Tải bản đầy đủ (.doc) (57 trang)

Đề tài: Tìm hiểu và nghiên cứu lý thuyết chung về cố kết của đất

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.91 MB, 57 trang )

Nhóm SV Lớp 49C4 Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên lần XXII
MỤC LỤC
I. Tính cấp thiết của đề tài 3
II. Nội dung nghiên cứu đề tài 4
III. Phương pháp nghiên cứu 5
I.1. Quá trình cố kết lớp đất đơn giản 6
I.2. Quá trình cố kết lớp đất phức tạp 9
II. Lý thuyết cố kết thấm 1 hướng của TERZAGHI 11
II.1. Các giả thiết của Terzaghi 11
II.2. Lập phương trình vi phân cố kết thấm 11
II.3. Điều kiện biên bài toán 13
II.4. Giải phương trình vi phân cố kết thấm 13
II.5. Các trường hợp chú ý 14
I. Phương pháp gia tải trước 15
I.1. Nguyên lý chất tải trước 16
I.2. Các bước gia tải trước 17
I.3. Ưu nhược điểm của phương pháp gia tải trước 18
I.4. Ứng dụng của phương pháp gia tải trước tại Việt Nam 19
II. Phương pháp cố kết chân không 19
II.1. Khái niệm phương pháp gia tải trước bằng hút chân không 19
II.2. Tiến hành phương pháp gia tải trước bằng chân không 20
II.3. Ứng dụng thực tế của phương pháp cố kết chân không trong các công trình
XD hiện nay 28
III. Ứng dụng của việc sử dụng bấc thấm trong phương pháp gia tải trước và hút
chân không 30
III.1. Khái niệm 30
III.2. Phương pháp thi công bấc thấm 32
Trang 1
Nhóm SV Lớp 49C4 Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên lần XXII
III.3. Ứng dụng của bấc thấm trong phương pháp gia tải trước 33
III.4. Ứng dụng của việc sử dụng bước thấm trong phương pháp hút chân không


35
I. Mô phỏng bài toán 36
I.1 Mô hình hình học của bài toán 36
I.2 Tính chất cơ lý của lớp đất 37
I.3. Phân tích kết quả 38
I.3.1. Kết quả phương pháp gia tải trước không có bấc thấm 38
I.3.2. Kết quả biểu đồ quan hệ độ lún theo thời gian 40
I.3.3. Kết quả biểu đồ thay đổi ứng suất theo thời gian 40
Hình 21 41
I.4. Kết quả phương pháp gia tải trước có bấc thấm 41
I.4.1. Kết quả biểu đồ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng theo thời gian 41
I.4.2. Kết quả biểu đồ độ lún theo thời gian t 43
I.4.3. Kết quả biểu đồ thay đổi ứng suất theo thời gian 43
Hình 24 44
I.5. Kết quả phương pháp hút chân không 44
I.5.1. Kết quả biểu đồ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng theo thời gian 44
I.5.2. Kết quả biểu đồ độ lún theo thời gian t 45
I.5.4. Kết quả biểu đồ thay đổi ứng suất theo thời gian 46
Hình 27 47
I.6. Kết quả phương pháp kết hợp gia tải trước và hút chân không có bấc thấm 47
I.6.1. Kết quả biểu đồ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng theo thời gian : 47
I.6.2. Kết quả biểu đồ độ lún theo thời gian t 49
I.6.3. Kết quả biểu đồ thay đổi ứng suất theo thời gian 49
II. Đánh giá và kết luận 50
II.1. Biểu đồ tổng hợp quan hệ U ~T của 4 bài toán 50
Trang 2
Nhóm SV Lớp 49C4 Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên lần XXII
II.2. Biểu đồ tổng hợp quan hệ độ lún theo thời gian của 4 bài toán 52
II.3.Kết luận chung 52
I. Kết luận 54

II. Kiến nghị 54
ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU TỐC ĐỘ CỐ KẾT CỦA NỀN ĐẤT YẾU XỬ LÝ BẰNG
PHƯƠNG PHÁP GIA TẢI TRƯỚC VÀ HÚT CHÂN KHÔNG
MỞ ĐẦU
I. Tính cấp thiết của đề tài
Nước ta đang bước vào thời kỳ công nghiệp hoá hiện đại hoá, các khu công nghiệp
tập trung, cơ sở hạ tầng kỹ thuật, khu đô thị mới… đang được xây dựng với tốc độ ngày
càng lớn. Nền móng của các công trình xây dựng nhà ở, đường sá, đê điều, đập chắn
nước và một số công trình khác trên nền đất yếu thường đặt ra hàng loạt các vấn đề phải
giải quyết như: sức chịu tải của nền thấp, độ lún lớn và độ ổn định của cả diện tích lớn.
Việt Nam được biết đến là nơi có nhiều đất yếu, đặc biệt lưu vực sông Hồng và sông Mê
Trang 3
Nhóm SV Lớp 49C4 Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên lần XXII
Kông. Nhiều thành phố và thị trấn quan trọng được hình thành và phát triển trên nền đất
yếu với những điều kiện hết sức phức tạp của đất nền, dọc theo các dòng sông và bờ biển.
Thực tế này đã đòi hỏi phải hình thành và phát triển các công nghệ thích hợp và tiên tiến
để xử lý nền đất yếu. Việc xử lý nền đất yếu là vấn đề bức thiết và quan trọng hàng đầu
trong ngành Xây dựng hiện đại. Xử lý nền đất yếu nhằm mục đích làm tăng sức chịu tải
của nền đất, cải thiện một số tính chất cơ lý của nền đất yếu như: Giảm hệ số rỗng, giảm
tính nén lún, tăng độ chặt, tăng trị số modun biến dạng, tăng cường độ chống cắt của
đất… đảm bảo điều kiện khai thác bình thường cho công trình.
Một số các phương pháp như : gia tải trước, tầng đệm cát, gia cố nền đường, bệ
phản áp, sử dụng vật liệu nhẹ (sử dụng phụ gia để gia cố nền đất, nền đất bằng vật liệu
nhẹ); thay bằng lớp đầm chặt, thả đá hộc (với chiều dày lớp bùn không sâu); thoát nước
cố kết (bấc thấm, giếng bao cát, cọc cát, giếng cát, cọc đá dăm, dự ép chân không, chân
không chất tải dự ép liên hợp); nền móng phức tạp (hạ cọc bê tông, hạ cọc bằng chấn
động, cọc xi măng đất, cọc đất – vôi – xi măng, cọc bê tông có lẫn bột than); cọc cứng
(cọc ống mỏng chế tạo tại chỗ); cọc cừ tràm hoặc cọc tre….
Hiện nay có 2 phương pháp cố kết trước được dùng và phổ biến hơn cả đó là:

• Phương pháp gia tải trước truyền thống
• Phương pháp hút chân không hiện đại và công nghệ cao.
Xuất phát từ nhu cầu thực tế, chúng em nhận thấy việc nghiên cứu tốc độ cố kết của
nền đất yếu khi áp dụng hai phương pháp trên là vô cùng hữu ích và quan trọng. Với mục
tiêu kết quả của đề tài sẽ làm sáng tỏ hiệu quả của hai phương pháp thời giúp việc chọn
lựa phương pháp xử lý nền đất yếu của các Kỹ sư xây dựng được hợp lý nhất trong từng
công trình khác nhau.
II. Nội dung nghiên cứu đề tài
Đề tài nghiên cứu những nội dung cụ thể như sau:
• Tìm hiểu và nghiên cứu Lý thuyết chung về cố kết của đất.
• Nghiên cứu ứng dụng bấc thấm trong xử lý nền đất yếu hiện nay.
• Nghiên cứu phương pháp gia tải trước, đưa ra bài toán cụ thể đối với 1 nền đất
yếu và giải quyết bài toán với ứng dụng của bộ phần mềm Địa kỹ thuật GEODELFT của
Viện địa kỹ thuật Hà Lan.
Trang 4
Nhóm SV Lớp 49C4 Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên lần XXII
• Nghiên cứu phương pháp hút chân không, đưa ra bài toán cụ thể đối với 1 nền đất
yếu và giải quyết bài toán với ứng dụng của bộ phần mềm Địa kỹ thuật GEODELFT của
Viện địa kỹ thuật Hà Lan.
• Nghiên cứu, so sánh và đánh giá tốc độ cố kết của nền đất trong từng phương
pháp và khi kết hợp hai phương pháp trên với kết quả cụ thể của cùng 1 bài toán.
• Kết luận và kiến nghị.
III. Phương pháp nghiên cứu
• Tìm kiếm và nghiên cứu các tài liệu trong và ngoài nước về lý thuyết cố kết và
kiến thức môn Cơ học đất làm sáng tỏ các vấn đề cơ sở và mang tính lý thuyết căn bản
của 2 phương pháp. Tìm kiếm và nghiên cứu ứng dụng, cách làm và hiệu quả của 2
phương pháp đối với các công trình thực tế đã thành công trong và ngoài nước.
Mô phỏng bài toán đối với một lớp đất sét yếu ở nền đất xây dựng Nhà máy Khí
Đạm Cà Mau Việt Nam và lần lượt giải quyết bằng 2 phương pháp theo ứng dụng phần
mềm Địa kỹ thuật Hà Lan GEODELFT.

• Nhận xét và đánh giá các kết quả thu được.
CHƯƠNG I
LÝ THUYẾT CHUNG VỀ CỐ KẾT
Cố kết là quá trình nền đất lún xuống theo thời gian và dần chặt lại. Quá trình cố
kết chia làm hai giai đoạn:
+ Cố kết sơ cấp: là quá trình nước trong đất thoát ra ngoài, lỗ rỗng trong đất thu
hẹp lại, làm cho đất dần chặt lại.
+ Cố kết thứ cấp: là quá trình nước trong đất đã thoát hết ra ngoài nhưng các hạt đất
vẫn tiếp tục di chuyển trượt lên nhau đến vị trí ổn định hơn.
Trang 5
Nhóm SV Lớp 49C4 Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên lần XXII
Để đánh giá độ cố kết của đất nền người ta đưa ra tỷ số quá cố kết OCR là tỷ số
giữa ứng suất cố kết trước và ứng suất nén hiệu quả theo phương đứng hiện tại.
OCR =
'
vo
'
p
σ
σ
Đất cố kết thường có OCR = 1
Đất quá cố kết có OCR > 1
Đất chưa cố kết có OCR<1I. Quá trình cố kết
I.1. Quá trình cố kết lớp đất đơn giản
Hình 1
Hình 1a thể hiện lò xo với pittông có van đóng mở trong một bình hình trụ. Biểu đồ
ứng suất theo chiều sâu thể hiện hình 1b. Đất được thay thể bởi lò xo, ở trạng thái cân
bằng ứng suất hiệu quả ban đầu σ’
vo
. Cùng thời gian, nước bị ép ra ngoài qua van, và áp

