phân tích giải pháp bấc thấm kết hợp gia tải trước và bơm hút chân không cho nền cảng khu vực đồng nai
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.53 MB, 110 trang )
<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
<b>TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA </b>
NGUYỄN MINH TRUNG
<b>PHÂN TÍCH GIẢI PHÁP BẤC THẤM KẾT HỢP GIA TẢI TRƯỚC VÀ BƠM HÚT CHÂN KHÔNG CHO NỀN CẢNG </b>
<b>KHU VỰC ĐỒNG NAI </b>
<b>ANALYSIS OF SOIL IMPROVEMENT BY </b>
<b>PREFABRICATED VERTICAL DRAINS (PVD) COMBINED WITH PRELOADING AND VACUUM CONSOLIDATION </b>
<b>METHOD (VCM) IN DONG NAI PORT GROUND </b>
Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG Mã ngành: 8580211
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2024
</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2"><b>CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: TS. NGUYỄN TRUNG KIÊN </b>
<b>Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: TS. LÊ TRỌNG NGHĨA </b>
<b>Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS. TS. LẠI VĂN QUÍ </b>
<b>Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS. TS. NGUYỄN ANH TUẤN </b>
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM, ngày 19 tháng 01 năm 2024.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1. Chủ tịch: <b>PGS. TS. LÊ BÁ VINH 2. Phản biện 1: PGS. TS. LẠI VĂN QUÍ </b>
<b>3. Phản biện 2: PGS. TS. NGUYỄN ANH TUẤN </b>
4. Ủy viên: <b>ThS. HOÀNG THẾ THAO </b>
5. Thư ký: <b>TS. NGUYỄN TUẤN PHƯƠNG </b>
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa.
<b>CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG TRƯỞNG KHOA </b>
<b>PGS. TS. LÊ BÁ VINH PGS. TS. LÊ ANH TUẤN</b>
</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
<b>TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA </b>
<b>CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc</b>
<b> </b>
<b>NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ </b>
<b>Ngày, tháng, năm sinh: 12/07/1999 Nơi sinh: Tiền Giang Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng Mã số: 8580211 </b>
<b>II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG Nhiệm vụ: </b>
− Nghiên cứu đánh giá giải pháp xử lý bằng bấc thấm kết hợp với bơm hút chân không và gia tải trước cho nền đất yếu với phương pháp phần tử hữu hạn PLAXIS 3D và PLAXIS 2D.
− Nghiên cứu đề xuất hệ số tương quan cho hệ số thấm lớp đất bùn sét yếu từ bài toán PLAXIS 3D sang bài toán PLAXIS 2D cho nền đất bùn sét yếu vùng cảng khu vực Đồng Nai.
− Nghiên cứu tối ưu chiều dài bấc thấm cho khu vực đất yếu nền cảng Đồng Nai.
− Đánh giá hiệu quả của giải pháp xử lý bằng bấc thấm kết hợp với bơm hút chân không và gia tải trước và các kiến nghị tương lai cho giải pháp.
</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4"><b>III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : …/…/2023 </b>
<b>IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: …/…/2023 V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : </b>
<b>GVHD1 : TS. NGUYỄN TRUNG KIÊN GVHD2 : TS. LÊ TRỌNG NGHĨA </b>
Nội dung Luận văn Thạc sĩ được Hội đồng Chuyên ngành thông qua.
</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5"><b>LỜI CẢM ƠN </b>
Luận văn này hoàn thành đã ghi dấu sự hướng dẫn, giúp đỡ quý báu của các thầy cơ, các anh chị em, gia đình và bạn bè. Với lòng biết ơn sâu sắc cho phép tác giả gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới:
▪ Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM , khoa Kỹ thuật Xây dựng, bộ mơn Địa cơ Nền móng cùng các giảng viên đã tận tình chỉ dạy và tạo điều kiện giúp đỡ tác giả trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn Thạc sĩ này.
<b>▪ Đặc biệt, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy Tiến sĩ Nguyễn </b>
<b>Trung Kiên và Thầy Tiến sĩ Lê Trọng Nghĩa đã ln tận tình hướng dẫn, </b>
chỉ bảo, giúp đỡ và động viên tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn Thạc sĩ này.
▪ Xin gửi lời cảm ơn đến anh Hoàng Mỹ đã nhiệt tình giúp đỡ, hướng dẫn tơi với các số liệu từ cơng tác quan trắc, góp phần hồn thiện nội dung nghiên cứu.
▪ Bên cạnh đó, tác giả xin gửi lời cảm ơn đến Thầy Thạc sĩ Hoàng Thế Thao, anh Thạc sĩ Hoàng Long Hải, anh Chung Lê Tú Tài và các anh em kỹ sư phịng thiết kế Cơng ty Cổ phần Khoa học Công nghệ Bách Khoa TP.HCM đã nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện để tác giả trau dồi thêm kiến thức về địa kỹ thuật xây dựng cũng như trong quá trình nghiên cứu khoa học.
▪ Cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã ln khích lệ, động viên và giúp đỡ tác giả trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn.
Mặc dù đã cố gắng rất nhiều, nhưng bài luận văn không tránh khỏi những thiếu sót; tác giả rất mong nhận được sự thơng cảm, chỉ dẫn, giúp đỡ và đóng góp ý kiến của các nhà khoa học, của quý thầy cô, các cán bộ quản lý và các bạn đồng nghiệp.
Xin chân thành cảm ơn!
<i>TP. Hồ Chí Minh, ngày …… tháng …… năm 20… </i>
</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6"><b>TÓM TẮT </b>
Trong những năm trở lại đây, khi ngành xây dựng phát triển mạnh mẽ, ngành địa kỹ thuật xây dựng và các ngành về cơ sở hạ tầng trong lòng đất được chú trọng phát triển. Với các vùng đất có địa tầng yếu, các phương pháp xử lý nền đã được áp dụng rộng rãi nhằm cải thiện chất lượng của nền đất, bảo vệ cơng trình khỏi các nguy cơ về lún lệch gây hư hỏng cho kết cấu thượng tầng ảnh hưởng đến tuổi thọ cơng trình và tiết kiệm các chi phí cho q trình đầu tư cơng trình xây dựng. Một trong những giải pháp xử lý đất yếu thông dụng hiện nay là sử dụng giải pháp bấc thấm PVD kết hợp với gia tải trước và bơm hút chân không (VCM) để đẩy nhanh q trình thốt nước cho đất, tăng độ cố kết cho nền để tiến hành đưa vào xây dựng công trình. Tuy nhiên, đối với bài tốn xử lý nền vẫn thuần theo phương pháp giải tích để thiết kế giải pháp xử lý và ước tính dự đốn độ lún. Vì vậy, việc kiểm sốt bài tốn vẫn cịn mang tính dự đốn và khó kiểm sốt được kết quả khi so sánh thực tế quan trắc hiện trường. Nghiên cứu này tác giả hướng đến việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn PLAXIS 2D và 3D với 2 mơ hình đất dùng cho đất bùn sét yếu là Soft Soil Creep (SSC) và Soft Soil (SS) để tiến hành phân tích ngược từ các kết quả quan trắc hiện trường. Giải pháp xử lý được mô phỏng với dạng 3D gần sát với bài toán thực tế và bài tốn phẳng 2D dựa trên mơ hình Plane strain của Indraratna et.al để đề xuất giá trị tương quan nhân với hệ số thấm khi chuyển đổi từ bài toán 3D sang 2D. Từ kết quả bài tốn 3D, có thể thấy độ lún bề mặt theo thời gian tại tâm diện vùng xử lý của mô hình 3D với mơ hình đất Soft Soil Creep là tương đồng với độ lún quan trắc thực tế. Độ chênh lệch độ lún ở mốc thời gian thời điểm kết thúc xử lý (180 ngày) mức độ rất nhỏ, chỉ 1.7% so với kết quả quan trắc thực tế. Với mơ hình đất SS sử dụng bộ thơng số địa chất, giá trị tải trọng gia tải và thời gian chất tải giống với mơ hình đất SSC lại cho kết quả độ lún có sự chênh lệch tương đối lớn. Mơ hình SS có xu hướng chuyển vị tăng nhưng không nhiều, chênh lệch với độ lún của mơ hình SSC và kết quả quan trắc vào khoảng 13.4% tại thời điểm 91 ngày trong xử lý. Giá trị hệ số thấm của đất được khai báo có tác dụng đáng kể đến độ lún, áp lực nước lỗ rỗng, cũng như lộ trình ứng suất trong nền đất được xử lý và đây cũng là yếu tố quan trọng nhất quyết định độ cố kết của nền đất để ước tính thời gian xử lý nền phù hợp. Kết
</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">hợp giữa 2 kết quả phân tích ngược từ bài tốn 2D và 3D có thể thấy, khi sử dụng bài tốn phẳng đối với nền đất yếu cảng khu vực Đồng Nai cần xem xét nhân thêm 1 hệ số tương quan phù hợp gia tăng hệ số thấm từ 3 đến 3.782 lần hệ số quy đổi tính tốn bài tốn phẳng của Indraratna et.al để đánh giá đúng giá trị độ lún thực tế. Bên cạnh đó, với bề dày lớp đất yếu vào khoảng 40m bùn sét của nền cảng khu vực Đồng Nai, chiều dài của bấc thấm khi cắm đến hết bề dày của lớp đất yếu sẽ gây lãng phí cho cơng tác thi cơng vì khơng tăng được hiệu quả nhiều trong cố kết lún cho nền đất. Từ kết quả mơ phỏng bài tốn lặp, chiều dài bấc thấm thực tế có thể tối ưu lại chỉ cần 30m giúp giảm được chi phí cho công tác thi công xử lý nền.
