Tài liệu Phân tích ổn định của nền đường đắp cao bằng đất cấp phối thiên nhiên gia cố tro xỉ than

TRẦN TRUNG KIÊN ĐẠIHỌC HỌC ĐÀ ĐẠI ĐÀNẴNG NẴNG TRƢỜNG ĐẠI ĐẠI HỌC TRƢỜNG HỌC BÁCH BÁCHKHOA KHOA KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Tel. (84-511) 736 949, Fax. (84-511) 842 771 Website: itf.dut.edu.vn, E-mail: [email protected] TRẦN TRUNG KIÊN LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP KỸ SƢ KỸ THUẬT XẬY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN MÃ NGÀNH : 05115; C C PHÂN TÍCH ĐỀ TÀIỔN : ĐỊNH R L T. XÂYNỀN DỰNG ỨNG DỤNG NHÂN SỰ CẤP ĐẠI HỌC CỦA ĐƢỜNG ĐẮPQUẢN CAO LÝ BẰNG ĐẤT PHỐI ĐÀ NẴNG TRÊN NỀN TẢNG iOS U D THIÊN NHIÊN GIA CỐ TRO XỈ THAN Mã số : 08T2-041 Ngày bảo vệ : 15-16/06/2013 LUẬN SĨ KỸ THUẬT SINHVĂN VIÊNTHẠC : DƢƠNG VĂN THẠCH LỚPXây dựng:Công 08T2 Kỹ thuật trình Giao thông CBHD : Th.S VÕ ĐỨC HOÀNG K33 Đà Nẵng - Năm 2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN TRUNG KIÊN PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH CỦA NỀN ĐƢỜNG ĐẮP CAO BẰNG ĐẤT CẤP PHỐI C C THIÊN NHIÊN GIA CỐ TRO XỈ THAN R L T. DU Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông Mã số: 60.58.02.05 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. BẠCH QUỐC TIẾN Đà Nẵng – Năm 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn Trần Trung Kiên C C DU R L T. MỤC LỤC MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1 Chƣơng 1 - TỔNG QUAN .................................................................................... 4 1.1. Mở đầu ....................................................................................................... 4 1.2. Vấn đề chính về ổn định đối với khối đắp cao........................................... 5 1.2.1. Vai trò của sức chống cắt trong đất trong tính toán ổn định của khối đắp ................................................................................................................. 5 1.2.2. Vai trò của các đặc điểm vật lý của đất trong tính toán ổn định của khối đắp ......................................................................................................... 7 1.2.3. Phƣơng pháp xác định hệ số ổn định của mái dốc .............................. 9 1.3. Tổng quan về biện pháp gia cố đất đắp bằng cách thêm vào tro xỉ than . 11 C C R L T. 1.3.1. Tổng quan về tro xỉ than ................................................................... 11 1.3.2. Tổng quan về đất laterite trong công tác xây dựng ........................... 15 1.4. Kết luận .................................................................................................... 17 DU Chƣơng 2 - ĐÁNH GIÁ SỰ ẢNH HƢỞNG CỦA TRO XỈ THAN ĐẾN TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA ĐẤT ĐỒI .......................................................................... 19 2.1. Mở đầu ..................................................................................................... 19 2.2. Ảnh hƣởng của tro xỉ than đến các tính chất địa kỹ thuật của hỗn hợp đất sau khi phối trộn .............................................................................................. 20 2.2.1. Thành phần cỡ hạt ............................................................................. 20 2.2.2. Khả năng đầm chặt (thí nghiệm đầm nén tiêu chuẩn) ...................... 22 2.2.3. Tính dẻo............................................................................................. 32 2.2.4. Sức chống cắt .................................................................................... 38 2.3. Thiết lập mối quan hệ giữa các sức chống cắt của hỗn hợp đất với các yếu tố liên quan ...................................................................................................... 48 2.3.1. Các tham số ảnh hƣởng ..................................................................... 48 2.3.2. Sơ đồ tính toán .................................................................................. 49 2.3.3. Số liệu sử dụng .................................................................................. 