Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu ứng xử thấm của đất trộn vữa xi măng trong phòng" (tên tiếng Anh: Investigation of Permeability of Soilcrete in the Laboratory) được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Lương Thị Bích, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Trần Nguyễn Hoàng Hùng, bảo vệ tại Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh năm 2023, thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông (Mã số chuyên ngành: 9580205).

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Công nghệ đất trộn xi măng (Soil-Cement Mixing - SCM) đã được ứng dụng trong các công trình kỹ thuật nhằm xử lý nền đất yếu và thi công các hạng mục ngăn thấm như lõi đê, đập, tường hào ngăn cách và vách hố đào. Hệ số thấm ($k_s$) của đất trộn xi măng (soilcrete) là thông số vật lý then chốt để đánh giá hiệu quả chống thấm. Tuy nhiên, các nghiên cứu trên thế giới về hệ số thấm của soilcrete tồn tại nhiều kết quả trái ngược: một số công trình công bố hệ số thấm tăng sau khi xử lý xi măng, trong khi các công trình khác chỉ ra hệ số thấm giảm hoặc biến thiên không tuyến tính theo hàm lượng xi măng.

Tại Việt Nam, công nghệ đất trộn xi măng chủ yếu được quy chuẩn và nghiên cứu cho mục đích gia cố cơ học chịu tải (theo TCVN 9403:2012). Việc đo đạc trực tiếp hệ số thấm của soilcrete còn hạn chế do thiếu hệ thống thiết bị chuyên dụng phù hợp; các thí nghiệm trước đây chủ yếu sử dụng thiết bị thấm thành cứng (dao vòng) theo TCVN 8723:2012, vốn tiềm ẩn hiện tượng dòng nước thấm chảy dọc thành mẫu do co ngót vật liệu. Khu vực Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) có cấu tạo địa chất đặc trưng với tầng bùn sét yếu dày và nguồn cát san lấp khai thác từ lòng sông dồi dào. Các tuyến đê bao bằng đất kết hợp đường giao thông nông thôn (GTNT) tại khu vực này thường xuyên đối mặt với nguy cơ rò rỉ thấm, xói ngầm và vỡ đê trong mùa lũ hoặc khi mực nước lũ rút nhanh. Do đó, việc nghiên cứu toàn diện ứng xử thấm của soilcrete chế tạo từ đất ĐBSCL trên thiết bị thành mềm là yêu cầu kỹ thuật cấp thiết.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án là nghiên cứu bao quát ứng xử thấm của soilcrete tạo ra từ một số loại đất đặc trưng ở ĐBSCL trộn với vữa xi măng trong phòng thí nghiệm. Các mục tiêu cụ thể được đánh số trong văn bản gồm:

  1. Nghiên cứu chế tạo hệ thống thiết bị thí nghiệm thấm soilcrete trong phòng.
  2. Xây dựng quy trình hướng dẫn thí nghiệm thấm vật liệu soilcrete trong phòng thí nghiệm bằng thiết bị thấm chế tạo.
  3. Phân tích ứng xử thấm soilcrete theo các khía cạnh bao gồm: thời gian bảo dưỡng, hàm lượng xi măng, loại xi măng, loại đất, và phụ gia bentonite.
  4. Thiết lập bước đầu mối tương quan giữa cường độ và hệ số thấm của soilcrete.
  5. Khảo sát vi cấu trúc và thành phần khoáng của soilcrete.
  6. Mô phỏng và phân tích khả năng sử dụng soilcrete làm tường ngăn thấm, tăng ổn định cho đường ven sông và đê bao ở khu vực ĐBSCL.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Ứng xử thấm, cường độ nén nở hông tự do và vi cấu trúc của vật liệu đất trộn xi măng (soilcrete), đất trộn hỗn hợp xi măng – bentonite (soilcrete bentonite).
  • Phạm vi không gian và vật liệu: Nghiên cứu trong phòng thí nghiệm đối với 4 loại đất đại diện tại ĐBSCL gồm: bùn sét (lấy tại Đồng Tháp), sét dẻo mềm (Đồng Tháp), sét dẻo cứng (Hậu Giang) và cát san lấp (Đồng Tháp). Ba loại chất kết dính gồm xi măng Portland thông thường (OPC40), xi măng Portland hỗn hợp (PCB40), xi măng Portland xỉ lò cao (PCS chứa 50% xỉ) và phụ gia bentonite.
  • Phạm vi ứng dụng công trình: Áp dụng kết cấu tường soilcrete làm giải pháp ngăn thấm và tăng cường ổn định cho các công trình quy mô vừa và nhỏ như đê bao chống lũ kết hợp đường giao thông nông thôn ven sông chịu tác động của môi trường nước ngọt tại ĐBSCL (phân tích điển hình tại kênh 2/9, tỉnh Đồng Tháp và kênh Mười Cai, tỉnh An Giang).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước đây được điểm lại

