Nghiên cứu độ lún cố kết của nền sét mềm bão hòa nước được xử lý bằng bấc thấm gia tải trước theo sơ đồ bài toán phẳng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Xuân Huy

MSHV: 7140129

Ngày, tháng, năm sinh: 30/07/1984

Nơi sinh: Tp Huế

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Ngầm

Mã số: 60.58.02.04

I. TÊN ĐỀ TÀI
“ NGHIÊN CỨU CỨU ĐỘ LÚN CỐ KẾT CỦA NỀN SÉT MỀM BÃO HÒA NƯỚC ĐƯỢC XỬ
LÝ BẰNG BẤC THẤM GIA TẢI TRƯỚC THEO SƠ ĐỒ BÀI TOÁN PHẲNG”
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
Nghiên cứu đánh giá độ lún theo thời gian của nền được xử lý bằng phương pháp thoát nước phương
ngang kết hợp gia tải trước bằng phương pháp giải tích.
Đánh giá độ lún theo thời gian bằng phương pháp quy đổi bài toán cố kết xuyên tâm sang sơ đồ bài
toán phẳng. Độ lún theo thời gian được đánh giá theo lời giải giải tích và mô phỏng bằng Plaxis 2-D.
Kết quả tính toán theo các phương pháp giải tích được so sánh với kết quả quan trắc thực tế.

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 04/07/2016
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 04/12/2016
V.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS. BÙI TRƯỜNG SƠN
Tp. HCM, ngày 04 tháng 12 năm 2016

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

PGS. TS. BÙI TRƯỜNG SƠN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
ĐÀÒTẠÓ

PGS. TS. LÊ BÁ VINH

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT
XÂY DỰNG

PGS. TS. NGUYỄN MINH TÂM


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin được cảm om quý Thày Cô trong bộ môn Địa cơ nền móng, quý Thầy Cô đã
truyền đạt cho tôi những kiến thức quý báu và sâu sắc trong cảc học kỳ qua.
Để hoàn thành chương trình cao học và viết luận văn này, tôi đã nhận được sụ hướng dẫn, giúp đỡ
và góp ý nhiệt tình của quý thầy cô trường đại học Bách khoa, đặc biệt là khoa sau đạỉ học.
Tôỉ xin chân thành cảm ơn Thầy PGS.TS. Bùi Trường Sơn, người Thầy đã tận tình hướng dẫn,
giúp tôi đưa ra hướng nghiên cứu cụ thể, hỗ trợ nhiều tài liệu, kiến thức quý báu trong quá trình học tập và

nghiên cứu.
Một lần nữa tôi xỉn chân thành cảm ơn các Thầy PGS.TS. Châu Ngọc Ẩn,

PGS .TS Võ Phán, PGS .TS. Lê Bá Vinh, PGS .TS. Nguyễn Mình Tâm, TS. LỄ Trọng Nghĩa,
PGS .TS. Trần Tuấn Anh, TS. Đỗ Thanh Hải đầy nhiệt huyết và lòng yêu nghề, đã tạo điều kiện tốt
nhất cho tôi học tập và nghiên cứu khoa học, luôn tận tâm giảng dạy và cung cấp cho tôi nhiều tư liệu cần
thiết.
Xin chân thành - cám ơn các Thầy, Cô, Anh Chị cán bộ của Phòng Quản lý Khoa học - Đào tạo Sau
Đại học đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập.
Một lần nữa xin gửi đến Quý Thầy, Cô và Gia đỉnh lòng biết ơn sâu sắc.
TP. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2016

Học viên


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Tên đề tài:
“NGHIÊN CỨU ĐỘ LÚN CỐ KẾT CỦA NỀN SÉT MỀM BÃO HÒA NƯỚC ĐƯỢC
XỬ LÝ BẰNG BẤC THẤM GIA TẢI TRƯỚC THEO SƠ ĐỒ BÀI TOÁN PHẲNG”

Tóm tắt:
Trong tính toán xử lý nền đất yếu bằng giải pháp thoát nước phương ngang kết hợp gia
tải trước, độ lún và độ cố kết theo thời gian là vấn đề quan trọng được ưu tiên xét đến. Ước lượng
độ lún cố kết trong trường hợp này được xác định theo các công thức giải tích trên cơ sở cố kết
đối xứng trục và theo phương pháp quan trắc ở hiện trường. Nội dung đề tài này tập trung vào
nghiên cứu độ lún cố kết của nền sét mềm bão hòa nước được xử lý bằng bấc thấm gia tải trước
theo sơ đồ bài toán phẳng nhằm phân tích, so sánh mức độ cố kết theo thời gian của bài toán cố
kết xuyên tâm và bài toán phẳng. Kết quả phân tích, so sánh cho phép rút ra các kết luận về việc
sử dụng phương pháp này và kết quả nghiên cứu có thể bổ sung cơ sở tính toán cho giải pháp xử
lý nền để ước lượng độ lún của nền móng công trình.

