Nghiên cứu xử lý vật liệu bồi tích trẻ để nâng cấp, xây dựng đập đất vùng tây nguyên

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

MAI THỊ HỒNG

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ VẬT LIỆU BỒI TÍCH TRẺ ĐỂ NÂNG CẤP,
XÂY DỰNG ĐẬP ĐẤT VÙNG TÂY NGUYÊN

Chuyên ngành:
Mã số chuyên ngành:

Kỹ thuật xây dựng công trình thủy
958 02 02

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2019


Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Thủy lợi

Người hướng dẫn khoa học:

PGS.TS. Nguyễn Trọng Tư

Phản biện 1:

GS.TS. Lê Kim Truyền

Phản biện 2:

PGS.TS. Lê Xuân Roanh

Phản biện 3:

PGS.TS. Hoàng Việt Hùng

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp tại
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
vào lúc 8 giờ 30’ ngày 16 tháng 4 năm 2019

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
- Thư viện Quốc gia
- Thư viện Trường Đại học Thủy lợi


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Các tỉnh Tây Nguyên có mạng lưới sông suối khá dày, nhiều ghềnh thác, là nơi
khởi nguồn của 4 hệ thống sông chính gồm: hệ thống sông Pô Kô - Sê San ở
Kon Tum đổ vào sông Mê Kông; hệ thống sông Ba - Ayun ở Gia Lai đổ vào
sông Đà Rằng chảy ra biển Đông; hệ thống sông Sêrêpôk ở Đắk Lắk đổ vào
sông Mê Kông và hệ thống sông Đồng Nai ở Đắk Nông và Lâm Đồng chảy ra
biển Đông.
Khu vực Tây Nguyên, tỷ lệ lượng nước yêu cầu nhỏ hơn nhiều so với lượng
nước tiềm năng, nhưng hiện tượng thiếu hụt nước phục vụ cho nông nghiệp và
các ngành kinh tế khác vẫn diễn ra gay gắt. Như vậy vẫn có một lượng nước dư

thừa rất lớn chưa được sử dụng phục vụ cho phát triển đời sống xã hội và dân
sinh kinh tế. Khu vực Tây Nguyên có trên 1000 hồ thủy lợi lớn nhỏ, phần lớn sử
dụng đập đất được xây dựng bằng phương pháp đầm nén, trong đó có đa số các
công trình được xây dựng từ những năm tám mươi, chín mươi với điều kiện thi
công và công nghệ xây dựng còn hạn chế, nên nhiều công trình đã xuống cấp,
không đảm bảo an toàn cho khai thác, sử dụng như sạt lở mái thượng hạ lưu,
thấm qua thân đập. Mặt khác, theo nhu cầu phát triển kinh tế xã hội ở Tây
Nguyên, theo
dự báo, yêu cầu dùng nước cho nông nghiệp tăng từ 1112%; nước cho
công
nghiệp tăng 1.71.8 lần, nước cho sinh hoạt tăng 1.92.0 lần so với
hiện nay.
Nhu cầu dùng nước ngày càng tăng cao, nhưng điều kiện xây dựng các hồ chứa
mới rất khó khăn. Vì vậy yêu cầu nâng cấp, sửa chữa các công trình thủy lợi ở
Tây Nguyên rất lớn, đặc biệt các hồ chứa loại vừa và nhỏ được xây dựng bằng
phương pháp đầm nén, nó thường nằm rải rác phân tán, khối lượng vật liệu sử
dụng cho việc nâng cấp hồ đập là không lớn lắm. Ngoài ra, các vùng đất Tây
Nguyên đã được quy hoạch thành các khu trồng cây ăn quả, cây công nghiệp
1


nên việc lấy đất để sửa chữa, nâng cấp đập là khó khăn. Nên việc nghiên cứu sử
dụng vật liệu tại chỗ tại vùng có công trình xây dựng để nâng cấp, sửa chữa là
cần thiết, mang lại giá trị kinh tế và kỹ thuật cao. Mặc dù đã có nhiều công
trình nghiên cứu việc sử dụng đất Tây Nguyên để đắp đập, nhưng chưa có đề tài
đi sâu

1

nghiên cứu sử dụng hợp lý các loại vật liệu bồi tích trẻ ở các hồ đập, sông suối
để tận dụng sử dụng cho việc nâng cấp, sửa chữa đập.
Với những lý do trên, việc nghiên cứu các giải pháp cải tạo vật liệu tại chỗ để
phục vụ nâng cấp, xây dựng đập sẽ giúp tiết kiệm kinh phí xây dựng. Do vậy,
tôi lựa chọn đề tài của luận án: “Nghiên cứu xử lý vật liệu bồi tích trẻ để
nâng cấp, xây dựng đập đất vùng Tây Nguyên”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Xác định hàm lượng dăm sạn để tăng dung trọng khô của đất;
- Xác định hàm lượng ximăng hợp lý để giảm tính tan rã của đất có chứa nhiều
dăm sạn;
- Xác định hàm lượng xi măng và vôi hợp lý để giảm tính thấm của đất có chứa
nhiều dăm sạn.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu
- Các đập đất thủy lợi vừa và nhỏ ở Tây Nguyên;
- Loại đất nghiên cứu: Đất bồi tích trẻ có khối lượng thể tích khô hay dung trọng
khô nhỏ và có tính thấm lớn, tan rã mạnh;
- Dăm sạn có đường kính nhỏ hơn hoặc bằng 10mm
- Các chất kết dính là xi măng và vôi.
3.2. Phạm vi nghiên cứu
- Khu vực nghiên cứu: Các tỉnh thuộc Tây Nguyên;
- Sử dụng xi măng Vicem Hoàng Thạch PCB 30.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết;
- Phương pháp thực nghiệm;
2


- Phương pháp chuyên gia;
- Phương pháp nghiên cứu ứng dụng.