lực nước lỗ rỗng dư giảm dần. Xảy ra sự truyền ứng suất dần dần từ nước lỗ rỗng sang
cốt đất và làm tăng ứng suất hiệu quả.
Hình 1c cho thấy ứng suất hiệu quả ban đầu σ’
vo
sự biến đổi (tăng) của ứng suất
hiệu quả Δσ’ và áp lực lỗ rỗng bị tiêu tán Δu lúc t = t
1
. Những đường đứt thẳng đứng
được gắn các chữ t
1
, t
2
… biểu thị thời gian từ khi bắt đầu tác dụng tải trọng. Những
đường đó gọi là đường đẳng thời bởi vì nó ứng với các thời gian bằng nhau.
Cuối cùng, khi t → ∞ tất cả áp lực nước lỗ rỗng dư Δu sẽ tiêu tán và ứng suất hiệu
quả sẽ bằng ứng suất ban đầu σ’
vo
cộng thêm số gia ứng suất tác dụng Δσ. Cùng thời
điểm đó pittông sẽ lún xuống một lượng có liên quan trực tiếp với lượng nước bị ép ra
khỏi hộp hình trụ.
Trang 6
Nhóm SV Lớp 49C4 Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên lần XXII
Hình 2
Xét phân tố đất đặt tại độ sâu z có thể tích 1x1xdz (Hình 2). Trong khoảng thời gian
dt thể tích nước đi vào mặt dưới của phân tố và ra khỏi mặt trên của phân tố chênh nhau
một lượng là :
dtdz
z
q
q )(



+
- qdt =
dz
z
q


dt (a)
Trong đó : q – Lưu lượng nước thấm qua phân tố đất.
Vì tính thấm tuân theo định luật Darcy (Giả thiết 5), ta có :
,ki
F
q
v ==
Vì F = 1x1
Nên v = q = ki = k
z
uk
z
h
n


=


γ
( vì h =

n
u
γ
)
Từ đó
dz
z
q


dt =
dz
z
uk
n
2
2


γ
dt (b)
Mặt khác vì nước và hạt đất không bị ép co (theo giả thiết 3), nên thể tích nước
dz
z
q


dt thoát ra khỏi phân tố đất trong thời gian dt bằng thể tích lỗ rỗng bị thu hẹp
dt
t

V
r


trong khoảng thời gian đó.
Diễn giải ta có :
dz
t
dtdz
t
dtV
t
dt
t
V
h
r


+
=
+∂

=


=


ε

ε
ε
ε
ε
00
1
1
).1.1.
1
1
().(
dt
=
dtdz
t
u
a .
1
1
0


+
ε
(Vì d
tt
adu=
ε
)
Trang 7

Nhóm SV Lớp 49C4 Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên lần XXII
Cuối cùng
dtdz
t
ua
dt
t
V
r
.
1
0


+
=


ε
( c )
So sánh (b) và (c) nhận được : (d)
Rút gọn ta có :
2
2
z
u
C
t
u
v



=


(e)
Trong đó :
n
v
a
)(k
C
γ
ε
0
+1
=
(f)
• C
v
– Hệ số cố kết (cm
2
/năm).
• K - Hệ số thấm (cm/năm).
• a - Hệ số ép co (cm
2
/N).

0
ε

- Hệ số rỗng tự nhiên .

n
γ
- Trọng lượng riêng của nước (0.01 N/cm
3
).
Từ công thức (f) thấy rằng , hệ số cố kết C
v
tỷ lệ thuận với hệ số thấm k và tỷ lệ
nghịch với hệ số ép co a. Như vậy C
v
là hệ số đặc trưng cho mức độ cố kết của đất. Đất
càng khó thấm, hệ số cố kết càng bé. Kết quả nghiên cứu cho thấy phạm vi biến thiên của
C
v
như sau:
• Đất sét có tính dẻo thấp : C
v
= 1.10
5
÷ 6.10
4
cm
2
/năm.
• Đất sét có tính dẻo vừa : C
v
= 6.10
4

÷ 3.10
4
cm
2
/năm.
• Đất sét có tính dẻo cao : C
v
= 3.10
4
÷ 6.10
3
cm
2
/năm.
Ví dụ tìm nghiệm của phương trình (f) với điều kiện ban đầu và điều kiện biên cho
ở hình 2.
Điều kiện ban đầu :
Khi t = 0, tại mọi z có u = p.
Khi t = ∞ , tại mọi z có u = 0.
Điều kiện biên :
Tại z = H với mọi t có q = 0,
0=


z
u
(vì q = v = ki = k
z
uk
z

h
n


=


γ
)
Tại z = 0 với mọi t có u = 0.
Trang 8
dtdz
t
ua
dtdz
z
uk
n

1

0
2
2


+
=



εγ
Nhóm SV Lớp 49C4 Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên lần XXII
Với điều kiện ban đầu và điều kiện nêu trên sẽ tìm được nghiệm của phương trình
(f) như sau:
)().()''(
2
0
112
TfzfU
n


=
−=
σσ
(g)
Trong đó :
• m - số nguyên dương lẻ 1,3,5…
• e - Cơ số logarit tự nhiên.
• z - Độ sâu của điểm đang xét.
• N - Nhân tố thời gian.
t
H
C
N
v
2
2
4
=