</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8"><b>ABSTRACT </b>
In recent years, as the civil construction has experienced robust growth, the field of geotechnical engineering and underground infrastructure has received significant attention. In regions with weak soil layer, various ground improvement methods have been widely applied to enhance soil quality, safeguarding structures from risks of settlement-induced damage and contributing to the longevity of construction projects. One prevalent solution for treating weak soils involves the use of Prefabricated Vertical Drains (PVD) combined with Preloading and Vacuum Consolidation Method (VCM) to expedite water drainage, increase soil consolidation, and facilitate construction. However, traditional analytical methods are often employed for designing soil improvement solutions and predicting settlement, leading to predictive and challenging-to-control outcomes when compared to actual field observations. This study aims to utilize numerical methods, specifically employing the FEM through PLAXIS 2D and 3D, with the using of two soil material models, Soft Soil Creep (SSC) and Soft Soil (SS), to conduct inverse analyses based on field measurements. The 3D simulation closely resembles real-world conditions, while the 2D flat problem is based on the Plane Strain model proposed by Indraratna et al., with a correlation factor introduced when transitioning from the 3D to the 2D problem. The 3D results show that the settlement over time at the center of the treated area for the Soft Soil Creep model closely aligns with actual field observations, with a negligible difference of only 1.7% at the end of the treatment period (180 days). Conversely, for the SS model using soil parameters, loading values, and loading duration matching those of the SSC model, there is a relatively large difference in settlement. The Soft Soil model exhibits a slight increase in settlement, differing by approximately 13.4% compared to the Soft Soil Creep model and field measurements at the 91-day mark of treatment. The declared permeability coefficient significantly influences settlement, pore water pressure, and stress paths in the treated soil. This coefficient is a crucial factor determining soil consolidation. Combining the results of the back analysis from 2D and 3D problems reveals that when using a flat problem
</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">for weak soil in the Dong Nai port ground area, an additional correlation factor needs to be considered, increasing the permeability coefficient from 3 to 3.782 times the conversion factor used in the flat problem calculation proposed by Indraratna et al. to accurately evaluate the actual settlement values. Additionally, considering the significant thickness of the approximately 40m soft clay layer in the Dong Nai port area, the length of the vertical drains reaching the full thickness of the weak soil layer may result in inefficient construction costs. The simulation results suggest that the optimal length of the vertical drains could be reduced to 30m, minimizing costs for soil treatment during construction.
</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10"><b>LỜI CAM ĐOAN </b>
<i><b>Tác giả xin cam đoan Luận văn thạc sĩ đề tài “PHÂN TÍCH GIẢI PHÁP BẤC THẤM KẾT HỢP GIA TẢI TRƯỚC VÀ BƠM HÚT CHÂN KHÔNG CHO NỀN CẢNG KHU VỰC ĐỒNG NAI ” là đề tài nghiên cứu khoa học do chính tác giả thực </b></i>
hiện. Đề tài được thực hiện theo đúng nhiệm vụ luận văn thạc sĩ, được thực hiện dưới
<b>sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Nguyễn Trung Kiên và Tiến sĩ Lê Trọng Nghĩa. </b>
Tất cả số liệu, kết quả tính tốn, phân tích trong luận văn là hồn tồn trung thực và chưa được cơng bố ở các nghiên cứu khác. Tác giả chịu trách nhiệm về sản phẩm nghiên cứu của mình.
<i>Tp.HCM, ngày ….. tháng ….. năm 20… </i>
Học viên
<b>NGUYỄN MINH TRUNG </b>
</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">3.Mục tiêu nghiên cứu ... 2
4.Phương pháp nghiên cứu ... 3
5.Tính mới của nghiên cứu ... 3
6.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ... 3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN BÙN SÉT YẾU BẰNG PHƯƠNG PHÁP CỐ KẾT CHÂN KHÔNG ... 4
1. Đặt vấn đề về việc xử lý nền đất yếu ... 4
1.1. Khái niệm về đất yếu ... 4
1.2. Việc xử lý nền đất yếu... 5
2.Tổng quan về công nghệ bấc thấm kết hợp cố kết chân không ... 5
3.Nguyên lý của giải pháp bấc thấm kết hợp cố kết chân không và gia tải trước ... 8
</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">4.Tình hình nghiên cứu và ứng dụng của phương pháp sử dụng bấc thấm kết hợp với cố kết chân không và gia tải trước trong xử lý nền đất yếu trên thế giới và tại Việt
Nam. ... 11
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỐ KẾT CHÂN KHÔNG ... 12
1.Cơ chế của phương pháp cố kết chân khơng ... 12
2.Lộ trình ứng suất cho trường hợp cố kết chân không và gia tải đất đắp ... 14
3.Thông số kỹ thuật của bấc thấm ... 16
3.1. Đường kính tương đương của bấc thấm ... 16
3.2. Khả năng thoát nước của bấc thấm ... 17
3.3. Đường kính vùng ảnh hưởng ... 19
3.4. Độ cản thấm ... 19
3.5. Đường kính vùng đất bị xáo trộn ... 22
4.Cơ sở lý thuyết tính tốn bài tốn cố kết thấm một chiều ... 24
4.1. Giả thuyết bài toán cố kết... 24
4.2. Bài toán cố kết cơ bản ... 24
4.3. Cơ sở lý thuyết tính tốn bài tốn cố kết thấm ba chiều ... 26
5.Các phương pháp dự đoán độ lún cuối cùng ... 29
5.1. Phương pháp Asaoka ... 29
5.2. Phương pháp dự đoán độ lún cố kết cuối cùng với lời giải giải tích theo Terzaghi. ... 31
6.Cơ sở lý thuyết của các mơ hình nền sử dụng trong tính tốn ... 32
6.1. Mơ hình Soft Soil Creep (SSC) ... 32
6.2. Mơ hình Soft Soil (SS) ... 33
7.Phương pháp mơ phỏng mơ hình bấc thấm ... 34
</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">7.1. Phương pháp khối đất tương đương ... 34
7.2. Phương pháp bài toán đối xứng trục. ... 35
7.3. Phương pháp quy đổi tương đương sang bài toán phẳng ... 36
7.4. Điều kiện biên trong phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) ... 37
7.5. Mô phỏng áp suất chân không trong xử lý nền. ... 37