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
- Ý nghĩa khoa học: Luận án đã bổ sung làm sâu sắc thêm các vấn đề khoa học
của đất Tây Nguyên để nghiên cứu nhằm xử lý vật liệu bồi tích trẻ để nâng cấp,
xây dựng đập vùng Tây Nguyên.
- Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của luận án là những cơ sở khoa học để
nâng cấp, xây dựng đập đất vùng Tây Nguyên.
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẬP SỬ DỤNG VẬT LIỆU TẠI CHỖ
VÀ ĐẬP ĐẤT Ở TÂY NGUYÊN
1.1

Đập đất và những yêu cầu khi thiết kế, thi công

Đập đất được xây dựng ở bằng các loại đất hiện có ở gần vùng xây dựng công
trình, là loại đập không cho phép nước tràn qua, có nhiệm vụ dâng nước và giữ
nước trong các hồ chứa.
Từ xa xưa đập đất đã được xây dựng để trữ nước phục vụ cho dân sinh, trồng
trọt. Ở Ai Cập đập đất được xây dựng từ 4400 năm trước công nguyên, ở Trung
Quốc 2280 năm trước công nguyên. Khi đó đập được xây dựng bằng các biện
pháp thủ công, sử dụng đất dính với khối lượng vật liệu lớn và thời gian thi
công
dài (1015 năm), chiều cao đập không quá
15m.
1.1.1

Yêu cầu về thiết kế

Khi thiết kế đập đất phải đảm bảo các yêu cầu: Đập và nền đập phải ổn định
trong thời gian thi công và khai thác; Thấm qua nền và thân đập không gây mất
nước quá lớn từ hồ chứa, không gây xói ngầm; Không cho phép nước tràn qua;
Có các thiết bị bảo vệ đập khỏi bị tác hại của sóng, gió, mưa, nắng ....; Lựa chọn

loại đập đất, cấu tạo các bộ phận, thời gian và phương pháp thi công hợp lý, sử
dụng và quản lý thuận lợi, giá thành rẻ.
3


1.1.2

Yêu cầu về vật liệu đắp đập

Lựa chọn vật liệu đắp đập khi thi công đập đất đầm nén, phải đảm bảo các yêu
cầu sau:
- Đất đắp vào thân đập thường phải thoả mãn các yêu cầu sau: Sức kháng cắt
(C,
) cao; Hệ số thấm (k) nhỏ; Hàm lượng chất hữu cơ, tạp chất nhỏ hơn 5%,
hàm lượng muối tan < 0,3%; Chỉ số dẻo IP = WL- WP = (720)%;
- Thành phần hạt Cc = d60/ d10 < (30100), khi thiết kế đã chỉ ra đường bao
cấp phối cho phép; Đất không bị biến chất, phong hoá hoặc gây biến dạng lớn
sau khi đầm nện; Hàm lượng hạt sét không chiếm nhiều hơn (5060)%, tốt
nhất nằm
trong khoảng (1025)%; Khi đập có tường lõi chống thấm thì hệ số thấm
của
tường phải nhỏ hơn của đất hai bên khoảng (2050) lần, theo Tiêu chuẩn
xây
dựng (TCXD) Việt Nam 4447-87 khối lượng thể tích khô còn gọi là dung trọng
khô (c) chỉ được phép sai lệch thấp hơn 0.03T/m3 so với yêu cầu của thiết kế
và số mẫu không đạt yêu cầu so với tổng số mẫu lấy thí nghiệm không được lớn
hơn
5%.
1.2

1.2.1

Đặc điểm hồ chứa và nhu cầu dùng nước trong những năm tới ở Tây
Nguyên
Đặc điểm hồ chứa và đập đất ở Tây Nguyên

Hiện tại toàn vùng Tây Nguyên đã xây dựng được 2352 công trình thủy lợi
(CTTL), trong đó 1190 hồ chứa, 970 đập dâng, 130 trạm bơm, 62 công trình
khác. Với diện tích tưới thiết kế 289604 ha, diện tích tưới thực tế là 215.765 ha.
Trong khi đó tổng diện tích cần tưới là 772189 ha, so với diện tích cây trồng cần
tưới, diện tích tưới được bằng CTTL mới chỉ đạt 27.94%.
Phần lớn các hồ chứa ở Tây Nguyên là hồ chứa vừa và nhỏ, có dung tích nhỏ
hơn
4


