Nghiên cứu ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán biến dạng của đường đắp trên đất yếu có cắm hệ thống bấc thấm
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.04 MB, 110 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
LÊ THÀNH TRIẾT
ĐỀ TÀI :
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU
HẠN ĐỂ TÍNH TOÁN BIẾN DẠNG CỦA ĐƯỜNG ĐẮP
TRÊN ĐẤT YẾU CÓ CẮM HỆ THỐNG BẤC THẤM
CHUYÊN NGÀNH : CẦU, TUY NEN VÀ CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG
KHÁC TRÊN ĐƯỜNG ÔTÔ VÀ ĐƯỜNG SẮT
MÃ NGÀNH
:
2.15.10
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Tháng 12/ 2006
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
…………oOo…………
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
HỌ VÀ TÊN HỌC VIÊN: LÊ THÀNH TRIẾT
PHÁI : NAM
NĂM SINH: 23/03/1976
NƠI SINH: TIỀN GIANG
CHUYÊN NGÀNH: CẦU, TUYNEN VÀ CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG KHÁC TRÊN
ĐƯỜNG ÔTÔ VÀ ĐƯỜNG SẮT.
KHÓA : 13 (NĂM 2002 – 2004)
MÃ SỐ: 2.15.10
I.
TÊN ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN ĐỂ TÍNH TOÁN BIẾN
DẠNG CỦA ĐƯỜNG ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU CÓ CẮM HỆ THỐNG BẤC THẤM .
II.
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Nhiệm vụ:
Nghiên cứu ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán biến dạng của đường đắp trên
đất yếu có cắm hệ thống bấc thấm.
2. Nội dung:
PHẦN I: TỔNG QUAN.
Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về đánh giá biến dạng của đường đắp trên đất yếu có cắm hệ
thống bấc thấm và các đặc trưng cơ lý cơ bản của đất yếu
PHẦN II: NGHIÊN CỨU ĐI SÂU PHÁT TRIỂN.
Chương 2: Nghiên cứu giải pháp cấu tạo của đường trên đất yếu có cắm hệ thống bấc thấm
Chương 3: Nghiên cứu tính toán biến dạng của đường đắp trên đất yếu có cắm hệ thống bấc
thấm bằng phương pháp phần tử hữu hạn
Chương 4: p dụng tính toán cho một số công trình cụ thể.
PHẦN III: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.
Chương 5: Các nhận xét, kết luận và kiến nghị.
III. NGÀY GIAO NGHIỆM VỤ
:
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ
:
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
: TS. LÊ BÁ VINH
VI. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ PHẢN BIỆN 1
:
VII. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ PHẢN BIỆN 2
:
CBỘ HƯỚNG DẪN
CBỘ PHẢN BIỆN 1
CBỘ PHẢN BIỆN 2
Nội dung và đề cương luận án Thạc só đã được thông qua hội đồng chuyên ngành.
Ngày………tháng………năm 2006
PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC
CHỦ NHIỆM KHOA
CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. LÊ BÁ VINH
Cán bộ chấm nhận xét 1:
Cán bộ chấm nhận xét 2:
Luận văn thạc só được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm 2006
LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn này, tôi đã
được các thầy cô Bộ Môn Cầu Đường, Bộ Môn Địa Cơ Nền Móng, nhiệt tình
giảng dạy, hướng dẫn, bổ sung thêm cho tôi nhiều kiến thức chuyên sâu về
chuyên môn, giúp tôi mở rộng thêm về tầm nhìn, vững vàng hơn trong công tác
và nghiên cứu khoa học. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với tất cả quý
thầy cô.
Xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn chính TS. Lê Bá Vinh, đã tận tình
hướng dẫn, cung cấp những tài liệu cần thiết, và truyền đạt những kiến thức,
thông tin q báu cũng như gợi mở một số vấn đề cần làm sáng tỏ qua việc thực
hiện luận văn này.
Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đến các bạn bè đồng nghiệp, những người
thân yêu, đã giúp đỡ tạo điều kiện để tôi hoàn thành luận văn này.
TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN ÁN
TÊN ĐỀ TÀI :
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN
ĐỂ TÍNH TOÁN BIẾN DẠNG CỦA ĐƯỜNG ĐẮP
TRÊN ĐẤT YẾU CÓ CẮM HỆ THỐNG BẤC THẤM
Tóm tắt nội dung nghiên cứu :
Trong sự nghiệp xây dựng và phát triển kinh tế xã hội hiện nay đã đặt ra
cho người làm công tác khảo sát thiết kế cũng như thi công là việc chinh phục và
sử dụng các vùng đất mềm yếu để phát triển mạng lưới giao thông, xây dựng
các khu công nghiệp...