53 2.3.4. Kết quả .............................................................................................. 58 2.4. Kết luận .................................................................................................... 63 Chƣơng 3 - PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH MÁI DỐC ............................................... 65 3.1. Dẫn nhập .................................................................................................. 65 3.2. Đặc điểm của mái dốc nghiên cứu ........................................................... 65 3.2.1. Kích thƣớc hình học .......................................................................... 65 3.2.2. Vật liệu sử dụng ................................................................................ 67 3.2.3. Phân tích ổn định mái dốc ................................................................. 68 3.3. Kết luận .................................................................................................... 71 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................................. 73 1. Kết luận ....................................................................................................... 73 2. Kiến nghị ..................................................................................................... 74 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................ 75 C C DU R L T. DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1. Sơ đồ về trình tự nghiên cứu trong luận văn. ........................................... 3 Hình 2. Biểu đồ tam giác thể hiện thành phần cấp phối, nguồn rockingthehomesteadblog.com.............................................................................. 8 Hình 3. Đƣờng cong thể hiện kết quả thí nghiệm đầm nén tiêu chuẩn,................ 8 Hình 4. Phƣơng pháp tính hệ số Fs bằng cách phân mảnh, mặt trƣợt hình trụ tròn ............................................................................................................................... 9 Hình 5. Sơ đồ thu hồi tro bay và tro đáy tại nhà máy nhiệt điện than, nguồn: https://www.fhwa.dot.gov/ .................................................................................. 11 Hình 6. Một bãi chứa tro xỉ than tại nhà máy nhiệt điên, nguồn: báo Nhân dân C C online. .................................................................................................................. 12 Hình 7. Biểu đồ tam giác thể hiện thành phần hóa học của tro xỉ các loại [17] . 14 R L T. Hình 8. Giới hạn của đƣờng cong cấp phối hạt thuộc tro bay và tro đáy, nguồn DU [18] ...................................................................................................................... 15 Hình 9: Quá trình hình thành vón kết sắt trong quá trình laterite hóa của đất, theo [19]. ............................................................................................................. 16 Hình 10. Ảnh hƣởng của fa đến dung trọng khô của đất .................................... 26 Hình 11. Ảnh hƣởng của tham số fa đến tốc độ thay đổi kmax của đất ........... 26 Hình 12. Ảnh hƣởng của fa đến giá trị Wtn ....................................................... 31 Hình 13. Ảnh hƣởng của fa đến tốc độ thay đổi của Wtn trong hỗn hợp ........... 31 Hình 14. Ảnh hƣởng của fa đến Wch.................................................................. 34 Hình 15. Ảnh hƣởng của fa đến tốcđộ thay đổi Wch.......................................... 35 Hình 16. Sự ảnh hƣởng của fa đến giá trị Ip ....................................................... 37 Hình 17. Quan hệ giữa fa và dIp ......................................................................... 38 Hình 18. Quan hệ giữa fa và sức chông cắt của đất ............................................ 40 Hình 19. Vận tốc thay đổi của phi khi có mặt tro xỉ (fa) .................................... 41 Hình 20. Quan hệ giữa fa với tốc độ thay đổi dC ............................................... 