3 triệu m3 và nằm rải rác trên phạm vi rộng, cơ sở hạ tầng giao thông chưa phát
triển nên việc đi lại rất khó khăn. Các hồ chứa được xây dựng từ 30 đến 40 năm
trước, nên đã bị xuống cấp nghiêm trọng, không còn đảm bảo nhiệm vụ tưới và
an toàn phòng chống lũ bão hiện nay. Đa số các đập của hồ chứa vừa và nhỏ ở

5


Tây Nguyên là đập đất, đập này thường xảy ra các hiện tượng hư hỏng như
thấm ở nền, thân, vai đập, hư hỏng phần mái, mặt đập…
1.2.2

Nhu cầu dùng nước trong tương lai

Theo số liệu thống kê từ Viện Quy hoạch Thủy lợi, tổng nhu cầu dùng nước cho
phát triển kinh tế, xã hội và môi trường trên toàn vùng Tây Nguyên vào khoảng
11 tỷ m3/năm 2015 và sẽ tăng lên khoảng 12 tỷ m3/năm vào năm 2030. Với nhu
cầu dùng nước hiện tại ở khu vực Tây Nguyên, nhu cầu dùng nước chỉ chiếm
23% lượng nước đến hàng năm ở khu vực, nhưng lượng nước đến phân bố
không đồng đều theo thời gian nên tình trạng thiếu nước vào mùa khô vẫn xảy
ra gay gắt, mùa mưa lại gây ra lũ lụt. Vì vậy, ở Tây Nguyên hiện tại thiếu
khoảng 5.0 tỷ m3/năm và khả năng sẽ thiếu 5.5 tỷ m3/năm vào năm 2030, do
nhu cầu dùng nước của các ngành đều tăng cao.
1.3

Những nghiên cứu về đập vật liệu tại chỗ

1.3.1

Nghiên cứu đập vật liệu tại chỗ trên Thế giới

Theo Nhichiporovich nghiên cứu đất sử dụng chung cho đắp đập trên toàn hành
tinh của chúng ta thông thường có các loại: Đất trầm tích - Aluvi; Đất sườn tàn
tích, tàn tích; Đất hoàng thổ; Để khắc phục tính tan rã của đất, Shearard, J.L.,
Decker R.S., & Ryker, N.L., nghiên cứu sử dụng phương pháp trộn vôi bột có
hiệu quả ngay khi bổ sung lượng vôi vào đất; Nghiên cứu của Nelson, J.D., &
Miller, D.J. (1992) cho thấy tính trương nở của đất phụ thuộc cơ bản vào thành
phần chất keo có trong đất; Nghiên cứu chất lượng thi công đập đất đầm nén
phụ thuộc vào các yếu tố: i) Thành phần hạt của đất đắp; ii) Độ ẩm đất; iii)
Chiều dày dải đất đầm; iv) Loại đầm và số lần đầm.
1.3.2

Nghiên cứu đập vật liệu tại chỗ trong nước

Nguyễn Công Mẫn, Nguyễn Văn Thơ và Phạm Văn Thìn nghiên cứu đất đỏ
bazan là sản phẩm phong hóa từ đá gốc bazan được phân bổ rộng khắp ở khu
vực Tây Nguyên và Đông Nam Bộ. Phạm Văn Thìn nghiên cứu đất đỏ bazan ở
khu vực
5


Tây Nguyên có những đặc tính khác nhau, loại bazan không chứa kết von laterit
có dung trọng khô lớn nhất trong khoảng 1.281.41 (g/cm3), trong khi đó
loại đất bazan chứa kết von laterit có thể đạt dung trọng khô lớn nhất
1.551.94 (g/cm3),
tăng 2137.8% so với loại đất bazan không chứa kết von laterit; Nguyễn
Văn Thơ, Trần Thị Thanh nghiên cứu đất đỏ bazan khu vực Tây Nguyên có hàm
lượng sét bụi lớn, dung trọng khô nhỏ từ 1.01.2 T/m3, khi đầm nện tiêu
chuẩn dung
trọng khô lớn nhất đạt được không cao từ 1.31.4 T/m3, nếu tăng công đầm
cũng
chỉ đạt khoảng 1.6 T/m3. Các kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, khi tăng
dung
trọng khô của đất, sức chống cắt của đất tăng và tính nén lún đạt giá trị trung
bình, vì vậy có thể sử dụng đất đỏ bazan làm vật liệu đắp đập; Nguyễn Văn Thơ,
Phạm Văn Thìn và một số tác giả khác nghiên cứu khi đầm nén đất đỏ bazan,
nếu đảm bảo độ ẩm thích hợp thì dung trọng khô của đất tăng và khi ở trạng thái
bão hoà nước đất có sức chống cắt tương đối cao; Nguyễn Văn Thơ và Phạm
Văn Thìn; Nguyễn Văn Chiển; Nguyễn Công Mẫn nghiên cứu về tính chất
khoáng hóa, tính chất cơ lý của đất bazan có chứa kết von laterit trong việc sử
dụng làm vật liệu đắp đập và nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng hạt thô đến
tính chất cơ lý của đất kết luận rằng hàm lượng hạt thô và đặc tính vật lý của đất
như hình dạng và cấu tạo hạt có ảnh hưởng rõ rệt đến tính chất xây dựng của
đất; Nguyễn Văn Thơ nghiên cứu khi hàm lượng hạt thô (N) thay đổi thì dung

trọng khô, cường độ chống cắt và hệ số thấm cũng thay đổi, hệ số thấm của
đất hầu như
không thay đổi khi hàm lượng hạt thô N = (0 