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ GIẢI PHÁP XỬ LÝ BẰNG BẤC THẤM KẾT HỢP VỚI BƠM HÚT CHÂN KHÔNG VÀ GIA TẢI TRƯỚC CHO NỀN ĐẤT YẾU ... 38
9.1. Phương pháp mơ phỏng tính tốn ... 47
9.2. Hệ số nén thứ cấp C<small></small> sử dụng trong mơ hình Soft Soil Creep ... 48
9.3. Điều kiện biên của bài tốn ... 48
9.4. Thơng số địa chất sử dụng trong mơ hình nghiên cứu ... 49
9.5. Áp lực bơm hút chân khơng ... 52
10.Kết quả tính tốn mơ phỏng PLAXIS 3D khi thực hiện mô phỏng xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp gia tải trước và bơm hút chân không ... 53
10.1. Phương pháp thực hiện mô phỏng ... 53
10.2. Đánh giá sự hội tụ khi lựa chọn bề rộng vùng xử lý phù hợp cho biên bài tốn mơ phỏng ... 54
</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">10.3. Kết quả mơ phỏng tính tốn với PLAXIS 3D và nhận xét ... 57
10.3.1. Mơ phỏng bài tốn bằng PPPTHH ... 57
10.3.2. Kết quả về độ lún bề mặt ... 59
10.3.3. Kết quả về độ lún sâu của nền với mơ hình SSC ... 61
10.4. Dự báo độ lún cuối cùng của nền ... 62
10.4.1. Phương pháp phân tích ngược Asaoka ... 62
10.4.2. Phương pháp giải tích với lời giải Terzaghi... 63
10.4.3. Phương pháp số sử dụng PLAXIS 3D ... 63
10.5. Nhận xét ... 64
11. Nghiên cứu ứng xử của nền đất yếu được xử lý với giải pháp bấc thấm kết hợp gia tải trước và bơm hút chân không bằng PPPTHH PLAXIS 2D ... 67
11.1. Quy đổi bài toán đối xứng trục 3D về bài toán phẳng Plane strain ... 67
11.2. Kết quả mơ phỏng tính tốn với PLAXIS 2D và nhận xét ... 68
11.2.1. Mô phỏng bài toán bằng PPPTHH 2D ... 68
</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">13. Nghiên cứu tối ưu chiều dài bấc thấm cho khu vực đất yếu nền cảng Đồng
DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ... 85
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ... 88
TÓM TẮT LÝ LỊCH KHOA HỌC ... 91
</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16"><b>DANH MỤC HÌNH ẢNH </b>
Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý của giải pháp xử lý nền bằng bấc thấm kết hợp bơm hút
chân khơng ... 8
Hình 1.2. Sơ đồ dịch chuyển của nền khi sử dụng giải pháp bấc thấm ... 9
Hình 1.3. Mơ hình chuyển vị ngang của nền dưới tác dụng của tải đắp và chân khơng ... 10
Hình 2.1. Mơ hình lị xo cho q trình cố kết ... 13
Hình 2.2. a) trạng thái ban đầu; b) gia tải đất đắp; c) gia tải chân khơng ... 14
Hình 2.3. Lộ trình ứng suất trên mặt p’-q ... 15
Hình 2.4. Bấc thấm hình có tiết diện chữ nhật và đường kính quy đổi ... 16
Hình 2.5. Đường kính tương đương của bấc thấm ... 17
Hình 2.6. Sự uốn – gập của bấc thấm ... 18
Hình 2.7. Lưu lượng thấm của bản thân từng loại bấc thấm (từ Rixner et al., 1986) ... 18
Hình 2.8. Sơ đồ bố trí bấc thấm ... 19
Hình 2.9. Sự thay đổi độ cố kết theo độ sâu khi kể đến độ cản thấm của giếng ... 20
Hình 2.10. Ảnh hưởng của lưu lượng thấm của bấc thấm lên độ cố kết ... 21
Hình 2.11. Ảnh hưởng của chiều dài giếng thấm lên độ cố kết ... 21
Hình 2.12. Vùng đất bị xáo trộn xung quanh ống Madrel (Rixner et al. 1986) ... 22
Hình 2.13. Độ lún theo tính tốn và quan trắc từ mơ hình thật (Bergado et al. 1993) ... 23
Hình 2.14. Mơ hình thốt nước và các thơng số cơ bản ... 27
Hình 2.15. Dự đốn độ lún cuối cùng theo phương pháp Asaoka ... 30
Hình 2.16. Quan hệ ứng suất hữu hiệu và biến dạng mơ hình Soft Soil Creep ... 33
Hình 2.17. Mặt dẻo mơ hình Soft Soil Creep ... 33
Hình 2.18. Quan hệ ứng suất hữu hiệu và biến dạng mơ hình Soft Soil ... 34
Hình 2.19. Mặt dẻo mơ hình Soft Soil ... 34
Hình 3.1. Phối cảnh tổng quan 3D dự án Cảng Phước An ... 39
Hình 3.2. Tải trọng thiết kế yêu cầu cho từng phân khu của Cảng Phước An ... 39
</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">Hình 3.3. Cao độ hiện trạng của từng phân khu... 40
Hình 3.4. Vị trí phân khu C1 đang được dùng cho tính tốn nghiên cứu ... 40
Hình 3.5. Mặt bằng bố trí hố khoan các giai đoạn của dự án ... 41
Hình 3.6. Mặt cắt địa chất điển hình các hố khoan bổ sung năm 2022 ... 42
Hình 3.7. Thơng số địa chất điển hình lớp bùn sét yếu từ kết quả khảo sát các hố khoan bổ sung năm 2022 ... 44
Hình 3.8. Mặt cắt trình tự thi cơng PVD điển hình ... 45
Hình 3.9. Tiến trình gia tải và biểu đồ dự báo lún do xử lý nền theo u cầu thiết kế ... 46
Hình 3.10. Mơ phỏng PLAXIS 3D xử lý với giải pháp bấc thấm kết hợp gia tải trước và bơm hút chân không ... 47
Hình 3.11. Biên biến dạng (trái) và biên thấm (phải ) của bài tốn ... 48
Hình 3.12. Mơ phỏng PLAXIS 3D với các biên biến dạng và biên thấm ... 49
Hình 3.13. Biểu đồ kết quả quan trắc áp lực bơm hút chân khơng ... 52
Hình 3.14. Biểu đồ độ lún theo thời gian của vùng xử lý với các bề rộng dãy mơ phỏng khác nhau ... 55
Hình 3.15. Biên thấm và biên biến dạng được tác giả áp dụng trong nghiên cứu này. ... 56
Hình 3.16. Mơ hình bài toán tại thời điểm cuối giai đoạn xử lý (180 ngày). ... 57
Hình 3.17. Độ lún tổng phương đứng U<small>z</small> tại thời điểm cuối giai đoạn xử lý (180 ngày) ... 57
Hình 3.18. Áp lực nước lỗ rỗng hoạt động P<small>active</small> tại thời điểm cuối giai đoạn xử lý (180 ngày). ... 57
Hình 3.19. Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư P<small>excess</small> tại thời điểm cuối giai đoạn xử lý . 58Hình 3.20. Xu hướng chuyển vị phương X của mơ hình mơ phỏng ... 58
Hình 3.21. Xu hướng chuyển vị phương Y của mơ hình mơ phỏng ... 59
Hình 3.22. Biểu đồ độ lún bề mặt theo thời gian kết quả quan trắc và phương pháp phần tử hữu hạn PLAXIS 3D tại thời điểm kết thúc gia tải (180 ngày) ... 60
Hình 3.23. Biểu đồ độ lún sâu của nền theo thời gian kết quả quan trắc và phương pháp phần tử hữu hạn PLAXIS 3D tại thời điểm kết thúc gia tải (180 ngày) ... 61
</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">Hình 3.24. Biểu đồ dự báo độ lún cuối cùng theo Asaoka ... 62
Hình 3.25. Kết quả tính tốn dự báo độ lún cuối cùng theo giải tích của Terzaghi . 63Hình 3.26. Kết quả tính tốn dự báo độ lún cuối cùng theo mô phỏng PLAXIS 3D ... 63
Hình 3.27. Quy đổi bài tốn đối xứng trục 3D về bài tốn phẳng 2D ... 67
Hình 3.28. Mơ hình bài tốn tại thời điểm cuối giai đoạn xử lý (180 ngày). ... 68
Hình 3.29. Độ lún tổng phương đứng U<small>z</small> tại thời điểm cuối giai đoạn xử lý ... 68
Hình 3.30. Áp lực nước lỗ rỗng hoạt động P<small>active</small> tại thời điểm cuối giai đoạn xử lý (180 ngày). ... 69