π
H - Khoảng cách thoát nước lớn nhất.
Nếu trường hợp một mặt thoát nước thì H bằng chiều dài lớn nhất đất.
Nếu trường hợp hai mặt thoát nước thì H bằng ½ chiều dài lớn nhất đất
t - Thời gian cố kết.
I.2. Quá trình cố kết lớp đất phức tạp
Hình 3
Trang 9
Nhóm SV Lớp 49C4 Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên lần XXII
Khi lớp đất điển hình sẽ phức tạp hơn mô hình đơn giản trong hình a–c. Cho phép
ta tăng số lượng lò xo, pitông, và van thể hiện hình d ta có thể biết ứng suất hiệu quả ban
đầu σ’
vo
của lớp đất và áp lực nước lỗ rỗng tạo ra Δu, liên quan đến lực bên ngoài tác
dụng lên pittông Δσ trong hình c. Cho phép thoát nước qua mỗi pittông và van vì vậy cả
thoát nước bên trong cũng như thoát nước ở đỉnh và đáy. Để nước bị ép ra khỏi các ống
trụ 2, 3 và 4, cần một số nước trong các ống trụ 1 và 5 thoát nước trước.
Tương tự như vậy, trước khi nước có thể ép thoát ra khỏi đất trong ống trụ 3 một số
nước trong ống trụ 2 và 4 thoát ra trước . Bởi vì tất cả van đều mở, nên khi chịu tác dụng
ứng suất bên ngoài Δσ , nước bắt đầu thoát ngay lập tức từ đỉnh và đáy hình trụ.
Sẽ dẫn đến kết quả áp lực nước lỗ rỗng giảm ngay và ứng suất hiệu quả tăng trong
hình trụ 1 và 5.
Với hai lớp thoát nước trên mô hình hình d-f có thể thấy sự giảm áp lực nước lỗ
rỗng, tại thời điểm t
1
có sự thay đổi của đỉnh và đáy lớp.
Đó là nguyên nhân hướng thoát nước theo chiều dài hình trụ nhiều hơn đáng kể so
với hình trụ 1 và 5. Sẽ dẫn đến sự giảm áp lực nước lỗ rỗng và tăng ứng suất hiệu quả
trong hình trụ 1 và 5 trên hình f.
Tại trung tâm lớp thoát nước hai hướng được mô hình ở hình d-f có thể thấy sự

giảm áp lực nước lỗ rỗng tạo ra.Ví dụ tại thời điểm t
1
thì nhỏ hơn so với sự thay đổi ít tại
đỉnh và đáy lớp.
Điều này là do là đường thoát nước ở trung tâm hình trụ dài hơn đáng kể so với các
hình trụ 1 và 5.
Kết quả là cần thời gian làm tiêu tan áp lực nước lỗ rỗng dài hơn cho trung tâm lớp
thoát nước hai chiều hoặc lớp thoát nước một hướng ở đáy.
Dòng chảy của nước ra khỏi hình trụ (các lỗ rỗng của đất) là do độ dốc thuỷ lực i,
với i = h/l = (Δu/ρw.g)/Δz.
Tại chính giữa lớp đất sét, không có dòng thấm bởi vì độ dốc thuỷ lực i =Δu/Δz = 0.
Tại đỉnh và đáy hình trụ độ dốc thuỷ lực tiến gần đến vô cùng ∞ và dẫn đến dòng
thấm lớn nhất tại ngay các bề mặt thoát nước.
Quá trình vừa miêu tả được gọi là quá trình cố kết thấm.
Giá trị độ lún thực nghiệm của hệ thống lò xo và pittông ( hoặc lớp đất sét) liên
quan trực tiếp lượng nước ép ra khỏi các hình trụ ( hoặc lỗ rỗng trong đất) và do vậy sự
thay đổi hệ số rỗng của đất sét tỷ lệ trực tiếp với giá trị áp lực nước lỗ rỗng tiêu tán.
Trang 10
Nhóm SV Lớp 49C4 Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên lần XXII
Do đó, tốc độ lún liên quan trực tiếp tốc độ áp lực nước dư tiêu tán.
II. Lý thuyết cố kết thấm 1 hướng của TERZAGHI
II.1. Các giả thiết của Terzaghi
- Lớp đất chịu nén giả định đồng chất và bão hoà nước hoàn toàn.
- Các hạt khoáng vật trong đất và hạt nước trong lỗ rỗng không nén được.
- Nước trong lỗ rỗng đất thoát ra tuân theo định luật Darcy, cả hai quá trình thoát
nước và nén đều theo một hướng. Lớp đất nén thường thoát nước cả ở đỉnh và đáy lớp
nhưng chúng ta có thể giả thiết đơn giản thoát nước chỉ xảy ra tại một bề mặt.
- Hai hệ số ép co a
v
và hệ số thấm k không đổi trong suốt quá trình cố kết thấm.

Sự thay đổi thể tích rỗng = lượng nước thoát ra
Xét một phân tố đất dx.dy.dz cách tại chiều sâu z so mặt đất tự nhiên:
Hình 4
II.2. Lập phương trình vi phân cố kết thấm
Phương trình Terzaghi được xây dựng dựa vào thể tích nước thoát ra của một phân
tố đất chịu nén. Theo định luật Darcy, ta biết lưu lượng dòng thấm phụ thuộc vào độ dốc
thuỷ lực và tính thấm của đất. Độ dốc thuỷ lực tạo ra dòng thấm có liên quan đến áp lực
nước lỗ rỗng dư.
Trang 11
Nhóm SV Lớp 49C4 Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên lần XXII
z
i
=
z
u


(
g.
u
w
ρ
)=
z
u
g
w


.

1
ρ
2
2
11
z
u
gz
u
g
i
ww
dzz


+


=
+
ρρ
Sau thời gian dt theo Darcy dQ = kiFdt : Ta xác định
z
u
g
kd
w
Qra



=
.
1
ρ
dxdydzdt
kd
Qvao
=
)(
1
2
2
z
u
z
u
w


+


ρ
dxdydzdt
2
2
1
z
u
g

kdddz
w
QvaoQra


−=−=∆
ρ
1dzdt
Mặt khác ta có :
),( tzfU =
Hệ số ép co:
Độ lún s tính theo công thức:
0
0
1
.
e
H
s
e
+

=
Vậy sau thời gian dt độ lún của phân tố là
dz
e
da
dz
e
d

dzS
ve
11
1
'
1 +
=
+
−=∆=
σ
Hệ số a
v
xác định từ đường cong :
Hình 5
Trang 12
'''
12
21
σσ
σ