SUMMARY OF THESIS
Title:
“STUDYING CONSOLIDATION SETTLEMENT OF SATURATED SOFT CLAYEY
GROUND TREATED BY PVD PRELOADING ACCORDING TO TWO DIMENSION
PLANE”

Abstract:
In calculating soft ground treatment by horizontal drainage preloading, settlement and
consolidation degree at difference times is an important problem which is analysed in priority.
Consolidation settlement in this case estimated by analytical formula and monitoring method.
This content of the thesis concentrates on studying consolidation settlement of saturated soft
clayey ground treated by PVD preloading acording to two dimension plane, on analysis and
comparision of two methods and allow to lead to the conclusions about using this calculation
method and studying result can be additional basis of calculation of consolidation settlement.


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong
bất kỳ công trình nào khác.

Học viên

Nguyễn Xuân Huy


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 1
1.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ............................................................ 1

2.

Mục tiêu và nhiệm vụ ............................................................................................ 1

3.

Phương pháp nghiên cứu ...................................................................................... 1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VÈ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU
BẰNG BẤC THẤM / GIẾNG CÁT KẾT HỢP GIA TẢI TRƯỚC ........................... 2
1.1

Sơ LƯỢC PHƯƠNG PHÁP BẤC THẤM / GIẾNG CÁT KẾT HỢP GIA TẢI

TRƯỚC......................................................................................................................................... 2
1.2

Cơ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN BÀI TOÁN CỐ KẾT THẤM .................................3

1.2.1 Các giả thuyết của bài toán cố kết ..................................................................................... 3
1.2.2 Bài toán cố kết cơ bản .....................................................................................................3
1.3

Cơ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN THẤM BA CHIỀU .................................................9

1.3.1 Bài toán cố kết thấm ba chiều (đối xứng trục) .................................................................. 9
1.3.2 Lời giải của Barron (1948).............................................................................................. 11

1.3.3 Lời giải của Hansbo (1979)............................................................................................. 14
1.4

TÍNH TOÁN Độ LÚN CỦA NỀN ĐẤT XỬ LÝ BẤC THẤM KẾT HỢP GIA

TẢI TRƯỚC ............................................................................................................................... 17
1.4.1 Tính toán theo TCVN 9355-2012 [15] ............................................................................17
1.4.2 Tính toán theo đề nghị của GS. Hoàng Văn Tân [12] ..................................................... 19
1.4.3 Phương pháp Asaoka [14] ............................................................................................... 22
1.4.4............................................................................................................................
Xác định thông số thấm của đất ttong mô phỏng Plaxis 2-D ......................................................23
1.5

NHẬN XÉT CHƯƠNG 1 ................................................................................................25

CHƯƠNG 2 . CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUY ĐỔI BÀI TOÁN CỐ KẾT THEO SƠ
ĐỒ PHẲNG .................................................................................................................. 26
2.1

Giới thiệu bài toán cố kết phẳng.......................................................................................26


2.2

Các điều kiện biên ban đầu [10] ..................................................................................... 30

2.3

Một số lời giải ứng với các điều kiện ban đầu và điều kiện biên ................................... 30

2.3.2

Xét trường hợp hệ số thấm theo phương đứng và phương ngang như nhau ................. 31

2.3.3

Xét trường hợp hệ số thấm không đồng nhất theo phương đứng và phương

ngang ........................................................................................................................................... 39
2.4

Phương pháp ước lượng độ lún theo thời gian theo mức độ cố kết ................................ 42

2.5

Một số công thức quy đổi bài toán xuyên tâm thành sơ đồ bài toán phẳng .................... 45

2.5.1 Shinsha (1982) - Chuyển đổi tính thấm ........................................................................... 46
2.5.2

Hừd (1992) - Hình học và tính thấm tương ứng .............................................................. 47

2.5.3

Bergado và Long (1994) - Khái niệm xả bằng .............................................................. 47

2.5.4

Chai (1995) - Sức cản giếng và tắt nghẽn...................................................................... 47

2.5.5

Kim và Lee (1997) - Phân tích nhân tố thời gian ............................................................ 48

2.5.6

Indraratna và Redana (1997) - Giải pháp tường thoát nước song song ........................... 48

2.6

NHẬN XÉT CHƯƠNG 2 ................................................................................................ 49

CHƯƠNG 3 . ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG BẤC
THẤM KẾT HỢP GIA TẢI TRƯỚC......................................................................... 49
3.1

Giới thiệu công trình thực tế xử lý nền bằng bấc thấm kết hợp gia tải trước ................. 49

3.1.1 Giới thiệu về công trình ................................................................................................... 49
3.1.2

Điều kiện địa chất công trình ......................................................................................... 50

3.1.3

Giải pháp thiết kế xử lý nền đất yếu .............................................................................. 54

3.1.4

Ket quả quan trắc độ lún theo thời gian và dự tính độ lún ổn định theo phương

pháp Asaoka [14] ......................................................................................................................... 55
3.2

ứng dụng tính toán công ttình thực tế xử lý bằng bấc thấm gia tải trước trên cơ sở bài toán

một chiều...................................................................................................................................... 62
3.2.1 Tính toán theo TCVN 9355-2012 [15] ............................................................................ 62
3.2.2
3.3

Tính toán theo đề nghị của GS. Hoàng Văn Tân [12] ..................................................... 72
Tính toán theo phương pháp Plaxis 2-D ......................................................................... 81