Hình 3.31. Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư P<small>excess</small> tại thời điểm cuối giai đoạn xử lý 69Hình 3.32. Xu hướng chuyển vị phương X của mơ hình mơ phỏng ... 69
Hình 3.33. Biểu đồ độ lún bề mặt theo thời gian kết quả quan trắc và phương pháp phần tử hữu hạn PLAXIS 2D tại thời điểm kết thúc gia tải (180 ngày) ... 70
Hình 3.34. Biểu đồ độ lún sâu của nền theo thời gian kết quả quan trắc và phương pháp phần tử hữu hạn PLAXIS 2D tại thời điểm kết thúc gia tải (180 ngày) ... 71
Hình 3.35. Biểu đồ độ lún bề mặt theo thời gian kết quả quan trắc và tương quan về tỷ số thấm của mơ hình PLAXIS 3D và PLAXIS 2D (180 ngày) ... 76
Hình 3.36. Biểu đồ độ lún sâu của nền theo thời gian kết quả quan trắc và phương pháp phần tử hữu hạn PLAXIS 2D sau khi hiệu chỉnh hệ số thấm (180 ngày) ... 77
Hình 3.37. Biểu đồ độ lún bề mặt theo từng chiều dài bấc thấm ... 80
</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19"><b>DANH MỤC BẢNG BIỂU </b>
Bảng 1. Thông số đầu vào địa chất mơ hình PLAXIS 3D ... 50Bảng 2. So sánh kết quả bề rộng vùng xử lý đối với độ lún của bài toán PLAXIS 3D ... 54Bảng 3. So sánh kết quả độ lún sâu của nền theo kết quả quan trắc và PPPTHH 3D tại thời điểm kết thúc gia tải (180 ngày) ... 60Bảng 4. So sánh kết quả độ lún bề mặt theo kết quả quan trắc và PPPTHH tại thời điểm kết thúc gia tải (180 ngày) ... 61Bảng 5. Hệ số thấm quy đổi của vùng xử lý từ bài toán đối xứng trục 3D sang bài toán phẳng 2D ... 68Bảng 6. So sánh kết quả độ lún bề mặt theo kết quả quan trắc và PPPTHH 2D tại thời điểm kết thúc gia tải (180 ngày) ... 71Bảng 7. So sánh kết quả độ lún bề mặt theo kết quả quan trắc và PPPTHH 2D tại thời điểm kết thúc gia tải (180 ngày) ... 72Bảng 8. So sánh kết quả độ lún sâu của nền theo kết quả quan trắc và PPPTHH tại thời điểm kết thúc gia tải (180 ngày) ... 78
</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20"><b>MỞ ĐẦU </b>
<b>1. Bối cảnh và tính cấp thiết của đề tài </b>
Hiện nay, với tốc độ cơng nghiệp hóa ngày càng tăng, các cụm công nghiệp nhà máy cầu cảng phát triển dần ra các vùng ven sông lớn, ven biển, mà về tổng thể ở phía các vùng phía Nam là những khu vực có bề dày lớp đất yếu tương đối lớn như Đồng Nai, Bà Rịa – Vũng Tàu, Nhà Bè, Cần Giờ, … hay các tỉnh có những khu vực giáp biển như Kiên Giang, Bến Tre, Trà Vinh, …. thuộc vùng Đồng bằng Sông Cửu Long. Do đó, việc phát triển quy hoạch cho các vùng đất yếu ngày càng được chú trọng, vì vậy, công tác xử lý nền đất yếu dần được chú trọng và phát triển [1].
Tính đến hiện tại, đã rất nhiều phương pháp xử lý và gia cố nền đất yếu được áp dụng rộng rãi tại nước ta như trụ đất trộn xi măng (CDM), gia tải trước bằng dắp đất, sử dụng bấc thấm kết hợp với bơm hút chân không, cọc vật liệu rời, … Một trong những phương pháp phổ biến đang dần được áp dụng vào nhiều cơng trình xử lý nền là phương pháp sử dụng bấc thấm (PVD) kết hợp với bơm hút chân không (VCM) và đắp đất gia tải trước để tăng khả năng thoát nước và tăng khả năng chịu tải cho nền đất yếu. Phương pháp này có thể khắc phục được nhược điểm của các phương pháp xử lý khác như cường độ của trụ xi măng đất CDM hay thời gian cố kết rất lâu của phương pháp xử lý bằng đắp đất gia tải trước, ….
Tuy nhiên, phương pháp tính tốn xử lý nền với bấc thấm bằng giải tích vẫn cịn chưa được chính xác và hiệu quả, dẫn đến kết quả đánh giá có thể sai lệch thời gian xử lý, gây tốn kém nhiều chi phí cho các đơn vị tham gia. Bằng việc phát triển của các phần mềm hỗ trợ tính tốn phần tử hữu hạn, các đơn vị thiết kế nghiên cứu có thể tiết kiệm được thời gian tính tốn nhưng mang lại hiệu quả có thể hơn các phương pháp giải tích truyền thống và gần sát với kết quả quan trắc khi ứng dụng trong các cơng trình thực tế. Trong các thơng số tính tốn cho mơ hình mơ phỏng bấc thấm trong xử lý nền, hệ số thấm của lớp bùn sét yếu trong nền đất cũng ảnh hưởng rất nhiều đến quá trình cố kết nền đất. Do đó, cần có thêm nhiều nghiên cứu về giá trị hệ số thấm đề xuất cho các vị trí của vùng xử lý khơng thể có kết quả thí nghiệm đất
</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21">hiện trường để có thể ứng dụng rộng rãi phương pháp hiện đại này trong thực tế. Vì
<i><b>vậy, tác giả chọn và thực hiện đề tài “PHÂN TÍCH GIẢI PHÁP BẤC THẤM KẾT HỢP GIA TẢI TRƯỚC VÀ BƠM HÚT CHÂN KHÔNG CHO NỀN CẢNG KHU VỰC ĐỒNG NAI”. </b></i>
<b>2. Phạm vi nghiên cứu </b>
Nghiên cứu đánh giá hiệu quả của phương pháp xử lý nền với giải pháp bấc thấm kết hợp gia tải trước và bơm hút chân không cho nền cảng khu vực Đồng Nai phương pháp số mà cụ thể là phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn với phần mềm PLAXIS.
<b>3. Mục tiêu nghiên cứu </b>
Mục tiêu chính của luận văn này là nghiên cứu ứng xử của nền đất yếu khi có giải pháp xử lý nền bằng bấc thấm và bơm hút chân khơng kết hợp gia tải trước. Từ đó, đánh giá được hiệu quả của phương pháp xử lý nền bằng bấc thấm và đề xuất các thông số hệ số thấm và chiều sâu bấc thấm phù hợp cho nền đất yếu nền cảng khu vực Đồng Nai. Luận văn bao gồm các mục tiêu:
▪ Dựa theo kết quả quan trắc lún thực tế ở hiện trường để tiến hành mơ phỏng lại q trình xử lý nền bằng phần mềm phần tử hữu hạn PLAXIS, từ đó đánh giá hiệu quả của việc sử dụng phương pháp này trong tính tốn dự báo độ lún thông qua giải pháp bấc thấm kết hợp với gia tải trước và bơm hút chân không cho nền đất bùn sét yếu khu vực nền cảng Đồng Nai với mơ hình PLAXIS 2D và PLAXIS 3D.
▪ Nghiên cứu và đề xuất một tỷ số tương quan quy đổi phù hợp cho hệ số thấm đứng của nền đất bùn sét yếu khu vực nền cảng Đồng Nai trong mơ phỏng giữa mơ hình PLAXIS 2D và PLAXIS 3D khi tính tốn dự báo độ lún thơng qua giải pháp bấc thấm kết hợp với gia tải trước và bơm hút chân không. ▪ Mô phỏng và đề xuất chiều sâu tối ưu cho chiều dài của bấc thấm với các
chiều sâu cắm bấc thấm khác nhau với căn cứ so sánh với độ lún từ kết quả quan trắc thực tế.
</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22"><b>4. Phương pháp nghiên cứu </b>
Phương pháp nghiên cứu chính trong luận văn là sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn PLAXIS 2D và PLAXIS 3D để mô phỏng phương pháp xử lý nền bằng bấc thấm kết hợp với bơm hút chân không và đắp đất gia tải trước.