=−=
ee
d
d
a
e
v
Nhóm SV Lớp 49C4 Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên lần XXII

Mặt khác ta có : Δσ’ = – Δu
Khi đó viết lại :
z
u
e
a
dz
e
ad
dz
e
ad
dz
u


+
=
+
−=
+
=∆
111
111
'
dtdz
Kết hợp hai phần của phương trình ta được :
2
2
.

z
u
g
k
w

∂−
ρ
.dzdt =
.
1
0
t
u
e
a
v


+

dtdz
t
u
z
u
c
v



=


2
2
;
vw
v
a
e
g
k
c
0
1+
=
ρ
II.3. Điều kiện biên bài toán
Lớp đất chịu nén thoát nước hoàn toàn tại đỉnh và đáy
Áp lực thuỷ tĩnh ban đầu Δu = u
i
bằng số gia ứng suất tác dụng trên biên Δσ
Ta có điều kiện biên và điều kiện ban đầu như sau :
Khi z = 0 và khi z = 2H , u = 0
Khi t = 0, Δu = ui = Δσ = (σ
2
’ - σ
1
’)
Chiều dày lớp đất cố kết là 2H, vì vậy chiều dài của đường thoát nước lớn nhất

bằng H hoặc Hdr.
Tất nhiên khi t = ∞, Δu = 0, hoặc áp lực lỗ rỗng tiêu tán hoàn toàn.
II.4. Giải phương trình vi phân cố kết thấm
Có nhiều cách giải khác nhau, một số theo phương pháp toán học chính xác, số
khác thì gần đúng. Ví dụ Harr (1966) trình bày lời giải gần đúng bằng cách dùng phương
pháp sai phân hữu hạn. Terzaghi (1925), cho lời giải toán học chính xác dưới dạng chuỗi
số Fourier mở rộng.
Nghiệm của phương trình như sau :
)().()''(
2
0
112
TfzfU
n


=
−=
σσ
Trong đó: Z và T là thông số không thứ nguyên. Số hạng đầu Z là thông số hình
dạng, và bằng z/H. Số hạng thứ hai T là nhân tố thời gian có liên quan đến hệ số cố kết C
v
xác định theo:
T là nhân tố thời gian có liên quan đến hệ số cố kết C
v
xác định theo:
Trang 13
Nhóm SV Lớp 49C4 Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên lần XXII
2
dr

v
H
t
cT =

2
0
)1(
drwv
H
t
ga
ek
T
ρ
+
=
Trong đó : t là thời gian
H
dr
là chiều dài của đường thoát nước lớn nhất
Hệ số C
v
có thứ nguyên là L
2
T
-1
hoặc đơn vị m
2
/s.

II.5. Các trường hợp chú ý
Trường hợp hai mặt thoát nước đường thoát nước bằng một nửa chiều dày H của
lớp đất sét, hoặc 2H/2 = H
dr
.
Nếu chỉ có một mặt thoát nước, đường thoát nước vẫn là H
dr
nhưng bằng chiều dày
H của lớp đất.
Trang 14
Nhóm SV Lớp 49C4 Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên lần XXII
CHƯƠNG II
CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU
Định nghĩa và đặc trưng của nền đất yếu trình bày trong 22TCN 262-2000 và
TCXD245:2000 “là đất yếu nếu ở trạng thái tự nhiên, độ ẩm của chúng gần bằng hoặc
cao hơn giới hạn chảy, hệ số rỗng lớn, lực dính c theo cắt quả cắt nhanh không thoát
nước từ 0.15 daN/cm
2
trở xuống, góc nội ma sát từ 00 đến 100 hoặc lực dính từ kết quả
cắt cánh hiện trường Cu ≤ 0.35 daN/cm
2
”.
Phần lớn các nước trên thế giới thống nhất về định nghĩa nền đất yếu theo sức
kháng cắt không thoát nước Su và trị số xuyên tiêu chuẩn N như sau:
- Đất rất yếu: Su ≤ 12.5 kPa hoặc N ≤ 2
- Đất yếu: Su ≤ 25 kPa hoặc N ≤ 4
Các vấn đề đặt ra với nền đất yếu :
Móng của đường bộ, đường sắt, nhà cửa và các dạng công trình khác đặt trên nền
đất yếu thường đặt ra những bài toán sau cần phải giải quyết:
+ Độ lún: Độ lún có trị số lớn, ma sát âm tác dụng lên cọc do tính nén của nền đất.

