Nghiên cứu giải pháp sử dụng vôi trộn với đất phong hóa từ đá magma axit để làm giảm tính trương nở của đất phục vụ công tác xây dựng và nâng cấp, sửa chữa hồ chứa vừa và nhỏ trên địa bàn tây nguyên

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sĩ này là cơng trình nghiên cứu của bản thân. Các số
liệu kết quả trình bày trong luận văn này là đúng sự thật, có nguồn gốc rõ ràng, và
chưa được cơng bố trong bất kỳ cơng trình nghiên cứu nào.
Tác giả

Nguyễn Huy Vượng

1


LỜI CẢM ƠN
Luận văn được hoàn thành, là thành quả của sự cố gắng, nỗ lực hết mình và sự giúp đỡ
tận tình của các thầy cơ trong bộ mơn Địa kỹ thuật trường Đại học Thủy Lợi Hà Nội,
đặc biệt dưới sự hướng dẫn khoa học của thầy PGS.TS Phạm Hữu Sy.
Tác giả xin bầy tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy hướng dẫn, đã tận tâm hướng dẫn khoa
học suốt quá trình từ khi lựa chọn đề tài, xây dựng đề cương đến khi hoàn thành luận
văn.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ mơn Địa kỹ thuật, khoa Cơng trình
đã giúp đỡ và tạo điều kiện tác giả hoàn thành luận văn này. Xin chân thành cảm ơn
các bạn đồng nghiệp tại phịng Địa kỹ tht - Viện Thủy cơng đã cung cấp những số
liệu cần thiết và tạo điều kiện thuận lợi để tác giả thí nghiệmtrong phịng và tác nghiệp
tại hiện trường. Tác giả xin trân trọng cảm ơn sự cho phép sử dụng số liệu từ đề tài cấp
Nhà nước mã số TN3/T30, thuộc chương trình Tây Nguyên 3 của Viện Hàn lâm Khoa
học và Công nghệ Việt Nam.
Hà Nội, ngày 3 tháng 10 năm 2016
Tác giả

Nguyễn Huy Vượng

2

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................................................... 1
LỜI CẢM ƠN.............................................................................................................................................. 2
MỤC LỤC.................................................................................................................................................... 3
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................................................ 6
DANH MỤC BẢNG BIỂU...................................................................................................................... 8
1.

Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................................................. 9

2.

Mục đích của đề tài. .....................................................................................................................11

3.

Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu...............................................................................11

4.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: ............................................................................................12

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN...................................................................................................................13
1.1

Những kết quả nghiên cứu về trương nở của đất trên thế giới...............................................13

1.1.1 Ảnh hưởng của khoáng vật sét: ..................................................................................................14

1.1.2 Ảnh hưởng của cấu trúc của đất. ................................................................................................16
1.1.3 Ảnh hưởng của độ ẩm ban đầu của đất . ...................................................................................16
1.1.4 Ảnh hưởng của độ chặt ban đầu của đất . .................................................................................17
1.1.5 Ảnh hưởng của hàm lượng hạt sét . ...........................................................................................18
1.1.6 Ảnh hưởng của môi trường nước...............................................................................................19
1.1.7 Ảnh hưởng của sự thay đổi độ ẩm theo chu kỳ........................................................................19
1.1.8 Phân loại đất trương nở:...............................................................................................................20
1.1.9 Các giải pháp xử lý đất trương nở :............................................................................................21
1.2
Tình hình nghiên cứu và sử dụng đất loại sét có tính trương nở vào cơng trình đất đắp ở
Việt Nam:....................................................................................................................................................23
1.2.1 Một số nghiên cứu cơ bản về các đặc tính trương nở tan rã của đất đắp ..............................23
1.2.2 Các nghiên cứu về gia cố đất bằng vôi......................................................................................26
1.2.3 Ứng xử với đất trương nở khi sử dụng làm vật liệu đắp đập .................................................27
Kết luận chương 1......................................................................................................................................28
CHƯƠNG 2: TÀI NGUYÊN ĐẤT PHONG HÓA TỪ ĐÁ MAGMA AXIT,CƠ SỞ LÝ
THUYẾT CỦA GIẢI PHÁP CẢI TẠO TÍNH TRƯỞNG NỞ CỦA CHÚNG BẰNG
PHƯƠNG PHÁP TRỘN VÔI................................................................................................................29
2.1

Đặc điểm phân bố của vỏ phong hóa magma trên địa bàn Tây Nguyên .............................29

2.1.1 Xâm nhập Proterozoi ...................................................................................................................29

3


2.1.2 Các thành tạo xâm nhập Paleozoi sớm – giữa (PZ 1-2) ...........................................................31
2.1.3 Các thành tạo xâm nhập Paleozoi muộn (γPZ3) ......................................................................31
2.1.4 Xâm nhập Mezozoi sớm (MZ1) ................................................................................................34

2.1.5 Các thành tạo xâm nhập Mezozoi muộn – Kainozoi (MZ3 – KZ) .......................................35
2.1.6 Mặt cắt đặc trưng của vỏ phong hóa trên đá magma axit . .....................................................36
2.1.7 Thành phần vật chất của vỏ phong hóa trên đá magma axit ..................................................37
2.2

Cơ sở lý thuyết của giải pháp cải tạo tính trương nở của đất bằng vôi .................................38

2.1.1 Cấu trúc mạng tinh thể của một số khoáng vật sét ..................................................................38
2.1.2 Các đặc trưng cơ lý của mẫu chế bị...........................................................................................41
2.1.3 Ứng xử của vôi trong môi trường đất – nước khi tiếp xúc.....................................................44
2.2.2 Một số tính chất cơ lý của hỗn hợp vơi – đất qua một số cơng trình ở
nước ngồi. ............................................................................................................................................45
Kết luận chương 2......................................................................................................................................48
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CẢI TẠO TÍNH TRƯƠNG NỞ CỦA ĐẤTPHONG HĨA Ở
TÂY NGUN BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRỘN VƠI...................................................................49
3.1

Các chỉ tiêu và phương pháp thí nghiệm...................................................................................49

3.2

Thiết kế thí nghiệm. .....................................................................................................................51

