Tính toán xử lý nền đất yếu và ứng dụng phần mềm để kiểm toán nền đất yếu

1. bi:
Tớnh toỏn n nh v lỳn ca nn t yu theo cỏc trng hp:
-

Trng hp 1: Cú x lý bng bc thm

-

Trng hp 2: Khụng dựng bc thm m tớnh p nhiu giai on thỡ lỳn
tng cng Sc =?

Cho bit : + lỳn cũn li <= 30 cm
+ Thi gian t c kt l <= 6 thỏng
Bi lm
1. Gii thiu chung
Công trình đờng nối từ đờng Nguyễn Tất Thành đến khu đô
thị Thuỷ Tú có điểm đầu tại đờng Quốc lộ 1A (cuối đờng Nguyễn Tất
Thành). Điểm cuối dự án dự kiến tại Km7 thuộc đờng tránh Hải Vân
Tuý Loan. Tuyến đờng chủ yếu băng qua các đoạn ruộng lúa nớc, một
số đoạn qua nhà dân và qua vờn hoa màu. Cấu trúc địa chất trong
đoạn này chủ yếu là các thành tạo đất có nguồn gốc bồi tích của sông
Cu Đê và trầm tích biển bao gồm: Bùn sét pha, sét, sét pha, cát, cát
pha, cuội sỏi sạn... nằm phủ trên đất tàn tích của đá loại phiến sét.
Loi ng ph: ng trc chớnh th yu
Cp k thut: 60
dc dc ln nht: Idmax=6%.
B rng nn ng: (5+7,5+8+7,5+5)=33m

Hỡnh 1: Mt ct ngang i din
2. S liu a cht
Ct dc a cht ca on nn ng x lý KM 0+943 n KM 1+005m.

Cu to a cht in hỡnh ca mt ct ti v trớ ny bao gm lp Sột pha mu xỏm
xanh vi chiu dy trung bỡnh khong 16m. Bờn di lp sột pha l cỏt ht nh cht va
cú chiu dy khỏ ln.


Lớp E1: Bùn Sét pha, màu xám xanh.
Lớp H1: Cát hạt nhỏ lẫn bột sét, màu trắng, màu vàng, trạng thái bõa hòa, kết cấu rời rạc
đến chặt vừa.
Đất đắp: Sét pha cát có lẫn dăm sạn:
Chiều cao đất đắp 5m
Có dung trọng tự nhiên:  = 18,5kN/m3
Tải trọng xe: quy đổi về tải trọng đất đắp phân bố đều h=0,75m.

Hình 2: Mắt cắt ngang tính toán


Bảng 1: Tổng hợp chỉ tiêu của các lớp đất như sau:

Độ ẩm tự nhiên
Dung trọng tự nhiên

Ký
hiệu
W


Dung trọng bão hòa

bh

kN/m3

Dung trọng đẩy nổi
Tỷ trọng
Giới hạn chảy
Giới hạn dẻo
Độ bão hòa
Độ sệt
Hệ số rỗng tự nhiên
Góc ma sát
Lực dính
Hệ số cố kết

đn

LI
LP
Sr
B
e0
uu
Cuu
Cv

3

%
%
%

7.2
2.69
42.56
27.26
95.7

độ
kN/m2
cm/s (x10-3)

1.364
13
16
0.67

0.69
30
16

Mô đun biến dạng

E0

kN/m2

650

10000

Hệ số thấm

Chỉ số nén
Chỉ số nở
Áp lực tiền cố kết

Kz
Cc
Cr
Pc

m/ngày

0.4.10-4
0.43
0.054
41

0.5

Chỉ tiêu

Cát nhỏ
(H1)