Luận án đã tổng hợp các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về đặc tính cơ lý, ứng xử thấm và cấu trúc vi mô của đất trộn xi măng theo các nhóm vấn đề:

  • Sự biến thiên hệ số thấm theo hàm lượng xi măng:

    • Nhóm ghi nhận hệ số thấm tăng: Chew et al. (2004), Tran et al. (2014) và báo cáo EuroSoilStab (2002) chỉ ra hệ số thấm tăng từ 100 đến 1000 lần khi đất được ổn định bằng chất kết dính do hiện tượng kết cụm hạt sét tạo lỗ rỗng lớn.
    • Nhóm ghi nhận hệ số thấm giảm: Abbey et al. (2018) thử nghiệm trên bùn sét trộn 4–16% xi măng; Rahman et al. (2016) trên đất than bùn với hàm lượng xi măng 0–40%; Ikhlef et al. (2015) trên đất bùn trộn 2–6% xi măng; Deng et al. (2015) trên sét dẻo chảy trộn 12–15% xi măng; Amhadi & Assaf (2020) trên cát sa mạc trộn 3–7% xi măng; Alkaya & Esener (2011) và Bahar et al. (2004) trên đất cát trộn 5–20% xi măng ghi nhận $k_s$ giảm sâu xuống khoảng $10^{-10}\text{ m/s}$.
    • Nhóm ghi nhận quan hệ phi tuyến: Govindasamy & Taha (2016), Mengue et al. (2017) (đối với đất laterit có $k_s$ nhỏ nhất tại 6% xi măng rồi tăng trở lại), Latt & Giao (2016) (trên bùn sét Bangkok trộn 150, 200, 250 $\text{kg/m}^3$ xi măng).
    • Nhóm ghi nhận phụ thuộc loại đất: Bellezza & Fratalocchi (2006).

  • Ảnh hưởng của loại xi măng, thời gian bảo dưỡng, tỷ lệ nước/chất kết dính và phụ gia:

    • Loại xi măng: Markou & Droudakis (2013) so sánh xi măng Portland thông thường, xi măng hỗn hợp và xi măng pozzolan trộn với cát.
    • Thời gian bảo dưỡng: Latt & Giao (2017), Bhattacharja & Bhatty (2003), Akbulut & Saglamer (2004), Wong et al. (2008) ghi nhận hệ số thấm giảm theo thời gian ninh kết.
    • Phụ gia bentonite: Kumar (2010), Alkaya & Esener (2011), Iravanian (2015) chứng minh hỗn hợp cát – bentonite – xi măng đạt $k_s < 10^{-9}\text{ m/s}$.
    • Tỷ lệ nước/xi măng ($w/c$): Pantazopoulos et al. (2013) ghi nhận hệ số thấm cát trộn xi măng tăng 5 lần khi tăng tỷ lệ $w/c$.

  • Ảnh hưởng của gradient thủy lực ($i$):

    • Dunn & Mitchell (1984), Tong & Shackelford (2016), Gueddouda et al. (2010), Picandet et al. (2011), Assaad & Harb (2013), Yuzhen et al. (1999) đánh giá ảnh hưởng của áp lực dòng thấm và kết luận soilcrete có thể làm việc ổn định ở gradient thủy lực cao mà không phá hủy cấu trúc.

  • Nghiên cứu thấm soilcrete tại Việt Nam:

    • Mai Thị Hồng (2019) nghiên cứu đất sét pha dăm sạn trộn 3% vôi – 2% xi măng làm đập đất Tây Nguyên bằng hộp thấm.
    • Nguyễn Hữu Năm (2021) nghiên cứu đất Bazan trộn puzolan, vôi, xi măng so sánh phương pháp địa kỹ thuật (TCVN 8723:2012) và thấm bê tông (TCVN 8219:2009).