3.3

Quy trình thí nghiệm ....................................................................................................................52

3.4

Loại đất, vơi thí nghiệm...............................................................................................................54

3.5

Kết quả nghiên cứu. .....................................................................................................................56

3.5.1 Tính đầm nén của hỗn hơp vật liệu đất –vôi.............................................................................56
3.5.2 Xác định tỷ lệ phối trộn tối ưu ....................................................................................................59
3.5.3 Ảnh hưởng của vơi đến tính tan rã của đất. ...............................................................................66
3.5.4 Ảnh hưởng của vôi đến sức kháng cắt của đất. .......................................................................71
3.5. 5. Ảnh hưởng của vơi đến tính thấm của đất.................................................................................78
Kết luận chương 3......................................................................................................................................81
CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH THI CƠNG ................................................................83
4.1

Một số u cầu với vật liệu đầu vào ..........................................................................................83

4.1.1 Đối với đất .....................................................................................................................................83
4.1.2 Đối với vôi.....................................................................................................................................84
4.1.3 Đối với nước. ................................................................................................................................85
4.2

Quy trình thi cơng.........................................................................................................................85

4.2.1 Cơng tác chuẩn bị .........................................................................................................................85
4.2.2 Các bước thi công.........................................................................................................................86

4


4.3

Quy trình kiểm tra và nghiệm thu ..............................................................................................87

4.3.1 Trước khi cơng trình được thi cơng ...........................................................................................87
4.3.2 Trong q trình thi công ..............................................................................................................87
4.3.3 Nghiệm thu lớp đất đắp sau khi thi công...................................................................................88
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................................................90
1

Những kết quả đạt được: ...............................................................................................................90

2.

Những tồn tại và hạn chế ...............................................................................................................90

3.

Kiến nghị về hướng nghiên cứu tiếp theo ....................................................................................91

5


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1 Tính trương nở và tan rã của đất đắp gây xói lở thượng lưu đập hồ Ea M’Ró .............................. 10
Hình 2 Sạt lở mái thượng lưu đập hồ Dak M’Hang, và thấm ở hồ Suối Đá................................................ 10
Hình 3 Sụt lún và lầy hóa mặt đập (hồ Cư Króa 2)........................................................................................... 10
Hình 1.2 Quan hệ giữa độ ẩm trương nở của đất sét lấy từ mỏ Neliđov và độ ẩm ứng với giới hạn
dẻo của đất. ............................................................................................................................................................... 17
Hình 1.3 Sự thay đổi độ trương nởtự do (đường liền) và áp lực trương nở (đường đứt) với dung
trọng khơ (γc) của đất. ........................................................................................................................................... 18

Hình 1.4 Quan hệ giữa hàm lượng sét và độ trương nở. .................................................................................. 19
Hình 2.1 Mặt cắt điển hình của vỏ phong hóa trên đá magma axit................................................................ 37
Hình 2.2 Sơ đồ phân bố các lớp ở mạng tinh thể khống vật sét: .................................................................. 38
Hình 2.2 Sự thay đổi của độ ẩm giới hạn chảy khi trộn đất với vơi. .............................................................. 46
Hình 2.3 Sự thay đổi của độ ẩm giới hạn dẻo khi trộn đất với vơi. ................................................................ 46
Hình 2.4 Sự thay đổi của độ trương nở khi hàm lượng vơi thay đổi. ............................................................ 47
Hình 2.5 Sự thay đổi của áp lực trương nở khi hàm lượng vơi thay đổi. ..................................................... 47
Hình 3.1 Chế bị mẫu và thí nghiệm trương nở .................................................................................................. 52
Hình 3.2 Vị trí của hồ Sen trên nền bản đồ địa chất .......................................................................................... 54
Hình 3.3 Biểu đồ tổng hợp cơng tác xác định độ chặt tốt nhất và đổ ẩm tối ưu .......................................... 56
Hình 3.4 Sự thay đổi tính dẻo của đất theo hàm lượng vơi.............................................................................. 58
Hình 3.5 Quan hệ giữa độ trương nở, áp lực trương nở và hàm lượng vôi tại các ngày tuổi.................... 62
Hình 3.6 Ảnh hưởng của thời gian đến độ trương nở, áp lực trương nở ở các hàm lượng vơi khác
nhau............................................................................................................................................................................ 64
Hình 3.7 Ảnh hưởng của độ chặt đến tính trương nở và áp lực trương nở của hỗn hợp vật liệu ............. 65
Hình 3.8 Quan hệ giữa sức kháng cắt của đất và hàm lượng vôi trong điều kiện bão hòa và chế bị....... 73

6


Hình 3.9 Sự gia tăng sức kháng cắt của hỗn hợp đất – vôi theo thời gian trong điều kiện bão hòa và
chế bị ở các mức đầm chặt khác nhau. ................................................................................................................ 76
Hình 3.10 Tương quan giữa hệ số thấm và hàm lượng vơi............................................................................. 80
Hình 3.11 Tương quan giữa hệ số thấm và mức độ đầm chặt........................................................................ 80

7


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Hoạt tính của một số khống vật............................................................................................. 15

Bảng 1.2 Hoạt tính của một số khống vật trong đất có nguồn gốc biển............................................ 15
Bảng 1.3 Phân loại đất trương nở theo USBR ....................................................................................... 20
Bảng 1.4 Phân loại đất trương nở theoСНпП 2-05-08-85. .................................................................. 21
Bảng 2.1 Thành phần khống hóa của vỏ phong hóa trên đá magma axit khu vực Tây Nguyên....... 37
Bảng 2.2 Chỉ tiêu cơ lý của đất đắp có nguồn gốc sườn tích (dQ) từ đá magma axit........................ 42
Bảng 2.3 Chỉ tiêu cơ lý của đất đắp có nguồn gốc tàn tích (eQ) từ đá magma axit ........................... 43
Bảng 2.4 Kết quả thí nghiệm một số chỉ tiêu vật lý của đất với các hàm lượng vôi khác nhau. ...... 46
Bảng 3.1 Các chỉ tiêu và tiêu chuẩn áp dụng ......................................................................................... 54
Bảng 3.2 Tổng hợp các chỉ tiêu vật lý của mẫu đất............................................................................... 55
Bảng 3.3 Thành phần hóa học của vơi.................................................................................................... 55
Bảng 3.4 So sánh chỉ tiêu đầm nén trước và sau khi trộn vơi............................................................... 57
Bảng 3.5 So sánh tính dẻo của đất trước và sau khi trộn vôi .............Error! Bookmark not defined.
Bảng 3.7 So sánh chỉ tiêu tan rã của đất trước và sau khi trộn vôi....................................................... 66
Bảng 3.8 So sánh sức kháng cắt τ (kG/cm2) của đất trước và sau khi trộn vôi. ................................. 72
Bảng 3.9 So sánh hệ số thấm của đất trước và sau khi trộn vôi .......................................................... 79
Bảng 4.1 Phân loại vôi theo hàm lượng (CaO + MgO) và độ mịn...................................................... 84