<b>5. Tính mới của nghiên cứu </b>
Nghiên cứu tập trung khảo sát và phân tích hiệu quả mơ hình phần tử hữu hạn khi dùng để tính toán đánh giá dự báo độ lún của nền khi xử lý bấc thấm bằng bấc thấm kết hợp với bơm hút chân không và đắp đất gia tải trước.
Ngồi ra, nghiên cứu cịn đề xuất tỷ số tương quan quy đổi cho hệ số thấm đứng phù hợp cho nền đất sét yếu khu vực nền cảng Đồng Nai.
Mơ phỏng bài tốn lặp và đề xuất chiều sâu tối ưu cho chiều dài của bấc thấm với các chiều sâu cắm bấc thấm khác nhau với căn cứ so sánh với độ lún từ kết quả quan trắc thực tế để phù hợp cho nền đất sét yếu khu vực nền cảng Đồng Nai.
<b>6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài </b>
Về phương diện khoa học, nghiên cứu này cung cấp thêm hiểu biết về phương pháp xử lý nền bằng bấc thấm và bơm hút chân không kết hợp gia tải trước, tăng hiệu quả nghiên cứu cho việc ứng dụng rộng rãi phương pháp hiện đại này.
Về phương diện thực tiễn, nghiên cứu này cung cấp thêm hiểu biết về một phương án xử lý nền có thể cân nhắc cho các cơng trình trên đất yếu, cung cấp thêm tỷ số tương quan quy đổi hệ số thấm – 1 thông số quan trọng trong bài tốn tính lún cố kết nền đất. Từ đó, giúp kỹ sư có thêm cơ sở lựa chọn phương án xử lý cho các cơng trình nằm trong khu vực có nền đất yếu dày.
</div><span class="text_page_counter">Trang 23</span><div class="page_container" data-page="23"><b>CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN BÙN SÉT YẾU BẰNG PHƯƠNG PHÁP CỐ KẾT CHÂN KHÔNG </b>
<b>1. Đặt vấn đề về việc xử lý nền đất yếu 1.1. Khái niệm về đất yếu </b>
Có rất nhiều quan điểm khác nhau về nền đất yếu. Nếu nền đất không đủ khả năng chịu tải, không đủ độ bền và có độ biến dạng lớn, cần phải gia cố mới có thể thi cơng và vận hành thì gọi là đất yếu. Đây là một quan điểm mang tính vận dụng cao, được chấp nhận rộng rãi, tuy nhiên quan điểm này lại không hạn định rõ ràng vì đối với một số cơng trình, một nền cụ thể có thể coi là nền đất yếu.
Một quan điểm khác cho rằng đất yếu là đất có khả năng chịu tải nhỏ (vào khoảng (50-100kPa), có tính nén lún lớn, hầu như bảo hịa nước, có hệ số rỗng lớn (e>1), mô đun tổng biến dạng thấp (E<5000kPa).
<b>Đối với xây dựng đường ô tô, theo tiêu chuẩn 22TCN 262-2000, nền đất yếu có </b>
thể là đất sét, sét pha bụi mềm, bùn, than bùn và đất hữu cơ. Tất cả các loại đất này được bồi tụ trong nước một cách khác nhau, với đất sét mềm được bồi tụ ở bờ biển hoặc gần biển. Ở trạng thái tự nhiên độ ẩm của chúng thường bằng hoặc lớn hơn giới hạn chảy, hệ số rỗng lớn (đất sét mềm e ≥ 1,5; đất sét pha e ≥ 1), cường độ lực dính theo kết quả cắt nhanh khơng thốt nước nhỏ hơn 15kPa, góc ma sát trong φ < 10<small>0</small>, hoặc lực dính từ kết quả cắt cánh hiện trường C<small>u</small> ≤ 35 kPa. Loại có nguồn gốc hữu cơ (than bùn và đất hữu cơ) thường hình thành từ đầm lầy, nơi đọng nước thường xuyên hoặc có mực nước ngầm cao, các loại thực vật phát triển, thối rửa và phân hủy tạo ra các trầm tích hữu cơ lẫn trầm tích khống vật, hàm lượng hữu cơ chiếm (20-80%).
Theo quan điểm xây dựng của một số quốc gia, đất yếu được xác định theo tiêu chuẩn về sức kháng cắt khơng thốt nước S<small>u</small> và chỉ số xun tiêu chuẩn N như sau:
- Đất rất yếu: S<small>u </small>≤ 12,5 kPa hoặc N ≤ 2; - Đất yếu: S<small>u </small>≤ 25 kPa hoặc N ≤ 4.
</div><span class="text_page_counter">Trang 24</span><div class="page_container" data-page="24"><b>1.2. Việc xử lý nền đất yếu </b>
Nền móng của các cơng trình xây dựng trên nền đất yếu thường đặt ra các vấn đề cần phải giải quyết như sức chịu tải của nền nhỏ, độ rỗng và tính nén lún lớn. Ở nước ta, có tầng đất phù sa khá dày và tập trung đất sét yếu đã và đang hình thành và phát triển các thành phố và đô thị quan trọng, thực tế này địi hỏi phải có cơng nghệ thích hợp và tiên tiến để xử lý nền đất yếu. Mục đích của việc xử lý nền đất yếu là làm tăng sức chịu tải của nền đất, cải thiện một số tính chất cơ lý của đất yếu như giảm hệ số rỗng, giảm tính nén lún, tăng độ chặt, tăng trị số mô đun biến dạng, tăng cường độ chống cắt của đất, giảm tính thấm của đất đảm bảo ổn định cho khối đất đắp.
Một số giải pháp xử lý nền đất yếu thông dụng hiện được áp dụng rộng rãi: xử lý nền bằng đệm cát, đầm chặt đất bằng tải trọng động, gia tải trước, xử lý nền bằng cọc cát, giếng cát, kết hợp bấc thấm và bơm hút chân không, gia cố nền đất yếu bằng cọc tre, cừ tràm, cọc xi măng đất,….
Việc xử lý cơng trình khi xây dựng trên nền đất yếu tùy thuộc vào đặc điểm công trình, đặc điểm nền đất, tùy điều kiện cụ thể mà người thiết kế có thể dùng các biện pháp xử lý về kết cấu cơng trình, các biện pháp xử lý về móng hay các biện pháp xử lý nền. Có nhiều phương pháp xử lý nền, việc chọn phương pháp xử lý thích hợp tùy thuộc vào điều kiện địa chất cơng trình, địa chất thuỷ văn khu vực xây dựng, loại cơng trình và điều kiện kinh tế - kỹ thuật thực tế khi tiến hành xử lý.
<b>2. Tổng quan về công nghệ bấc thấm kết hợp cố kết chân không </b>
Công nghệ cố kết chân không (Vacuum consolidation method – VCM) xử lý nền đất yếu lần đầu được giới thiệu vào năm 1952 bởi tiến sỹ W. Kjellman. Đến những năm 1970, phương pháp VCM được mở rộng phát triển ở Nga và Nhật. Vào thời điểm này cố kết chân không được bổ sung một lớp tường chống thấm bao quanh khu vực xử lý nhằm hạn chế nước ngầm từ khu vực xung quanh thấm vào, đồng thời hạn chế sự rò rỉ áp lực chân không để gia tăng áp lực chân không. Đến những năm 1989 công nghệ này được sử dụng kết hợp với màng kín khí lần đầu tiên xuất hiện do hãng xây dựng Menard (Pháp) dựa trên nghiên cứu và phát minh của giáo sư J.M.
</div><span class="text_page_counter">Trang 25</span><div class="page_container" data-page="25">Cognon. Theo sự cải tiến này tường chống thấm được bỏ đi mà thay vào đó là lớp gia tải bằng đất và sự chênh lệch giữa áp suất khí quyển với áp suất chân khơng dưới màng kín khí bao phủ bề mặt diện tích xử lý. Sau đó, cơng nghệ này dần được lan rộng và ứng dụng rộng rãi trên tồn thế giới.
Cơng nghệ cố kết chân khơng kết hợp màng kín khí được áp dụng lần đầu tiên ở Việt Nam tại cụm cơng trình nhà máy khí điện đạm Cà Mau vào năm 2006 bởi nhà thầu VINCI CSB (Pháp) và năm 2008, cơng ty Cổ phần Kỹ thuật Nền móng và cơng trình ngầm FECON là đơn vị đầu tiên của Việt Nam áp dụng thành công công nghệ xử lý nền này tại dự án Nhà máy Nhiệt điện Nhơn Trạch 2. Sau đó thì cơng nghệ VCM tiếp tục được ứng dụng có hiệu quả với nhiều dự án trọng điểm khác trên toàn quốc.