  • Nghiên cứu vi cấu trúc:

    • Choquette et al. (1987), Kamruzzaman (2002), Onitsuka et al. (2003), Nontananandh et al. (2005), Horpibulsuk (2012), Mousavi & Wong (2016) sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM) và nhiễu xạ tia X (XRD) quan sát các sản phẩm thủy hóa gồm Calcium Silicate Hydrate (CSH), Calcium Aluminate Hydrate (CAH/Ettringite), Portlandite $\text{Ca(OH)}_2$.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Luận án giải quyết sự thiếu nhất quán trong các kết luận về xu hướng thấm của soilcrete, khắc phục tình trạng thiếu thiết bị và quy trình đo thấm màng mềm chuẩn hóa tại Việt Nam, đồng thời xây dựng bộ cơ sở dữ liệu thực nghiệm về hệ số thấm, cường độ nén và cấu trúc vi mô cho đất ĐBSCL gia cố xi măng phục vụ công trình chống thấm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Cơ chế phản ứng hóa học hình thành cấu trúc soilcrete: Dựa trên sơ đồ phản ứng giữa đất, nước và xi măng (Saitoh et al.). Khi trộn xi măng vào đất ẩm, phản ứng thủy hóa lập tức tạo $\text{Ca(OH)}_2$, nâng cao độ pH môi trường nước lỗ rỗng và tạo ra các pha gel CSH, CAH. Ion $\text{Ca}^{2+}$ trao đổi với các cation hóa trị một ($\text{Na}^+$, $\text{K}^+$) trên bề mặt khoáng sét, làm giảm độ dày lớp điện kép khuếch tán, thúc đẩy quá trình kết bông và kết tụ cụm hạt. Tiếp theo, phản ứng pozzolanic thứ cấp diễn ra lâu dài giữa $\text{Ca}^{2+}$ và pozzolan hòa tan trong khoáng sét tạo thêm CSH và CAH lấp đầy lỗ rỗng, làm giảm tính thấm và tăng cường độ nén.
  • Lý thuyết thấm trong môi trường bão hòa: Thỏa mãn định luật Darcy với dòng chảy tầng:
    • Phương pháp cột áp vào hạ – cột áp ra không đổi (Method A): $$k = \frac{a \cdot L}{A \cdot t} \ln\left(\frac{h_1}{h_2}\right)$$
    • Phương pháp cột áp vào hạ – cột áp ra dâng (Method B): $$k = \frac{L}{A \cdot t} \frac{a_{in} \cdot a_{out}}{a_{in} + a_{out}} \ln\left(\frac{h_1}{h_2}\right)$$ Khi $a_{in} = a_{out} = a$: $$k = \frac{a \cdot L}{2 \cdot A \cdot t} \ln\left(\frac{h_1}{h_2}\right)$$
    • Cột áp tổng tác dụng lên mẫu tạo bằng khí nén: $$H_{in} = \frac{P_{in}}{\gamma_w} + h_{in} + z_0$$ $$H_{cell} = \frac{P_{cell}}{\gamma_w} + h_{cell} + z_0$$
    • Quy đổi hệ số thấm về nhiệt độ chuẩn $20^\circ\text{C}$: $$k_{20} = k \cdot \frac{\eta_T}{\eta_{20}}$$
  • Lý thuyết nhiễu xạ tia X (XRD): Dựa trên định luật Bragg để xác định khoảng cách giữa các lớp tinh thể: $$2d \sin\theta = n\lambda$$
    [Đất ĐBSCL + Vữa xi măng ± Bentonite]
[Thí nghiệm cơ học]         [Thí nghiệm thấm]
(ASTM D2166 - UCS)         (ASTM D5084 - Thành mềm)
  • q_u tại 7, 28 ngày       • k_s theo thời gian (2-90 ngày)
                             • Biến thiên theo A_c, A_b, loại đất, loại xi măng
        [Khảo sát vi cấu trúc]
        (SEM, XRD bột, phổ EDS)
        [Mô phỏng đê bao ven sông]
        (SEEP/W dòng thấm & SLOPE/W ổn định FS)