42 Hình 21 Quan hệ giữa C với fa theo thời gian .................................................... 43 Hình 22. Vai trò của Af trong sự ảnh hƣởng của tro đối với sức chống cắt ....... 44 Hình 23. Xác định sức chống cắt của đất từ các tham số đầu vào có liên quan (mục tiêu của luận văn) ....................................................................................... 49 Hình 24. Sơ đồ tính ANN.................................................................................... 51 Hình 25. Sơ đồ mạng nơ tron .............................................................................. 52 Hình 26. sơ đồ mạng ANN áp dụng cho mỗi tham số đầu ra. ............................ 58 Hình 27. Góc nội ma sát dự kiến của hỗn hợp phối trộn .................................... 59 Hình 28. Lực dính kết dự kiến của hỗn hợp phối trộn ........................................ 60 Hình 29. Dung trọng khô lớn nhất (dung trọng đầm nén) dự kiến ..................... 61 Hình 30. Độ ẩm tốt nhất dự kiến ......................................................................... 62 Hình 31. Kích thƣớc khối đắp đƣợc đánh giá ..................................................... 66 Hình 32. Kết quả xác định hệ số ổn định mái dốc bằng phần mềm Geoslope ... 69 C C Hình 33. Quan hệ giữa Fs với fa đối với các mái dốc sử dụng tro xỉ ................. 70 R L T. Hình 34. Tốc độ gia tăng hệ số Fs khi có mặt của tro xỉ than............................. 71 DU DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1. Phân loại tro bay theo thành phần hóa học ............................................ 12 Bảng 2. Thành phần hóa học của tro đáy ............................................................ 13 Bảng 3. Bảng tổng hợp các kết quả thực nghiệm đã công bố ............................. 22 Bảng 4. Tổng hợp kết quả thực nghiệm về sự ảnh hƣởng của tham số fa đến giá trị tham số k,max ................................................................................................... 27 Bảng 5. Tổng hợp kết quả thực nghiệm về sự ảnh hƣởng của fa đến tốc độ thay đổi Wch ................................................................................................................. 32 Bảng 6. Tổng hợp kết quả thực nghiệm veefsuwj ảnh hƣởng của fa đến Ip ...... 35 Bảng 7. Tổng hợpkết quả thực nghiệm giữa góc nội ma sát với sự thay đổi fa . 39 C C Bảng 8. Ảnh hƣởng của hàm lƣơng tro xi đến tốc độ thay đổi sức chống cắt khi Ac thay đổi .......................................................................................................... 41 R L T. Bảng 9. Tổng hợp các kết quả thực nghiệm sự ảnh hƣởng của fa đến sức chống DU cắt của đất theo thời gian..................................................................................... 42 Bảng 10. Tổng hợp số liệu sử dụng nhƣ tham số đầu vào của phƣơng pháp ANN .................................................................................................................... 53 Bảng 11. Tổng hợp số liệu đầu ra đƣợc sử dụng đối với phƣơng pháp ANN .... 56 Bảng 12. Ví dụ tính toán ..................................................................................... 63 Bảng 13.Tổng hợp các giá trị về kích thƣớc của khối đắp.................................. 66 Bảng 14. Tổng hợp các chỉ số về đặc điểm của đất sử dụng tính toán ............... 67 Bảng 15. Giá trị các tham số về sức chống cắt và đầm nén của đất sau khi thêm xỉ than . ................................................................................................................ 