3.4

Tính toán theo phương pháp quy đổi bài toán cố kết xuyên tâm sang sơ đồ bài

toán phẳng ................................................................................................................................... 96
3.4.1 Đánh giá độ lún ổn định .................................................................................................. 96
3.4.2

Độ lún theo thời gian của nền đất theo sơ đồ bài toán phẳng ....................................... 102

Kết luận chương 3 ..................................................................................................................... 107

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................... 109
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 111

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Tương quan giữa u và Tv ............................................................................................... 6
Bảng 1.2: Tương quan giữa Tv và Ưv ........................................................................................... 18
Bảng 3.1: Khối lượng và vị trí các điểm thăm dò của công trình đường Tân Tập - Long
An ................................................................................................................................................. 50
Bảng 3.2:

Đặc trưng cơ lý trung bình của lớp 1 ....................................................................... 51

Bảng 3.3:

Đặc trưng cơ lý trung bình của lớp 2 ....................................................................... 52

Bảng 3.4:

Đặc trưng cơ lý trung bình của lớp 3 ....................................................................... 52

Bảng 3.5:

Đặc trưng cơ lý trung bình của lớp 4 ....................................................................... 53

Bảng 3.6:

Đặc trưng cơ lý trung bình của lớp 5 ....................................................................... 53

Bảng 3.7: Kết quả quan trắc độ lún theo thời gian công trình đường Tân Tập - Long
An ................................................................................................................................................. 55
Bảng 3.8: số liệu biểu đồ quan trắc độ lún theo các khoảng thời gian ....................................... 57
Bảng 3.9: Tổng hợp độ lún và mức độ cố kết theo phương pháp Asaoka ................................. 59

Bảng 3.10: Thông số đất đắp và đất nền ...................................................................................... 62
Bảng 3.11: Độ lún ổn định nền đất yếu công trình theo TCVN 9355-2012 ................................ 64
Bảng 3.12: Tương quan giữa Tv và Uy ........................................................................................ 65
Bảng 3.13: Độ cố kết theo phương đứng Uy ở thời điểm t theo TCVN 9355-2012 .................. 66
Bảng 3.14: Các thông số cơ bản của bấc thấm PVD.................................................................. 68
Bảng 3.15: Độ cố kết theo phương ngang Uh ở thời điểm t theo TCVN 9355-2012....68
Bảng 3.16: Kết quả dự tính độ cố kết và độ lún theo thời gian theo TCVN 9355-201269
Bảng 3.17: Các thông số đất đắp và đất nền sử dụng cho tính toán theo phương pháp
GS. Hoàng Văn Tân ..................................................................................................................... 72
Bảng 3.18: Độ lún cố kết cuối cùng theo phương pháp GS. Hoàng Văn Tân ............................. 74
Bảng 3.19: Hệ so cố kết trung bình theo phương đứng theo phương pháp GS.
Hoàng Văn Tân ............................................................................................................................ 76
Bảng 3.20: Hệ số cố kết trung bình theo phương ngang Aír theo phương pháp GS.


Hoàng Văn Tân ............................................................................................................................ 78
Bảng 3.21: Tổng hợp độ cố kết và độ lún theo phương pháp GS. Hoàng Văn Tân .................... 79
Bảng 3.22: Thông số bấc thấm PVD............................................................................................ 82
Bảng 3.23: Đặc trưng

vật liệu của cát đắp ............................................................................. 82

Bảng 3.24: Đặc trưng

vật liệu của lóp 1 ................................................................................ 82

Bảng 3.25: Đặc trưng

vật liệu của lóp 1 * quy đổi trong vùng có PVD.............................. 84

Bảng 3.26: Thông số

quá trình gia tải theo điều kiện thi công thực tế ................................... 85

Bảng 3.27: Kết quả dự tính độ lún và độ cố kết theo thời gian theo phương pháp phần
tử hữu hạn mô phỏng bang Plaxis 2-D......................................................................................... 94
Bảng 3.28: Thông số đất đắp và đất nền ...................................................................................... 96
Bảng 3.29: Thông số kỹ thuật khối đất đắp ................................................................................. 97
Bảng 3.30: Thành phần ứng suất tại điểm giữa lớp đất................................................................ 98
Bảng 3.31: Độ lún ổn định cuối cùng khi phân chia độ lún thành hai thành phần....................... 99
Bảng 3.32: Giá trị áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tại điểm giữa lớp đất theo thời gianl02
Bảng 3.33: Tổng hợp độ cố kết và tổng độ lún theo sơ đồ bài toán phẳng ................................ 104