Phương pháp thực nghiệm và thiết bị

  • Chế tạo thiết bị thấm màng mềm: Thiết kế và gia công hệ thống thiết bị thấm thành mềm tuân thủ tiêu chuẩn ASTM D5084, điều khiển cột áp bằng áp lực khí nén kết hợp đo áp lực nước tại đáy mẫu. Thiết bị cho phép duy trì áp lực buồng luôn lớn hơn áp lực dòng thấm vào mẫu để màng cao su ép sát thành mẫu, triệt tiêu dòng rò rỉ cạnh.
  • Thí nghiệm xác định cường độ: Nén nở hông tự do (UCS) theo tiêu chuẩn ASTM D2166 tại thời điểm bảo dưỡng 7 ngày và 28 ngày.
  • Thí nghiệm phân tích vi cấu trúc:
    • Kính hiển vi điện tử quét (SEM) model JEOL JSM-IT100 quan sát hình thái tinh thể và mạng rỗng bề mặt ở các độ phóng đại từ $\times200$ đến $\times5000$.
    • Nhiễu xạ tia X dạng bột (XRD) đo góc quét $2\theta$ từ $10^\circ$ đến $70^\circ$ để nhận diện các đỉnh khoáng CSH, CAH, Portlandite và Quartz.
    • Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS) định lượng tỷ lệ phần trăm các nguyên tố hóa học (Ca, Si, Al, Fe, O, Mg, K, Na).
  • Phương pháp mô phỏng số: Ứng dụng phần mềm SEEP/W (phân tích dòng thấm bão hòa – chưa bão hòa qua thân đê trong điều kiện triều rút nhanh) và SLOPE/W (đánh giá hệ số an toàn ổn định trượt $FS$ theo phương pháp cân bằng giới hạn Morgenstern-Price).

Nguồn tư liệu và dữ liệu thí nghiệm

Hơn 100 mẫu soilcrete được chế tạo từ 4 loại đất lấy tại hiện trường ĐBSCL kết hợp 3 loại xi măng (OPC40, PCB40, PCS) ở các hàm lượng $A_c = 200, 250, 300, 350, 400\text{ kg/m}^3$, cùng các mẫu cát san lấp trộn PCB40 ($300\text{ kg/m}^3$) bổ sung bentonite ở các hàm lượng $A_b = 15, 25, 50, 75, 100\text{ kg/m}^3$.

Loại đất Nguồn gốc lấy mẫu Chỉ tiêu phân loại cơ lý chính
Bùn sét (SC) Đồng Tháp Đất yếu bão hòa nước, trạng thái chảy đến dẻo chảy
Sét dẻo mềm (MC) Đồng Tháp Trạng thái dẻo mềm
Sét dẻo cứng (HC) Hậu Giang Trạng thái dẻo cứng, độ chịu tải tự nhiên cao hơn bùn sét
Cát san lấp (S) Đồng Tháp Cát mịn đến trung bình, khai thác bằng bơm hút từ lòng sông

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan nghiên cứu và cơ sở lý thuyết

Chương 1 tổng hợp các tài liệu học thuật về công nghệ đất trộn xi măng, cơ chế hóa học tạo cường độ giữa đất và chất kết dính, lý thuyết thấm của đất và đất gia cố, cùng các yếu tố chi phối hệ số thấm ($k_s$). Tác giả hệ thống hóa các phương pháp đo thấm trong phòng thí nghiệm (cột áp không đổi, cột áp vào hạ – ra không đổi, cột áp vào hạ – ra dâng) theo các tiêu chuẩn ASTM D2434, ASTM D5856, ASTM D5084 và TCVN 8723:2012. Chương này trình bày chi tiết công thức tính toán lượng vật liệu đúc mẫu ($M_{soil}, M_d, M_w, M_c, M_b, M_{w1}$) dựa trên độ ẩm tốt nhất $w_{op}$ và tỷ lệ $w/c$, đồng thời thiết lập cơ sở lý thuyết cho các phép phân tích vi cấu trúc SEM, XRD, EDS và phương pháp phân tích dòng thấm, ổn định công trình đất.

Chương 2: Chế tạo thiết bị và xây dựng quy trình thí nghiệm thấm vật liệu đất trộn xi măng trong phòng thí nghiệm

Chương 2 trình bày quá trình nghiên cứu, thiết kế, gia công và hiệu chuẩn hệ thống thiết bị thấm thành mềm vận hành bằng áp lực khí nén nhằm thay thế thiết bị thành cứng.

Hạng mục so sánh Thiết bị thấm thành mềm tự chế tạo Thiết bị thấm thành mềm Humboldt (Mỹ)
Tiêu chuẩn đáp ứng ASTM D5084 (Phương pháp A và B) ASTM D5084
Cơ chế tạo áp Hệ thống khí nén cấp vào buồng và mẫu Bảng điều khiển áp lực nước – khí nén
Kiểm soát rò rỉ thành Màng cao su chịu áp lực buồng ($P_{cell} > P_{in}$) Màng cao su chịu áp lực buồng
Hiệu chuẩn & Kiểm định Đồng hồ đo áp, bình khí nén được kiểm định độc lập Kiểm định tiêu chuẩn của nhà sản xuất
Hiệu quả đo lường Kết quả đo mẫu cát + xi măng + bentonite tương đương Humboldt Đo đạt chuẩn quốc tế

