hệ số thấm của đất. Thí nghiệm này mô phỏng quá trình nén của đất dưới tác dụng của tải trọng. Kết quả thí nghiệm cho phép xác định các chỉ số nén (Cc), chỉ số nở (Cs), và hệ số thấm (k). Các thông số này rất quan trọng để dự đoán độ lún của nền đường và đánh giá khả năng thoát nước của đất. Thí nghiệm nén cố kết tuân thủ TCVN 4200 – 1995.

2.3. Ứng Suất Hiệu Quả và Ổn Định Mái Dốc

Ứng Suất Hiệu Quả là lực tác dụng thật sự lên các hạt đất sau khi trừ đi áp lực nước lỗ rỗng. Hiểu rõ và tính toán đúng ứng suất hiệu quả là chìa khóa để đánh giá chính xác khả năng chịu tải và độ ổn định của nền đất, đặc biệt trong điều kiện đất ngậm nước hoặc có sự thay đổi mực nước ngầm. Trong thiết kế và phân tích ổn định mái dốc, việc tính toán ứng suất hiệu quả là bắt buộc để đảm bảo an toàn cho công trình. Các phương pháp phân tích ổn định mái dốc như Phương Pháp Phân Tích Giới Hạn (Limit Equilibrium Method) và Phương Pháp Phần Tử Hữu Hạn (Finite Element Method) đều dựa trên nguyên tắc ứng suất hiệu quả.

III. Kết Quả Thí Nghiệm Đặc Tính Kỹ Thuật Đất Gia Cường Phân Tích

Các kết quả thí nghiệm cho thấy việc sử dụng xi măng và sợi lưới nông nghiệp giúp cải thiện đáng kể các đặc tính kỹ thuật của đất. Cụ thể, cường độ chịu nén, sức chống cắt, và độ ổn định của đất tăng lên đáng kể. Hàm lượng xi măng và sợi lưới ảnh hưởng trực tiếp đến các chỉ tiêu này. Tuy nhiên, cần có một tỷ lệ trộn hợp lý để đạt được hiệu quả tối ưu. Việc tăng hàm lượng xi măng quá cao có thể gây ra hiện tượng giòn, trong khi hàm lượng sợi lưới quá nhiều có thể làm giảm độ chặt của đất. Kết quả thí nghiệm cũng cho thấy ảnh hưởng của thời gian bảo dưỡng đến các đặc tính cơ học của đất trộn xi măng.

3.1. Ảnh Hưởng Của Hàm Lượng Xi Măng Đến Cường Độ Chịu Nén

Hàm lượng xi măng là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến cường độ chịu nén của đất trộn xi măng. Kết quả thí nghiệm cho thấy, khi tăng hàm lượng xi măng, cường độ chịu nén của đất tăng lên đáng kể. Điều này là do xi măng tạo thành các liên kết bền vững giữa các hạt đất, giúp đất chịu được tải trọng lớn hơn. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng việc tăng hàm lượng xi măng quá cao có thể làm tăng chi phí và gây ra hiện tượng co ngót, nứt nẻ của đất.

3.2. Vai Trò Của Sợi Lưới Nông Nghiệp Trong Việc Gia Cường Sức Chống Cắt

Sợi lưới nông nghiệp đóng vai trò quan trọng trong việc gia cường sức chống cắt của đất trộn xi măng. Sợi lưới hoạt động như các neo giữ, giúp phân tán lực tác dụng lên đất và ngăn ngừa sự hình thành các mặt trượt. Kết quả thí nghiệm cho thấy, khi có sợi lưới, sức chống cắt của đất tăng lên đáng kể, đặc biệt là ở giai đoạn biến dạng lớn. Tuy nhiên, hiệu quả gia cường của sợi lưới phụ thuộc vào nhiều yếu tố như loại sợi, kích thước sợi, và hàm lượng sợi.

3.3. Ảnh Hưởng Thời Gian Bảo Dưỡng

Thời gian bảo dưỡng đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển cường độ của đất trộn xi măng. Quá trình thủy hóa xi măng cần thời gian để các phản ứng hóa học diễn ra hoàn toàn, tạo ra các liên kết bền vững giữa các hạt đất. Kết quả thí nghiệm cho thấy, cường độ chịu nén và sức chống cắt của đất trộn xi măng tăng lên theo thời gian bảo dưỡng, đặc biệt là trong giai đoạn đầu (7-28 ngày). Sau giai đoạn này, tốc độ tăng cường độ chậm lại.

