Luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của khoáng vật montmorillonite đến cường độ chịu nén của trụ đất xi măng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN NGỌC THẮNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA KHOÁNG VẬT MONTMORILLONITE ĐẾN CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA TRỤ ĐẤT XI MĂNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH NĂM 2017 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN NGỌC THẮNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA KHOÁNG VẬT MONTMORILLONITE ĐẾN CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA TRỤ ĐẤT XI MĂNG Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG Mã số chuyên ngành: 62.58.60.01 Phản biện độc lập 1: PGS. TS. Nguyễn Phi Lân Phản biện độc lập 2: PGS. TS. Tô Văn Lận Phản biện 1: GS. TS. Trần Thị Thanh Phản biện 2: PGS. TS. Trần Tuấn Anh Phản biện 3: PGS. TS. Võ Phán NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS. TS. Lê Văn Nam 2. PGS. TS. Nguyễn Minh Tâm i LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Nguyễn Ngọc Thắng ii TÓM TẮT LUẬN ÁN Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) là đồng bằng lớn nhất Việt Nam được phủ bởi trầm tích Holocence do sự lắng đọng trầm tích của hệ thống sông Mekong. Đất sét trong vùng này thông thường gồm có các thành phần khoáng vật là Montmorillonite (MMT), Illite, Chlorite, Kaolinite. Khoáng vật MMT trong đất sét ảnh hưởng đáng kể đến tính trương nở và co ngót của đất. Áp lực trương nở hoặc tính co ngót phát triển có thể phá hoại sự làm việc ổn định của các công trình có tải trọng nhẹ và kết cấu mặt đường. Luận án này tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng MMT đến cường độ chịu nén của mẫu đất xi măng bằng thí nghiệm nén một trục nở hông kết hợp với phương pháp phân tích bằng tia X. Tất cả mẫu được bảo dưỡng trong môi trường nước ngọt với thời gian bảo dưỡng là 7, 14 và 28 ngày. Đầu tiên, thí nghiệm được thực hiện trên mẫu đất xi măng được chế tạo bằng sét Kaolinite với hàm lượng xi măng 20%, độ ẩm khi trộn là 80% và hàm lượng MMT thay đổi từ 0%, 3,3%, 6,5% đến 9,8%. Kết quả thí nghiệm cho thấy cường độ chịu nén và giá trị CT-value của mẫu đất xi măng giảm khi tăng hàm lượng MMT. Kết quả tương tự cũng được tìm thấy trong mẫu đất xi măng sử dụng đất sét ở ĐBSCL. Kết quả nghiên cứu này cũng giúp tìm ra hàm lượng xi măng thích hợp cho đất sét ở ĐBSCL có hàm lượng MMT khác nhau. Ngoài ra, mô hình nghiên cứu 1-g trong phòng thí nghiệm cũng được thực hiện để đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng MMT trong đất sét đến khả năng chịu tải nén của nền đất yếu gia cố trụ đất xi măng. Kết quả nghiên cứu trên mô hình thu nhỏ phòng thí nghiệm cũng cho thấy với cùng một hàm lượng xi măng, khi tăng hàm lượng MMT, cường độ chịu nén của nền đất gia cố trụ đất xi măng giảm. iii ABSTRACT Mekong Delta, the largest delta in Vietnam, covered by Holocence sediment due to sedimentation of Mekong River system. The soft clay in this area usually contains minerals, including Montmorillonite (MMT), Illite, Chlorite, and Kaolinite. The presence of MMT in clay has been reported to significantly affect to the swelling properties of the soil. The development of swelling pressure or shrinkage of swelled soil could reduce the stability of light building constructs and macroscopic structures of road surface. This research study focused on the influence of MMT content onto the unconfined compressive strength of Cement Deep Mixing (CDM) by using the unconfined compression test, X-ray CT method and laboratory scale model. All samples were stabilized in fresh water for 7, 14 and 28 days before performing the test. The effect of MMT content on the unconfined compression property of CDM specimens has been performed using the standard samples (the diameter of 50 mm and the height of 100 mm), which were made of Kaolinite clay, cement (20%) and different MMT content (0%, 3,3%, 6,5% and 9,8%) with 80% water content. From the experimental results, we found that the unconfined compressive strength of CDM specimens and the CT- value of soil cement specimens decreased with increasing the MMT content. The similar behavior was also observed in the CDM specimens made of Mekong delta clay with different MMT contents. This study also provide a good reference chart to optimize the cement and MMT contents for improving the unconfined compressive strength of the CDM specimens made of clays, which contain different amount of MMT, including clay from Mekong River delta. In addition, the 1-g laboratory model has been used to evaluate the influence of MMT content in the clays on the compressive strength of soft ground supported CDM columns. The results proved that the compressive strength of soft ground improved by CDM columns when the MMT content increased. iv LỜI CÁM ƠN Luận án được sự hướng dẫn tận tâm của PGS. TS. Lê Văn Nam, PGS. TS. Nguyễn Minh Tâm. Luận án cũng được sự chỉ bảo