+ Độ ổn định: Sức chịu tải của móng, độ ổn định của nền đắp, ổn định mái dốc, áp
lực đất lên tường chắn, sức chịu tải ngang của cọc. Bài toán trên phải được xem xét do
sức chịu tải và cường độ của nền không đủ lớn.
+ Thấm: Cát xủi, thẩm thấu, phá hỏng nền do bài toán thấm và dưới tác động của
áp lực nước.
+ Hoá lỏng: Đất nền bị hoá lỏng do tải trọng của tàu hoả, ô tô và động đất.
Để xử lý đất yếu đạt hiệu quả cao cũng phải có yếu tố tay nghề thiết kế và bề dày kinh
nghiệm xử lý của tư vấn trong việc lựa chọn giải pháp hợp lý. Trong khuôn khổ đề tài,
nhóm nghiên cứu đến 2 phương pháp hiệu quả và phổ biến nhất hiện nay là :
Phương pháp gia tải trước kết hợp sử dụng bấc thấm
Phương pháp cố kết chân không kết hợp sử dụng bấc thấm.
I. Phương pháp gia tải trước
Chất tải trước là một trong những biện pháp gây lún đơn giản và kinh tế nhất để
giảm thiểu lún cho công trình xây dựng sau đó đến mức có thể chấp nhận được. Đất được
gia cường trở nên có sức chịu tải cao hơn và nén lún ít hơn.
Trang 15
Nhóm SV Lớp 49C4 Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên lần XXII
I.1. Nguyên lý chất tải trước
Công trình xây dựng trên nền đất yếu sẽ chịu lún đáng kể. Do vậy trước đó người ta
đã chất tải để buộc nền đất lún xuống đến mức cần thiết. Sau đó dỡ tải và tiến hành thi
công công trình. Khi dỡ tải sẽ xảy ra hiện tượng bùng nền nhưng sau đó nền đất sẽ lại lún
xuống một khoảng tương đương với phần bùng nền do tải trọng của công trình. Tất nhiên
công trình vẫn tiếp tục lún do đất có tính dẻo cao nhưng biên độ lún khi đó sẽ chỉ bằng
một phần nhỏ, khoảng 5 - 10% so với trường hợp không chất tải trước. Tải trọng do công
trình gây ra có tính lâu dài, đến hết tuổi thọ của công trình, trong khi chất tải trước chỉ
kéo dài trong một thời gian ngắn. Tuy nhiên do chất tải trước khá lớn nên mặc dù nền đất
chưa đạt tới cố kết hoàn toàn nhưng cũng để đạt độ lún yêu cầu. Tức là tổng ứng suất do
chất tải trước phải lớn hơn ứng suất thiết kế cho phép đối với công trình.
Chất tải trước được tiến hành ngoài hiện trường bằng cách khối bê tông đúc sẵn, đổ
đất, đắp các bao cát, chất gạch, đá và các loại vật liệu xây dựng khác. Trong đó bao cát và

bê tông khối là giải pháp phổ biến nhất. Tuy nhiên không dễ đạt được một tải trọng lớn,
đạt độ cao tới 5-6m. Do vậy cường độ chất tải trước thường chỉ đạt khoảng 80-100kPa,
tức là thích hợp với các công trình vừa và thấp tầng. Các công trình cao tầng hoặc các
công trình lớn vừa đòi hỏi phải chất tải trước lớn hơn nhiều và do vậy khó thực hiện.
Chất tải trước cũng có thể thực hiện theo một số giai đoạn để nền đất có thể gia
tăng sức bền đáng kể trước khi tiếp tục chất tải. Ứng suất do chất tải trước gây ra được
tính theo độ lún mong muốn bằng công thức:
S
f
= mv.qn.H= mv.qs.H.U(t)
Trong đó:
mv là hệ số biến đổi thể tích của đất tại hiện trường cho khoảng ứng suất thích hợp
qn và qs - ứng suất do tải trọng thực của công trình và do chất tải trước gây ra
H- chiều dày lớp đất chịu nén
U(t) - độ cố kết tại thời gian t.
Do vậy, ứng suất cần đạt do chất tải trước có thể tính theo phương trình sau:
qs=qn/U(t)
Độ cố kết theo lý thuyết kinh điển Tezzaghi được tính gần đúng bằng công thức:
π
T
U 2
=
Trang 16
Nhóm SV Lớp 49C4 Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên lần XXII
Trong đó :
T (hệ số thời gian) = cv. t/H
dr
; với T<0.2 .
Cv - hệ số cố kết .
h

dr
- chiều dài đoạn tiêu thoát nước, bằng chiều dày hoặc 1/2 chiều dày lớp đất chịu
nén, tương ứng đối với các trường hợp thoát nước một mặt hoặc hai mặt. Thời gian t càng
dài thì độ cố kết đạt tới càng lớn và ứng suất yêu cầu do chất tải trước càng nhỏ.
Do độ cố kết trong trường hợp thoát nước thẳng đứng khá nhỏ nên chỉ áp dụng biện
pháp chất tải trước là sẽ không hiệu quả. Chất tải trước kết hợp với bấc thấm chính là giải
pháp thay thế lý tưởng và phổ biến nhất. Cả ba thành phần của lún, gồm lún tức thời, cố
kết sơ cấp và cố kết thứ cấp đều triệt giảm đáng kể dưới tác động của chất tải trước.
I.2. Các bước gia tải trước
Nền đắp thêm được tiến hành chia thành 2 giai đoạn để tránh mất ổn định, giai đoạn
sau chỉ được tiến hành sau khi cường độ chịu tải tăng lên từ kết quả của giai đoạn trước
đã làm cho nền đủ sức chịu thêm tải của giai đoạn sau.
+ Giai đoạn 1: Chất tải thử ở tâm móng với đường kính 12m, chiều cao tải 7.8 m
tương đương với tải trọng 14.04 tấn/m2 vượt khoảng 8% so thiết kế. Bố trí 5 điểm đo
theo dõi lún, độ lún trung bình 57.4 cm. Độ lún vượt so với tính toán của thiết kế.
+ Giai đoạn 2: Chất tải toàn bộ diện tích móng với chiều cao tải 7.8 m. Bố trí 13
mốc đo theo dõi lún. Kết quả sau thời gian chất tải và theo dõi độ lún kéo dài 4 tháng, độ
lún trung bình của toàn khối móng là 103.65 cm. Đến khi kết thúc theo dõi lún thì tốc độ
lún giảm xuống còn 1.9 mm/ngày đêm.
Gia tải trước với thoát nước thẳng đứng:
Gia tải trước thường được dùng để nén lún đất yếu dễ nén. Khi thời gian dự tính để
đất được nén lún đến độ thiết kế quá dài thì có thể dùng đến lỗ thoát nước (giếng cát hoặc
vải địa kỹ thuật) theo chiều đứng để tăng tốc độ nén lún và đạt cường độ cần thiết.
Phương pháp này đã cho kết quả tốt đối với một số công trình nhà cửa, đường cao tốc,
đường băng, bể chứa lớn, cầu và cảng. Gia tải trước được thực hiện bằng cách đắp nền
lên tới một cao trình cao hơn cao trình cần thiết để đạt tải thiết kế.
Trong rất nhiều trường hợp, thời gian gia tải trước cần thiết được rút ngắn để xây
dựng công trình, vì vậy tốc độ cố kết của nền được tăng do sử dụng cọc cát thoát nước.
Cọc cát được đóng bằng công nghệ rung ống chống để chiếm đất, sau đó cát được làm
đầy ống và rung để đầm chặt. Cọc cát có đường kính 30-40cm. Có thể được thi công đến