Quy trình thí nghiệm thấm mẫu soilcrete trên thiết bị tự chế tạo được chuẩn hóa qua các bước: chuẩn bị và gọt mẫu $\rightarrow$ đo kích thước ($D, L$) $\rightarrow$ bão hòa mẫu bằng bình hút chân không $\rightarrow$ bọc màng cao su, lắp đá bọt và giấy lọc hai đầu $\rightarrow$ đặt vào buồng và cấp nước ngập buồng $\rightarrow$ gia áp buồng ($P_{cell}$) và áp lực thấm ($P_{in}$) $\rightarrow$ đo độ chênh mực nước ($h_1, h_2$) theo thời gian $\rightarrow$ kiểm tra điều kiện dòng thấm ổn định ($V_{in} = V_{out}$) $\rightarrow$ tính toán và chuyển đổi $k_{20}$.

Chương 3: Nghiên cứu ứng xử thấm đất Đồng bằng sông Cửu Long trộn xi măng

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm về cường độ kháng nén ($q_u$) và hệ số thấm ($k_{s20}$) trên hơn 100 mẫu soilcrete theo các biến số nghiên cứu:

Hàm lượng xi măng tăng (200 -> 400 kg/m³)
Thời gian bảo dưỡng tăng (7 -> 90 ngày)
Loại mẫu vật liệu Hàm lượng xi măng $A_c$ ($\text{kg/m}^3$) Cường độ $q_u$ 28 ngày ($\text{kPa}$) Hệ số thấm $k_{s20}$ 28 ngày ($\text{m/s}$) Xu hướng so với đất tự nhiên
Bùn sét tự nhiên 0 - $\approx 2.5 \times 10^{-8}$ Gốc so sánh
Bùn sét + PCB40 200 – 400 Tăng theo $A_c$ $2.1 \times 10^{-10} - 4.5 \times 10^{-11}$ Giảm hơn 100 lần
Cát san lấp đầm chặt 0 - $\approx 1.2 \times 10^{-5}$ Gốc so sánh
Cát san lấp + OPC40 200 – 400 Tăng theo $A_c$ $3.5 \times 10^{-8} - 1.8 \times 10^{-9}$ Giảm hơn 1.000 đến 10.000 lần
Cát + PCB40 + Bentonite 300 ($A_b = 25\text{ kg/m}^3$) Đạt yêu cầu chịu lực $< 1.0 \times 10^{-9}$ Đạt ngưỡng vật liệu không thấm

Các phát hiện chính trong chương gồm:

  • $k_s$ của bùn sét trộn xi măng giảm trên 100 lần so với bùn sét tự nhiên.
  • $k_s$ của cát san lấp trộn xi măng giảm trên 1.000 lần so với cát đầm chặt.
  • Đất sét trộn xi măng có hệ số thấm thấp hơn đất cát trộn xi măng khoảng 10 lần ở cùng hàm lượng chất kết dính.
  • Hệ số thấm của soilcrete giảm liên tục theo thời gian bảo dưỡng từ 7 đến 90 ngày.
  • Bổ sung bentonite vào cát trộn xi măng làm giảm đáng kể $k_s$; hàm lượng bentonite tối ưu ghi nhận là $A_b = 25\text{ kg/m}^3$. Khi vượt quá $25\text{ kg/m}^3$ ($A_b = 50, 75, 100\text{ kg/m}^3$), $k_s$ có xu hướng tăng nhẹ trở lại.
  • Xi măng xỉ lò cao (PCS) cho hệ số thấm thấp hơn xi măng OPC40 và PCB40 trên mẫu cát san lấp.
  • Hệ số thấm của soilcrete không thay đổi khi thay đổi gradient thủy lực ($i$), chứng minh sự phù hợp với định luật Darcy.

Chương 4: Nghiên cứu vi cấu trúc lý giải sự giảm hệ số thấm mẫu đất cát san lấp trộn xi măng

Chương 4 cung cấp bằng chứng định tính và định lượng ở cấp độ vi mô giải thích cơ chế giảm tính thấm và gia tăng cường độ của cát san lấp trộn xi măng:

  • Phân tích XRD: Mẫu cát tự nhiên có đỉnh khoáng thạch anh (Quartz) cường độ rất cao. Khi trộn xi măng và bảo dưỡng đến 28 ngày, đỉnh thạch anh giảm chiều cao, đồng thời xuất hiện các đỉnh nhiễu xạ mới của CSH, CAH (Ettringite) và Portlandite $\text{Ca(OH)}_2$. Cường độ đỉnh CSH tăng dần tương ứng với hàm lượng xi măng từ 200 đến $400\text{ kg/m}^3$.
  • Quan sát SEM: Ảnh chụp SEM ở độ phóng đại $\times200$, $\times500$, $\times3000$ và $\times5000$ cho thấy:
    • Cát tự nhiên đầm chặt có bề mặt hạt trơn nhẵn, nhiều khoảng hở và lỗ rỗng liên thông lớn.
    • Mẫu soilcrete 7 ngày tuổi bắt đầu hình thành các tinh thể CSH dạng sợi kim và Ettringite dạng que ngắn phân tán.
    • Mẫu soilcrete 28 ngày tuổi ghi nhận gel CSH phát triển thành màng dày dạng phiến tobermorite bao bọc toàn bộ bề mặt hạt cát, lấp đầy các khe hở và lỗ rỗng mao dẫn, tạo nên cấu trúc đặc chắc.
  • Phân tích phổ EDS: Định lượng sự gia tăng tỷ lệ phần trăm nguyên tố Canxi (Ca) và Nhôm (Al) trong mẫu đất gia cố theo hàm lượng xi măng và tuổi bảo dưỡng, phù hợp với sự phát triển của gel kết dính CSH và CAH.

Chương 5: Phân tích hiệu quả soilcrete làm tường ngăn thấm và tăng ổn định cho đường ven sông

Chương 5 ứng dụng các thông số thực nghiệm để giải quyết bài toán kỹ thuật thực tế cho hai tuyến đê bao tại ĐBSCL: đê kênh 2/9 (tỉnh Đồng Tháp) và đê kênh Mười Cai (tỉnh An Giang).

  • Mô phỏng dòng thấm bằng SEEP/W: Phân tích đường bão hòa trong thân đê khi mực nước sông rút nhanh. Kết quả chỉ ra rằng khi không có tường gia cố, đường bão hòa hạ chậm hơn mực nước sông ngoài, tạo áp lực nước lỗ rỗng dư lớn gây mất ổn định mái dốc. Khi bố trí tường cọc soilcrete, dòng thấm qua thân đê bị triệt tiêu, đường bão hòa bên trong thân đê hạ thấp nhanh chóng về phía đồng.
  • Phân tích ổn định mái dốc bằng SLOPE/W:
Phương án kết cấu tường soilcrete Phạm vi ứng dụng đề xuất Hệ số an toàn ổn định trượt ($FS$)
Không gia cố tường soilcrete - $FS < 1.0$ khi lũ rút nhanh (mất ổn định trượt)
Tường 1 hàng cọc (độ dày 0.4 m) Đoạn đê/đường có nguy cơ sạt lở thấp $FS \ge 1.25$ (đảm bảo ổn định tiêu chuẩn)
Tường 2 hàng cọc (độ dày 0.8 m) Đoạn đê chịu dòng chảy xiết, nguy cơ sạt lở cao $FS \ge 1.40$ (đảm bảo ổn định lâu dài)

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới về lý luận và khoa học

  1. Hoàn thiện phương pháp đo thấm: Chế tạo thành công hệ thống thiết bị thấm thành mềm và ban hành quy trình hướng dẫn đo hệ số thấm cho vật liệu đất trộn xi măng tuân thủ tiêu chuẩn ASTM D5084, khắc phục sai số rò rỉ dòng thấm dọc thành của thiết bị hộp thấm truyền thống tại Việt Nam.
  2. Làm sáng tỏ quy luật thấm của đất ĐBSCL gia cố: Khẳng định bằng thực nghiệm rằng việc trộn xi măng làm giảm hệ số thấm của bùn sét hơn 100 lần và của cát san lấp hơn 1.000 lần. Xác lập quy luật giảm hệ số thấm theo thời gian bảo dưỡng, hàm lượng xi măng, loại xi măng (PCS cho $k_s$ thấp hơn OPC và PCB) và chứng minh $k_s$ độc lập với gradient thủy lực ($i$).
  3. Lý giải cơ chế vi mô: Kết hợp đồng bộ các kỹ thuật SEM, XRD và EDS để làm rõ cơ chế lấp đầy lỗ rỗng của các sản phẩm thủy hóa CSH dạng phiến và CAH dạng que, cung cấp bằng chứng vi cấu trúc giải thích cho sự suy giảm hệ số thấm và gia tăng cường độ nén nở hông tự do của soilcrete.