IV. Ứng Dụng Thực Tế Đất Gia Cường Tại Đồng Tháp Giải Pháp

Kết quả nghiên cứu được ứng dụng vào việc thiết kế và thi công nền đường tại huyện Hồng Ngự, tỉnh Đồng Tháp. Khu vực này có nền đất yếu và thường xuyên bị ngập lũ. Việc sử dụng đất trộn xi măng có cốt sợi lưới nông nghiệp giúp giảm chi phí xây dựng và nâng cao tuổi thọ của công trình. Quá trình thi công được thực hiện theo các bước sau: chuẩn bị vật liệu, trộn vật liệu theo tỷ lệ đã xác định, đắp đất và lu lèn. Các thông số kỹ thuật được kiểm tra thường xuyên để đảm bảo chất lượng công trình. Đề xuất về biện pháp thi công và kiểm soát chất lượng, đưa ra hướng dẫn cụ thể cho việc áp dụng vật liệu mới vào thực tế.

4.1. Tính Toán Ổn Định Mái Dốc Sử Dụng Phần Mềm GeoStudio

Phần mềm GeoStudio được sử dụng để phân tích ổn định mái dốc của nền đường. Phần mềm này cho phép mô phỏng các điều kiện địa chất và tải trọng khác nhau, từ đó đánh giá mức độ an toàn của công trình. Kết quả phân tích cho thấy, việc sử dụng đất trộn xi măng có cốt sợi lưới nông nghiệp giúp tăng hệ số an toàn của mái dốc, giảm nguy cơ sạt lở. Phương pháp Bishop đơn giản hóa được áp dụng.

4.2. Đánh Giá Dòng Thấm Qua Nền Đường Phân Tích Thủy Văn

Dòng thấm qua nền đường là một yếu tố quan trọng cần được xem xét trong thiết kế. Dòng thấm có thể gây ra hiện tượng xói mòn, làm giảm độ ổn định của nền đường. Kết quả phân tích cho thấy, việc sử dụng đất trộn xi măng có cốt sợi lưới nông nghiệp có thể làm giảm hệ số thấm của đất, hạn chế dòng thấm qua nền đường. Áp dụng phần mềm GeoSeep để mô phỏng dòng thấm.

4.3. So sánh kết quả mô phỏng với kết quả thí nghiệm

Để đảm bảo độ tin cậy và chính xác của các mô hình số, việc so sánh và đối chiếu kết quả mô phỏng với kết quả thí nghiệm thực tế là vô cùng quan trọng. Việc này giúp đánh giá mức độ phù hợp của mô hình và hiệu chỉnh các thông số đầu vào cho phù hợp với điều kiện thực tế của công trình. Khi có sự sai khác giữa kết quả mô phỏng và thí nghiệm, cần xem xét các yếu tố như sai số trong thí nghiệm, độ chính xác của các thông số đầu vào và sự đơn giản hóa của mô hình. Từ đó, điều chỉnh mô hình và các thông số để kết quả mô phỏng gần với thực tế hơn.

V. Kết Luận Ưu Điểm và Hướng Phát Triển Đất Gia Cường Tương Lai

Nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả của việc sử dụng đất trộn xi măng có cốt sợi lưới nông nghiệp trong xây dựng nền đường. Vật liệu này có nhiều ưu điểm như giá thành rẻ, dễ thi công, và thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, cần có thêm nhiều nghiên cứu để tối ưu hóa tỷ lệ trộn và đánh giá độ bền lâu dài của vật liệu. Các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc sử dụng các loại sợi tự nhiên khác, hoặc kết hợp với các vật liệu gia cố khác để nâng cao hiệu quả. Đề xuất các nghiên cứu sâu hơn về độ bền, khả năng chống chịu tác động môi trường, và đánh giá vòng đời của vật liệu. Hướng phát triển vật liệu xây dựng bền vững, thân thiện với môi trường.

5.1. Đề Xuất Sử Dụng Các Loại Sợi Tự Nhiên Thay Thế

Việc sử dụng các loại sợi tự nhiên như xơ dừa, bã mía, hoặc rơm rạ có thể là một giải pháp thay thế hiệu quả cho sợi lưới nông nghiệp. Các loại sợi này có giá thành rẻ, dễ kiếm, và có khả năng phân hủy sinh học. Tuy nhiên, cần có các nghiên cứu để đánh giá khả năng gia cường của các loại sợi này và xác định tỷ lệ trộn phù hợp. Cần đánh giá khả năng phân hủy sinh học và ảnh hưởng đến môi trường.