và giúp đỡ của GS. TSKH. Nguyễn Văn Thơ, PGS. TS. Võ Phán, PGS. TS. Châu Ngọc Ẩn, PGS. TS. Võ Ngọc Hà, PGS. TS. Lê Bá Vinh, PGS. TS. Bùi Trường Sơn, TS. Lê Trọng Nghĩa, TS. Đỗ Thanh Hải, TS. Trương Quang Hùng. Luận án được sự giúp đỡ của Dự án SUPREM – JICA, Bộ môn Địa cơ – Nền Móng, Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM, Trường Đại học Kumamoto và GS TS. Jun Otani, Trường Đại học Tiền Giang, Sở Khoa học Công nghệ Tiền Giang. Xin chân thành cảm ơn do đã tạo mọi điều kiện cho tôi được học tập và nghiên cứu để hoàn thành luận án này. Nghiên cứu sinh xin chân thành ghi nhớ những công ơn này và sẽ cố gắng hơn nữa để nâng cao năng lực và trình độ để phục vụ tốt cho công việc. v MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ................................................................................. vii DANH MỤC BẢNG BIỂU ..........................................................................................xi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT .................................................. xii MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu ....................................................................... 1 2 Mục đích nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ............................ 2 3 Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................ 2 4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .......................................................................... 3 5 Cấu trúc của luận án ............................................................................................... 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG TRỤ ĐẤT XI MĂNG, CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG VÀ THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH .................................................................................................... 5 Một số tính chất đặc trưng của đất yếu ở ĐBSCL .......................................... 5 Phương pháp gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng ................................... 6 Ảnh hưởng của khoáng vật MMT đến cường độ chịu nén của đất xi măng . 12 Phương pháp phân tích địa kỹ thuật bằng tia X ............................................ 15 Các nghiên cứu xác định cường độ chịu nén của nền đất yếu gia cố trụ đất xi măng bằng mô hình trong phòng thí nghiệm ............................................................ 19 Nhận xét ......................................................................................................... 27 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA KHOÁNG VẬT MONTMORILLONITE ĐẾN CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA ĐẤT XI MĂNG . 28 Khoáng vật Montmorillonite ......................................................................... 28 2.1.1 Thành phần hóa học của Montmorillonite ................................................ 28 2.1.2 Cấu trúc của Montmorillonite ................................................................... 29 Ảnh hưởng của khoáng vật Montmorillonite đến tính trương nở của đất ..... 30 Ảnh hưởng của khoáng vật Montmorillonite đến cường độ chịu nén của đất xi măng ...................................................................................................................... 33 Lý thuyết phân tích mẫu đất xi măng bằng phương pháp chụp tia X ........... 35 Cơ sở xây dựng mô hình thu nhỏ trong phòng thí nghiệm ............................ 39 Nhận xét ......................................................................................................... 40 vi CHƯƠNG 3 ẢNH HƯỞNG CỦA KHOÁNG VẬT MONTMORILLONITE ĐẾN CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA MẪU ĐẤT XI MĂNG .................................. 41 Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của Montmorillonite .................................. 41 3.1.1 Chế tạo và bảo dưỡng mẫu đất xi măng .................................................... 41 3.1.2 Thí nghiệm nén và chụp tia X mẫu đất xi măng ....................................... 45 Kết quả thí nghiệm ........................................................................................ 47 3.2.1 Sự thay đổi tính chất của hỗn hợp Kaolinite và Bentonite ....................... 47 3.2.2 Sự thay đổi tính chất của đất xi măng ....................................................... 48 3.2.3 Sự thay đổi cường độ chịu nén của đất xi măng ....................................... 57 3.2.4 Nhận xét kết quả thí nghiệm nén và chụp tia X mẫu đất xi măng ............ 73 Thí nghiệm xác định hàm lượng xi măng thích hợp cho đất ĐBSCL có hàm lượng MMT khác nhau .............................................................................................. 73 Kết luận chương ............................................................................................ 