8


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Tây Nguyên hiện có 1129 hồ chứa vừa và nhỏ, trong đó có 287 hồ phân bố trên nền là
vỏ phong hóa của đá magma axit với cơng trình đầu mối chủ yếu là đập đất. Hiện nay
rất nhiều cơng trình đã bị xuống cấp nghiêm trọng mà ngun nhân ít nhiều có liên
quan đến các tính chất đặc biệt (trương nở, tan rã) của đất đắp hoặc đất nền. Tính
trương nở của đất có thể làm xói hỏng các cấu kiện được xây dựng trên mặt từ loại đất
này như tấm lát mái đập, bờ kênh, mái tràn. Sự trương nở của đất cũng có thể làm mất
ổn định mái đập gây ra trượt. Trương nở và co ngót của đất có thể làm phát triển các
khe nứt trong thân đập gây ra hiện tượng thấm nếu không xử lý kịp thời có thể gây ra

vỡ đập.
Trương nở, co ngót và tan rã là những tính chất đặc biệt của đất mà thường đặc trưng
cho đất có nguồn gốc phong hóa. Khác với đất trầm tích được hình thành do lắng đọng
trong nước, đất phong hóa được hình thành trên các vùng đồi núi do q trình biến đổi
vật lý, hóa học làm thay đổi thành phần, tính chất. Nói cách khác, đất phong hóa
khơng phải hình thành trong mơi trường nước,vì vậy khi gặp nước thường ít nhiều có
tính trương nở, co ngót và tan rã. Đất phong hóa từ đá magma axit cũng nằm trong tình
trạng chung đó.
Tây Ngun là vùng cao nguyên rộng lớn, bề mặt được phủ bởi vỏ phong hóa của các
thành tạo trầm tích lục ngun, bazan, các đá magma axit và đá biến chất. Như đã nói
ở trên, trong phạm vi vùng này có đến 287 hồ chứa vừa và nhỏ xây dựng trên nền vỏ
phong hóa của đá magma axit. Mặc dù đất phong hóa từ đá magma axit có các tính
chất bất lợi như vậy nhưng việc xây dựng hồ chứa để phục vụ cho Thủy lợi, Thủy điện
và dân sinh trong vùng là không thể không làm. Bởi vậy vấn đề chỉ cịn là nghiên cứu
khắc phục các tính chất bất lợi của chúng để xây dựng. Mặc dù nghiên cứu về tính chất
trương nở của đất là khơng mới, trước đây khi xây dựng cơng trình chúng cũng đã
được nghiên cứu nhưng sự tàn phá do các tính chất bất lợi này vẫn cứ xảy ra. Một số
hình ảnh làm ví dụ được trình bày dưới đây đã minh chứng điều đó. Bởi vậy đề tài
“Nghiên cứu giải pháp sử dụng vơi trộn với đất phong hóa từ đá magma axit để làm

9


giảm tính trương nở của đất phục vụ cơng tác xây dựng và nâng cấp, sửa chữa hồ
chứa vừa và nhỏ trên địa bàn Tây Nguyên”là rất cấp thiết và có ý nghĩa thực tiễn cao.
Một số hình ảnh xuống cấp của hồ chứa do các tính chất đặc biệt của đất đắp gây ra

Hình 1 Tính trương nở và tan rã của đất đắp gây xói lở thượng lưu đập hồ Ea M’Ró

Hình 2 Sạt lở mái thượng lưu đập hồ Dak M’Hang, và thấm ở hồ Suối Đá

Hình 3 Sụt lún và lầy hóa mặt đập (hồ Cư Króa 2)

10


2. Mục đích của đề tài.
- Nghiên cứu đưa ra được tỷ lệ pha trộn hợp lý giữa vôi với đất phong hóa từ đá
magma axit để hỗn hợp vật liệu có độ trương nở nằm trong giới hạn cho phép.
- Nghiên cứu đưa ra được quy trình cơng nghệ thi công đắp đập khi trộn đất với vôi.
3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu.
a) Cách tiếp cận:
+ Tiếp cận cơng nghệ mới của nước ngồi qua các tài liệu sách vở, qua kinh nghiệm
các cơng trình tương tự đã làm ở Việt Nam.
+ Ứng dụng và thí nghiệm cho các cơng trình cụ thể.
b) Phương pháp nghiên cứu:
- Nghiên cứu lý thuyết:
+ Nghiên cứu bản chất của q trình phong hóa hóa học đá magmaaxit , thành phần
khống vật của sản phẩm phong hóa từ đá magma axit .
+ Nghiên cứu bản chất của quá trình trương nở của đất phong hóa từ đá magma axit
+ Nghiên cứu bản chất của q trình hóa lý xảy ra giữa vơi, nước và thành phần
khống hóa của đất
- Nghiên cứu thực nghiệm:
+ Nghiên cứu các đặc tính cơ lý của vật liệu đất đắp có nguồn gốc phong hóa từ đá
magma axit trên địa bàn Tây Nguyên.
+ Nghiên cứu xác định tương quan thực nghiệm giữa độ trương nở của đất với tỷ lệ
pha trộn phụ gia vôi.
+ Nghiên cứu xác định ngưỡng tối đa của phụ gia vôi để đạt được độ trương nở cho
phép cho từng loại đất phong hóa từ đá magma axit ứng với từng điều kiện ứng dụng.