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Bấc thấm (PVD)............................................................................................................. 3
Hình 1.2: Các dạng điều kiện biên áp lực nước lỗ rỗng thặng dư do tải trọng gây lún tạo ra trong
đất nền ............................................................................................................................................ 6
Hình 1.3: Các sơ đồ bài toán cố kết cơ bản thường gặp ................................................................ 7
Hình 1.4: Các sơ đồ bài toán cố kết phối hợp ................................................................................ 8
Hình 1.5: Mô hình thoát nước và các thông số cơ bản ............................................................... 9
Hình 1.6: Lát cắt phân tố chiều dày dz ........................................................................................ 12
Hình 1.7: Lát cắt phân tố dz có xét đến vùng xáo trộn và sự cản thấm ....................................... 14
Hình 1.8: Mô hình thoát nước trong bấc thấm với vùng xáo trộn và cản thấm (không gian và phẳng)
theo Buddhima Indraratna............................................................................................................ 15
Hình 1.9: Biểu đồ tra hệ số MỊ [12] ............................................................................................. 21
Hình 1.10: Biểu đồ tra hệ số Mr [12] ........................................................................................... 22
Hình 1.11: Biểu đồ quan hệ độ lún theo thời gian theo phương pháp Asaoka............................. 23
Hình 1.12: Biểu đồ xác định độ lún ổn định theo phương pháp Asaoka ..................................... 23
Hình 2.1: Sơ đồ tính toán sự liên tục các pha trong quá trình cố kết ........................................... 27

Hình 2.2: Sơ đồ bài toán cố kết phẳng ......................................................................................... 31
Hình 2.3: Sơ đồ các pha trong mẫu đất ........................................................................................ 43
Hình 2.4: Chuyển đổi của đơn vị phân tố đối xứng trục sang điều kiện biến dạng phẳng (chuyển
thể từ Hữd, 1992 và Indraratna và Redana, 1997) ....................................................................... 46
Hình 3.1: Mặt cắt gia tải công trình đường Tân Tập - Long An ................................................. 55
Hình 3.2: Biểu đồ quan hệ độ lún theo thời gian với quá trình gia tải công trình đường
Tân Tập - Long An ...................................................................................................................... 56
Hình 3.3: Biểu đồ quan hệ độ lún theo thời gian theo số liệu quan ttắc ..................................... 57
Hình 3.4: Biểu đồ quan hệ độ lún Sj và Sj-1 theo số liệu quan ttắc ............................................ 58
Hình 3.5: Biểu đồ quan hệ độ lún theo thời gian theo kết quả quan trắc ..................................... 61
Hình 3.6: Mặt cắt ngang đuờng thiết kế ....................................................................................... 62


Hình 3.7: Đuờng cong nén lún đặc trưng của lóp 1 .................................................................... 63
Hình 3.8: Đường cong nén lún e~logp của lớp 1 ........................................................................ 64
Hình 3.9: Biểu đồ quan hệ độ lún theo thời gian theo TCVN và kết quả quan trắc ................... 71
Hình 3.10: Đường cong nén lún đặc trưng của lớp 1 ................................................................... 73
Hình 3.11: Biểu đồ tra hệ số ĨQ12] .............................................................................................. 75
Hình 3.12: Biểu đồ tra hệ số < [12].............................................................................................. 77
Hình 3.13: Biểu đồ quan hệ độ lún theo thời gian theo đề nghị của GS.Hoàng Văn Tân và kết quả
quan trắc ....................................................................................................................................... 80
Hình 3.14: Mô hình tính toán mô phỏng trong Plaxis 2-D .......................................................... 81
Hình 3.15: Mô hình tính toán trong Plaxis 2-D ........................................................................... 85
Hình 3.16: Biểu đồ áp lực nước lỗ rỗng thặng dư ở thời điểm sau khi gia tải hoàn thiện 5,118m86
Hình 3.17: Chuyển vị đứng Uy ở thời điểm sau khi đắp hoàn thiện 5,118m............................... 87
Hình 3.18: Chuyển vị ngang Ưx ở thời điểm sau khi đắp hoàn thiện 5,118m ............................ 87
Hình 3.19: Tổng chuyển vị ở thời điểm sau khi đắp hoàn thiện 5,118m .................................... 88
Hình 3.20: Biểu đồ áp lực nước lỗ rỗng thặng dư khi cho cố kết 222 ngày kể từ khi đắp hoàn
thiện 5,118m ................................................................................................................................ 88
Hình 3.21: Chuyển vị đứng Uy khi cho cố kết 222 ngày kể từ khi đắp hoàn thiện

5,118m ........................................................................................................................................ 89
Hình 3.22: Chuyển vị ngang Ux khi cho cố kết 222 ngày kể từ khi đắp hoàn thiện
5,118m ........................................................................................................................................ 89
Hình 3.23: Tổng chuyển vị khi cho cố kết 222 ngày kể từ khi đắp hoàn thiện 5,118m90
Hình 3.24: Biểu đồ áp lực nước lỗ rỗng thặng dư khi cho cố kết 522 ngày kể từ khi đắp hoàn
thiện 5,118m90 Hình 3.25: Chuyển vị đứng Uy khi cho cố kết 522 ngày kể từ khi đắp hoàn thiện
5,118m ....................................................................................................................................... 91
Hình 3.26: Chuyển vị ngang ưx khi cho cố kết 522 ngày kể từ khi đắp hoàn thiện
5,118m ....................................................................................................................................... 91
Hình 3.27: Tổng chuyển vị khi cho cố kết 522 ngày kể từ khi đắp hoàn thiện 5,118m92