67 PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH CỦA NỀN ĐƢỜNG ĐẮP CAO BẰNG ĐẤT CẤP PHỐI THIÊN NHIÊN GIA CỐ XỈ THAN Học viên: Trần Trung Kiên Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Khóa: K33 - Trƣờng Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng Tóm tắt - Sự ổn định của bản thân khối đắp là rất quan trọng đối với nền đƣờng đắp cao (h > 6m) là do để giảm thiểu diện tích mặt bằng công trình thì khối đắp phải có góc dốc mái đủ lớn, điều này đòi hỏi phải cần thiết tăng cƣờng sức chống cắt của vật liệu đắp (C, ). Luận văn đã đề cập đến một giải pháp cải thiện sức chống cắt của đất mà hiện nay đang đƣợc áp dụng rộng rãi trên thế giới, đó là sự tận dụng tro xỉ than (tro đáy) nhƣ là một thành phần cấp phối khi trộn với đất để tạo ra một hỗn hợp vật liệu đắp nền. Sự có mặt của tro xỉ than sẽ giúp gia tăng sức chống cắt của hỗn hợp phối trộn nhờ vào hoạt động của phản ứng pouzzoland giữa tro xỉ và đất. Nhờ vào kết quả nghiên cứu đã đƣợc công bố tại các bài báo khoa học có uy tín (danh mục ISI), luận văn đã sử dụng phƣơng pháp ANN (Artificial Neural Network) để dự đoán sức chống cắt của hỗn hợp phối trộn từ các tham số đầu vào là đặc điểm hóa lý của đất đắp và tro xỉ, mặt khác, luận văn cũng đã sử dụng phần mềm thƣơng mại Geoslope để tối ƣu hóa hàm lƣợng tro xỉ trong hỗn hợp phối trộn. Kết quả nghiên cứu đƣợc áp dụng đối với trƣờng hợp : đất nạo vét lòng hồ tại Quảng Ngãi và tro bay đƣợc lấy từ nhà máy nhiệt điện Phả Lại, kết quả cho thấy hàm lƣợng tối ƣu của tro bay khi phối trộn là (15-20)% theo trọng lƣợng. Từ khóa : tro bay, tro đáy, đất sét, đất laterit, sức chống cắt, tính chất địa kỹ thuật ,ổn định mái dốc. C C R L T. DU ANALYSIS OF STABILITY OF HIGH EMBANKMENT WITH NATURAL SOIL REINFORCED WITH COAL ASH Abstract - The stability of the embankment itself is very important for high embankment (h> 6m) because in order to minimize the work surface area, the embankment must have a slope large, that requires a necessary to increase the shear strength of fill materials (C, ).This memoir has mentioned a solution to improve the shear strength of soil, it is applied in the world, which is the use of coal ash (bottom ash) as a component when mixed with soil to create a mixture of filler material. The presence of coal ash will increase the shear strength of the blend due to the pouzzoland reaction between ash and soil. From the research results published in scientific articles on the ISI list, this memoir used ANN (Artificial Neural Network) method to predict the shear strength of the mixture from input parameters that are physical and chemical characteristics of soil and ash, other side, the memoir also uses commercial Geoslope software to optimize the ash content in the blend. The research results are applied to the case: the soil dredged lake in Quang Ngai and fly ash is taken from Pha Lai Thermal Power Plant, the result shows that the optimal content of fly ash when mixed is (15-20) % by weight. Key words: fly ash, bottom ash, clay, laterite, shear strength, geotechnical properties, slope stability 1 MỞ ĐẦU Trong công tác xây dựng công trình giao thông, nền đƣờng đắp cao thƣờng đƣợc áp dụng trong thiết kế đối với công trình đi qua vùng đồng bằng trũng thấp, hoặc tại các đoạn tuyến đƣờng khi cần thiết phải gia tăng cao độ mặt đƣờng (ví dụ: đƣờng dẫn đầu cầu). Các vấn đề thƣờng phải giải quyết khi thiết kế, thi công và khai thác đối với nền đắp cao là : - Góc dốc của mái đối với khối đắp : do có sự tỷ lệ nghịch giữa góc dốc mái với diện tích chiếm chổ của nền đắp: góc mái dốc càng lớn => diện tích chiếm chổ mặt bằng cần thiết của công trình nền đắp càng nhỏ, tuy nhiên, độ ổn định của mái dốc càng bé. Nhƣ vây, vấn đề cần giải quyết ở đây là lựa chọn vật liệu đắp có sức chống cắt cao, sao cho vừa đảm bảo ổn định của mái dốc, vừa có góc dốc của mái lớn nhằm đảm bảo tiết kiệm diện tích mặt bằng cần thiết của công trình. Sự có mặt của tro xỉ than trong đất sẽ làm thay đổi sức chống cắt của nó theo xu hƣớng tăng lên nên đây cũng là một giải pháp khả dĩ. C C R L T. - Sự thay đổi các đặc điểm cơ-lý của vật liệu đắp do tương tác với nước trong thời gian dài: trong quá trình khai thác sử dụng, vật liệu đất đắp nền đƣờng có thể bị thay đổi theo chiều hƣớng bất lợi về khả năng chống cắt do ảnh hƣởng của sự ngậm nƣớc trong thời gian dài và liên tục, nhƣ: thời gian mƣa kéo dài, sự ngập nƣớc thƣờng xuyên và liên tục. Sự thay đổi này có khả năng gây nên