50)%, khi hàm lượng hạt

thô tăng
hơn 50% thì hệ số thấm bắt đầu tăng; Phạm Văn Thìn đã xây dựng một số công
thức xác định các chỉ tiêu cơ học và hệ số thấm của đất bazan có chứa kết von
laterit dạng tròn đặc sít, không cần phải tiến hành thí nghiệm trên các thiết bị cỡ
lớn mà vẫn phù hợp với điều kiện sản xuất thực tế; Phạm Văn Cơ và Nguyễn
Hữu Ký nghiên cứu sơ bộ về các loại đất có nguồn gốc khác nhau cho thấy khi
6


hàm lượng hạt thô trong đất tăng thì các cường độ chống cắt , C tăng,
nhưng hệ
số thấm k giảm; Lê Thanh Bình nghiên cứu sự thay đổi hàm lượng hạt thô N lên
các tính chất cơ lý của đất.

7


1.4

1.4.1

Những nghiên cứu về sử dụng xi măng và vôi để gia cố đất trên Thế
giới và Việt Nam
Nghiên cứu sử dụng xi măng và vôi để gia cố đất trên Thế giới

Mitchell và Freitag nghiên cứu đối với đất có tính dẻo thấp, đất cát hàm lượng
XM sử dụng để gia cố đất từ 5÷14% so với trọng lượng của đất; Lượng XM yêu
cầu phụ thuộc vào loại đất, trạng thái của đất cần gia cố; Hisaa Aboshi và
Nashahiko Kuwabara (Nhật Bản) nghiên cứu gia cố cho các loại đất yếu khác
nhau, kết quả nghiên cứu cho thấy mức độ cải thiện cường độ đối với đất bùn và
sét không cao bằng đất cát và cuội sỏi; Shiells nghiên cứu phương pháp trộn ướt
sử dụng tỷ lệ đất và XM cao hơn so với phương pháp trộn khô, cụ thể cần một
lượng XM từ 180÷400kg/m3 đất cần gia cố đối với phương pháp trộn ướt; còn
đối với phương pháp trộn khô chỉ cần lượng XM từ 90÷180kg/m3, có nghĩa là
phương pháp trộn khô hàm lượng XM chỉ khoảng 50% so với phương pháp trộn
ướt; Nghiên cứu của Law ở Viện kỹ thuật châu Á, khi trộn 5% XM với đất sét
yếu ở Băng Cốc (Thái Lan) làm tăng độ bền nén nở hông lên 10 lần, hệ số cố
kết tăng 10÷40 lần; Meei-Hoan Ho và Chee-Ming Chan đã nghiên cứu đất sét
yếu lấy tại Trung tâm nghiên cứu đất yếu thuộc Đại học Tun Hussein ở
Malaysia
(UTHM) ở độ sâu từ 1.52.0m, khi cải tạo đất bằng XM sẽ cải thiện các
đặc
trưng cơ học của đất; Nguyễn Duy Quang nghiên cứu đất bùn nạo vét ở cửa
sông
vùng Ariake Nhật Bản để làm đất đắp tại chỗ.
Như vậy, các kết quả nghiên cứu của các tác giả trên Thế giới đều cho thấy việc
cải tạo đất bằng vôi hoặc vôi kết hợp XM đã mang lại hiệu quả nhất định về đặc
tính cơ học của đất sau cải tạo.
1.4.2

Nghiên cứu sử dụng xi măng và vôi để gia cố đất ở Việt Nam

Đã có nhiều nghiên cứu sử dụng XM và vôi để cải tạo đất như Phạm Văn
Huỳnh; Lê Xuân Roanh; Nguyễn Quốc Dũng. Tóm lại các nghiên cứu về sử

8


dụng CKD vô cơ trong việc cải tạo đất ở trong nước đều khẳng định khi tăng
hàm lượng XM làm thay đổi các chỉ tiêu cơ lý của đất, làm tăng cường độ cho
đất và đất thích

9


hợp với việc gia cố bằng XM là đất cuội sỏi, cát hạt, á cát hoặc á sét nhẹ, còn
khi bổ sung phụ gia vôi vào đất làm giảm tính tan rã. Tuy nhiên các nghiên cứu
chủ yếu tập trung làm tăng cường độ cho đất, còn nghiên cứu giải pháp trộn XM
vào đất để giảm tính thấm và tan rã chưa được nghiên cứu và thường nghiên
cứu với các loại đất nguyên thổ có các chỉ số cơ lý tự nhiên ổn định.
1.5