Hình 3.28: Độ lún ổn định dự kiến theo phương pháp mô phỏng Plaxis 2-D.............................. 92
Hình 3.29: Biểu đồ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tại điểm giữa lớp đất ....................... 93
Hình 3.30: Biểu đồ độ lún theo thời gian tại tâm diện gia tải theo mô hình Plaxis 2-D93
Hình 3.31: Biểu đồ độ lún theo thời gian theo phương pháp phần tử hữu hạn mô phỏng
bằng Plaxis 2-D và kết quả quan trắc .......................................................................................... 95
Hình 3.32: Sơ đồ quá trình gia tải trong bài toán phẳng .............................................................. 97
Hình 3.33: Sơ đồ phần tử đơn vị phẳng (unit cell) sử dụng để đánh giá mức độ cố kết theo lớp
phân tố........................................................................................................................................ 102
Hình 3.34: Biểu đồ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư ở điểm giữa lóp đất ......................... 104
Hình 3.35: Biểu đồ quan hệ độ lún theo thời gian theo sơ đồ bài toán phẳng và kết quả quan hắc
................................................................................................................................................... 106
Hình 3.36: Biểu đồ độ lún theo thời gian - Theo các phương pháp tính .................................... 108


-1-

MỞ ĐẦU
1. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Trong tính toán xử lý nền đất yếu bằng giải pháp thoát nước phương ngang kết hợp gia tải trước
thì độ lún và độ cố kết theo thời gian là vấn đề quan trọng được ưu tiên xét đến. Độ cố kết tổng thể
phụ thuộc vào độ cố kết theo phương đứng và hướng xuyên tâm. Bài toán cố kết xuyên tâm đối xứng
trục đã được đề cập nghiên cứu trong các bài viết của Rendulic, Carrillo, Barron, Hoàng Văn Tân,
Yoshikuni và Nakanode, Hansbo, Onoue, Zeng và Xie và một số tác giả khác.
Đối với phần mềm Địa kỹ thuật như Plaxis, Sage Crisp, Msettle, FoSSA thì bài toán cố kết chỉ
xét đến trong sơ đồ bài toán phẳng. Do đó, để phục vụ tính toán áp dụng, nhất thiết phải quy đổi từ sơ
đồ bài toán ba chiều thành sơ đồ bài toán phẳng. Trong thực tế cũng có nhiều bài viết nghiên cứu, tổng
kết về vấn đề này trên cơ sở kết hợp các dữ liệu quan trắc hay thí nghiệm thực tế.
Đề tài “Nghiên cứu độ lún cố kết của nền sét mềm bão hòa nước được xử lý bằng

bấc thấm gia tải trước theo sơ đồ bài toán phẳng” được đề cập nghiên cứu nhằm phân tích so
sánh mức độ cố kết theo thời gian của bài toán cố kết xuyên tâm và bài toán phẳng. Kết quả nghiên
cứu có thể bổ sung cơ sở tính toán cho giải pháp xử lý nền này.

2. Mục tiêu và nhiệm vụ
Nghiên cứu đánh giá độ lún theo thời gian của nền được xử lý bằng phương pháp thoát nước
phương ngang kết hợp gia tải trước bằng phương pháp giải tích.
Đánh giá độ lún theo thời gian bằng phương pháp quy đổi bài toán cố kết xuyên tâm sang sơ đồ
bài toán phang. Độ lún theo thời gian được đánh giá theo lời giải giải tích và mô phỏng bang Plaxis 2D.
Ket quả tính toán theo các phương pháp giải tích được so sánh với kết quả quan trắc thực tế.

3. Phương pháp nghiên cứu
Tính toán theo lời giải giải tích.
Lập trình tính toán bằng ngôn ngữ Mathcad.
So sánh các kết quả theo lời giải giải tích với kết quả quan trắc.

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG
BẤC THẤM / GIẾNG CÁT KẾT HỢP GIA TẢI TRƯỚC

-2-

1.1 SƠ LƯỢC PHƯƠNG PHÁP BẤC THẤM / GIẾNG CÁT KẾT HỢP GIA TẢI
TRƯỚC
Daniel D. Moran là người đầu tiên đề nghị sử dụng giếng cát vào năm 1925 và được thi công
thử nghiệm thử một vài năm sau đó tại California, Mỹ. Cát sử dụng trong giếng cát phải được lựa chọn
kỹ để có được hệ số thấm tốt nhất, do đó cát được vận chuyển từ các nguồn thích hợp bên ngoài công
trình. Ngoài ra, trong khi thi công giếng cát rất có khuyết điểm là giếng cát bị đứt đoạn không đảm bảo
được vai trò thoát nước do lỗi trong thi công hoặc do chuyển vị ngang của nền. Từ đó, người ta bắt
đầu nghĩ ra cách thay thế bằng vật liệu thuận lợi hơn để thi công.
Nửa sau thập niên 1930, Kjellman đã tiến hành thử nghiêm vật liệu thoát nước đứng, bấc thấm
(PVD) bằng giấy các tông. Tuy nhiên, vật liệu này bị phá hủy nhanh chóng khi thi công vào nền đất.
Năm 1971, Wager sử dụng PVD có lõi làm bằng chất dẻo (polyetylene) nhằm thay thế lõi bằng
giấy các tông, mở ra một thời kỳ mới đối với PVD khi một số lượng lớn đã được chế tạo ra. Việc thi
công cắm PVD cũng được cải thiện về tốc độ và chiều sâu cắm (Holtz, 1991). Ngày nay, dùng PVD
thoát nước được xem là phương pháp phổ biến và áp dụng rộng rãi dùng để xử lý nền đất yếu có bề
dày lớn.
Thông thường, PVD có bề rộng 100mm, dày 4mm. Lõi thấm là một loại chất dẻo, có nhiều rảnh
nhỏ để làm khe thoát nước hoặc để đỡ lớp vỏ bọc khi có áp lực ngang ép vào. Bao quanh lõi là lớp vải
địa kỹ thuật bằng nhựa tổng hợp hoặc được dệt từ sợi nhựa tổng hợp. Vỏ có tác dụng làm bộ lọc nước,
hạn chế các hạt đất di chuyển qua làm tắc nghẽn khe thoát nước. PVD hiện nay, lưu lượng thoát nước
có thể đạt tới 80m3 - 140m3/năm, cao hơn rất nhiều so với độ thấm của đất.