Màng kín khí là lớp vải địa kỹ thuật PE phủ kín hồn tồn vùng xử lý và được chôn sâu ở các mép vùng xử lý bên dưới mực nước ngầm, để hạn chế rị chỉ chân khơng làm mất đi hiệu quả của áp lực từ máy hút chân khơng. Bên dưới màng kín khí, là các hệ thống lưới bấc thấm theo 2 phương ngang và đứng phủ khắp vùng xử lý giúp tăng lượng nước hút ra khỏi nền đất yếu để tăng tốc độ cố kết cho nền đất. Quá trình bơm hút chân khơng có thể kéo dài ít nhất là 6-8 tháng tùy theo công nghệ thi công và chiều sâu vùng xử lý cũng như hệ số thấm của nền đất yếu.
Bấc thấm vật liệu địa kỹ thuật dùng để thốt nước, nhằm gia tăng q trình cố kết của nền móng. Có cấu tạo hai lớp: lớp áo lọc gọi là lớp vỏ lọc bằng vải địa kỹ thuật không dệt chế tạo từ sợi PP hoặc PET 100%, có tính tấm cao. Bấc thấm ngày nay cấu tạo là một lõi nhựa bên trong hình Hazmonica hoặc hình ziczac có khổ rộng từ 10cm đến 30cm. Lớp vải tác dụng lọc các hạt cát nhỏ nhất trong lớp trầm tích của đất xâm nhập vào lõi nhựa, nên lỗ vải phải cực nhỏ, tránh làm tắc đường dẫn của lõi. Bấc thấm được ứng dụng rộng rãi như hiện nay phải để đến các tính năng quan trọng như giảm thiểu tối đa sự xáo trộn các lớp đất, dễ dàng thi cơng, hiệu suất có thể đạt tới 8.000m/ngày, khả năng chống chịu được với vi khuẩn hữu cơ, khơng bị ăn mịn hay biến chất bởi các loại axit, kiềm hay các loại chất hoà tan có trong đất, khả năng chống mài mịn cực tốt. Khơng chỉ bởi thiết kế của nó giúp tối ưu cơng tác thốt
</div><span class="text_page_counter">Trang 26</span><div class="page_container" data-page="26">nước, sử dụng biện pháp thi cơng đơn giản, nhanh chóng, tiết kiệm nhân cơng mà phương pháp xử lý này cịn có ưu điểm giá thành thấp.
Trong thời gian ngắn, giải pháp này xử lý có thể đạt tới 95% độ ổn định dài hạn, tạo khởi động cho quá trình ổn định tự nhiên ở giai đoạn sau. Quá trình gia cố có thể được tăng tốc bằng gia tải trước với đắp đất và kết hợp với công nghệ cố kết bơm hút chân không để tăng tốc độ thoát nước của nền, giảm hệ số rỗng, tăng độ chặt, tăng cường độ sức chống cắt của đất.
So sánh với các giải pháp xử lý khác
− Tốc độ thi công nhanh, tốc độ xử lý cố kết nền nhanh.
− Giảm được tương đối lớn chi phí các vật liệu khác, cơng nghệ thi cơng hiện đại.
− Độ cố kết đạt hiệu quả như phương án thiết kế mong đợi, thân thiện với môi trường, không gây phá hoại đến các khu vực khác do khu vực xử lý đã bị cô lập.
− Chuyển vị ngang của vùng xử lý dịch chuyển vào phía trung tâm khơng ảnh hưởng đến các cơng trình lân cận
So sánh tính khả thi và kinh tế của giải pháp xử lý
− Chi phí thi cơng thấp, chất lượng thi cơng có thể kiểm soát chặt chẽ − Thời gian thi cơng nhanh, tiết kiệm nhiều chi phí cho các đơn vị đầu tư − Yêu cầu đơn vị thi cơng phải có nhiều kinh nghiệm, quy trình xử lý nền
phải được giám sát chặt chẽ
</div><span class="text_page_counter">Trang 27</span><div class="page_container" data-page="27"><b>3. Nguyên lý của giải pháp bấc thấm kết hợp cố kết chân không và gia tải trước </b>
Phương pháp gia tải bằng chân không, một cách đơn giản nhất, gồm có một hệ thống dẫn thốt nước thẳng đứng và một lớp thốt nước nằm phía trên, ngăn cách với khí quyển bằng lớp màng khơng thấm. Các kênh thoát nước ngang được lắp đặt trong lớp thốt nước và nối với bơm hút chân khơng. Để duy trì sự kín khí, lớp màng ngăn được dẫn đến các đường mương bao và lấp đầy bentonite vào đó. Áp lực ngược (âm) được tạo ra trong lớp thốt nước bằng máy bơm hút chân khơng. Áp lực âm này kéo theo áp suất nước lỗ rỗng âm, kết quả là làm tăng ứng suất hữu hiệu trong đất nghĩa là làm đất cố kết nhanh [2].
<i>Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý của giải pháp xử lý nền bằng bấc thấm kết hợp bơm hút chân khơng </i>
</div><span class="text_page_counter">Trang 28</span><div class="page_container" data-page="28">Chính sự hút từ nguồn áp lực âm này vào bên trong này sẽ làm giảm độ dịch chuyển đất ra ngoài khi kết hợp với gia tải thường làm giảm thiểu nguy cơ mất ổn định mái dốc trong q trình thi cơng nền đắp. Bên cạnh đó, thời gian để tạo ra áp lực chân không đạt ổn định 60kPa-70kPa (tương đương 4m nền đắp) chỉ trong 6-8 ngày, nhanh hơn rất nhiều khi phải gia tải để tạo ra áp lực tương đương.
<i>Hình 1.2. Sơ đồ dịch chuyển của nền khi sử dụng giải pháp bấc thấm </i>
Đặc tính cơ học của đất được xử lý bằng phương pháp gia tải áp lực chân không và gia tải bằng khối đất đắp là khác nhau.
Với phương pháp gia tải bằng khối đất đắp, quá trình cố kết là kết quả của sự thay đổi thể tích trong đất cũng như ứng suất cắt gây ra chuyển vị đất nền, chuyển vị ngang có xu hướng ra ngồi khối đất đắp gây mất ổn định cho nền đất. Theo phương pháp gia tải bằng cách đắp đất thì ứng suất cắt bên trong nền sẽ gia tăng ngay lập tức, trong khi đó ứng suất có hiệu cũng như suất chống cắt của nền chỉ gia tăng khi áp lực lỗ rỗng tiêu tán, cho nên quá trình đắp đất phải được tiến hành từng bước để tránh cho nền khơng bị phá hoại.
Trong khi đó, phương pháp hút chân không nền không bị phá hoại do trượt vì ứng suất tổng khơng gia tăng cho nên ứng suất cắt cũng không gia tăng. Phương pháp hút chân không chỉ gây ra sự gia tăng ứng suất đẳng hướng trong nền đất, vì thế nó gây ra độ lún và xu hướng chuyển vị vào bên trong nền đất.
</div><span class="text_page_counter">Trang 29</span><div class="page_container" data-page="29">Phương pháp kết hợp gia tải đất đắp và áp lực chân khơng có nhiều ưu điểm vượt trội như:
▪ Gia tăng áp lực cố kết trong nền đất yếu
▪ Gia tăng hệ số an toàn của khối đất đắp trong q trình thi cơng ▪ Làm giảm chuyển vị ngang của nền đất
<i>Hình 1.3. Mơ hình chuyển vị ngang của nền dưới tác dụng của tải đắp và chân không </i>
<i>“J.-C. Chai & S. Hayashi - Characteristics of vacuum consolidation, Department of </i>
Civil Engineering, The University of Sydney, NSW 2006, Australia”
Theo kết quả sơ đồ Hình 1.3, tải trọng do khối đất đắp gây ra sự gia tăng ứng suất cắt trong nền đất và gây ra chuyển vị ngang ra ngồi phía đất đắp. Trong khi đó, áp lực chân khơng là áp lực cố kết đẳng hướng, có khuynh hướng gây ra chuyển vị bên trong nền trong suốt q trình thi cơng. Do đó, để giảm thiểu chuyển vị ngang, ta có thể kết hợp hai phương pháp này lại với nhau để đẩy nhanh quá trình xử lý nền và hạn chế ảnh hưởng đến cơng trình lân cận [3].