Những nội dung đặt ra cho nghiên cứu

1/ Nghiên cứu các tính chất cơ lý và tính chất đặc biệt của một số loại vật liệu
bồi tích trẻ ở Tây Nguyên khi sử dụng chúng để đắp đập;
2/ Đề xuất các giải pháp nhằm cải tạo vật liệu bồi tích trẻ cho phù hợp với các
yêu cầu theo tiêu chuẩn hiện hành để sử dụng cho việc nâng cấp, xây dựng đập
đất vùng Tây Nguyên;
3/ Lựa chọn các tỷ lệ pha trộn hợp lý nhằm cải thiện các tính chất đặc biệt, các
tồn tại của các loại vật liệu bồi tích trẻ không đáp ứng được các tiêu chuẩn đặt
ra;
4/ Áp dụng kết quả nghiên cứu mới để nâng cấp đập vật liệu tại chỗ Buôn Sa.
1.6

Kết luận chương 1

Đã có nhiều nghiên cứu về sử dụng VLTC để đắp đập ở khu vực Tây Nguyên,
nhưng các nghiên cứu này hầu hết đều chỉ nghiên cứu sử dụng đất phong hóa từ
đá gốc được hình thành lâu đời và nghiên cứu các giải pháp thiết kế, thi công
phù hợp với từng loại đất, các loại đất đó hiện nay thường sử dụng cho việc
canh tác nông nghiệp. Còn các nghiên cứu về việc: i) Sử dụng CKD là XM và
vôi để gia cố đất yếu để sử dụng cho việc xây dựng các công trình giao thông,
tuy nhiên các nghiên cứu này tập trung vào việc tăng cường độ cho đất, còn việc
sử dụng CKD để giảm tính thấm và tính tan rã của đất đối với đất bồi tích trẻ
chưa được đề cập nghiên cứu; ii) Sử dụng phương pháp thi công, cụ thể là
phương pháp đầm chặt để tăng dung trọng khô của đất, nhưng hiệu quả của giải
pháp đầm chặt lại phụ thuộc rất nhiều vào thành phần hạt và độ ẩm đất. Vì vậy
đây chính là những nội dung đặt ra cho luận án cần được nghiên cứu.
10


CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC CẢI THIỆN VẬT LIỆU BỒI TÍCH
TRẺ ĐÁP ỨNG YÊU CẦU NÂNG CẤP, XÂY DỰNG ĐẬP ĐẤT VÙNG
TÂY NGUYÊN
2.1

Vật liệu đắp đập ở khu vực Tây Nguyên

Đất Tây Nguyên được hình thành từ đá bazan, đá trầm tích lục nguyên, đá biến
chất và đá xâm nhập sâu. Theo nguồn gốc thành tạo, có thể chia đất Tây
Nguyên thành hai loại chính: Đất Aluvi và đất sườn tàn tích, tàn tích trên các
nền đá có nguồn gốc thành tạo khác nhau.
2.2

Một số giải pháp kỹ thuật để cải tạo đất đắp đập

Cải tạo đất đất đắp đập nhằm cải tạo những tồn tại của đất, đáp ứng những yêu
cầu theo thiết kế như: tăng sức chịu tải của đất; cải thiện một số tính chất cơ lý
của đất yếu như giảm tính thấm của đất, giảm tính tan rã của đất, tăng dung
trọng khô của đất, đảm bảo ổn định cho khối đất, giảm hệ số rỗng, giảm tính
nén lún, tăng độ chặt, tăng trị số modul biến dạng, tăng cường độ chống cắt của
đất,.... Mục đích của các biện pháp cải tạo đều làm tăng cường độ liên kết giữa
các hạt đất và làm tăng độ chặt của đất nền nhằm đáp ứng được yêu cầu của
việc cải tạo đất. Hiện nay có rất nhiều phương pháp xử lý gia cố đất như: i) Cải
tạo đất bằng biện pháp cơ học: Làm chặt đất bằng búa đầm; xe lu; đầm rung;…;
ii) Cải tạo đất bằng các phương pháp bổ sung thành phần hạt; iii) Cải tạo đất
bằng bằng các CKD vô cơ hoặc hữu cơ như XM; vôi; bitum;…
2.3

Cơ sở khoa học lựa chọn chất kết dính để cải tạo đất có tính thấm lớn
và tính tan rã mạnh

Các loại đất có tính thấm lớn và tan rã mạnh thường giàu hàm lượng Na, Mg,
khi hàm lượng iôn Na+ đủ lớn thì ion Na+ có thể thay thế iôn Ca++. Khi iôn Na+
tập trung gần bề mặt khoáng sét thì tham gia trực tiếp vào lớp khuyếch tán đôi,
làm chiều dày lớp này tăng lên. Vì vậy giải pháp hữu hiệu là phải thay thế loại
ion này bằng các iôn khác trong dãy, tác giả lựa chọn ion thay thế là ion Ca++.
Điều
11


này có thể thực hiện được bằng cách bổ sung hợp chất giàu can xi vào đất, vật
liệu thông dụng là vôi bột hoặc XM.
Nếu giảm được chiều dày của lớp khuyếch tán đôi, tức là tăng lên lực hút bám