Trang 17
Nhóm SV Lớp 49C4 Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên lần XXII
6-9m. Giải pháp cọc cát đã được áp dụng để xử lý nền móng một số công trình ở TP. Hồ
Chí Minh, Vũng Tàu, Hải Phòng, Hà Nội.
Hình 6
I.3. Ưu nhược điểm của phương pháp gia tải trước
Ưu điểm :
- Phương pháp gia tải trước tăng nhanh sức chịu tải của nền đất.
- Phương pháp gia tải trước tăng nhanh thời gian cố kết.
- Phương pháp gia tải trước tăng nhanh độ lún ổn định theo thời gian.
Trang 18
Nhóm SV Lớp 49C4 Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên lần XXII
- Phương pháp gia tải trước đơn giản, dễ làm lại kinh tế và thích hợp với các công
trình vừa và thấp tầng.
Nhược điểm:
Hiệu quả không cao đối với các công trình cao tầng phải sử móng sâu.
I.4. Ứng dụng của phương pháp gia tải trước tại Việt Nam
Ứng dụng cho thiết kế hạ tầng cơ sở cần phát triển lún cố kết nhanh hơn như móng
công trình đê chắn sóng, tuyến đường giao thông, đất đắp nền đường cầu vượt, nền móng
bể chứa chất lỏng trên vùng đầm lầy, nền băng sân bay,… Các dự án minh họa đã áp
dụng hầu hết là quan trọng như móng Cảng hàng không quốc tế Kansai, Dự án phát triển
Cảng Hanneda, biển đảo cảng Kobe, nhà máy nhiệt điện Matsura, đường ngầm ngày nay
thuộc vịnh biển Tokyo ở tân đảo biển đã bị tàn phá. Các phương pháp xử lý này được áp
dụng với tỷ lệ cao hầu hết rơi vào các dự án có quy mô lớn.
Phương pháp gia tải trước được dùng để xử lý nền móng của Rạp xiếc trung ương
Hà Nội, Viện nhi Thụy Điển (Hà Nội), Trường Đại Học Hàng Hải (Hải phòng) và một số
công trình tại phía Nam.
II. Phương pháp cố kết chân không
II.1. Khái niệm phương pháp gia tải trước bằng hút chân không
Phương pháp nén trước bằng chân không là một trong những phương pháp gia cố

nền đất sét yếu, theo đó áp suất chân không được áp dụng lên một diện tích nền được bao
bởi các tấm (màng) vật liệu kín khí (airtight membrane), để bơm thoát nước lỗ rỗng chứa
trong nền làm cho đất cố kết nhanh. Theo mẫu thí nghiệm 3 trục, hình trụ rỗng thì để
mẫu đứng được, người ta phải áp dụng một áp suất chân không khoảng 0.3 kgf/cm
2
, rồi
kiểm tra xem mẫu có kín nước không bằng cách quan sát sự xuất hiện các bọt khí.
Công nghệ này được thực hiện thông qua vài lần làm áp lực bằng chân không thích
hợp để xử lý nền, từ đó hạ thấp tỷ lệ chứa nước trong đất, nâng cao mật độ đất, sức tải
của nền, giảm sự sụt lún sau khi thi công và sự sụt lún sai khác ở nền đất yếu. Theo các
chuyên gia trong lĩnh vực xử lý nền đất thì phương pháp này sẽ tạo ra được một áp lực
(trên 1 atmosphere) khống chế sức tải của mặt đất, tạo độ dày cần thiết theo yêu cầu kỹ
thuật, khống chế được độ lún và tạo độ lún đồng đều cho mặt đất.
Trang 19
Nhóm SV Lớp 49C4 Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên lần XXII
II.2. Tiến hành phương pháp gia tải trước bằng chân không
Để giảm thiểu bề dày nền đắp sử dụng trong hệ thoát nước đứng, cần phải áp dụng
lực hút chân không trực tiếp đến hệ thống thoát nước đứng nhằm tạo ra một gradient thủy
lực lớn hơn để tăng tốc quá trình thoát nước và cố kết của nền đất yếu. Lực hút chân
không thực tế tương tự như sự tác dụng của việc gia tải trên nền đất yếu. Phương pháp
này thông thường được xem như phương pháp cố kết chân không.
Phương pháp cố kết chân không được giới thiệu trong khu vực trong thập niên vừa
qua và một vài dự án ở Việt Nam đã áp dụng trong công tác xử lý đất yếu có bề dày khá
sâu tương đối thành công. Trong phương pháp bấc thấm PVD thông thường, việc gia tải
từng cấp cần kiểm soát độ ổn định thông qua sự gia tăng sức kháng cắt do cố kết, tuy
nhiên trong phương pháp cố kết chân không ứng suất có hiệu tăng trong khi ứng suất cắt
tăng rất ít, tạo ra sự tăng ứng suất có hiệu với độ ổn định tốt hơn. Thông thường, lực hút
chân không đạt 6 tấn/m
2
hay 60 kPa có thêm tác dụng lên vùng giảm áp có xử lý bấc