-3-

Hình 1.1: Bấc thẩm (PVD)
Bấc thấm đứng được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi ửong công tác xử lý đất yếu trên thế giới.
Tại Đông Nam Á, bấc thấm đứng được nghiên cứu bởi các tác giả Choa và cộng sự ị 1981), Lee và

cộng sự (1989), Woo và cộng sự (1988) tại Singapore; Nicholls (1981) tại Indonesia; Volders (1984),
Rahman và cộng sự (1990) tại Malaysia; Belloni và cộng sự (1979) tại Philippines. Đặc biệt tại
Bangkok Thái Lan bấc thấm đứng kết hợp gia tải trước được nghiên cứu rất chi tiết bởi Bergado và
cộng sự (1988, 1990a.b,1991 )[13].

1.2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN BÀI TOÁN CỐ KẾT THẤM

1.2.1 Các giả thuyết của bài toán cố kết
>

Đất nền đồng nhất và bão hòa nước, hạt đất và nước lỗ rỗng không bị nén.

>

Độ thay đổi thể tích AV của phân tố đất là bé so với ban đầu của đất.

>

Sự thấm trong đất tuân theo định luật Darcy.

>

Hệ số thấm là hằng số trong suốt quá trình cố kết.

>

Từ biến không xuất hiện trong quá trình lún.

>

Đất đẳng hướng thấm theo các trục X, y, z.

>

Gia tải Ao được đặt tức thời.

1.2.2 Bài toán cố kết cơ bản
Khảo sát 1 phân tố đất dxdydz tại điểm (x,y,z) trong khối đất. Vận tốc thấm V được phân tích
thành 3 thành phần vx, Vy, vz. Theo định luật bảo toàn khối lượng thì độ chênh lệch của lượng nước
vào và ra bằng độ thay đổi thể tích của phân tố đất.
ỔV
-L- =
dt õx dy õz

ôv Đv
+ ~T^-)dxdydz

(1.1)


-4de

ổv.x

.-ỡv^ , dVy

(1.2)

= (1 + e)(-77i + —2L + -7?-)

dt

dx dy

dz

Định luật thấm Darcy tong quát có dạng:
kx du
k du
V =—i —; V, =— -T-; V—
y
Yw õx ỵwdy z

k7 du
(1.3)

ỵw dz

Vi phân (1.3) thay vào (1.2) và biến đổi, phương trình có dạng:

Đặt Cv =

du _ (1 + e)

d2u.

õt

-QZ

~ avYw

(1.4)

k(Ị + e) - hệ số cố kết, thu nhận được phương trình vi phân cố kết thấm
a
vYw

ba chiều:
du d2u ' d2u ' d2u dt~Cvx&+C^d/+Cv^

Với

(1.5)

Ắựl + e) kx '
^vx

'

_
a/v,
vỉ w

„"

’

'-'l

vỉ w

Với hệ tọa độ trụ, phương trình (1.5) có dạng:
ổw fd2uv 1 du'
~ZT = Cvr
+ dt
\dr2 rdr)

d2u
dz2

(1.6)

Phương trình (1.6) có thể phân thành 2 thành phần:
du -, (d2u 1 du'
= Cvr ~

v

2

1

- thành phần thấm xuyền tâm

dt \ổr r dr J
— - CK —y
dt dz

- thành phân thâm thăng đứng

Nếu bài toán chỉ xem xét trong điều kiện thấm thẳng đứng thì phương trình thấm
một chiều có dạng:
du _ d2u ~dtvzdẽ
Phương trình (1.7) là phương trình vi phân cố kết thấm một chiều theo lý thuyết cố kết

(1.7)

của Terzaghi.
Dạng lời giải của của phương trình này còn tùy thuộc vào điều kiện ban đầu và điều kiện biên
thoát nước của lớp đất cố kết.


-5Điều kiện cố kết như sau:
>

Tải phân bố đều kín khắp gây ra gia tăng ứng suất không đổi theo chiều sâu.