Vall Der Wall khi các hạt sét xích lại gần nhau. Khi tăng hàm lượng iôn Ca++
lên tức là giảm tỉ lệ các iôn Na+ xuống cũng đồng nghĩa với việc thay thế iôn có
trong đất. Vì vậy, biện pháp hữu hiệu là trộn một trong các hợp chất sau vào đất
như: Can xi ôxit CaO, can xi hydrô xít Ca(OH)2, hoặc các chất khác giàu Ca sẽ
thay đổi căn bản tính tan rã và tính thấm của đất. Hàm lượng sử dụng trộn vào
đất phụ thuộc vào loại đất, độ chặt đầm nén, hàm lượng muối tan trong nước,
phương pháp thi công,... Trước khi chọn tỷ lệ trộn cần phải tiến hành thí
nghiệm để xác định tỷ lệ hợp lý. Đây là tiền đề để tác giả nghiên cứu thực
nghiệm ở chương 3.
2.4

Cơ sở khoa học lựa chọn hạt thô để tăng dung trọng khô của đất

Có rất nhiều nghiên cứu để tăng dung trọng khô của đất như phương pháp đầm
chặt, phương pháp này đơn giản, đỡ tốn kém. Tuy nhiên, hiệu quả đầm chặt lại
phụ thuộc rất nhiều vào độ ẩm, thành phần cấp phối hạt của đất đắp và công cụ
đầm nén. Theo các nghiên cứu trước phương pháp đầm chặt chỉ áp dụng hiệu
quả khi hàm lượng sét bé hơn 15%. Thêm vào đó trong đất sét (đất dính)
thường tồn tại bọc khí hay túi khí làm ảnh hưởng đến quá trình ép co dưới tác
dụng của lực bên ngoài, cần hạn chế sự tồn tại của các túi khí, làm tăng tính
thông khí của đất, do tính thông khí phụ thuộc vào thành phần hạt và độ rỗng
của đất.
Ngoài ra, dung trọng khô của đất được xác định theo công thức:
t

 .
tm
c

 

2.5

m
c c

c t (1  N ) 
c
N m

Kết luận chương 2
12


Với mục tiêu nghiên cứu đề ra, tác giả lựa chọn các giải pháp để cải thiện một
số chỉ tiêu cơ lý và tính chất đặc biệt của đất như sau: i) Lựa chọn giải pháp sử
dụng CKD để giảm tính thấm và tính tan rã của đất; ii) Lựa chọn giải pháp
thay đổi

13


thành phần hạt, cụ thể lựa chọn giải pháp bổ sung thêm hàm lượng hạt thô để
gia cố đất nhằm nâng cao dung trọng khô của đất. Đó là những cơ sở khoa học
cho tác giả nghiên cứu ứng dụng ở các chương sau.
CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN MỘT SỐ CHỈ TIÊU CƠ LÝ
CỦA ĐẤT VẬT LIỆU BỒI TÍCH TRẺ ĐỂ NÂNG CẤP ĐẬP ĐẤT Ở TÂY
NGUYÊN
3.1

Đặt vấn đề

Kết quả nghiên cứu ở chương 1 và chương 2 cho thấy đập đất khu vực Tây
Nguyên thường là đập đất vừa và nhỏ, đã xây dựng cách đây khá lâu, vì vậy
nhiều công trình đã xuống cấp và không đáp ứng được nhu cầu dùng nước theo
thiết kế. Mặt khác CTTL ở Tây Nguyên lại phân bố rải rác trong khu vực, việc
sử dụng vật liệu tại chỗ để nâng cấp đập đất là nhu cầu cấp bách, hơn nữa khối
lượng vật liệu sử dụng cho việc nâng cấp là không lớn. Nhưng những nguồn vật
liệu có thể sử dụng để nâng cấp đập đã được nhiều tác giả nghiên cứu đã được
quy hoạch và sử dụng cho việc trồng cây nông nghiệp và công nghiệp. Vì vậy,
việc nghiên cứu nguồn vật liệu mới, cụ thể là những nguồn vật liệu bồi tích trẻ
là nhu cầu cấp thiết. Tuy nhiên, những nguồn vật liệu này thường có một số chỉ
tiêu cơ lý và tính chất đặc biệt không đáp ứng được nhu cầu nâng cấp, xây dựng
đập đất.
3.2

Lựa chọn mẫu đất nghiên cứu

- Mẫu đất MA được lấy tại bãi vật liệu A gần khu vực hồ chứa nước Tân Sơn
(Gia Lai) đại diện cho nhóm đất loại I có đường kính hạt nhỏ chiếm đa số;
- Mẫu đất MB và MC được lấy tại bãi vật liệu B và C gần khu vực hồ chứa
nước Eamlô và Buôn Sa (Đắk Lăk) đại diện cho nhóm đất loại II có đường kính
hạt lớn hơn 2mm chiếm đa số.
3.3