sự mất ổn đinh của nền đắp, nhƣ vậy, vấn đề cần giải quyết ở đây là lựa chọn vật liệu đắp có khả năng ổn định với sự ngậm nƣớc, hay nói cách khác, sức chống cắt của vật liệu đắp ít bị ảnh hƣởng bởi sự ngậm nƣớc lƣng chừng hay ngập hoàn toàn mái dốc trong thời gian dài. Sự có mặt của tro xỉ than cũng có thể đáp ứng yêu cầu này do phản ứng hóa-lý của nó với đất là luôn cần sự có mặt của nƣớc, chính độ ẩm này là tác nhân chính thúc đẩy vận tốc phản ứng, đẩy nhanh quá trình “kết vón- hóa rắn” trong hỗn hợp phối trộn. DU Trong tình hình hiện nay, việc nghiên cứu áp dụng các giải pháp công nghệ nhằm tận dụng nguồn tro xỉ than nhƣ là một nhiệm vụ cấp thiết trong thực tế cuộc sống do: quá trình công nghiệp hóa đất nƣớc cần có nhiều nhà máy- xí nghiệp sử dụng than: nhà máy nhiệt điện, luyện thép … dẫn đến nguồn tro xỉ than thải loại ngày càng lớn. Trong khi đó, tro xỉ than có thể tận dụng làm vật liệu cho nhiều ngành khác nhau, nhƣ: thay đất sét trong ngành công nghiệp xi măng, thay thế một phần xi măng trong vật liệu bê tông xi măng, sử dụng làm thành phần cấp phối trong công tác cải tạo đất đắp ... Khu vực miền Trung Việt Nam cũng có các nguồn tro xỉ nhƣ đã nói trên: tại Quảng Nam, với công suất nhà máy nhiệt điện Nông Sơn là vào khoảng 30 MW, nhƣ vây, lƣợng tro xỉ than thải ra từ nhà máy sẽ là vào khoảng 8297 Tấn/năm. Tại Quảng Ngãi, nguồn 2 pouzzolan tự nhiên tại núi Voi, với nhà máy sản xuất pouzzolan tại Sơn Tịnh, Quảng Ngãi, thuộc công ty TNHH MTV xây dựng IDICO. Đối tƣợng nghiên cứu đƣợc thực hiện trong luận văn này là không chỉ các nguồn vật liệu tro xỉ, pouzzoland tại địa phƣơng nêu trên, mà là tất cả các tro xỉ than trên mọi miền, đều có thể sử dụng để cải tạo đất, nhất là đối với đất yếu (đất có sức chống cắt thấp nhƣ: bùn nạo vét lòng sông/hồ, đất sét có tính dẻo cao, nhiều hữu cơ …), hƣớng đến có thể sử dụng làm vật liệu đắp đối với nền đƣờng giao thông, đặc biệt là nền đƣờng đắp cao (trên 6-12 m) . Nghiên cứu sự ảnh hƣởng tro xỉ than đến sự ổn định của nền đƣờng đắp cao, thông qua xác định giá trị của hệ số Fs (hệ số an toàn của mái dốc) khi có mặt của tro xỉ than trong hỗn hợp phối trộn là mục tiêu nghiên cứu cốt lõi của luận văn này. Tuy nhiên, để đạt đƣợc mục tiêu nói trên, đề tài có sử dụng phƣơng pháp thống kê thích hợp để đánh giá sự ảnh hƣởng của tro xỉ đến sức chống cắt của đất từ các kết quả nghiên cứu thực nghiệm đã công bố, từ đó, có thể dự đoán sự thay đổi sức chống cắt của đất với sự có mặt của tro xỉ nói trên trong hỗn hợp. C C R L T. Phạm vi nghiên cứu của đề tài là chỉ đối với sự ổn định mái dốc (hệ số Fs) của nền đƣờng đắp cao khi có mặt của tro xỉ, hay nói cụ thể hơn là mối tƣơng quan giữa hàm lƣợng tro xỉ với hệ số ổn định Fs. Nhƣ vậy, phạm vi đề tài không bao gồm : đánh giá tác động môi trƣờng khi sử dụng tro xỉ, sự thay đổi thay đổi của Fs khi nền ngập nƣớc dài ngày ( do áp lực dòng thấm nƣớc dƣới đất, áp lực dòng nƣớc mặt, sự thay đổi sức chống cắt của đất đắp khi ngậm nƣớc …). DU Để thực hiện đƣợc mục tiêu đó, phƣơng pháp đƣợc sử dụng trong luận văn là: thống kê các kết quả nghiên cứu thực nghiệm có trƣớc đã công bố nhằm xác định các yếu tố có ảnh hƣởng đến sức chống cắt của đất khi có sự phối trộn tro xỉ than, tức là: xác định các tham số tính chất của vật liệu mà có ảnh hƣởng đến sự thay đổi sức chống cắt của đất (hàm lƣợng phối trộn: hàm lƣợng tro xỉ than, đặc điểm hoạt tính của tro, đặc điểm hóa lý của đất sử dụng nghiên cứu ... Đó chính là các tham số đầu vào của phƣơng pháp thống kê) từ đó, mô phỏng mối quan hệ đó theo phƣơng pháp thống kê, rút ra quy luật để dự đoán sức chống cắt của đất sau khi đã phối trộn (C, ,  : đó chính là các tham số đầu ra), sau khi có quy luật dự đoán, luận văn có áp dụng tính toán cụ thể đối sự thay đổi Fs của mái dốc giả định (với sự hỗ trợ của phần mềm thƣơng mại GeoSlope) khi sử dụng số liệu cụ thể của đất nạo vét tại hồ Bình Yên, Quảng Ngãi khi phối trộn với tro bay Phả Lại, Việt Nam. Phƣơng pháp thực hiện nghiên cứu trong luận văn này đƣợc thể hiện tại