</div><span class="text_page_counter">Trang 30</span><div class="page_container" data-page="30"><b>4. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng của phương pháp sử dụng bấc thấm kết hợp với cố kết chân không và gia tải trước trong xử lý nền đất yếu trên thế giới và tại Việt Nam </b>
Trong các nghiên cứu từ kết quả hiện trường và kết quả thí nghiệm trong phịng, có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng ảnh hưởng đến quá trình cố kết chân khơng như: Áp lực chân khơng, khoảng cách bấc thấm, hệ số cố kết theo phương đứng và phương ngang, hệ số thấm vùng xáo trộn... Các yếu tố ảnh hưởng này được nhiều tác giả nghiên cứu từ các kết quả thực nghiệm trong phịng và cơng trình của các cơng trình thực tế.
Áp lực chân khơng hiệu quả dọc theo bấc thấm có bị suy giảm theo chiều sâu hay khơng, vấn đề này vẫn cịn nhiều tranh luận qua các kết quả nghiên cứu. Theo Chu et.al (2000), Indraratna et.al (2005) chỉ ra rằng áp lực chân không hiệu quả giảm dần theo chiều sâu bấc thấm. Tuy nhiên nhiều nghiên cứu từ các cơng trình thực tế, Bo et.al lại cho rằng áp lực chân không hiệu quả không suy giảm theo chiều sâu bấc thấm.
Hầu hết các nghiên cứu đều quan tâm đến vấn đề biến dạng và biến đổi ALNLR trong quá trình cố kết chân khơng của nền Rujikiatkamjorn et.al (2006), Indraratna et.al (2006), Mohamedelhassan et.al, kết quả của các nghiên cứu này cũng đã chỉ ra rằng tùy thuộc vào loại đất, cấp áp lực, loại bấc thấm, khoảng cách bấc thấm, … ảnh hưởng đến độ cố kết của nền.
Phương pháp cố kết chân không bước đầu được ứng dụng ở Việt Nam, cơng trình đầu tiên ứng dụng thành cơng là nhà máy khí điện đạm Cà Mau 90 ha, ngồi ra cịn có các cơng trình khác như: Nhà máy sợi Polyester Đình Vũ, Nhà máy điện chu trình hỗn hợp Nhơn Trạch 2 - Đồng Nai, Cảng Đình Vũ - Hải Phịng, đường cao tốc Long Thành - Dầu Giây, cơng trình bể chứa ven sơng Sài Gịn, nhà máy Nhiệt điện Long Phú 1 (Sóc Trăng), nhà máy Nhiệt điện Duyên Hải 1 (Trà Vinh), nhà máy Nhiệt điện Thái Bình 2, khu liên hợp thép Formosa Hà Tĩnh....đã dùng công nghệ cố kết chân khơng theo phương pháp có màng kín khí để cố kết nền đất rất nhanh chỉ trong thời gian rất ngắn. Trên cơ sở của những kết quả ứng dụng ban đầu cho thấy đây là một phương pháp mới, hiệu quả.
</div><span class="text_page_counter">Trang 31</span><div class="page_container" data-page="31"><b>CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỐ KẾT CHÂN KHÔNG </b>
<b>1. Cơ chế của phương pháp cố kết chân không </b>
Nguyên lý và cơ chế của phương pháp cố kết chân không được diễn giải đầy đủ và rõ ràng trong các bài viết của Kjellman (1952), Bergado et.al (1998), Chu et.al (2000), Indraratna et.al (2005).
Quá trình cố kết của đất dưới sự gia tải đã được nghiên cứu và dùng mơ hình lị
<i>xo để mơ tả như trong Hình 2.1. Mơ hình lị xo cho q trình cố kết-a. Để tiện lợi trong việc giải thích vấn đề này, áp suất trong bấc thấm là một giá trị tuyệt đối và p</i><small>a</small>
là áp suất khí quyển. Như trong Hình 2.1-a, trường hợp khi gia tải <small></small><i><small>p</small></i>, áp lực nước lỗ rỗng thặng dư chịu tải đó. Vì thế, với đất bão hòa, áp lực nước lỗ rỗng thặng dư ban đầu <small></small><i><small>u</small></i><sub>0</sub> bằng với tải <small></small><i><small>p</small></i>. Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tiêu tán dần dần và tải trọng gia tải chuyển từ nước sang lò xo (lò xo như là cốt của đất) trong mơ hình trong Hình 2.1-a. Lượng gia tăng ứng suất hữu hiệu sẽ bằng với lượng áp lực nước lỗ rỗng tiêu tán <small> − </small><i><small>pu</small></i> Hình 2.1-a. Khi kết thúc quá trình cố kết thì =<i>u</i> 0 và tổng lượng gia tăng của ứng suất hữu hiệu bằng với tải <small></small><i><small>p</small></i> Hình 2.1-a. Nên chú ý rằng q trình trên khơng bị ảnh hưởng bởi áp suất khí quyển p<small>a</small>.
Cơ cấu của gia tải chân khơng có thể được mơ tả bằng cách tương tự là dùng lò xo như trong Hình 2.1-b. Khi tải chân khơng được đặt vào hệ thống như trong Hình 2.1-b, áp lực nước lỗ rỗng trong đất giảm xuống. Ứng suất tổng không đổi, ứng suất hữu hiệu tăng lên. Khi gia tải chân không,−<i>u</i>, áp lực nước lỗ rỗng trong đất vẫn là p<small>a</small>. Áp lực nước lỗ rỗng dần tiêu tán và lò xo bắt đầu bị nén lại, ứng suất hữu hiệu trong đất bắt đầu gia tăng. Lượng gia tăng ứng suất hữu hiệu bằng với lượng áp lực nước lỗ rỗng giảm đi <i>u</i>, nhưng không vượt quá áp suất khí quyển p<small>a</small> (trong thực tế thường là 70-80kPa).
</div><span class="text_page_counter">Trang 32</span><div class="page_container" data-page="32"><i>Hình 2.1. Mơ hình lị xo cho quá trình cố kết (a) Gia tải đất đắp, (b) Gia tải chân khơng </i>
Có thể hiểu rằng khi hút tạo áp lực chân không, thông qua hệ thống lõi thấm đứng, áp lực nước lỗ rỗng của Figure 1các điểm trong nền đất sẽ chịu lực hút chân khơng. Nước trong đất sẽ thấm ra ngồi theo hệ thống lõi thấm đứng và các ống dẫn để thoát ra khỏi nền. Khi đó nền đất sẽ được cố kết.
Hình 2.2 minh họa dưới dạng biểu đồ so sánh ứng suất thẳng đứng giữa điều kiện đất có tải chân không (đạt 100% hiệu suất) với điều kiện ban đầu và điều kiện gia tải đơn thuần
,
<i><sub>w</sub></i>
-khối lượng riêng của đất và nước h- chiều sâu lớp đất </div><span class="text_page_counter">Trang 33</span><div class="page_container" data-page="33">a)
b) c)
<i>Hình 2.2. a) trạng thái ban đầu; b) gia tải đất đắp; c) gia tải chân khơng </i>
Hình 2.2-b khi gia tải bằng đất đắp làm tăng ứng suất tổng từ đó tăng ứng suất hữu hiệu trong đất. Hình 2.2-c khi gia tải bằng chân không làm giảm áp lực nước lỗ rỗng từ đó tăng ứng suất hữu hiệu mà khơng tăng ứng suất tổng.