Chính vì vậy, vấn đề liên quan đến sự ổn định và biến dạng của nền đắp
cần được quan tâm trước tiên. Ta thường gặp các vấn đề liên quan đến lún cho
tất cả các nền đắp xây dựng trên đất yếu, do ứng suất nền đắp tác dụng lên đất
yếu đủ để gây ra biến dạng lớn. Cho nên trong xây dựng cầu đường cần phải chú
ý đến độ lún, vì đây là nguyên nhân làm cho nhiều công trình cầu đường bị hư
hỏng phải xử lý rất tốn kém hoặc nhiều khi không xử lý được.
Trên cơ sở tính toán và tổng kết các thành quả nghiên cứu về lý thuyết
cũng như thực nghiệm việc ứng dụng bấc thấm trong xử lý nền đất yếu dưới nền
đường, tác giả đưa ra các nhận định cũng như kiến nghị, đánh giá về mức độ cố
kết của nền đường khi có xét đến ảnh hưởng bấc thấm.
Nội dung chính của đề tài hướng đến việc sử dụng những chương trình
tính toán hiện có (PLAXIS) để mô phỏng quá trình làm việc thực tế của đường
đắp trên đất yếu có cắm hệ thống bấc thấm, từ đó rút ra những nhận xét và so
sánh về hệ số thấm.
SUMMARY OF THESIS
TITLE:
APPLIED RESEARCH BY THE FINITE ELEMENT METHOD TO
CALCULATE THE DEFORMATTION OF EMBANKMENT ON THE
SOFT CLAY IMPROVED WITH PREFABRICATED VERTICAL DRAIN
ABSTRACT:
In the socioeconomic development, the civil engineers nowadays pay
more attention to design and setting up the construction project on soft clay to
construct and develop the traffic network, industrialzone, etc. Research on that as
if the primary mission of them for their scientific researchs. For this reason, the
facts that related with the stability or deformation of embanked foundation must
take interest in them first and most.
We often had been getting problems with the sunk degree in all
embanked foundation project on soft clay because of the pressures of embanked
foundation effect on soft clay enough to make a big deformation. As a result, in
bridges and roads build project, we must be interested in sunk degree. This is the
main result of many bridges and roads build projects had been in danger or more.
We can not deal with some of them even if we pay much money.
According to my calculations and summarization base on the theory
and experiment, that applies prefabricated vertical drain to tackle the soft clay,
I want to show my opinion and petition of the consolidated foundation with
prefabricated vertical drain`s influence.
The content of thesis is based on PLAXIS to describle the process of
practical working of embanked foundation on soft clay with the prefabricated
vertical drain system. Hence comes remark and comparision with permeability
coefficient.
TÓM TẮT LÝ LỊCH KHOA HỌC
I.
TÓM TẮT :
Họ và tên: Lê Thành Triết
Phái: Nam
Sinh ngày: 23 – 03 -1976
Nơi sinh: Chợ Gạo – Tiền Giang
II. ĐỊA CHỈ LIÊN LẠC :
Nhà riêng: E3/3 ấp Long Thời, xã Long Thành Bắc, huyện Hòa Thành Tây Ninh
Điện thoại: 066. 844384. (0982747719)
Cơ quan: Công ty Cổ Phần Công Trình Giao Thông Tây Ninh
Địa chỉ : 155B – Đường 30-4 – Thị xã Tây Ninh – Tây Ninh.
Điện thoại: 066.825637
III.QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO :
Năm 1994 – 1999 : Sinh viên trường ĐHGTVT-cơ sở II, TPHCM.
Năm 2003- đến nay : Học viên Cao Học trường ĐHBK TPHCM.
IV.QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC :
Năm 1999- đến nay : Công tác tại Công ty Cổ Phần Công Trình Giao
Thông Tây Ninh.