thấm như minh họa trên Hình 11a đến 11b.
Hiệu quả của phương pháp phụ thuộc rất lớn vào việc cách ly vùng chân không
trong khu vực giảm áp và sự phân bố chân không trong các đường thoát nước. Do đó,
đường thoát nước được thiết kế sao cho có thể chịu được áp lực chân không; bất kỳ
đường thoát nước nào bị hỏng cũng kéo theo hậu quả rất xấu, như sự phá hoại nền đường
hay độ cố kết không đạt yêu cầu.
Mỗi công ty xử lý nền sẽ chọn ra hệ thống chân không riêng cho mình từ kiểu thoát
nước đến các kiểu kết nối vào hệ thống chân không. Do đó, việc thi công thông thường
được tiến hành theo các hướng dẫn cơ bản từ chủ đầu tư.
Ngoài việc tác dụng lực hút chân không, cần phải gia tải trên vùng giảm áp nhằm
gia tăng ứng suất tổng trên nền đất yếu, kết quả sẽ tăng tốc quá trình cố kết và giảm thời
gian cố kết. Tuy nhiên cũng lưu ý rằng, việc gia tải cũng có giới hạn vì độ ổn định của
nền đắp cũng như trong phương pháp PVD gia tải trước. Do đó để gia tải lớn cần phải
đắp theo giai đoạn hay đặt thêm bệ phản áp nhằm tăng độ ổn định trong quá trình cố kết
như trên Hình 12a và 12b. Do bề dày nền đắp giảm (do lực hút), bệ phản áp (nếu cần) có
thể nhỏ hơn, ngắn hơn so với trong trường hợp sử dụng phương pháp bấc thấm thông
thường.
Trang 20
Nhóm SV Lớp 49C4 Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên lần XXII
Hình 7 Các kiểu Phương pháp cố kết chân không
(a) Phương pháp cố kết chân không cách ly bằng vải
(b) Phương pháp cố kết chân không bằng ống hút trực tiếp
Trang 21
Nhóm SV Lớp 49C4 Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên lần XXII
Hình 8 Các mặt cắt tiêu biểu phương pháp cố kết chân không
với các bề dày đắp khác nhau
(a)Nền đường đắp đến 4m
(b) Nền đắp cao hơn 4m
Trang 22
Nhóm SV Lớp 49C4 Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên lần XXII

- Các phương pháp và dây chuyền thi công phương pháp cố kết chân không
Trang 23
Nhóm SV Lớp 49C4 Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên lần XXII
Có hai phương pháp cố kết chân không hiện tại trên thị trường, gọi là phương pháp
cách khí bằng vải và phương pháp ống hút trực tiếp.
Phương pháp cách khí bằng vải được mô tả trong Hình 11a, dùng một loại vải kín
khí HDPE phủ lên trên các lớp thoát nước có cắm bấc thấm PVD. Vải HDPE cách ly lớp
thoát nước và PVD để nước từ các bấc thấm có thể được bơm trực tiếp đến các bơm kế
tiếp và đến nền đường. Để giảm sự tiêu hao thủy lực trong lớp thoát nước, thiết bị thoát
nước bổ sung (ống đục lỗ hay bấc thấm thoát nước ngang) được sử dụng. Dây chuyền thi
công phương pháp này được trình bày trong Hình 17.
Phương pháp ống hút trực tiếp được trình bày trong Hình 11b, các bấc thấm được
nối trực tiếp vào các ống nhựa PE dẻo và dẫn đến các bơm chân không. Hình 18 thể hiện
công tác lắp các bấc thấm PVD và các đầu nối vào ống. Dây chuyền thi công như trên
Hình 19.
Phương pháp ống hút trực tiếp có thuận lợi là giảm thiểu sự tiêu hao chân không do
bơm trực tiếp từ PVD. Việc kiểm tra rò rỉ từ các đầu nối có thể được tiến hành sau khi
chất tải. Phương pháp này cũng giảm được việc sử dụng các lớp thoát nước (cát sạch) và
các hố dung dịch nhằm cách ly không khí trong phương pháp cách khí bằng vải. Mặt
khác, phương pháp cách khí bằng vải cũng có ưu điểm riêng là lớp cát thoát nước sau khi
hút chân không được xem là một thành phần gia cường. Do sự giảm áp lực nước lỗ rỗng
trong lớp thoát nước trong quá trình hút chân không, ứng suất có hiệu của lớp cát thoát
nước gia tăng theo áp lực chân không. Sự gia tăng ứng suất hiệu quả từ hút chân không
và gia tải dẫn đến sự gia tăng sức kháng cắt của lớp thoát nước. Nếu lực chân không được
duy trì một cách liên tục, kích thước bệ phản áp thậm chí có thể giảm bớt đi. Do đó, việc
kiểm soát tốt chân không là vấn đề chính trong phương pháp này. Đây là lý do chính tại
sao phương pháp cố kết chân không được các nhà thầu chuyên nghiệp và có kinh nghiệm
phụ trách khi có các sự cố kỹ thuật cần đến sự hướng dẫn và kiểm soát thích hợp trong
quá trình thi công.
Hình 9 Dây chuyền thi công tiêu biểu của phương phápcách khí bằng vải

trongphương pháp cố kết chân không
Trang 24
Nhóm SV Lớp 49C4 Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên lần XXII
Trang 25
8.Lắp lớp không thấm 9.Đắp gia tải
10.Giảm áp
7.Lắp vải bảo vệ
1.Dọn dẹp mặt bằng
2.Thi công đệm cát 3.Lắp đặt PVD
4.Lắp ống chân không 5.Thoát nước ngang thứ cấp
6 Lắp bấc thấm ngang

×