hình vẽ dƣới đây: 3 Đặc điểm cơ lý của đất đắp Mô phỏng sự thay đổi tính chất cơ lý của hỗn hợp phối trộn Đặc điểm hóa lý của tro xỉ than Tỷ lệ của các thành phần phối trộn: đất đắp, tro xỉ than, Đánh giá sự thay đổi hệ số ổn định của nền đường đắp khi có sử dụng tro xỉ than làm thành phần phối trộn C C R L T. Hình 1. Sơ đồ về trình tự nghiên cứu trong luận văn. DU 4 Chƣơng 1 - TỔNG QUAN Trong chương này có đề cập đến : + Các phương pháp và tiêu chuẩn hiện hành để xác định các các chỉ tiêu cơ-lý của đất có liên quan đến sức chống cắt của đất. + Sự tính toán ổn định của khối đắp : phương pháp Bishop, giới thiệu phần mềm hỗ trợ : phần mềm Geoslope. + Sức chống cắt của đất : các yếu tố ảnh hưởng đến giá trị của các tính chất đó. + Vật liệu tro xỉ than: khái quát về thành phần hạt, thành phần hóa học, hoạt tính, xu hướng xử dụng trong công việc cải tạo đất. 1.1. Mở đầu C C Trong công tác xây dựng, việc thực hiện nền đất đắp cao đối với công trình là rất phổ biến, ví dụ: đê đập, nền đƣờng tại các vùng trũng thấp hoặc đoạn đầu cầu, các bãi đỗ xe hoặc các khu dân cƣ tại các nơi trũng thấp ...vv. Chiều cao của khối đắp tùy thuộc vào đặc điểm địa chất của nền công trình và đặc điểm về cao độ yêu cầu thiết kế của bề mặt nền đắp nhƣng thông thƣờng là vào khoảng hơn 1.5 m và thƣờng có 2 vấn đề chính nếu xét trên bình diện ổn định cơ học: một là sự mất ổn định của nền của khối đắp và hai là mất ổn định của chính bản thân khối đắp (ổn định của mái dốc), trong luận văn này chỉ xét đến vấn đề hai. R L T. DU Trong thực tế, việc lựa chọn loại vật liệu đất đắp nền đƣờng đều có các quy định, tiêu chuẩn chuyên ngành ràng buộc nhƣ : chỉ số CBR đối với TCVN 9346-2012, hay cũng có các khuyến cáo không sử dụng các đất có hữu cơ (nhóm A8- AASHTO M145, AASHTO T267-86), khuyến cáo về độ trƣơng nở của sét (22 TCN 332-06). Trong khuôn khổ luận văn này, chƣa đề cập đến áp dụng các tiêu chuẩn nói trên với vật liệu nghiên cứu mà hƣớng đến khuyến nghị: các quy định nghiên cứu để đồng ý cho sử dụng vật liệu “không phù hợp” nói trên vào công tác đắp đất khi có sự tham gia của tro xỉ than. Các chỉ tiêu thí nghiệm (thông thƣờng) cần xác định để đánh giá sức chống cắt của đất khi tham gia làm vật liệu đắp nền đƣờng là. + Độ ẩm (W) + Khối lƣợng thể tích khô (k) + Khối lƣợng thể tích hạt (h ). + Thành phần cỡ hạt. 5 + Tính dẻo của đất (độ ẩm giới hạn chảy Wch, chỉ số dẻo Ip) + Sức chống cắt của đất (lực dính kết C, góc nội ma sát ) Để thi công khối đắp nền đƣờng, thông thƣờng phải xác định khả năng đầm nén của đất (dung trọng khô lơn nhất kmax, và độ ẩm tƣơng ứng Wtn) Ngoài ra, hoạt tính của thành phần sét trong đất cũng thƣờng đƣợc sử dụng trong các nghiên cứu: Ac  Ip (CT 1)  d0.002 Trong đó < d0.002: hàm lƣợng hạt nhỏ hơn 0.002mm (hạt sét) theo trọng lƣợng ( % lọt sàng). C C Ip: chỉ số dẻo của đất (%) R L T. Ac: Chỉ số hoạt tính của sét, theo [1], Ac < 0.75 DU : Sét ít hoạt tính Ac = [0.75 đến 1.25] : Sét thƣờng Ac > 1.25 : Sét có hoạt tính cao. Thêm nữa:  k 1 W (CT 2) 1.2. Vấn đề chính về ổn định đối với khối đắp cao Nền đƣờng đắp cao đƣợc hiểu theo nghĩa thông thƣờng là khi có chiều cao đắp quá 6 m, khi đó sẽ xuất hiện 2 vấn đề chính nhƣ đã trình bày ở trên: sự ổn của nền công trình đối với trọng lƣợng của khối đắp (luận văn này không đề cập) và sự ổn định của khối đắp (ổn định mái dốc). 1.2.1. Vai trò của sức chống cắt trong đất trong tính toán ổn định của khối đắp Sức chống cắt của đất thông thƣờng đƣợc hiểu theo định nghĩa của Cu-lông (Coulomb) và đƣợc thể hiện qua 2 chỉ tiêu chính, đó là lực dính kết đơn vị ( C ) và góc ma sát trong của đất (  ). a. Lực dính kết 6 Lực dính kết của đất phụ thuộc rất nhiểu vào các đặc điểm hóa lý của đất: thành phần cỡ hạt, hình dạng hạt, thành phần khoáng, độ ẩm (W), hệ số rỗng (e), ...v.v, và phản ánh sự liên kết giữa các hạt trong vật liệu đất. Đối với đất trầm tích mềm rời, mối liên kết này chủ yếu dựa vào liên kết nƣớc hay sự phân cực bề mặt của các hạt keo đất (lực hút tĩnh điện), trong khi đó, đối với đất có