11


4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu là đất phong hóa từ đá magma axít. Phạm vi nghiên cứu giới
hạn là mỏ vật liệu của hồ Sen thuộc huyện M’Đrak tỉnh Đắk Lắk. Luận văn nằm trong
khuôn khổ của đề tài cấp nhà nước “Nghiên cứu đề xuất các giải pháp nâng cao năng
lực hồ chứa vừa và nhỏ đáp ứng nhu cầu cấp nước cho sản xuất, sinh hoạt và phát
triển bền vững tài nguyên nước vùng Tây Nguyên”.

12


CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN
1.1 Những kết quả nghiên cứu về trương nở của đất trên thế giới
Trước khi nghiên cứu đặc tính trương nở của đất cần thống nhất một số thuật ngữ liên
quan sau đây. Trương nở là sự tăng thể tích của đất khi đất bị làm ướt nước. Để đánh
giá mức độ trương nở người ta dùng khái niệm “độ trương nở thể tích” và hai khai
niệm liên quanlà “độ ẩm trương nở” và “áp lực trương nở”. Độ trương nở thể tích của
đất là mức độ tăng thể tích của đất khi bị làm ướt nước; về trị số, nó là tỷ số giữa
lượng tăng thể tích do trương nở và thể tích ban đầu của đất, ký hiệu là D Tr.n , biểu thị
bằng % thể tích; độ ẩm trương nở là độ ẩm của đất tương ứng với độ trương nở lớn
nhất, ký hiệu là W Tr.n , biểu thị bằng % khối lượng. Áp lực trương nở của đất là áp lực
phát sinh trong đất do trương nở bị kìm hãm hồn tồn bởi tải trọng phản áp vừa đủ
làm cho đất khơng có biến dạng nở, ký hiệu là P Tr.n , biểu thị bằng kG/cm2.
Trương nở là đặc tính bất lợi của đất trong xây dựng, có thể gây nguy hiểm cho cơng
trình, vì vậy được quan tâm nghiên cứu nhiều. Trần Thị Thanh (1998) [7] đã sưu tầm
và giới thiệu kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học Nga và các nước Cộng hịa
thuộc Liên Xơ trước đây. Đáng chú ý là các tài liệu nghiên cứu đã được công bố của
các tác giả Βяхирeв H.П. và MливцицвиллиO.M. (1971), Kpacильнков K.Г và

СкоблинскаяН. Н. (1972, 1974) ,СорганЕ. A (1974), Ϲергеев K. М và các cộng sự
(1971), ХархутыН. Я và ВаϲиљеваЮ. М(1960), PoгаткицойЖ. М 1968,
КорчутыеваА. С và БорисовойЗ. Л. (1971). Bên cạnh đó Trần Thị Thanh (1998) [7]
cũng giới một số cơng trình nghiên cứu đã được cơng bố các nhà khoa học phương
Tây như Roy Whitlow (1983, 1989), Joseph E. Bowles (1979, 1984), Hsai-Yang Pang
(1991), và D.G, Fredlund, H. Rahardjo (1993). Khi tổng hợp kết quả nghiên cứu của
các nhà khoa học người Trung Quốc Trần Thị Thanh (1998) [7] đã trích dẫn một số
kết quả nghiên cứu đã được cơng bố của các tác giả: Wan Chuan, Lui chu Te, Tao
chian Sheng (1994). Các nghiên cứu về đất trương nở của các nhà khoa học tập trung
vào các hướng sau đây.

13


1.1.1 Ảnh hưởng của khoáng vật sét:
Sự trương nở của đất có liên quan đến sự thay đổi chiều dày các lớp nước liên kết
được hình thành xung quanh các hạt keo và sét trong q trình thủy hóa, do đó mức độ
trương nở phụ thuộc đáng kể vào hàm lượng và loại khoáng vật sét.
ОсиповВ(1979) đã chia khoáng vật sét thành hai nhóm theo khả năng thay đổi khoảng
cách giữa các lớp tinh thể:
- Nhóm khống vật sét có hoạt tính yếu,bao gồm kaolinite, pirophilite, muscovite,
biotite, hydromica
.- Nhóm khống vật sét có hoạt tính mạnh như montmorillonite.
Theo Lomtadze (1978) [17] dấu hiệu đặc trưng của các khoáng vật thuộc nhóm
montmorillonite là lượng nước trong thành phần của chúng thay đổi mạnh theo độ ẩm
môi trường xung quanh, đồng thời nước có thể tách ra khỏi thành phần khống vật để
đi vào khơng khí nêú như độ ẩm khơng khí thấp và ngược lại, có thể hấp thụ nước của
khơng khí ẩm. Các khống vật thuộc nhóm montmorillonite hầu như hoàn toàn được
thành tạo trong điều kiện ngoại sinh, phần lớn là q trình phong hóa của các đá
magma trung tính trong điều kiện mơi trường pH = 7÷8,5, ở điều kiện khí hậu khơ và

nửa khơ, ơn hịa ấm áp.
Trong nhữngnăm trước đây, các tác giả như Roy Whitlow (1983, 1989), Joseph E.
Bowles (1979, 1984) đã phát hiện ra rằng trong điều kiện biển mica (muscovite và
xerisite) bị phân hủy tạo ra một nhóm khống vật tương tự nhau về cấu trúc gọi là
illite. Liên kết cấu trúc của illte kém ổn định hơn so với kaolinite, nên hoạt tính của
illite lớn hơn kaolinite.
Joseph E. Bowles dùng chỉ số hoạt tính của sét, xác định theo cơng thức (1-1) để so
sánh hoạt tính của kaolinite, illite và montmorillonite (bảng 1.1)
Chỉ số dẻo

Hoạt tính của sét =

(1-1)
Hàm lượng hạt sét

14


Trong đó, hàm lượng hạt sét được tính cho d < 0,002mm.
Bảng 1.1 Hoạt tính của một số khống vật
Khống vật

