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

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



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

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


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


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

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


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

 

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


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


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

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.

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

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


1.2

25
20
15

20


10

1
0

5

10

15

20

25

30

35

mS (%)


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


40

45

50

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

mS (%)

Ảnh hưởng của hàm lượng dăm sạn lên

50

500
400
300
200
100

0
0

5

10

15

20

25

30

ms (%)

35

40

45


ms (%)

Ảnh hưởng của hàm lượng dăm sạn lên
môđun biến dạng

Ảnh hưởng của hàm lượng dăm sạn lên
hệ số thấm

21