gia cố vôi- xi măng hoặc đất laterit (laterite), sức chống cắt của đất chủ yếu dựa vào các liên kết ion-hóa học, với các liên kết này, đất có giá trị sức chống cắt rất cao và có khả năng đạt đến cƣờng độ kháng nén khác không (vật liệu nửa cứng hoặc cứng). Đất có thêm tro xỉ than cũng thuộc nhóm có liên kết ion-hóa keo này Trong thực tế, có nhiều phƣơng pháp xác định lực dính kết của đất tại phòng thí nghiệm: cắt trực tiếp (direct shear) với các phƣơng thức : cắt nhanh, cắt chậm với có/không thoát nƣớc (drained/undraied), có/không cố kết (consolidated/unconsolidated) (TCVN4199: 1995); thí nghiệm cắt 3 trục (triaxial shear test) [2], [15]. Có thể cơ chế của mỗi dạng thí nghiệm có khác nhau nhƣng kết quả thu đƣợc từ thí nghiệm cắt nhanh không thoát nƣớc- không cố kết là thấp nhất [3]. C C R L T. Trong tính toán ổn định của khối đắp, việc xác định khả năng chịu tải giới hạn hay độ ổn định của mái dốc, đều có xét đến yếu tố lực dính kết đơn vị của vật liệu đất đắp. Về nguyên tắc chung, khi đất đắp có lực dính kết càng lớn thì sức chịu tải giới hạn của đất đắp và độ ổn định của mái dốc càng lớn. DU b. Góc ma sát trong (Soil friction angle) Bởi đất là vật liệu mềm rời, do đó cũng nhƣ lực dính kết, giá trị góc ma sát của đất trong phụ thuộc nhiều vào thành phần cỡ hạt, hàm lƣợng hạt sét, vật chất hữu cơ ... đây là tham số rất quan trọng trong việc xác định sức chống cắt của đất khi có tác dụng của tải trọng bên ngoài. Để xác định góc ma sát trong của đất, thông thƣờng áp dụng định luật Culông (Coulomb) và Morh-Coulomb. Đối với đất rời là thƣờng áp dụng phƣơng pháp xác định trực tiếp [4] và gián tiếp đối với đất dính (thông qua xác định lực dính kết đơn vị) [1], [2]. Nhìn chung, đối với đất có thành phần hạt càng thô, hàm lƣợng sét và hữu cơ càng bé, độ ẩm và độ chặt càng bé thì góc nội ma sát của đất càng lớn và ngƣợc lại. Giá trị của góc nội ma sát của đất phản ánh khả năng tăng nhanh của sức chống cắt khi có tác dụng của tải trọng bên ngoài. c. Sự thay đổi sức chống cắt của đất theo thời gian Trong thực tế, sức chống cắt của đất trong khối đắp có thể thay đổi bởi sự ảnh hƣởng các yếu tố bên ngoài đến các sức chống cắt của đất, nhƣ: mƣa/khô hạn dài ngày, 7 sự ngập nƣớc dài ngày ... dẫn đến sự thay đổi về độ ẩm, dung trọng của đất, chiều sâu của mực nƣớc ngầm ... 1.2.2. Vai trò của các đặc điểm vật lý của đất trong tính toán ổn định của khối đắp Các đặc điểm vật lý của đất đắp thƣờng đƣợc đánh giá qua các chỉ tiêu thí nghiệm: thành phần cỡ hạt, dung trọng tự nhiên, chỉ số dẻo ...vv. a. Thành phần cỡ hạt Thành phần cỡ hạt của đất đắp có ảnh hƣởng đến hầu hết các chỉ tiêu cơ-lý của vật liệu. Theo tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam: TCVN 5747:1993 Đất và cách phân loại, các cỡ hạt có thể chia thành các nhóm sau: tảng (boulfer: d >300mm), cuội-dăm (cobble : d = 150-300mm), sỏi sạn (gravel: d = 150-2mm), cát (sand: d = 20.06mm), bụi (silt: d = 0.06-0.002mm), và sét (clay: d<0.002mm), hữu cơ (organic). Ngoài ra, mức độ không đều cỡ hạt Cu và hệ số đƣờng cong Cc, cũng là một chỉ tiêu rất quan trọng đối với đánh giá đặc điểm cỡ hạt của vật liệu d Cu  60 d10 T U d302 d60 .d10 D Cc  R L . C C (CT 3) (CT 4) Trong đó, d60, d30, d10, dx là các đƣờng kính cỡ hạt hiệu dụng, theo đó tổng hàm lƣợng các hạt nhỏ hơn nó chiếm lần lƣợt là 60%, 30% , 10% và x% so với trọng lƣợng mẫu vật liệu, mm. Các đƣờng kính cỡ hạt hiệu dụng này thƣờng là chỉ tiêu quan trọng khi xét đến mối tƣơng quan giữa cỡ hạt và các đặc điểm cơ lý đối với đất tự nhiên, trong trƣờng hợp các vật liệu đắp nhân tạo hoặc có sự phối trộn theo kịch bản thiết kế, các đƣờng kính hiệu quả dx của vật liệu vẫn có thể thay đổi cho phù hợp khi xét mối tƣơng quan này. 8 C C Hình 2. Biểu đồ tam giác thể hiện thành phần cấp phối, nguồn rockingthehomesteadblog.com. R L T. DU b. Khả năng đầm chặt Tƣơng ứng với một công đầm nhất định, khả năng đạt độ chặt cử mỗi loại đất là hoàn toàn tùy thuộc vào thành phần cỡ hạt, hàm lƣợng hạt sét, hình dạng hạt và thành phần khoáng