Hoạt tính

- Kaolinite

0,4-0,5

- Illite

0,5-1,0

- Montmorillonite

1,0-7,0

Số liệu đó cho thấy rằng khống vật sét montmorillonite có hoạt tính cao hơn sét illite
và kaolinite. Theo Roy Whitlow, giá trị hoạt tính điển hình của một số khống vật sét
và đất phổ biến trong bảng (1.2).
Khả năng trương nở của sét montmorillonite rất cao. Đất chứa tỉ lệ illite đáng kể, đặc
biệt khi có nguồn gốc biển, có đặc tính trương nở cao trong khi đất kaolinite kém nhạy
cảm hơn
Bảng 1.2 Hoạt tính của một số khống vật trong đất có nguồn gốc biển
Khống vật

Hoạt tính

- Kaolinite

0,4

- Illite

0,9

- Montmorillonite

> 1,25

Đất

Hoạt tính

- Đất sét kaolinite

0,40-0,50

- Đất sét hữu cơ cửa sông

> 1,25

Các kết quả nghiên cứu trên là cơ sở để dựa vào thành phần khống vật sét có thể phán
đốn được tính chất trương nở của đất có chứa chúng. Thí dụ đất có chứa nhiều
montmorillonite sẽ trương nở nhiều hơn đất chứa khống vật illite và kaolinite. Tuy
nhiên ngồi yếu tố thành phần khoáng vật sét, đặc điểm trương nở của đất loại sét còn
phụ thuộc vào cấu trúc, trạng thái của đất và môi trường nước tác dụng với đất.

15


1.1.2 Ảnh hưởng của cấu trúc của đất.
Về ảnh hưởng của cấu trúc đến tính trương nở của đất, Trần Thị Thanh (1998) [7] đã
tổng hợp các kết quả nghiên cứu của Oсипов В. Các kết quả nghiên cứu đó đã chỉ ra
rằng các mẫu đất nguyên dạng với cấu trúc tự nhiên trương nở nhỏ hơn so với mẫu đất
có kết cấu phá hủy chế bị lại. Khi phá hủy cấu trúc tự nhiên, trị số trương nở của đất
phụ thuộc vào thành phần trạng thái của chúng và mơi trương bên ngồi.
1.1.3 Ảnh hưởng của độ ẩm ban đầu của đất .
Tính quy luật về sự trương nở của đất đối với độ ẩm ban đầu khác nhau theo thời gian
được nghiên cứu bởi Holtz, W. G và Gibbs, H. J.,Xapхуты Н. Я và ВасилЬева Ю,
М. Горячевой Д. С. và một số tác giả khác. Kết quả nghiên cứu của các tác giả đó cho

thấy rằng, độ ẩm ban đầu của đất có ảnh hưởng rất lớn đến trị số trương nở. Sự trương
nở giảm nhỏ khi tăng độ ẩm ban đầu của đất. Độ ẩm ban đầu càng nhỏ, quá trình
trương nở càng dài. Sự trương nở của đất kết thúc hoặc nếu cịn xảy ra thì cũng không
lớn khi độ ẩm ban đầu (Wo) vượt quá độ ẩm giới hạn dẻo Wp, tức là khi Wo > Wp.

Hình 1.1Sự thay đổi của độ trương nở (đường liền) và áp lực trương nở(đường đứt)
theo độ ẩm ban đầu của các mẫu chế bị.
1– Sét kaolinite; (2)– Sét montmorillonite.
Những kết quả nghiên cứu được thực hiện bởi Горячевой trên những mẫu chế bị từ
đất sét kaolinite và montmorillonite cho thấy rằng biến dạng và áp lực trương nở có
quan hệ tuyến tính với độ ẩm ban đầu Wo, thể hiện bằng phương trình:
Dtr .n ( Ptr .n ) = K w (Wtr .n − Wo )

16

(1-2)


Trong đó:
Kw = tg α – Hệ số góc của hàm trương nở
Wo – Độ ẩm ban đầu của mẫu.
W tr.n – Độ ẩm trương nở của mẫu.
Trên hình 1.2 cũng chỉ ra rằng độ ẩm trương nở (W tr.n ) có mối liên quan nhất định với
giới hạn dẻo (Wp).

Hình 1.2 Quan hệ giữa độ ẩm trương nở của đất sét lấy từ mỏ Neliđov và độ ẩm ứng với giới
hạn dẻo của đất.
1.1.4 Ảnh hưởng của độ chặt ban đầu của đất .
Theo Ж. М. Рогаткиной(1968), giữa độ trương nở và áp lực trương nở của đất có mối
liên hệ chặt chẽ, có quan hệ tuyến tính với độ chặt của đất. Quan hệ đó có dạng dưới

đây (hình 1.3).

17


Hình 1.3 Sự thay đổi độ trương nở tự do (đường liền) và áp lực trương nở (đường đứt) với
dung trọng khô (γc) của đất.
(1) – Sét kaolinite (2), Sét montmorillonite.

Dtr .n ( Ptr .n ) = K γ (γ − γ o )
trong đó:

(1-3)

γ 0 - Dung trọng ban đầu của đất.
γ- Dung trọng ban đầu của đất sau khi trương nở.
K γ -Hệ số về tính trương nở, được xác định như tang góc nghiêng của

đường thẳng với trục dung trọng khơ (hình 1-3).
Ở trên khi xét đến độ chặt (dung trọng khô) và độ ẩm ban đầu của mẫu, cũng có nghĩa
là xét đến mức độ bão hòa của mẫu. Năm 1994 một số tác giả Trung Quốc như Che
Luo Rung, Chang Mei In, Tang Wu Mei, đãnghiên cứu ảnh hưởng của trọng lượng
đơn vị thể tích khơ γ c và độ ẩm bão hịa G khác nhau đến áp lực trương nở của đất. Kết
quả nghiên cứu của các tác giả trên đã cho thấy rằng cùng giá trị dung trọng khô γ c ,
những mẫu đất có độ bão hịa G thấp sẽ có áp lực trương nở P tr.n lớn hơn; cùng một độ
bão hịa G, những mẫu nào có γ c lớn hơn sẽ có áp lực trương nở P tr.n lớn hơn.
1.1.5 Ảnh hưởng của hàm lượng hạt sét .
Cát và cát pha hoặc hồn tồn khơng trương nở hoặc trương nở rất yếu. Tính trương
nở của đất sét pha và sét phát triển tương ứng với sự gia tăng hàm lượng hạt sét, đặc
biệt hạt keo ở trong đất. Theo số liệu của Ж. М. Рогаткиной (1968), trị số trương nở