5.2. Nghiên Cứu Độ Bền Lâu Dài và Khả Năng Chống Chịu Môi Trường

Độ bền lâu dài và khả năng chống chịu môi trường là những yếu tố quan trọng cần được xem xét khi sử dụng đất trộn xi măng có cốt sợi trong xây dựng. Cần có các nghiên cứu để đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm, và hóa chất đến tuổi thọ của vật liệu. Các thí nghiệm gia tốc lão hóa có thể được sử dụng để dự đoán độ bền lâu dài của vật liệu.

Tổng quan nghiên cứu

Đất yếu là một trong những thách thức lớn trong xây dựng công trình nền móng, đặc biệt tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long, nơi có địa chất đặc trưng với đất phù sa, đất phèn và đất xám chiếm phần lớn diện tích. Theo thống kê, đất phù sa chiếm 59,06%, đất phèn 25,99%, đất xám 8,67% diện tích tự nhiên tỉnh Đồng Tháp. Đặc tính cơ lý của đất yếu như độ chặt thấp, độ bền kém, độ thấm cao và biến dạng lớn gây ra nhiều khó khăn trong thi công và ảnh hưởng đến độ bền công trình. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đánh giá các đặc tính kỹ thuật của đất trộn xi măng có cốt sợi lưới nông nghiệp nhằm cải thiện tính ổn định, sức chống cắt và tính thấm của nền đường, đồng thời ứng dụng vật liệu này vào công tác đắp nền đường tại huyện Hồng Ngự, tỉnh Đồng Tháp. Nghiên cứu thực hiện trong phạm vi thời gian từ tháng 6 đến tháng 11 năm 2013, tập trung vào đất yếu tại địa phương và sử dụng các phương pháp thí nghiệm trong phòng cùng mô phỏng số bằng phần mềm GeoStudio 2007. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc tạo ra vật liệu đắp đường mới, tận dụng phế thải nông nghiệp, nâng cao hiệu quả kinh tế và kỹ thuật, đồng thời góp phần giảm thiểu các vấn đề về môi trường và tăng cường độ bền công trình giao thông trong mùa mưa lũ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: thuyết Mohr-Coulomb về sức chống cắt của đất và thuyết cân bằng Mohr-Rankin để đánh giá ổn định nền đường. Thuyết Mohr-Coulomb mô tả sức chống cắt của đất là hàm tuyến tính của ứng suất pháp tuyến, với các tham số chính gồm lực dính (c) và góc ma sát trong (φ). Thuyết Mohr-Rankin mở rộng để xác định điều kiện cân bằng giới hạn của đất dưới tác dụng tải trọng, giúp xác định mặt trượt nguy hiểm nhất trong nền đất. Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: cường độ nén đơn không giới hạn nở hông (UCS), sức chống cắt, hệ số thấm, chỉ số nén lún, và các đặc tính cơ học của đất trộn xi măng có cốt sợi lưới nông nghiệp. Ngoài ra, cơ chế thủy hóa xi măng và tương tác cơ học tại mặt tiếp xúc giữa đất và cốt sợi được phân tích chi tiết, làm rõ vai trò của xi măng trong việc tăng cường độ bền và giảm tính dẻo của đất, cũng như tác động của sợi lưới nông nghiệp trong việc gia tăng sức chống cắt và ổn định cơ học.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng kết hợp thí nghiệm trong phòng và mô phỏng số. Nguồn dữ liệu chính là các mẫu đất yếu lấy từ huyện Hồng Ngự, tỉnh Đồng Tháp, với cỡ mẫu khoảng 60 mẫu được chuẩn bị theo tỷ lệ phối trộn khác nhau giữa đất tự nhiên, xi măng (từ 7% đến 15%) và sợi lưới nông nghiệp (0,25% đến 0,5%). Các thí nghiệm bao gồm: thí nghiệm nén đơn không giới hạn nở hông (UCS) ở các thời điểm 7, 14 và 28 ngày; thí nghiệm cắt trực tiếp theo tiêu chuẩn TCVN 4199-2012; thí nghiệm nén cô kết; và thí nghiệm xác định hệ số thấm bằng phương pháp cột áp thay đổi. Phương pháp phân tích dữ liệu dựa trên so sánh các chỉ tiêu cơ lý giữa đất tự nhiên, đất trộn xi măng và đất trộn xi măng có cốt sợi lưới. Mô phỏng số được thực hiện bằng phần mềm GeoSlope và GeoSeep nhằm đánh giá ổn định mái dốc và dòng thấm của nền đường với các phương án đắp khác nhau. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 6 đến tháng 11 năm 2013, bao gồm giai đoạn chuẩn bị mẫu, thí nghiệm, phân tích dữ liệu và mô phỏng ứng dụng thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tăng hệ số ổn định: Hỗn hợp đất trộn 12% xi măng và 0,5% sợi lưới nông nghiệp có hệ số ổn định cao hơn 3,67 lần so với đất tự nhiên. Điều này chứng tỏ sự gia cố hiệu quả của xi măng kết hợp với cốt sợi trong việc cải thiện độ bền nền đường.