Đề xuất và kiến nghị giải pháp kỹ thuật

Luận án đề xuất định lượng cấp phối vật liệu tạo cọc/tường soilcrete chống thấm đạt yêu cầu $k_s < 10^{-9}\text{ m/s}$:

  • Đối với đất hạt mịn (bùn sét, sét dẻo mềm, sét dẻo cứng): Sử dụng xi măng PCB40 với hàm lượng $A_c = 300\text{ kg/m}^3$.
  • Đối với đất cát san lấp:
    • Sử dụng xi măng OPC40 hoặc PCS với hàm lượng $A_c = 250 - 300\text{ kg/m}^3$.
    • Hoặc sử dụng xi măng PCB40 hàm lượng $A_c = 300\text{ kg/m}^3$ kết hợp bổ sung phụ gia bentonite với hàm lượng tối ưu $A_b = 25\text{ kg/m}^3$.
  • Giải pháp kết cấu: Sử dụng tường cọc soilcrete đơn dày 0.4 m cho vùng sạt lở thấp và tường cọc đôi dày 0.8 m cho vùng có nguy cơ sạt lở cao để kết hợp bảo vệ đê chống lũ và ổn định nền đường GTNT.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Các thí nghiệm được thực hiện hoàn toàn trong phòng thí nghiệm trên mẫu chế bị từ 4 vị trí đất thuộc hai tỉnh Đồng Tháp và Hậu Giang, chưa bao quát toàn bộ các biến thể đất phèn, đất mặn trên toàn vùng ĐBSCL.
  • Mô hình mô phỏng dòng thấm và ổn định mới xem xét tác động thủy lực của môi trường nước ngọt, chưa xét đến các tác động xâm thực hóa học của ion sunfat hoặc chloride trong nước lợ/mặn đối với độ bền lâu dài của tường soilcrete.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Triển khai thí nghiệm đo thấm hiện trường quy mô lớn trên các cọc soilcrete thi công bằng công nghệ khoan trộn sâu thực tế để so sánh với kết quả trong phòng.
  • Mở rộng nghiên cứu ứng xử thấm và biến đổi vi cấu trúc của soilcrete trong môi trường nước nhiễm mặn, nhiễm phèn tại các tỉnh ven biển ĐBSCL.
  • Nghiên cứu độ bền lâu dài, hiện tượng vi nứt và độ mỏi thấm của tường soilcrete dưới tác động lặp của tải trọng xe cơ giới kết hợp dao động thủy triều biên độ lớn.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên môn cho các đối tượng và lĩnh vực sau:

  • Nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Địa kỹ thuật, Xây dựng Công trình Giao thông, Thủy công: Tham khảo cơ sở lý thuyết về tương tác đất – xi măng, phương pháp luận nghiên cứu vi cấu trúc kết hợp (SEM, XRD, EDS) và phương pháp xác định hệ số thấm vật liệu bão hòa.
  • Giảng viên và cán bộ nghiên cứu: Sử dụng các bản vẽ thiết kế, nguyên lý vận hành thiết bị thấm thành mềm ASTM D5084 và quy trình thí nghiệm chi tiết trong Chương 2 để phục vụ công tác giảng dạy thực hành thí nghiệm chuyên ngành.
  • Kỹ sư thiết kế, cán bộ quản lý dự án nông nghiệp và giao thông: Tham khảo trực tiếp định mức cấp phối chất kết dính ($A_c, A_b$), các thông số cơ lý ngõ vào ($k_s, q_u, E_{50}$) và giải pháp tường cọc soilcrete 0.4 m – 0.8 m trong Chương 5 để áp dụng cho các dự án đê bao chống lũ, đường GTNT, bờ kè kênh rạch tại khu vực Tây Nam Bộ.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao luận án chọn chế tạo thiết bị thấm thành mềm theo ASTM D5084 thay vì sử dụng thiết bị dao vòng thành cứng theo TCVN 8723:2012?

Thiết bị thành cứng đúc mẫu trong dao vòng kim loại cố định. Trong quá trình thủy hóa và ninh kết của xi măng, mẫu soilcrete bị co ngót thể tích, tạo khe hở giữa thành dao vòng và mẫu đất. Khi thí nghiệm, nước sẽ chảy dọc theo khe hở này (hiện tượng rò rỉ thành), dẫn đến giá trị hệ số thấm đo được lớn hơn thực tế. Thiết bị thành mềm bọc mẫu bằng màng cao su và đặt trong buồng áp lực. Bằng cách duy trì áp lực buồng $P_{cell}$ luôn lớn hơn áp lực dòng thấm $P_{in}$, màng cao su luôn bám chặt xung quanh mẫu, loại bỏ hoàn toàn dòng chảy ven thành.