18


của những mẫu sét Khvalưn ở trạng thái khơ gió, có độ chặt ban đầu như nhau, tăng
lên từ 0% đến 37% tương ứng với sự tăng hàm lượng hạt sét từ 1,5% đến 88%.
E. A Xoratran (1974) đã xác lập được quan hệ giữa hàm lượng hạt sét (<0,005mm) với
độ trương nở D tr.n của đất loại sét ở cácvùng Khvalưn, Xarmat và Kimeri như hình
dưới đây. (hình1.4)

Hình 1.4 Quan hệ giữa hàm lượng sét và độ trương nở.
1.1.6 Ảnh hưởng của mơi trường nước.
Tính trương nở của đất cịn phụ thuộc vào sự có mặt các muối trong dung dịch ngấm
vào đất, nồng độ của chúng và trị số pH của dung dịch. Thành phần hóa học của nước
tác động rất lớn đến thành phần các cation trao đổi, và do đó tác động đến trị số trương
nở. Trị số trương nở cũng phụ thuộc vào môi trường pH. Trong những thí nghiệm của
А. С Корчутыева và З. Л Борисовой, trị số trương nở của sét được nghiên cứu khi
thay đổi độ pH của dung dịch. Phần lớn các mẫu có trương nở lớn nhất khi pH = 0,1 và
pH = 13. Sự thay đổi của độ pH từ 3 đến 12 ảnh hưởng rất ít đến trị số trương nở.
1.1.7 Ảnh hưởng của sự thay đổi độ ẩm theo chu kỳ.
Sự thay đổi độ ẩm theochu kỳ có ảnh hưởng đến tính trương nở. Những thí nghiệm
được thực hiện bởi Ж. М. Рогаткиной (1966) cho thấy rằng, khi làm ướt và khơ có
chu kỳ các mẫu sét, thì mức độ trương nở cũng như áp lực trương nở của chúng sau
mỗi chu kỳ tiếp theo được tăng lên. Thí dụ như: ở độ ẩm tự nhiên mức độ trương nở
của các mẫu sét Khvalưu thay đổi trong phạm vi từ 1% đến 8%, còn sau nhiều lần
19


hong khô – làm ướt cũng ở những giá trị độ ẩm ban đầu đó, trị số trương nở tăng lên
đến (7,5 – 16) %. Áp lực trương nở trong những mẫu sét Khavalưu được nghiên cứu ở

độ ẩm tự nhiên không vượt quá 5kG/cm2. Cũng trong những mẫu đất đó sau những
chu kỳ hong khơ – làm ướt, áp lực trương nở tăng đến 10 kG/cm2 và lớn hơn.
1.1.8 Phân loại đất trương nở:
Đất trương nở có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, trong đó có hai
bảng phân loại được sử dụng rộng rãi hơn là phân loại của tiêu chuẩn xây dựng Liên
Xô (СНиП 2.02.08.83) và phân loại đất của Cục Cải tạo đất của Mỹ, USBR (United
States Bureau of Reclamation).
Cục Cải tạo đất của Mỹ phân loại đất trương nở theo đặc trưng vật lý của đất và độ
thay đổi thể tích tương đối ∆V =

∆V
và được trình bày trong bảng 1.3 dưới đây.
V

Bảng 1.3 Phân loại đất trương nở theo USBR
Bảng 1.3 Phân loại đất trương nở theo USBRĐặc trưng

Độ trương nở tương

vật lý

đối theo thể tích δV

Phân loại đất

∆V
( %)
V

trương nở

11

> 30

Rất mạnh

25 – 41

7 - 12

20 - 30

mạnh

13 – 23

15 – 28

10 – 16

10 - 20

Trung bình

< 15

< 18

> 15

< 10

Yếu

Hàm lượng chất

Chỉ số dẻo

Độ ẩm co ngót

keo (%)

I p (%)

W k (%)

> 28

> 35

20 – 31

=

Theo “Hướng dẫn thiết kế nền nhà và cơng trình SNiP 2.02.01-83” của Liên Bang
Nga, để đánh giá sơ bộ đất sét bụi thuộc loại trương nở dùng tỷ số sau:

ech − e0
≥ 0.3,

1 + e0

(1-4)

trong đó ; e 0 – hệ số rỗng của mẫu ở trạng thái tự nhiên.
e ch – hệ số rỗng của mẫu ứng với giới hạn chảy được xác định theo công
thức sau:

20


ech =

Trong đó

ω ch ρ s
,
ρn

(1-5)

ωch - độ ẩm tự nhiên lấy theo đơn vị phần trămgiới hạn chảy ;
ρ s - khối lượng đơn vị của hạt đất g/cm3; ;

ρ n - khối lượng đơn vị của nước lấy bằng 1g/cm3 ;
Dựa theo các điều kiện ở công thức (1-4) là dựa theo một số đặc trưng vật lý để nhận
dạng đất có tính trương nở hay khơng.Như các phần trên đã giới thiệu, đặc điểm
trương nở của đất còn tùy thuộc vào trạng thái độ chặt – độ ẩm ban đầu của mẫu và
môi trường xung quanh. Do vậy, trong tiêu chuẩn và qui phạm xây dựng СНиП
2.02.08.83 của Liên Xơ có phân chia đất trương nở theo cấp (từ không trương nở đến

trương nở mạnh) căn cứ theo độ trương nở tương đối D tr.n ghi trong bảng 1.3.
Độ trương nở của đất được xác định theo tiêu chuẩn ГОСТ 2413-80 (Đất – Những
phương pháp xác định các đặc trưng trương nở và co ngót).
Nhận xét chung: Cả hai hệ phân loại đều dựa vào một số chỉ tiêu vật lý để nhận dạng
đất có khả năng trương nở hay không. Chủ yếu là dựa vào biến đổi thể tích tương đối
∆V, hoặc dựa vào độ trương nở tương đối theo chiều cao D tr.n để phân cấp đất trương
nở.
Bảng 1.4 Phân loại đất trương nở theo СНиП 2.02.08.83.
Độ trương nở tương đối D tr.n , %