%
kN/m3

Bùn Sét
(E1)
48.57
16.900

17.1

20

Đơn vị

kN/m

kN/m2

18.60

2.65

3. Nội dung tính toán
3.1. Yêu cầu tính toán
Độ lún dư, tốc độ lún:
Theo quy trình khảo sát thiết kế nền đất đắp trên nền đất yếu 22TCN 262 -2000 thì độ lún còn lại
(S) tại trục tim nền đường cấp 60Km/h. Có tầng mặt cấp cao A1 sau khi hòan thành công
trình đảm bảo yêu cầu sau:
- Đoạn nền đường đắp thông thường S40cm
- Đoạn nền đường có cống hoặc dân sinh chui dưới S30cm
- Đoạn nền đường gần mố cầu S20cm.
3.2. Dự báo độ lún của nền đường trước khi xử lý.
Độ lún của nền đất:
S= Se+ Sc + Si


Se 

Tính toán độ lún tức thời:

P.B.I (1  u2 )
Eu

Trong đó:
P- cường độ áp lực gây lún tại đáy móng.
B- bề rộng trung bình của nền đường.
I- hệ số phụ thuộc vào hình dạng, độ cứng của móng và hệ số nở hông của đất nền dưới
đáy móng
u- hệ số nở hông không thoát nước.
Eu- mô đun đàn hồi không thoát nước của đất được xác định bằng thí nghiệm một trục (Oedometer)
Thông số
Ký hiệu
Giá trị
Đơn vị
Hệ số nở hông

0.35
Mô đun đàn hồi không
E
650
kN/m2
thoát nước
Hệ số ảnh hưởng hình
I
1
dạng móng
Ứng suất gây lún
P

126
Bề rộng nền đường
B
40.5
m
Độ lún tức thời:
S
0.1701
m
Dự báo độ lún cố kết:
Trường hợp ứng suất hữu hiệu lớn hơn áp lực tiền cố kết nên độ lún cố kết được tính theo công
thức sau:
Sc  �i 1
n

H i � i  z'i   vi �
Cc lg
�
�
1  eoi �
 z' i
�

Trong đó:
Sc- độ lún cố kết sơ cấp
Hi chiều dày lớp đất phân tố
e0i- hệ số rỗng ban đầu của lớp đất thí i
Cc- chỉ số nén của lớp đất thứ i
zi- ứng suất hữu hiệu của đất
vi- ứng suất do tải trọng ngoài gây ra

Tính toán độ lún cố kết ban đầu:


Chiều dày
(m)

Lớp
Bùn Sét
(E1)

16

Hi
m)
5
5
6

'v0
'vm
(kN/m2)
(kN/m2)
36
41
72
41
115.2
41
Độ lún tổng

'v0+ 
(kN/m2)
165.5
201.5
244.7

Cr

Cc

Si(m)

0.054
0.054
0.054

0.430
0.430
0.430

0.6
0.41
0.36
1.37

Ứng suất phụ thêm do tải trọng ngoài gây ra:
z
5
5

6

Ứng suất so tải trọng ngoài gây ra:
b/z
I
=2.I.p
3.3
0.5
129.5
3.3
0.5
129.5
2.75
0.5
129.5

a/z
1.5
1.5
1.25

3.3. Tính toán độ lún theo thời gian:
Độ cố kết của nền đất khi nước thấm 2 phía theo phương thẳng đứng:
U=1-(1-Uv).(1-Uh)
Trong đó: Độ cố kết phương ngang: Uh=0
Độ cố kết phương đứng: Uv=90% ứng với Tv= 0,848.
Nhân tố thời gian: Tv 

Cv
.t

h2
K .a

z
Hệ số cố kết phương đứng: Cv  (1  e ). ; Cv=0,00067cm2/s
tb
0

Chiều sâu vùng tính lún h=H/2= 1600/2=800cm
Thời gian tắt lún: t=27 năm.
Để đạt độ cố kết: 90%
Nhân tố thời gian
Hệ số cố kết
Chiều sâu đất yếu
Thời gian để tắt lún