Tổng hợp nhận xét kết quả thí nghiệm

Qua kết quả thí nghiệm của các mẫu đất MA, MB và MC có một số chỉ tiêu cơ
lý và tính chất đặc biệt thỏa mãn yêu cầu xây dựng hoặc nâng cấp, sửa chữa đập
14

theo TCVN 8216-2009 và TCVN 8297-2009. Nhưng vẫn còn một số chỉ tiêu
không đảm bảo như sau:
- Mẫu đất MA: Có dung trọng khô nhỏ và độ ẩm tốt nhất cao, theo TCVN 82972009;
- Mẫu đất MB: Thời gian tan rã đất nhanh, chỉ sau 500s mẫu đất tan rã hoàn
toàn;
- Mẫu đất MC: Đất có hệ số thấm lớn, không thỏa mãn yêu cầu đắp đập theo
TCVN 8216-2009.
Vì vậy, cần có giải pháp xử lý cải tạo để đáp ứng các chỉ tiêu cơ lý và tính chất
đặc biệt của đất để đảm bảo yêu cầu sử dụng cho đắp đập.
3.4

Nghiên cứu giải pháp tăng khả năng chống thấm

1/ Xét trường hợp 1: Hàm lượng XM thay đổi là 1%, 2%, 3%, 5%, 7% và hàm
lượng vôi cố định là 2%.
Bảng 3. 1 Kết quả thí nghiệm thấm theo hàm lượng XM và 2% vôi
H HH
ỗ à à
nM m m
C
M
C
M
C
M
C
M
C

H
ệ
9
.6
4.
.2
1.
.

10

k (10-5 cm/s)

S
T
1
2
3
4
5

8
6
4
2
0

0

1

2

3

4

X (%)

5

6

7

8

Hình 3. 1 Ảnh hưởng của hàm lượng XM và 2% lượng vôi với hệ số thấm

15


Khi tăng hàm lượng XM, hệ số thấm k giảm rõ rệt, nguyên nhân do XM và vôi
có thành phần hạt là hạt mịn nên dễ dàng chiếm chỗ những lỗ rỗng của đất,
thêm vào đó việc trộn XM và vôi sẽ tạo ra các phản ứng thủy hóa với nước
trong đất, làm cho các hạt đất kết tinh lại dẫn đến tính thấm giảm. Khi hàm
lượng XM là
3% kết hợp với hàm lượng vôi là 2% thì hệ số thấm k = 4.3110-05 cm/s.
2/ Xét trường hợp 2: Hàm lượng vôi thay đổi là 1%, 2%, 3%, 5%, 7% và hàm

lượng XM là cố định 2%.
Bảng 3. 2 Kết quả thí nghiệm thấm theo hàm lượng vôi và 2% hàm lượng XM
H HH
ỗ à à
nM m m
C
M
C
M
C
M
C
M
C

H
ệ
9
6.
2.
0.
0.
.
k (10-5 cm/s)

S
T
1
2
3

4
5

10
8
6
4
2
0

0

1

2

3

4

V (%)

5

6

7

8

Hình 3. 2 Ảnh hưởng của hàm lượng vôi và 2% lượng xi măng với hệ số thấm
Kết quả thí nghiệm cho thấy hệ số thấm giảm khi tăng hàm lượng XM và vôi,
đồng thời phụ gia vôi có hiệu quả giảm thấm tốt hơn so với XM. Hệ số thấm
giảm nhanh khi hàm lượng vôi tăng từ 13%, khi hàm lượng vôi lớn hơn
3% thì
hệ số thấm vẫn giảm, nhưng tốc độ giảm nhẹ. Do vậy, để tăng hiệu quả giảm hệ
số thấm và xét cả điều kiện kinh tế, đề xuất sử dụng hàm lượng vôi là 3% và
XM là 2%, khi đó hệ số thấm k của đất là 2.0510-05cm/s, thỏa mãn TCVN
8216-2009 để sử dụng đắp đập hoặc nâng cấp đập.
16


Sau khi lựa chọn hàm lượng XM và vôi nhằm giảm tính thấm của đất là 2% XM
và 3% vôi, cần kiểm tra lại các tính chất về kháng cắt, biến dạng của đất cũng
được kiểm chứng nhằm đánh giá ảnh hưởng của phụ gia XM và vôi.
Kết quả thí nghiệm cho thấy, khi sử dụng hàm lượng CKD XM là 2% và vôi 3%
thì các chỉ tiêu về kháng cắt và biến dạng đều tăng, chỉ có lực dính đơn vị C
giảm, nhưng không đáng kể. Do vậy, tác già đề xuất chọn tỷ lệ CKD XM là 2%
và vôi
3% là cải tạo tính thấm của đất.
3.5

Nghiên cứu giải pháp chống tan rã đất

3.5.1

Nghiên cứu lựa chọn hàm lượng XM để tăng thời gian tan rã của đất

Sau khi mẫu đất được chế bị với các hàm lượng XM khác nhau là 0%, 1%, 2%,
3%, 4%, 5%, 7% và 9%. Tiến hành thí nghiệm thời gian tan rã của đất.