Phân loại

D tr.n < 4

Không trương nở

4 < D tr.n < 8

Trương nở yếu

8 < D tr.n < 12

Trương nở trung bình

D tr.n > 12

Trương nở mạnh

1.1.9 Các giải pháp xử lý đất trương nở :
Tùy theo điều kiện khí hậu, địa chất, môi trường và kinh tế kỹ thuật của mỗi nước,

người ta đã tìm những giải pháp khác nhau để sử dụng đất có tính trương nở vào xây
dựng các cơng trình. Hầu hết các giải pháp đó đều tìm cách thích hợp hạn chế mức độ

21


trương nở tự do của đất hoặc tìm phương pháp gia cố để chống lại sự giảm độ bền của
đất do bị trương nở gây ra. Các giải pháp đó được giới thiệu trong một số cơng trình đã
được cơng bố của các tác giả:
-Trần Thị Thanh (1998) [7] đã giới thiệu một số giải pháp xử lý đất trương nở trên thế
giới như sau:
+Khi xây dựng đường và sân bay ở Liên Xôngười ta sử dụng đất loại sét có tính
trương nở vào những vị trí có áp lực ngoài (lớp gia tải) lớn hơn áp lực trương nở của
loại đất đó.
+Trong xây dựng đường ơ tơ vùng nhiệt đới ở Bắc Camơrun người ta dùng phương
pháp bọc kín một phần hoặc toàn bộ thân nền đường bằng những màng không thấm
nước
+Ở tỉnh Hồ Bắc – Trung Quốc người ta dùng vải địa kỹ thuật để gia cố chống trượt
cho mái dốc được đắp bằng loại đất sét có tính trương nở.
- A. Al-Rawas, A. W. Hago và H. Al-Sarmi (2005) [14] đã giới thiệu giải pháp xử lý
tính trương nở của đất bằng vôi, xi măng, tro bay và cặn dầu thô khi xây dựng nền
đường tại Irag và Oman.
- Amer Ali Al-Rawas & Mattheus F.A.Goosen (2006) [15] đã công bố kết quả nghiên
cứu giải pháp cải tạo tính trương nở của đất loại sét bằng vơi khi xây dựng cơng trình
giao thơng tại khu vực Ankara (Thổ Nhỹ Kỳ). Theo kết quả nghiên cứu này khi trộn
thêm 4% vơi vào đất có độ trương nở D tr.n =16% thì sẽ làm giảm độ trương nở cịn 3%,
và với hàm lượng vơi đó thì cường độ của đất cũng tăng lên đáng kể, sự phát triển của
cường độ chủ yếu diễn ra ở các giai đoạn giai đoạn từ 0 đến 30 ngày tuổi còn sau 30
ngày tuổi sự phát triển cường độ bắt đầu chậm lại.
- Mohammed Y. Fattah, Firas A. Salman vàBestun J. Nareeman(2010) [16] đã giới

thiệu giải pháp dùng vôi, puzzolan tự nhiên trộn với đất để làm giảm tính trương nở
của đất đắp đường tại Mỹ và Xu Đăng.

22


1.2 Tình hình nghiên cứu và sử dụng đất loại sét có tính trương nở vào cơng trình
đất đắp ở Việt Nam:
1.2.1 Một số nghiên cứu cơ bản về các đặc tính trương nở tan rã của đất đắp
Trước những năm tám mươi của thế kỷ này, hầu như không có những kết quả nghiên
cứu sử dụng đất trương nở vào việc xây dựng cơng trình tuy nhiên cũng có những kết
quả nghiên cứu về đất có chứa nhiều khống montmorillonite để dùng trong công
nghiệp, kỹ thuật khoan, hoặc làm dung dịch tạo hào vách đứng khi thi công tường
chống thấm qua tầng cuội sỏi. Thí dụ như, năm 1973-1974, Giáo sư Trần Như Hối
cùng tập thể cán bộ Phòng nền móng Viện Khoa học Thủy lợi Hà Nội đã nghiên cứu
“Dùng dung dịch sét tạo hào vách đứng xây tường chống thấm qua tầng cát cuội sỏi
dưới mực nước ngầm”.
Năm 1978, Giáo sư Tiến sĩ Phạm Xuân cùng một số dịch giả khác đã dịch quyển sách
“Địa chất công trình” của Lomtaze trong đó có giới thiệu nhiều kết quả nghiên cứu về
tính trương nở của đất dính ở nhiều vùng thuộc Liên Xô.
Theo Trần Thị Thanh (1998) [7] năm 1984 PTS Chu Thường Dân và một số tác giả
khác đã nghiên cứu đặc điểm biến dạng bờ mỏ ở một số mỏ than và có nhận xét: “Sự
phong hóa, trương nở giảm độ bền của đất đá là nguyên nhân chủ yếu gây ra hiện
tượng trượt dòng trên bờ mỏ Nà – Dương trong mùa mưa”. Nhưng trong bài báo đó,
các tác giả khơng có nêu số liệu thí nghiệm xác định các đặc trưng trương nở của đất
thuộc đối tượng đã nghiên cứu. Cũng theo Trần Thị Thanh (1998) [7] năm 1987, GS.
TS. Nguyễn Văn Thơ, trong luận văn tiến sĩ khoa học của mình có nêu lên “Những
nguyên lý sử dụng các loại đất đặc biệt để xây dựng nền đường ôtô trong điều kiện
nhiệt đới ẩm ở miền Nam Việt Nam” nhưng chưa đề cập đến vấn đề đất có tính trương
nở.

Trong những năm gần đây do nhu cầu xây dựng ngày một cao, bên cạnh đó sự cố cơng
trình xảy ra ngày càng nhiều mà khơng ít trường hợp ngun nhân là do tính trương nở
của đất đắp, đất nền nên việc nghiên cứu tính trương nở của đất và đề ra các giải pháp
xử lý đã được một số tác giả nghiên cứu và công bố.