Tính toán độ lún theo thời gian:
Ut
Tv= Cv.t/h2
Cv
h
t

0.9
0.848
0.00067
800
27

%

cm/s
m
năm

3.4. Nhận xét kiến nghị đề xuất các phương án xử lý:
Nền đất yếu có chiều dày 16,0m, để đạt độ cố kết yêu cầu 90%, phải mất hết 27 năm. Do thời
gian xây dựng công trình chỉ yêu cầu trong 6 tháng nên phải sử dụng các biện pháp xử lý nền đất
yếu để đẩy nhanh quá trình thoát nước.
Đề xuất phương án xử lý sử dụng bấc thấm kết hợp gia tải trước
Ưu điểm:


- Làm tăng khả năng thoát nước của nền đất yếu.
- Công nghệ thi công cắm bấc thấm nhanh, đơn giản hơn giếng cát.
- Giá thành rẻ hơn các phương án khác.
Nhược điểm:
- Khả năng thoát nước kém khi áp lực xô ngang lớn.
4. Tính toán đô lún và ổn định sau 6 tháng xử lý:
4.1. Bố trí bấc thấm.
Sơ đồ bố trí bấc thấm:

Hình 3: Sơ đồ bố trí bấc thấm
Chiều dài cắm bấc thấm L=16m. (Cắm hết lớp đất yếu).
Sơ đồ bố trí bấc thấm lưới tam giác khoảng cách giữa các bâc thấm L2=2m.
Đường kính bấc thấm; d= (a+b)/2.
Chiều rộng bấc thấm a=10cm
Chiều dày bấc thấm b=0,3cm.
4.2. Dự báo độ lún của nền đất yếu sau khi xử lý bằng bấc thấm:
Độ cố kết của nền đất khi nước thấm 2 phía theo phương thẳng đứng:
U=1-(1-Uv). (1-Uh)

Mức độ cố kết theo phương ngang; Uh:
�8T �
De
n2
3n 2  1
U h  1  exp � h �; F (n)  2 ln(n) 
n

;
d
n 1
4n2
�F (n) �

Nhân tố thời gian: Th 

Ch
.t
De 2

Đường kính ảnh hưởng của bấc thấm De=1,05L ( Sơ đồ bố trí PVD tám giác).


Hệ số cố kết theo phương ngang: Ch= 3Cv=3.0,00067=0,002cm2/s
Chiều sâu vùng cắm bấc thấm; H= 1600=800cm.
=>Th=0,68 => Uh=0,85.
Độ cố kết phương đứng; Uv:
K .a

z

Hệ số cố kết phương đứng: Cv  (1  e ). ; Cv=0,00067cm2/s
tb
0

Chiều sâu vùng cố kết theo phương đứng; h=H/2= 1600/2=800cm
Nhân tố thời gian: Tv 

Cv
0, 00067.3.108
.
t

.0,5  0.14 => Tv=0,45.
h2
8002

Độ cố kết: U= 1-(1-Uv). (1-Uh)= 1- (1-0,14). (1-0,85)= 0,917.
Vậy độ lún của nền đất sau 6 tháng:
St= U.S= 0,917*1,37=1,26m.
Độ lún dư còn lại:
Sd= 1,37-1,26= 0,11m <0,3 m => Kết luận độ lún xử lý sau 6 tháng đạt yêu cầu.
Độ cố kết U=1-(1-Uv) (1-Uh)
Độ cố kết theo phương đứng: Uv
Hệ số cố kết theo phương đứng
Nhân tố thời gian
Độ cố kết theo phương ngang Uh:
Hệ số cố kết theo phương ngang
Nhân tố thời gian
Tỷ số khoản cách
De - đường kính đới ảnh hưởng của bấc

thấm:
d- Đường kính bấc thấm
Chiều rộng bấc thấm
Bề dày bấc thấm
chiều dài bấc thấm
khoảng cách giữa các bấc thấm
Thời gian xử lý
Độ lún sau 6 tháng xử lý:
Độ lún dư còn lại
Tính toán chiều cao đất đắp:
Chia nền đất đắp thành 2 giai đoạn:

U
Uv
Cv
Tv
Uh
Ch=3Cv
Th=Ch.t/De2
n=De/d

0.9175
0.45
0.00067
0.16
0.85
0.00201
0.68
40.78

De=1,05L

2.1

m

d=(a+b)/2
a
b
L
L2
t
S
Sr

5.15
10
0.3
14
2
0.5
1.26
0.11

cm
cm
cm
m
m
năm

m
m

cm/s

cm/s


Giai đoạn 1: Chiều cao đất đắp 2,5m, đắp bệ phản áp 2,5m, rộng mỗi bên 8m, thời
gian đắp đất 5 ngày, thời gian chờ lún 60 ngày. Hệ số an toàn Fs= 1,22.
Giai đoạn 2: Chiều cao đất đắp 2,5m; thời gian đắp đất 5 ngày, thời gian chờ lún 110
ngày. Hệ số an toàn Fs= 1,35.
ỨNG DỤNG PHẦN MỀM PLAXIS 8.2 VÀO PHÂN TÍCH ĐỘ LÚN CỦA NỀN ĐẤT
YẾU THEO THỜI GIAN.
Số liệu ban đầu:
Nền đất có tổng chiều dày 20m. Trên cùng là lớp sét pha dày 1,1m, giữa là lớp Sét yếu dày
16,8m, và dưới là lớp cát chặt dày 2,1m. Mô hình như hình vẽ:

Hình 4: Mặt cắt ngang tính toán
Sơ đồ bài toán được minh họa trong bài toán dưới đây:
Khai báo mô hình bài toán:

Hình 5: Mô hìnhtính toán
Khai báo điều kiện biên:
Sử dụng standaard fixities để khai báo điều kiện biên.
Khai báo đặc trưng vật liệu


Bảng 3: Các lớp đất của bài toán được khai báo như sau:
Lớp

Thoát
nước
16,9
17,1
0,4.10-4
0,4.10-4

Morh
Coulomb
Thoát
nước
18.6
19,9
0,5
0,5

Mô hình
bấc thấm
PVD
Morh
Coulomb
Thoát
nước
18
20
0,5
0,5

30000

1000

10000

30000

kN/m2


C


0.2
2
30

0.35
16
13

0.2
2
30

0.25
2
30

kN/m2

Độ

eo

0,65

1,36

0,69

0,65

-

Các tham số

Tên

Mô hình vật liệu

Mô
hình

Loại tính chất

Loại

Trọng lượng khô
Trọng lượng ướt
Thấm ngang

Thấm đứng
Mô đun biến
dạng
Hệ số poisson
Lực dính
Góc ma sát trong
Hệ số rỗng ban
đầu
Chỉ số nén
Chỉ số nở



Kh
Kv

Morh
Coulomb
Thoát
nước
18
20
0,5
0,5

Eref

Cc
Cr

Cát trên

Lơp Bùn
sét yếu
Soft Soil

Lớp
Cát dưới

0.043
0.052

Chia lưới tính toán:

Hình 6: Mô hình chia lưới phần tử
Khai báo điều kiện ban đầu
Khai báo mực nước ngầm (phreatic level) nằm ngang lớp đất yếu.

Đơn vị
kN/m3
kN/m3
m/day
m/day

-


Hình 7: Khai báo điều kiện ban đầu.
Tính toán áp lực nước lỗ rỗng tĩnh ban đầu (Gernerate water pressure).