>

Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư ban đầu tại mỗi điểm trong lớp đất bằng với gia tăng

ứng suất ngoài lên lớp đất.
Giải phương trình (1.7) thu được giá trị áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tại thời điểm t ở độ sâu
z:
= y 777- sin -yf- XFexp(-M 2T)
tr M H
Với

(1.8)

M=|(2m + 1)
Trong đó, H chiều dài đường thoát nước

Nhân tố thời gian

Độ cố kết ở thời điểm t của cả bề dày lớp đất là:
(1.9)
Lời giải phương trình (1.7) có thể được
biểu diễn dưới dạng chuỗi Furier:

Với: Tv=ịt
h
Casagrande (1938) và Taylor (1948) đưa ra lời giải gần đúng có dạng:
Khi u < 60% thì (-^-)2
4 100
Khi u > 60%

thì Tv = 1,781 - 0,933log(100 - Ĩ7)

Có 3 dạng biểu đồ điều kiện biên áp lực nước lỗ rỗng thặng dư thay đổi theo độ sâu như Hĩnh
1.2


-6TH1
z Ui /

TH2

z Ui z U’1 z

Hình 1.2: Dạng các điều kiện biên áp lực nước lỗ rỗng thặng dư
do tải trọng gây lún tạo ra trong đẩt nền

Trường họp 1
a - áp lực nước lỗ rỗng thặng dư ban đầu là hằng số theo chiều sâu, hai biên thoát nước: Ui =
U1 ở mọi độ sâu trong khu vực nén lún.
b - áp lực nước lỗ rỗng thặng dư giảm tuyến tính theo chiều sâu, hai biên thoát nước: Ui =
U1 + u’1 (H-z)/H.

Trường hợp 2
Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư có dạng nửa đường sin theo chiều sâu, thoát nước về phía trên,
bên dưới là lớp đất xem như không thấm: Ui = u2 sin(7iz)/4H.

Trường hợp 3
Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư có dạng đường sin theo chiều sâu, hai biên thoát nước (lên trên
và xuống dưới): Ui = u3 sin(7iz)/2H.
Mối tương quan của giá trị u và Tv có thể tra từ Bảng 1.1

Bảng 1.1: Tương quan giữa u và Tv
U(%)
0
5
10

TH1
0
0,0017
0,0077

Tv
TH2
0
0,0021
0,0114

TH3
0
0,0208
0,0427

Tv
0,004
0,008
0,012

TH1
7,35
10,38
12,48

TH2
6,49
8,52
10,49

U(%)
TH3
0,98

1,95
2,92


-7-

TH1

Tv
TH2

TH3

15
20
25
30
35
40

0,0177
0,0314
0,0491
0,0707
0,0962
0,1260

0,0238
0,0403
0,0608

0,0845
0,1120
0,1430

0,0659
0,0904
0,1170
0,1450
0,1750
0,2070

45
50
55
60
65

0,1590
0,1960
0,2380
0,2860
0,3420

0,1770
0,2150
0,2570
0,3040
0,3580

70

75
60
65
90
95
100

0,4030
0,4770
0,5670
0,6840
0,8480
1,1290
oc

0,4210
0,4940
0,5860
0,7000
0,8620
1,1630
oc

U(%)

TH1

U(%)
TH2

TH3

0,02
0,028
0,036
0,048
0,06
0,072

15,98
18,89
21,41
24,64
27,64
30,28

13,67
16,38
18,67
21,96
24,81
27,43

4,81
6,67
8,50
11,17
13,76
16,28

0,2420
0,2810
0,3240
0,3710
0,4250

0,083
0,1
0,125
0,15
0,175

32,33
35,62
39,80
43,70
47,18

29,67
32,88
36,54
41,12
44,73

18,52
21,87
26,54
30,93
35,07

0,4880
0,5620
0,6520
0,7690
0,9330
1,2140
oc

0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,5
0,6
0,7

50,41
56,22
61,32
65,82
69,73
76,40
81,56
85,59
88,74

48,09
54,17
59,50

64,21
68,36
76,28
80,69
84,91

38,95
46,03
52,30
57,83
62,73
70,88
77,25
82,22

88,21
90,79
92,80

86,11
89,15
91,52

Tv

0,8
0,9
1
2

91,19
93,13
99,42

Có thể sử dụng các sơ đồ thường gặp trong thục tế như sau:

Sơ đồ 0

Sơ đồ 2

Hình 1.3: Cảc sơ đồ bài toán cố két cơ bản thường gặp
4- Sơ đồ 0: theo chiều sâu, áp lực không thay đổi.
Sử dụng các điều kiện biên và điều kiện ban đầu ta tìm được công thức xác định độ lún theo
thời gian như sau:


-8-

+ Sơ đồ 1: theo độ sâu, áp lực tăng dần và phân bố hình tam giác.
Sơ đồ này tương ứng với ứng suất do trọng lượng bản thân của lớp đất. Lời giải có được như
sau:
(1.12)
+ Sơ đồ 2: theo độ sâu, áp lực giảm dần và phân bố hình tam giác.
Sơ dồ này trong thực tế ứng với trường hợp khi lớp đất cố kết dưới ảnh hưởng của tải trọng
ngoài tác dụng trên bề mặt đồng thời biểu đồ ứng suất do tải trọng này gây ra có dạng gần như 1 đường
thẳng. Lời giải cho sơ đồ này như sau:
5(0 =

aqh

2(l + e)

16 Ỷ 1
^.2 ,-2

r ,-2^-2

í2ì

1± —

< in)

exp

CVZ

4A

(1.13)

Ở đây: h - bề dày lớp đất chịu nén.
q - áp lực nén.
Đối với các trường hợp áp lực nén chặt phân bố theo dạng hình thang có thể đưa về 2 sơ đồ
phối hợp: 0 - 1 và 0 - 2.