2. Gia tăng hệ số thấm: Hệ số thấm của đất trộn xi măng có cốt sợi lưới cao hơn 2,76 lần so với đất tự nhiên, dẫn đến lưu lượng thấm qua nền đường tăng gần 1,4 lần. Kết quả này cho thấy vật liệu mới có khả năng thoát nước tốt hơn, giảm nguy cơ ngập úng và lún nền.

3. Cường độ chịu nén và sức chống cắt: Cường độ nén đơn của hỗn hợp đất trộn xi măng có cốt sợi lưới tăng gấp 2-2,5 lần so với đất chỉ trộn xi măng cùng hàm lượng. Sức chống cắt cũng được cải thiện rõ rệt, với lực dính và góc ma sát trong tăng lên đáng kể, góp phần nâng cao tính ổn định cơ học.

4. Ảnh hưởng của hàm lượng xi măng và sợi lưới: Hàm lượng xi măng và sợi lưới ảnh hưởng tuyến tính đến các đặc tính cơ học. Hàm lượng xi măng 12% và sợi lưới 0,5% được xác định là tỷ lệ phối trộn tối ưu, cân bằng giữa hiệu quả kỹ thuật và kinh tế.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện tính chất kỹ thuật là do phản ứng thủy hóa xi măng tạo ra các hợp chất kết dính như Hydrated Calcium Silicate và Hydrated Calcium Aluminate, làm tăng độ cứng và giảm tính dẻo của đất. Đồng thời, cốt sợi lưới nông nghiệp tạo ra lực ma sát và liên kết cơ học giữa các hạt đất, tăng sức chống cắt và khả năng chịu kéo của hỗn hợp. So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả phù hợp với báo cáo của Tang và cộng sự (2007) về vai trò của cốt sợi trong việc tăng cường độ bền và tính dẻo dai của đất xi măng. Việc mô phỏng bằng GeoSlope và GeoSeep minh họa rõ ràng sự khác biệt về ổn định và dòng thấm giữa các phương án đắp nền, hỗ trợ việc lựa chọn phương án thi công tối ưu. Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa hàm lượng xi măng, sợi lưới và cường độ nén đơn, cũng như bảng tổng hợp hệ số thấm và hệ số ổn định, giúp trực quan hóa hiệu quả của vật liệu mới.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng tỷ lệ phối trộn tối ưu: Khuyến nghị sử dụng hỗn hợp đất trộn 12% xi măng và 0,5% sợi lưới nông nghiệp cho các công trình đắp nền đường tại Đồng Tháp nhằm tăng hệ số ổn định và giảm thiểu lún nền. Thời gian thực hiện trong vòng 6 tháng đầu năm xây dựng.

2. Tăng cường công tác đào tạo kỹ thuật: Đào tạo cán bộ kỹ thuật và công nhân thi công về quy trình trộn, bảo dưỡng và kiểm tra chất lượng vật liệu nhằm đảm bảo hiệu quả gia cố. Chủ thể thực hiện là các đơn vị thi công và cơ quan quản lý địa phương.

3. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng: Khuyến khích nghiên cứu thêm về ảnh hưởng của các loại xi măng khác nhau, kích thước sợi lưới và điều kiện đất phèn để mở rộng phạm vi ứng dụng vật liệu. Thời gian nghiên cứu dự kiến 1-2 năm.