Hình 8: Áp lực nước lỗ rỗng ban đầu
Tính toán áp lực đất hữu hiệu ban đầu ( Gernerate intial stress):

Hình 9: Ứng suất hữu hiệu ban đầu
Bảng 4: Các bước tính toán:


Tên
1>
2>
3>
4>
5>
6>
7>
8>

Bước

Bắt
đầu

Tính toán

1

0

Plastic

3

2

4

3

5

4

6

5

7

6

8

7

9

8

Consolidatio
n
Consolidatio
n
Consolidatio
n
Consolidatio
n
Phi/c
reduction
Phi/c
reduction
Phi/c
reduction

Vào tải
Thời gian
trọng
Staged
0
construction
Staged
5 ngày
construction

Staged
60
construction
Staged
5 ngày
construction
Staged
110
construction
Incremental
multipliers
Incremental
multipliers
Incremental
multipliers

Ghi chú
Cắm bấc thấm
Đắp lớp 1 trong 5
ngày
Chờ cố kết 60 ngày
Đắp lớp 2 trong 5
ngày
Chờ cố kết 110
ngày
Kiểm tra ổn định
đắp lần 1
Kiểm tra ổn định
đắp lần 2
Kiểm tra ổn định

dài hạn

Kết quả:

HÌNH 10: BIỂU ĐỒ HỆ SỐ AN TOÀN CỦA CÁC GIAI ĐOẠN THI CÔNG
(TẠI ĐIỂM C)
Giai đoạn 1: Hệ số ổn định: FS=1.33
Giai đoạn 2: Hệ số ổn định: FS=1.35
Giai đoạn khai thác lâu dài: Hệ số ổn định: FS=1.49


BIỂU ĐỒ MẶT TRƯỢT KHI ĐẮP ĐẤT GIAI ĐOẠN 1: HỆ SỐ ỔN ĐINH: FS=1,33.

BIỂU ĐỒ MẶT TRƯỢT KHI ĐẮP ĐẤT GIAI ĐOẠN 2: HỆ SỐ ỔN ĐINH: FS=1,35

BIỂU ĐỒ MẶT TRƯỢT LÂU DÀI: HỆ SỐ ỔN ĐINH: FS=1,49.


HÌNH 11: BIỂU ĐỒ LÚN THEO THỜI GIAN (TẠI ĐIỂM A.)
Dựa vào biểu đồ lún theo thời gian độ lún tại thời điểm 180 ngày là 1,44m.

HÌNH 12: BIỂU ĐỒ TIÊU TÁN ÁP LỰC NƯỚC LỖ RỖNG THEO THỜI GIAN (TẠI
ĐIỂM A)


HÌNH 13: BIỂU ĐỒ PHÂN BỐ ÁP LỰC NƯỚC LỖ RỖNG SAU KHI CỐ KẾT
SO SÁNH KẾT QUẢ TÍNH TOÁN:

PHƯƠNG PHÁP TÍNH

Độ lún trước xử lý

Độ lún sau khi xử lý bằng
bấc thấm

Tính thủ công

1,37m

1,26m

Tính bằng phần mềm Plaxis

1,41m

1,37m

NHẬN XÉT- KIẾN NGHỊ:
-

Kết quả tính toán độ lún theo tiêu chuẩn và sử dụng phần mềm Plaxis V8.2 có sự
sai khác nhỏ, sở dĩ có sự sai khác đó là vì:

-

Khi tính toán theo tiêu chuẩn 262-2000 phần lớn các công thức giải tích đều dựa
trên lời giải gần đúng của Taylor (Approximate solution) về lý thuyết cố kết thấm
Terzaghi.

-

Khi tính toán theo phần mềm Plaxis V8.2 dựa trên trên lời giải phương pháp số
(Numerial solution) của lý thuyết cố kết thấm Terzaghi.

-

Kiến nghị: Khi tính toán ổn định nền đất yếu nền kết hợp giữa tiêu chuẩn hiện
hành và sử dụng phần mềm tính toán để tăng độ chính xác cho việc tính toán.

-

Nếu có thời gian nhóm tác giả kiến nghị nên tính toán để tối ưu chiều sâu cắm bấc
thấm, tức là không cắm hết chiều sâu vùng đất yếu.