hóa của đất. Việc xác định khả năng đầm chặt tƣơng ứng với độ ẩm tốt nhất tƣơng ứng thƣờng đƣợc thực hiện trong phòng thí nghiệm theo các tiêu chuẩn tƣơng ứng (phƣơng pháp đầm, công đầm): TCVN 4201-2012 [5]. Hình 3. Đường cong thể hiện kết quả thí nghiệm đầm nén tiêu chuẩn, 9 1.2.3. Phương pháp xác định hệ số ổn định của mái dốc Hệ số ổn định của mái đất dính thƣờng đƣợc tính toán theo phƣơng pháp mặt trƣợt hình trụ tròn, xem khối đất là một cơ thể và trạng thái ứng suất giới hạn chỉ xảy ra trên mặt trƣợt, mái đất đồng nhất. Phƣơng pháp mặt trƣợt là mặt trụ tròn có tâm 0, xét mặt trƣợt trên mặt cắt đứng là cung AC có chiều dài L, diện tích ABC nhƣ hình dƣới đây. C C R L T. DU Hình 4. Phương pháp tính hệ số Fs bằng cách phân mảnh, mặt trượt hình trụ tròn Xét mảnh có chiều dài bằng 1 m, chia diện tích ABC thành n mảnh bằng các mặt phẳng thẳng đứng song song có bề rộng b (b lấy bằng 1/10 1/20 bán kính cung trƣợt). Đánh số thứ tự các mảnh, một mảnh sẽ chịu tác dụng của trọng lƣợng bản thân Qi, từ lực Qi này chia ra hai thành phần: Thành phần Ti tiếp tuyến với mặt trƣợt có tác d ụng làm quay mảnh i quanh tâm 0, tuỳ theo vị trí của mảnh đất th ứ i, nó có thể có chiều trùng với chiều trƣợt của lăng thể hoặc ngƣợc lại, do đó có thể là lực gây trƣợt hoặc ngƣợc lại. Thành phần Ni vuông góc với mặt trƣợt và gây ra lực ma sát lên mặt tr ƣợt. Lực ma sát chống lại hiện tƣợng trƣợt của mảnh đất, có chiều ngƣợc với chiều của lăng thể và có giá trị bằng Ni tg, trong đó là góc ma sát trong của đất. 10 Ngoài ra trên toàn bộ chiều dài cung AC còn có lực dính giữa phần trƣợt và phần ổn định. Lực dính có h ƣớng luôn luôn ngƣợc với hƣớng trƣợt của lăng thể do đó luôn luôn có tác dụng chống trƣợt, lực dính có giá trị bằng L.c Điều kiện cân bằng của toàn bộ khối trƣợt là tổng mômen của tất cả các lực lấy với tâm quay 0 phải bằng 0, cụ thể: Ti . R - Ni . tg . R - L . c . R = 0 Rút gọn có: Ti - Ni . tg - L . c = 0 (CT 5) Trong đó: Ni = Qi . cosi Ti = Qi . sini C C : Góc nội ma sát R L T. c : Lực dính đơn vị L : Chiều dài cung trƣợt DU R : Bán kính của cung trƣợt Qi = . bi . hi : trọng lƣợng của mảnh đất thứ i : Trọng lƣợng riêng của đất hi : Chiều cao mảnh thứ i bi : Bề rộng mảnh thứ i Công thức (CT 5) là phƣơng trình ứng với trạng thái cân bằng giới hạn của khối đất trƣợt . Để khối đất trƣợt ổn định, thì tổng mômen chống trƣợt phải lớn hơn tổng mômen gây trƣợt. Fs  M giu M truot Fs : hệ số an toàn (ổn định mái dốc) thƣờng lấy lớn hơn 1.4. 11 1.3. Tổng quan về biện pháp gia cố đất đắp bằng cách thêm vào tro xỉ than 1.3.1. Tổng quan về tro xỉ than a. Tổng quan tro xỉ tại Việt Nam Quá trình đốt than đá tại các lò cao của các nhà máy có sử dụng năng lƣợng: nhà máy nhiệt điện than, nhà máy gạch ceramic ... lƣợng tro xỉ thải ra sau quá trình cháy đƣợc chia làm 2 nhóm loại: nhóm có hạt nhỏ với đƣờng kính có thể đến vài phần ngàn mm sẽ theo khói thoát ra ngoài , đƣợc gọi là tro bay (fly ash) và đây là nguồn gây ô nhiểm không khí chủ yếu từ các lò cao đốt than, mặt khác, nhóm tro có đƣờng kính lớn hơn (cá biệt có thể lên đến vài cm) sẽ tích đọng ở đáy lò và đƣợc gọi là tro đáy (bottom ash). Tùy thuộc công nghệ đốt và thu hồi tro bay, lƣợng tro bay có thể đƣợc thu hồi đáng kể cùng với tro đáy. C C R L T. DU Hình 5. Sơ đồ thu hồi tro bay và tro đáy tại nhà máy nhiệt điện than, nguồn: https://www.fhwa.dot.gov/ Trong quá trình phát triển công nghiệp của nền kinh tế Việt Nam, sự lựa chọn phát triển ngành năng lƣợng điện than là một thực tế, với 18 nhà máy nhiệt điện đang hoạt động trên khắp cả nƣớc, sản lƣợng tro xỉ thải ƣớc tính vào khoảng 13.000.000 T/năm vào năm 2015 [6]. Trong tƣơng lai, khi các nhà máy nhiệt điện đang triển khai đã đi vào hoạt động, sản lƣợng tro xỉ than sẽ tăng cao, dự kiến đến năm 2020 là 14.000.000 T/năm và sẽ tăng lên thành 35.000.000 T/năm vào năm 2030 [6]. Trong thực tế, một số nhà máy nhiệt điện chƣa xử lý đƣợc nguồn thải tro xỉ nên vẫn phải chôn lấp tại bãi chứa gây ô nhiễm nguồn nƣớc ngầm đối với cƣ dân địa phƣơng xung quanh.