4. Tận dụng phế thải nông nghiệp: Khuyến khích thu gom và tái sử dụng sợi lưới nông nghiệp phế thải làm vật liệu gia cố, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và chi phí nguyên liệu. Chủ thể thực hiện là các cơ quan môi trường và doanh nghiệp nông nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư xây dựng và địa kỹ thuật: Nắm bắt các phương pháp cải tạo đất yếu bằng xi măng và cốt sợi, áp dụng vào thiết kế và thi công nền đường, nâng cao chất lượng công trình.

2. Nhà quản lý dự án giao thông: Đánh giá hiệu quả kinh tế và kỹ thuật của vật liệu đắp nền mới, từ đó lựa chọn giải pháp phù hợp cho các dự án đường bộ tại vùng Đồng bằng sông Cửu Long.

3. Nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành xây dựng: Tham khảo cơ sở lý thuyết, phương pháp thí nghiệm và mô phỏng số trong nghiên cứu đất trộn xi măng có cốt sợi, phục vụ cho các đề tài nghiên cứu tiếp theo.

4. Cơ quan quản lý môi trường và nông nghiệp: Hiểu rõ tiềm năng tái sử dụng phế thải nông nghiệp trong xây dựng, góp phần phát triển bền vững và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao phải sử dụng xi măng và cốt sợi lưới trong cải tạo đất yếu?
   Xi măng tạo liên kết hóa học làm tăng độ cứng và giảm tính dẻo của đất, trong khi cốt sợi lưới tăng cường lực ma sát và sức chống cắt, giúp cải thiện độ ổn định và khả năng chịu tải của nền đường.

2. Hàm lượng xi măng và sợi lưới tối ưu là bao nhiêu?
   Nghiên cứu xác định tỷ lệ phối trộn tối ưu là 12% xi măng và 0,5% sợi lưới theo trọng lượng đất, cân bằng giữa hiệu quả kỹ thuật và chi phí.

3. Phương pháp thí nghiệm nào được sử dụng để đánh giá tính chất đất trộn?
   Các thí nghiệm chính gồm nén đơn không giới hạn nở hông, cắt trực tiếp, nén cô kết và xác định hệ số thấm, giúp đánh giá sức chịu tải, sức chống cắt và khả năng thoát nước của vật liệu.

4. Lợi ích của việc sử dụng sợi lưới nông nghiệp phế thải là gì?
   Ngoài việc tăng cường tính cơ học, việc sử dụng sợi lưới phế thải giúp giảm thiểu rác thải nông nghiệp, tiết kiệm nguyên liệu và góp phần bảo vệ môi trường.

5. Phần mềm GeoStudio 2007 được dùng để làm gì trong nghiên cứu?
   GeoStudio 2007 được sử dụng để mô phỏng ổn định mái dốc và dòng thấm của nền đường, giúp đánh giá hiệu quả các phương án đắp nền và lựa chọn giải pháp thi công phù hợp.

Kết luận

• Đất trộn xi măng có cốt sợi lưới nông nghiệp cải thiện đáng kể hệ số ổn định (tăng 3,67 lần) và hệ số thấm (tăng 2,76 lần) so với đất tự nhiên.
• Hàm lượng phối trộn tối ưu là 12% xi măng và 0,5% sợi lưới, giúp tăng cường sức chống cắt và giảm biến dạng nền đường.
• Mô phỏng số bằng GeoSlope và GeoSeep hỗ trợ đánh giá và lựa chọn phương án đắp nền tối ưu cho công trình thực tế tại Đồng Tháp.
• Việc tận dụng phế thải nông nghiệp làm cốt sợi góp phần giảm chi phí và bảo vệ môi trường.
• Đề xuất áp dụng vật liệu này trong các dự án đắp nền đường tại Đồng bằng sông Cửu Long, đồng thời mở rộng nghiên cứu cho các vùng đất yếu khác.

Hành động tiếp theo: Các đơn vị thi công và quản lý dự án nên triển khai thử nghiệm thực tế với tỷ lệ phối trộn đề xuất, đồng thời tổ chức đào tạo kỹ thuật để đảm bảo hiệu quả ứng dụng. Các nhà nghiên cứu có thể tiếp tục mở rộng phạm vi khảo sát và phát triển vật liệu mới dựa trên nền tảng này.