81 CHƯƠNG 4 THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA KHOÁNG VẬT MONTMORILLONITE ĐẾN CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA NỀN ĐẤT YẾU GIA CỐ TRỤ ĐẤT XI MĂNG ...................................................... 82 Nội dung thí nghiệm ...................................................................................... 82 Xây dựng mô hình thí nghiệm trong phòng .................................................. 82 Quy trình thao tác trên mô hình thí nghiệm .................................................. 85 Kết quả thí nghiệm ........................................................................................ 90 Kết luận chương ............................................................................................ 91 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO .................. 92 1 Kết luận ................................................................................................................. 92 2 Kiến nghị nghiên cứu tiếp theo ............................................................................ 93 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ........................................................... 94 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 97 vii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Bản đồ phân vùng đất yếu khu vực ĐBSCL (Nguyễn Văn Thơ và Trần Thị Thanh, 2002) .................................................................................................................... 6 Hình 1.2 Dạng phá hoại của trụ đất xi măng ................................................................... 8 Hình 1.3 Bố trí trụ đất xi măng ........................................................................................ 9 Hình 1.3 Lún của nhóm trụ đất xi măng ........................................................................ 10 Hình 1.4 Các dạng bố trí trụ đất xi măng (Yang, D.S, 1997) ........................................ 11 Hình 1.5 Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của mẫu đất xi măng với các loại đất khác nhau (Thiam-Soon Tan và các đồng nghiệp, 2002) .............................................. 13 Hình 1.6 Quan hệ giữa cường độ chịu nén và hàm lượng xi măng của mẫu đất xi măng với các loại đất khác nhau (Nozu, M. và Nakai, N., 2010) ........................................... 14 Hình 1.7 Phân tích thành phần hạt của đất (Lenoir, N., 2002) ...................................... 15 Hình 1.8 Sự thấm của vật liệu Super Geo (Otani J. và các đồng nghiệp, 2002a) ......... 16 Hình 1.9 Phân bố ứng suất dưới mũi cọc (Toshifumi Mukunoki, 2010) ...................... 16 Hình 1.10 Máy TOSCANER 20000 min (Toshifumi Mukunoki, 2010) ...................... 17 Hình 1.11 Cấu tạo bên trong của máy chụp tia X (Toshifumi Mukunoki, 2010) ......... 18 Hình 1.12 Xây dựng ảnh 3D từ ảnh tia X (Otani J. và các đồng nghiệp, 2000) ........... 18 Hình 1.13 Mô hình thí nghiệm ly tâm gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng (Kitazume, M. và các đồng nghiệp, 1999) .................................................................... 20 Hình 1.14 Mô hình thí nghiệm trụ đất xi măng chịu tải ngang (Larsson, S., 1999) ..... 22 Hình 1.15 Mô hình thí nghiệm khảo sát ứng xử của đất tại vùng tiếp giáp (Kosche, M., 2004) .............................................................................................................................. 23 Hình 1.16 Mô hình thí nghiệm trụ đất xi măng chịu tải đứng (Sengor, M.Y., 2011) ... 24 Hình 1.17 Mô hình thí nghiệm trụ đất xi măng khi chịu tải đứng dưới tấm cứng (Ailin Nur J.O. và các đồng nghiệp, 2011) .............................................................................. 25 Hình 1.18 Mô hình thí nghiệm nền đất yếu gia cố trụ đất xi măng chịu tải đứng và ngang (K. Omine và đồng nghiệp, 1999) ...................................................................... 26 Hình 2.1 Đơn vị cơ bản của tinh thể MMT (Grim, R.E., 1959) .................................... 29 Hình 2.2 Sơ đồ rút gọn về cấu tạo MMT (Lambe, T.W., 1953) ................................... 30 Hình 2.3 Thành phần khoáng vật trong đất sét ở ĐBSCL (Nozu và các đồng nghiệp, 2010) .............................................................................................................................. 30 viii Hình 2.4 Kích thước một số khoáng vật sét (Yong và Warkentin, 1975) ..................... 31 Hình 2.5 Quá trình hình thành cường độ đất xi măng ................................................... 34 Hình 2.6 Nguyên lý về phép chiếu tia X qua mẫu ........................................................ 36 Hình 2.7 Kỹ thuật chụp tia X ......................................................................................... 37 Hình 2.8 Một lát cắt được tạo thành từ n voxels x n voxels .......................................... 37 Hình 2.9 Mối quan hệ giữa hạt đất và voxel ................................................................. 38 Hình 3.1 Quá trình tạo và bảo dưỡng mẫu đất xi măng ................................................ 