23


- Trần Thị Thanh (1998) [7] đã nghiên cứu các đặc tính trương nở của các loại đất đắp
ở khu vực nam Trung Bộ và Tây Nguyên và đưa ra một số kết luận như sau:
+ Các loại đất bồi tích, tàn tích, sườn tích trên các nền đá gốc có thành phần khống
vật thạch học khác nhau như đá bazan, bột kết, cát kết, granit v.v… là những loại vật
liệu tại chỗ thường được khai thác dùng vào công trình đất đắp, đặc biệt là dùng với
khối lượng lớn để đắp đập xây dựng hồ chứa nước ở Tây Nguyên, Nam Trung Bộ.
+ Trừ loại tàn tích, sườn tích trên đá gốc bazan, cịn các loại đất bồi tích, các loại tàn
tích và sườn tích có nguồn gốc từ bột kết, cát kết, granit đều có chứa khống vật sét
montmorillonite với mức độ khác nhau. Chính khống vật montmorillonite đã làm cho
đất loại sét có chứa nó khi ngấm nước sẽ trương nở lớn hơn so với đất loại sét chỉ chứa
khoáng vật chủ yếu kaolinite.
+ Đối với loại đất có tính trương nở, độ bền cấu trúc được thể hiện qua vai trị lực dính
C có ảnh hưởng rất lớn đến mức độ trương nở của đất. Sau khi phá vỡ kết cấu tự
nhiên rồi chế bị lại cùng độ ẩm, độ chặt ban đầu, mẫu đất có mức độ trương nở tự do
lớn hơn nhiều so với mẫu đất nguyên dạng.
+ Mặt khác, theo thời gian, trong khối đất đắp được hình thành những liên kết cấu trúc
mới có tác dụng làm giảm mức độ trương nở của đất đắp. Do vậy, cần nghiên cứu đặc
điểm trương nở của vật liệu đất để tìm giải pháp thích hợp sử dụng chúng vào cơng
trình đất đắp, đặc biệt là đập đất trong cơng trình hồ chứa nước.
+ Trong cùng một loại đất có tính trương nở, dung trọng khô (γ c ), độ ẩm ban đầu
(Wo), thành phần cỡ hạt, áp lực bên ngoài khối đất đắp và mơi trường nước có ảnh
hưởng rất lớn đến hệ số trương nở tự do của nó.

+ Trong điều kiện trương nở tự do, áp lực trương nở chống lại sự nén lún của đất với
mức độ không đáng kể khi áp lực ngồi cịn nhỏ hơn áp lực trương nở. Nhưng nếu để
đất trương nở tự do sẽ gây ra sự trương nở - co ngót khơng đều theo chu kỳ, tạo ra
những vết nứt trong khối đất đắp.Mặt khác, khi trương nở tự do sức chống cắt của đất
giảm đáng kể. Những điều đó khơng có lợi cho sự ổn định của khối đất đắp, nhất là
đập đất.
+ Trong điều kiện không cho phép trương nở tự do (khi áp lực ngoài vượt quá áp lực
trương nở) sức chống cắt của đất khơng giảm, hệ số thấm nước có xu hướng giảm.
Điều này có lợi cho sự ổn định của đập đất.

24


- Lê Thanh Phong (2005) [4] đã đưa ra được quan hệ giữa độ chặt K và độ trương nở
của một số loại đất từ đó kiến nghị phương pháp lựa chọn hệ số đầm nén K thích hợp.
- Bùi Thanh Tùng (2005) [9] đã giới thiệu kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của thành
phần khoáng vật, mức độ đầm chặt đến tính trương nở vật liệu đất đắp cơng trình đầu
mối hồ chứa nước Ngàn Trươi và đã đưa ra một số kết luận sau:
+ Kết quả phân tích thành phần khoáng vật của đất cho thấy hàm lượng khống vật sét
montmorillonite chiếm tỷ lệ nhỏ, thậm chí khơng đáng kể. Tuy nhiên, hàm lượng
khoáng vật hydromica là khoáng vật có mức độ hoạt tính đối với nước trung gian giữa
khoáng vật montmorillonite và kaolinite chiếm tỷ lệ đáng kể (13 ÷ 37%). Do đó, đất
trong khu vực này có tính trương nở khi có tác dụng của nước chủ yếu là do khoáng
vật hydromica và kaolinite.
+ So với mức độ đầm chặt K = 0,97 nếu đầm chặt ở K =0.95 thì mặc dù độ bền (sức
chống cắt) của đất giảm, độ biến dạng (tính nén lún) và tính thấm (hệ số thấm) của đất
tăng lên. Tuy nhiên, các giá trị này vẫn nằm trong giới hạn chỉ tiêu đã cung cấp cho
tính tốn thiết kế đập, hay nói cách khác là nếu đắp đập với độ chặt k=0.95 thì mặt cắt
đập như thiết kế trước đây (đắp với độ chặt k=0.97) vẫn đảm bảo ổn định.
- Viện khoa học Thủy lợi Việt Nam (2015) [12] đã tổng kết đánh giá về hiện trạng và

nguyên nhân gây ra sự cố tại các cơng trình hồ chứa vừa và nhỏ trên địa bàn Tây
Nguyên như sau:
+ Đắk Lắc hiện có 50 hồ xảy ra hiện tượng thấm nền, 1 hồ thấm vai, 20 hồ thấm thân,
52 cơng trình bị sạt trượt trên mái thượng, hạ lưu hoặc cả hai, 3 đập bị nứt nẻ sâu, có
31 hồ bi thấm qua mang cống và 32 hồ bị xỏi lở hỏng tiêu năng sau cống,thấm vai và
thân tràn.
+ Tại Đắk Nông hiện có 43 hồ chứa đập đất bị xuống cấp, chủ yếu là thấm qua thân
đập, đường đỉnh đập không còn đúng với thiết kế, do bị sụt, lún mạnh, q trình bào
mịn, xói lở bề mặt diễn ra khá phổ biến, mái thượng lưu chưa được gia cố bị sạt lở,
mái hạ lưu ở một số hồ bị sạt;có 32 hồ chứa bị xói lở hai vai tràn, đặc biệt thân tràn
(dốc nước hoặc bậc nước), đuôi tràn (thiết bị tiêu năng) và tường cánh, một số tràn

25