2. Mức độ suy giảm hệ số thấm ($k_s$) của đất sau khi gia cố xi măng đạt giá trị cụ thể là bao nhiêu?

Theo kết quả thí nghiệm ở Chương 3, hệ số thấm của đất bùn sét sau khi trộn xi măng giảm từ khoảng $2.5 \times 10^{-8}\text{ m/s}$ xuống $2.1 \times 10^{-10} - 4.5 \times 10^{-11}\text{ m/s}$ (giảm hơn 100 lần). Đối với đất cát san lấp đầm chặt, hệ số thấm giảm từ $1.2 \times 10^{-5}\text{ m/s}$ xuống $3.5 \times 10^{-8} - 1.8 \times 10^{-9}\text{ m/s}$ (giảm từ 1.000 đến 10.000 lần tùy hàm lượng xi măng), đưa vật liệu về trạng thái không thấm ($k_s < 10^{-9}\text{ m/s}$).

3. Phụ gia bentonite có vai trò gì trong cấp phối cát san lấp trộn xi măng?

Bentonite gồm các hạt khoáng siêu mịn có khả năng trương nở và giữ nước, giúp điền đầy vào các lỗ rỗng lớn giữa các hạt cát mà gel xi măng chưa phủ kín. Khi bổ sung bentonite với hàm lượng $A_b = 25\text{ kg/m}^3$ vào mẫu cát trộn $300\text{ kg/m}^3$ xi măng PCB40, hệ số thấm giảm xuống dưới ngưỡng $10^{-9}\text{ m/s}$. Tuy nhiên, nếu dùng quá hàm lượng tối ưu ($A_b > 25\text{ kg/m}^3$), $k_s$ có xu hướng tăng nhẹ trở lại do lượng nước tự do cần bổ sung tăng lên làm tăng độ rỗng sau khi đóng rắn.

4. Gradient thủy lực ($i$) có ảnh hưởng đến hệ số thấm của soilcrete không?

Kết quả thí nghiệm ở Chương 3 khẳng định hệ số thấm của soilcrete không phụ thuộc vào gradient thủy lực. Khi thay đổi độ chênh cột áp trong phạm vi thí nghiệm, hệ số thấm $k_{s20}$ đo được duy trì ổn định, chứng minh dòng thấm qua vật liệu soilcrete tuân thủ định luật Darcy và cấu trúc vật liệu không bị phá hủy hay xói ngầm dưới gradient áp lực cao.

5. Kết cấu tường soilcrete nào được đề xuất để xử lý trượt sạt đê bao khi nước lũ rút nhanh?

Luận án đề xuất hai phương án kết cấu dựa trên phân tích phần mềm SEEP/W và SLOPE/W:

  • Tường đơn 1 hàng cọc soilcrete liên tục dày 0.4 m cho các đoạn đê chịu nguy cơ trượt sạt thấp, đảm bảo hệ số an toàn $FS \ge 1.25$.
  • Tường đôi 2 hàng cọc soilcrete dày 0.8 m cho các đoạn đê xung yếu, chịu dòng chảy xiết và có nguy cơ trượt lở cao, đảm bảo hệ số an toàn $FS \ge 1.40$ khi mực nước sông ngoài rút kiệt đột ngột.

Kết luận

Luận án của NCS. Lương Thị Bích đã giải quyết vấn đề xác định ứng xử thấm của đất trộn xi măng thông qua việc tự chế tạo thiết bị và chuẩn hóa quy trình thí nghiệm thấm thành mềm theo tiêu chuẩn ASTM D5084. Các kết quả thực nghiệm khẳng định đất bùn sét và cát san lấp ĐBSCL khi phối trộn với xi măng (OPC, PCB, PCS) và phụ gia bentonite đều đạt hệ số thấm $k_s < 10^{-9}\text{ m/s}$, đáp ứng tiêu chuẩn vật liệu không thấm. Phân tích vi cấu trúc bằng SEM, XRD và EDS đã cung cấp cơ sở giải thích sự hình thành gel CSH/CAH lấp đầy lỗ rỗng theo thời gian ninh kết. Kết quả mô phỏng số đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả của tường cọc soilcrete trong việc ngăn dòng thấm và nâng cao hệ số ổn định trượt cho đê bao kết hợp giao thông nông thôn tại ĐBSCL.