<b>2. Lộ trình ứng suất cho trường hợp cố kết chân không và gia tải đất đắp </b>
Trong quá trình gia tải trước trong nền đất, lộ trình ứng suất của một điểm trong nền được biểu diễn trên biểu đồ (p’,q’) như trên Hình 2.3
Với ứng suất hữu hiệu p’
</div><span class="text_page_counter">Trang 34</span><div class="page_container" data-page="34">Trong đó <small>'1</small>
,
<sub>3</sub><sup>'</sup> là các ứng suất chính<i>Hình 2.3. Lộ trình ứng suất trên mặt p’-q </i>
Trong trường hợp gia tải trước bằng đất đắp, tải trọng sẽ làm phát sinh áp lực nước lỗ rỗng thặng dư trong đất, lộ trình AB tiến gần đến đường phá hoại K<small>f</small>, ta phải chờ đến khi áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tiêu tán thì ứng suất có hiệu trong đất sẽ gia tăng theo đường BC. Lộ trình ứng suất có hiệu (ABC) của một phân tố đất chịu tác
<i>dụng của gia tải như Hình 2.3. Trong trường hợp cố kết chân không, ứng suất tổng </i>
không gia tăng mà phát sinh áp lực nước lỗ rỗng âm trong đất. Lộ trình ứng suất có hiệu trong trường hợp này là đường AE.
So sánh 2 lộ trình ứng suất ABC và AE ứng với 2 trường hợp trên ta thấy đường AE có ưu điểm hơn vì ngày càng xa đường phá hoại K<small>f</small>, cịn lộ trình theo đường ABC ở giai đoạn đắp đất, đường con AB có khuynh hướng tiến vào đường K<small>f </small>nên sẽ hạn chế về tải trọng để tránh phá hoại. Biện pháp khắc phục là phải phân nhỏ lớp đất đắp thành nhiều lớp, vừa đắp vừa chờ đất cố kết theo đường BC.
Kỹ thuật hút chân không phù hợp nhất cho các loại đất yếu có mực nước ngầm cao và dễ mất ổn định cũng như tốt độ thi công bị hạn chế. Vì phương pháp này tạo được sự cố kết đẳng hướng cho nên tránh được rủi ro do phá hoại trượt. Điều nay cho phép gia tải gần như tức thời lên đất yếu mà nền vẫn ổn định. Kinh nghiệm cho thấy
</div><span class="text_page_counter">Trang 35</span><div class="page_container" data-page="35">chỉ cần sau vài ngày hút chân khơng là có thể cho chất tải. Cố kết chân không thường được kết hợp với phương pháp gia tải trước bằng đất đắp trong trường hợp áp lực gia tải cần thiết vượt q áp lực chân khơng có thể tạo ra.
<b>3. Thông số kỹ thuật của bấc thấm </b>
<b>3.1. Đường kính tương đương của bấc thấm </b>
Trong lý thuyết cố kết thấm theo phương ngang của giếng thấm có hình trụ trịn, trong khi đó bấc thấm có tiết diện hình chữ nhật, do đó chúng ta cần phải quy đổi thành tiết diện trịn với đường kính tương đương sao cho khả năng thoát nước bằng nhau [4].
Theo Hansbo (1979) đề nghị đường kính tương đương của bấc thấm có thể xác định theo cơng thức sau:
</div><span class="text_page_counter">Trang 36</span><div class="page_container" data-page="36">Một nghiên cứu khác của Long và Covo (1994) tìm ra cách xác định d<small>w</small> có thể tính tốn bằng cơng thức: d<small>w </small>= 0,5a + 0,7b (3) với a là bề rộng của bấc thấm; b là bề dày của bấc thấm
<i>Hình 2.5. Đường kính tương đương của bấc thấm </i>
<b>3.2. Khả năng thoát nước của bấc thấm </b>
Mục đích của việc sử dụng bấc thấm là làm tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng và thoát nước lỗ rỗng ở trong nền đất yếu ra ngồi. Vì vậy, khả năng thốt nước của bấc thấm càng cao thì hiệu quả của việc dùng bấc thấm càng lớn. Mà việc thoát nước của bấc thấm phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Áp lực ngang của đất, sự uống cong – gập chồng bấc thấm, sự tắt đường thoát nước, thời gian …
</div><span class="text_page_counter">Trang 38</span><div class="page_container" data-page="38"><b>3.3. Đường kính vùng ảnh hưởng </b>
Thời gian để đạt được độ cố kết là hàm số phụ thuộc vào bình phương đường kính có hiệu D<small>e</small> của giếng thấm. Thơng số này có thể được khống chế theo ý muốn vì nó phụ thuộc vào khoảng cách giữa các giếng thấm và cách bố trí giếng thấm. Giếng thấm thường được bố trí theo lưới hình vng hoặc lưới tam giác đều (Hình 2.8). Đường kính có hiệu được xác định như sau:
<i> a: Sơ đồ hình vng b: Sơ đồ tam giác đều </i>
<i>Hình 2.8. Sơ đồ bố trí bấc thấm </i>
Đường kính có hiệu D<small>e </small>và khoảng cách S được xác định như sau: ▪ D<small>e </small>= 1,13S (Lưới hình vng)
▪ D<small>e</small> = 1,05S (Lưới tam giác)
Bố trí giếng thấm theo lưới hình vng thì thuận tiện cho việc thi công và thường được chọn, tuy nhiên lưới tam giác cho sự cố kết thấm giữa các giếng đồng đều hơn.
<b>3.4. Độ cản thấm </b>
Ở tại hiện trường, phương pháp giếng thấm có hiệu quả hay khơng phụ thuộc chủ yếu vào khả năng thốt nước của giếng thấm, cho nên trong thiết kế cần phải ghi rõ yêu cầu về độ cản thấm của giếng thấm. Nếu giếng thấm thốt nước kém thì q trình cố kết diễn ra rất chậm, đặc biệt trong trường hợp giếng thấm sâu. Về lý thuyết tính tốn, lời giải của Hansbo (1979, 1981) đã xét đến ảnh hưởng của cản thấm lên
</div><span class="text_page_counter">Trang 39</span><div class="page_container" data-page="39">độ cố kết bằng cách đưa hệ số thấm hữu hạn vào phương trình liên tục của dịng thấm ở trong giếng. Hansbo cũng giả thiết rằng tốc độ thấm tại bất kỳ mặt cắt nào của giếng thấm cũng bằng với tốc độ lớn nhất của dòng thấm ở trong giếng.
Khả năng thoát nước của bấc thấm phụ thuộc đáng kể vào loại bấc thấm và giảm khi áp lực ngang của đất gia tăng.
Áp lực ngang của đất làm cho lớp vải bọc ép sát vào lõi nhựa của bấc thấm khiến cho tiết diện ngang của các rãnh thoát nước trong phần lõi bị giảm. Đối với loại bấc thấm khơng có lớp vải bọc thì các rãnh bị bóp ép vào nhau. Trường hợp nền bị biến dạng ngang lớn cũng có thể gây cho bấc thấm bị gấp khúc, trong những trường hợp này các rãnh bị giảm đi và hậu quả là giảm khả năng thoát nước của giếng, ngồi ra các hạt mịn có thể bám vào rãnh cũng làm giảm đi khả năng thoát nước.
<i>Hình 2.9. Sự thay đổi độ cố kết theo độ sâu khi kể đến độ cản thấm của giếng (Jamiolkowski et al. 1983) </i>
</div><span class="text_page_counter">Trang 40</span><div class="page_container" data-page="40">Độ cản thấm ảnh hưởng đến độ cố kết cho nên U<small>h</small> thay đổi theo độ sâu (Hình 2.9). Khi xét đến độ cản thấm thì độ cố kết theo phương ngang không những phụ thuộc vào hệ số cố kết C<small>h</small> và đường kính có hiệu D<small>e</small> mà cịn phụ thuộc vào tỷ số q<small>w</small>/k<small>h</small>
(Hình 2.10). Tỷ số này giữ vai trò quan trọng khi chiều dài bấc thấm lớn và giá trị của nó nhỏ hơn 500m<small>2</small>. Lúc đó thời gian hồn tất việc cố kết kéo dài rất lâu (Jamiolkowski, 1983).
<i>Hình 2.10. Ảnh hưởng của lưu lượng thấm của bấc thấm lên độ cố kết (Jamiolkowski et al. 1983) </i>
Độ cản thấm ảnh hưởng càng nhiều khi chiều dài bấc thấm càng lớn, tính chất này được minh họa trong hình với loại bấc thấm điển hình (q<small>w</small>/k<small>h </small>= 400 m<small>2</small>).
<i>Hình 2.11. Ảnh hưởng của chiều dài giếng thấm lên độ cố kết (Jamiolkowski et al. 1983) </i>
</div>