Hình 1.4: Các sơ đồ bài toán cổ kết phối hợp

-9-

1.3

Cơ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN THẤM BA CHIỀU

1.3.1 Bài toán cố kết thấm ba chiều (đối xứng trục)
Bài toán gia tải trước có sử dụng bấc thấm thoát nước thẳm đứng là bài toán cố kết ba chiều
gồm thấm đứng và thấm xuyên tâm. Phương trình vi phân có dạng:
ôu _ (Õ2U 1 ôu' Ổ2W
ôt

\ổr2 r ôr y vz ôz2

(1.14)

Trong đó: t - thời gian sau khi áp tải
r - khoảng cách hướng tâm từ điểm đang xét đến tâm vật thoát nước, u - áp lực nước
lỗ rỗng thặng dư ở bán kính r và ở độ sâu z.
ch - hệ số cố kết ngang.
Nếu chỉ xét cố kết theo phương ngang, phương trình (1.14) có dạng:
ổw _ r Ổ2W 1 du '
~ẽt~ \ã7+7ã7y

Hình 1.5: Mô hình thoát nước và các thông số cơ bản
Phương trình (1.14) được Carillo giải năm 1942, cho độ cố kết tổng hợp như sau:
(1.16)
Trong đó:
Uy - độ cố kết theo phương đứng, theo Hansbo: Uv
ưh - độ cố kết theo phương xuyên tâm về phía bấc thấm (phương ngang) Barron

(1948) giải tìm Ưh với hai điều kiện biên (cho kết quả đáng tin
cậy):


>

10
ứng suất không đều nhưng biến dạng đứng đồng đều hoặc

>

Biến dạng đứng không đều nhưng ứng suất tương ứng đều

Và ông tìm được với điều kiện lý tưởng, đất nền xung quanh bấc thấm không bị xáo trộn và
không có sức cản thấm trong bấc thấm, thì độ cố kết xuyên tâm là:
tzh=l-exp(-^)

(1.17)
ụ

Trong đó:
Tv = v2 - nhân tố thời gian
2
- nhân tố 3n
thời-l gian
4n2
ỊJ
r
rít r
n = -f- - hệ sô khoảng cách thoát nước

d...

r

w

De = 2R - đường kính hình trụ, bằng khoảng cách giữa các bấc thấm
dw = 2rw - đường kính tương tương của bấc thấm (theo Rixner):
_(« + &)
2
a - bề rộng bấc thấm
b - bề dày bấc thấm
Hệ so cố kết theo phương ngang được tính theo công thức:
r

_Ạ(l+e)
vỉ w

Trong đó:

yw - dung trọng của nước.
av - hệ số nén lún.
kh - hệ số thấm ngang của đất.
e - hệ số rỗng của đất.


11
Khi xét đến ảnh hưởng của vùng đất bị xáo trộn quanh bấc thấm và sức cản thấm của bấc thấm
thì biểu thức áp lực nước lỗ rỗng được Barron phát triển từ bài toán biến dạng đều như sau:
u

,r
In—m
R

2

2

r -r kr,

„+

7

1

2R2 ks

(n2-B2y
(1-18)

lnB

I n2 J

Ở đây, nhân tố xáo trộn được tính như sau:
B2

B4

Và u = U;
m
I
.exp(Trong đó:

(n2-B2]
b

n

n3

'7|-

m = F(n,B,kh,ks) =

n2-B2

ỉnB

(1.19)

\n)

-87; ì m )

(1.20)

B = — - hệ số xét đến độ xáo trộn

r

w

rs - bán kính vùng xáo trộn
ks - hệ số thấm trong vùng xáo trộn
Và độ cố kết trung bình có xét đến sự xáo trộn xung quanh bấc thấm được tính theo công thức
sau:
„_.
_ (~8Th\
uh=l-exp^ )

(1.21)

1.3.2 Lời giải của Barron (1948)
Từ định luật Darcy: V = ki và qo = kiA
Trong đó: V - vận tốc thấm tương đối - chiều dài dòng thấm ttong một đơn vị thời gian, (m/s)
qo - lưu lượng thấm - lượng nước thoát ra trên một diện tích ttong một đơn vị thời
gian, (m3)
k - hệ số thấm, (m/ngày)
i - gradient thủy lực, (i = Ah/L = u/ywL)
A - diện tích bề mặt nước thấm qua phân tố đất đang xét, (m2)
A = 2ĩĩrdz

(1.22)