Bảng 3. 3 Kết quả thí nghiệm xác định đặc trưng tan rã của đất
Thể
T
H
T
tích
h
S
ê à đất bị ờ
% p
T
n
h8
T1
M
1
2
M
10
1
0
2
3
M
1
4
M
10
32
5

M
10
45
6
M
10
6
0
47
7
M
1
8
M
10
15
120
0
1
80
60
40

t (phút)

100

20

0

0

2

4

X (%)

6

8

10

Hình 3. 3 Ảnh hưởng của hàm lượng XM đến thời gian tan rã của đất
17


Nhận thấy rằng, khi tăng hàm lượng XM, thời gian tan rã của đất tăng lên đáng
kể, khi trộn hàm lượng XM là 1% thời gian tan rã tăng hơn 1.5 lần, với hàm
lượng XM là 3% thì thời gian tan rã tăng hơn 4.3 lần. Khi hàm lượng XM là
9% thời gian tan rã tăng hơn 14 lần.
Thời gian tan rã của đất tăng khi tăng hàm lượng XM là do khi tăng hàm lượng
hạt mịn XM thì tỷ diện bề mặt tăng, nên bề mặt phản ứng giữa các hạt XM và
đất tăng. Tuy nhiên, để đảm bảo điều kiện kinh tế, cần chú ý khi hàm lượng
XM là
5%, thời gian tan rã tăng 7.75 lần so với khi không sử dụng phương pháp trộn
XM, còn khi hàm lượng XM là 9% thời gian tan rã tăng 14 lần. Vì vậy, để đảm
bảo yêu cầu cả về kinh tế và tăng hiệu quả sử dụng nhằm giảm tính tan rã, sơ bộ

chọn hàm lượng XM sử dụng trong nghiên cứu tiếp là 5%.
3.5.2

Nghiên cứu các chỉ tiêu cơ học của hỗn hợp đất khi trộn 5% hàm
lượng XM

Kết quả thí nghiệm cho thấy khi trộn 5% hàm lượng XM góc ma sát trong của
đất giảm, do khi trộn thêm hàm lượng XM, làm tăng các hạt tròn cạnh có trong
XM, dẫn đến góc ma sát trong 

giảm, nhưng lực dính đơn vị tăng, tính

nén lún
tăng và tính thấm của đất giảm đảm bảo theo TCVN 8216-2009. Sự tăng độ bền
kháng cắt, giảm tính biến dạng của đất, là kết quả của quá trình phản ứng trao
đổi ion giữa đất với XM, tạo ra các kết bông cũng giống như phản ứng puzolan.
Các cation Ca2+, Mg2+ thay thế Na+ và H+ trong lớp điện kép trên bề mặt các hạt
sét.
Vì vậy, để tăng thời gian tan rã của đất, tác giả kiển nghị sử dụng hàm lượng
XM
là 5% so với khối lượng riêng khô của đất để trộn vào đất có tính tan rã mạnh.
3.6

Nghiên cứu giải pháp để nâng cao dung trọng khô của đất

Vật liệu bồi tích trẻ (mẫu đất MA) được lấy ở khu vực gần hồ đập Tân Sơn có
dung trọng khô nhỏ. Tác giả đề xuất sử dụng giải pháp thay đổi thành phần cỡ
hạt của đất, cụ thể tác giả lựa chọn giải pháp trộn thêm dăm sạn. Lý do là các
18

hạt dăm sạn không có đặc tính ưa nước nên sẽ làm giảm độ ẩm tối ưu của vật
liệu. Ngoài ra sự có mặt của các hạt thô sẽ làm cho các hạt mịn dễ dàng chiếm
chỗ lỗ rỗng giữa các hạt thô từ đó làm tăng hiệu quả đầm chặt.

19


3.6.1

Ảnh hưởng của hàm lượng dăm sạn lên dung trọng khô lớn nhất và
độ ẩm tốt nhất của đất

Khi pha trộn dăm sạn vào mẫu đất sẽ làm tăng dung trong khô và suy giảm của
độ ẩm tối ưu. Sự thay đổi này được tính toán theo TCVN 4201:2012
2

40
35
30

1.6

Wop (%)

c (g/cm3)

1.8

1.4

1.2

25
20
15

20


10

1
0

5

10

15

20

25

30

35

mS (%)

40

45

50

0

55

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

mS (%)

Ảnh hưởng của hàm lượng dăm sạn lên
dung trọng khô lớn nhất

3.6.2

5

Ảnh hưởng của hàm lượng dăm sạn đến
độ ẩm tốt nhất

Ảnh hưởng của hàm lượng dăm sạn lên khả năng kháng cắt của đất
45

0.5

40

0.4

C (kG/cm2)

35


(®é)

30
25

20

0.3

0.2

0.1

15
0
0

10
0

5

10

15

20

25

30

mS (%)

35

40

45

50

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

mS (%)

Ảnh hưởng của hàm lượng dăm sạn lên

góc ma sát trong của đất

3.6.3

5

55

Ảnh hưởng của hàm lượng dăm sạn lên
lực dính đơn vị

Ảnh hưởng của hàm lượng dăm sạn lên tính biến dạng và tính thấm
của đất
400

700

350

600

k (10-6 cm/s)

E1-2 (kG/cm2)

300
250
200
150
100

50

500
400
300
200
100

0
0

5

10

15

20

25

30

ms (%)

35

40

45

50

0

55

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

ms (%)

Ảnh hưởng của hàm lượng dăm sạn lên
môđun biến dạng

Ảnh hưởng của hàm lượng dăm sạn lên
hệ số thấm

21