44 Hình 3.2 Sơ đồ thí nghiệm chụp tia X ngang mẫu đất xi măng .................................... 46 Hình 3.3 Vị trí chụp tia X ngang qua mẫu đất xi măng ................................................ 46 Hình 3.4 Sự thay đổi giới hạn chảy, giới hạn dẻo và chỉ số dẻo khi đất có hàm lượng MMT khác nhau ............................................................................................................ 48 Hình 3.5 Quan hệ giữa khối lượng thể tích và hàm lượng MMT của mẫu đất xi măng ứng với thời gian bảo dưỡng 7 ngày .............................................................................. 49 Hình 3.6 Quan hệ giữa khối lượng thể tích và hàm lượng MMT của mẫu đất xi măng ứng với thời gian bảo dưỡng 14 ngày ............................................................................ 49 Hình 3.7 Quan hệ giữa khối lượng thể tích và hàm lượng MMT của mẫu đất xi măng ứng với thời gian bảo dưỡng 28 ngày ............................................................................ 50 Hình 3.8 Sự phân bố các hạt MMT trong hỗn hợp........................................................ 50 Hình 3.9 Ảnh tia X ngang các mẫu đất xi măng có hàm lượng MMT khác nhau khi tỉ số tổng lượng nước và xi măng wT/c=3 ......................................................................... 52 Hình 3.10 Ảnh tia X ngang các mẫu đất xi măng có hàm lượng MMT khác nhau khi tỉ số tổng lượng nước và xi măng wT/c=5 ......................................................................... 53 Hình 3.11 Giá trị CT-value tại vị trí A-A của các mẫu đất xi măng có hàm lượng MMT aMMT=0%, khi tỉ số tổng lượng nước và xi măng wT/c=3, 5 ......................................... 54 Hình 3.12 Giá trị CT-value tại vị trí A-A của các mẫu đất xi măng có hàm lượng MMT aMMT=3,3%, khi tỉ số tổng lượng nước và xi măng wT/c=3, 5 ...................................... 54 Hình 3.13 Giá trị CT-value tại vị trí A-A của các mẫu đất xi măng có hàm lượng MMT aMMT=6,5%, khi tỉ số tổng lượng nước và xi măng wT/c=3, 5 ...................................... 55 Hình 3.14 Giá trị CT-value tại vị trí A-A của các mẫu đất xi măng có hàm lượng MMT aMMT=9,8%, khi tỉ số tổng lượng nước và xi măng wT/c=3, 5 ...................................... 55 Hình 3.15 Giá trị CT-value trung bình tại vị trí A-A của các mẫu đất xi măng có hàm lượng MMT khác nhau khi tỉ số tổng lượng nước và xi măng wT/c=3, 5 ..................... 56 Hình 3.16 Quan hệ giữa giá trị CT-value và khối lượng thể tích của đất xi măng ....... 56 ix Hình 3.17 Quan hệ giữa cường độ chịu nén và thời gian bảo dưỡng khi mẫu có hàm lượng MMT aMMT= 0% .................................................................................................. 57 Hình 3.18 Quan hệ giữa cường độ chịu nén và thời gian bảo dưỡng khi mẫu có hàm lượng MMT aMMT= 3,3% ............................................................................................... 58 Hình 3.19 Quan hệ giữa cường độ chịu nén và thời gian bảo dưỡng khi mẫu có hàm lượng MMT aMMT= 6,5% ............................................................................................... 58 Hình 3.20 Quan hệ giữa cường độ chịu nén và thời gian bảo dưỡng khi mẫu có hàm lượng MMT aMMT= 9,8% ............................................................................................... 59 Hình 3.21 Quan hệ giữa cường độ chịu nén và hàm lượng MMT của mẫu đất xi măng ứng với thời gian bảo dưỡng 7 ngày .............................................................................. 60 Hình 3.22 Quan hệ giữa cường độ chịu nén và hàm lượng MMT của mẫu đất xi măng ứng với thời gian bảo dưỡng 14 ngày ............................................................................ 60 Hình 3.23 Quan hệ giữa cường độ chịu nén và hàm lượng MMT của mẫu đất xi măng ứng với thời gian bảo dưỡng 28 ngày ............................................................................ 61 Hình 3.24 Ảnh tia X và sự phân bố giá trị CT-value ngang các mẫu đất xi măng có hàm lượng MMT aMMT= 0% khi tỉ số tổng lượng nước và xi măng wT/c=3 ................. 62 Hình 3.25 Ảnh tia X và sự phân bố giá trị CT-value ngang các mẫu đất xi măng có hàm lượng MMT aMMT= 3,3% khi tỉ số tổng lượng nước và xi măng wT/c=3 .............. 63 Hình 3.26 Ảnh tia X và sự phân bố giá trị CT-value ngang các mẫu đất xi măng có hàm lượng MMT aMMT= 6,5% khi tỉ số tổng lượng nước và xi măng wT/c=3 .............. 64 Hình 3.27 Ảnh tia X và sự phân bố giá trị CT-value ngang các mẫu đất xi măng có hàm lượng MMT aMMT= 9,8% khi tỉ số tổng lượng nước và xi măng wT/c=3 .............. 65 Hình 3.28 Quan hệ giữa giá trị CT-value và hàm lượng MMT của mẫu đất xi măng trước và khi bị nén ......................................................................................................... 66 Hình 3.29 Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng dọc trục của mẫu đất xi măng ............ 67 Hình 3.30 Mẫu đất trộn xi măng sau kh