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM
LUẬN VĂN THẠC SĨ
MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU ....................................................................................trang 4
PHẦN I: TỔNG QUAN
Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về đánh giá biến dạng của đường đắp trên
đất yếu có cắm hệ thống bấc thấm ....................................................trang 7
1. Nghiên cứu tổng quan về giải pháp gia cố nền đất yếu bằng hệ thống bấc
thấm.........................................................................................................trang 7
1.1 Giới thiệu về việc sử dụng hệ thống bấc thấm ở
các nước trên thế giới..............................................................................trang 7
1.2 Những kết quả nghiên cứu đã có về mặt lý thuyết .........................trang 10
2. Các đặc trưng cơ lý cơ bản của đất yếu .........................................trang 21
PHẦN II: NGHIÊN CỨU ĐI SÂU VÀ PHÁT TRIỂN
Chương 2: Nghiên cứu giải pháp cấu tạo của đường trên đất yếu có cắm hệ
thống bấc thấm ......................................................................................trang 34
1. Một số yêu cầu cần có đối với bấc thấm: ..........................................trang 34
1.1 Tiêu chuẩn đối với bộ lọc: ................................................................trang 34
1.2 Tiêu chuẩn về độ bền của bấc thấm: ...............................................trang 37
2. Nghiên cứu khoảng cách hợp lý giữa các bấc thấm
trong nền đất yếu.....................................................................................trang 37
HVTH: LÊ THÀNH TRIEÁT
Trang 1
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM
LUẬN VĂN THẠC SĨ
3. Cấu tạo hệ thống bấc thấm .................................................................trang 39
3.1 Một số giải pháp bố trí bấc thấm......................................................trang 39
3.2 Cấu tạo của tầng đệm cát thoát nước và chịu lực............................trang 39
Chương 3: Nghiên cứu tính toán biến dạng của đường đắp trên đất yếu có
cắm hệ thống bấc thấm bằng phương pháp PTHH ..........................trang 44
A. Tính toán biến dạng của đường đắp trên đất yếu có cắm hệ thống bấc
thấm ........................................................................................................trang 44
1. Khái niệm về biến dạng của đất ...................................................trang 44
2. Tính toán biến dạng của nền đất yếu dưới nền đường:..............trang 45
2.1 Tính toán độ lún do biến dạng nén chặt trong
giai đoạn cố kết thứ 1..............................................................................trang 45
2.2 Xác định độ lún ổn định toàn bộ
(trong giai đoạn cố kết thứ 1)..................................................................trang 46
2.3 Xác định độ lún theo thời gian
(trong giai đoạn cố kết thứ nhất) ............................................................trang 47
2.4 Xác định lực dính C, góc nội ma sát
của nền đất yếu theo thời gian ...............................................................trang 52
2.5 Tính toán độ lún do biến dạng từ biến
trong giai đoạn cố kết thứ 2 ....................................................................trang 53
2.6 Tính toán độ lún tức thời do biến dạng đàn hồi ...............................trang 54
B. Tính toán biến dạng của đường đắp trên đất yếu
có cắm hệ thống bấc thấm bằng phương pháp PTHH .....................trang 54
1. Thử dần theo phương pháp phân tích ngược .....................................trang 55
2. Tìm hệ số thấm vùng tương đương bằng cách qui đổi
tương đương về mức độ cố kết................................................................trang 57
HVTH: LÊ THÀNH TRIẾT
Trang 2
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM
LUẬN VĂN THẠC SĨ
C. p dụng phương pháp Asaoka để tìm hệ số Ch ...........................trang 58
1. Cơ sở lý thuyết của phương pháp Asaoka..........................................trang 58
Chương 4: p dụng tính toán cho một số công trình cụ thể ...........trang 61
1. Nghiên cứu xác định hệ số Ch theo phương pháp Asaoka cho các
công trình cụ thể ...................................................................................trang 59
1.1 Công trình QL-80 :.............................................................................trang 61
1.2 Công trình Cầu Bà Chiêm - Tp.HCM :.............................................trang 69
2. Sử dụng chương trình plaxis để tính toán biến dạng:.........................trang 84
A. Thử dần theo phương pháp phân tích ngược ................................trang 84
a) p dụng tính toán cho công trình : QUỐC LỘ 80 .............................trang 84
b) p dụng tính toán cho công trình : Cầu Bà Chiêm – Quận 8 ...........trang 89
B. Phương pháp qui đổi tương đương về mức độ cố kết: .................trang 94
a) Ứng dụng tính cho công trình Quốc lộ 80 ..........................................trang 94
b) Ứng dụng tính cho công trình Cầu Bà Chiêm....................................trang 96
PHẦN III: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Chương 5: Nhận xét, kết luận và kiến nghị .......................................trang 99
Tài liệu tham khảo
HVTH: LÊ THÀNH TRIEÁT
Trang 3
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM
LUẬN VĂN THẠC SĨ
PHẦN MỞ ĐẦU
1/. SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU.
Trước đây người ta thường xây dựng nền đắp đi qua các vùng địa chất tốt
để giảm bớt những vấn đề kỹ thuật phải xử lý và hạ giá thành xây dựng. Tuy
nhiên sự nghiệp xây dựng và phát triển kinh tế xã hội hiện nay đã đặt ra việc
chinh phục và sử dụng các vùng đất mềm yếu mà trước hết là việc xây dựng các
tuyến đê lấn biển, việc phát triển mạng lưới giao thông, cầu cống . . . trên nền
đất mềm yếu.
Cụ thể, đồng bằng sông Cửu Long là một vùng châu thổ rộng lớn, phì
nhiêu có tiềm năng kinh tế lớn, là vựa lúa của cả nước, là vùng trọng điểm của
sản xuất nông nghiệp. Tuy nhiên, hạ tầng cơ sở, hệ thống giao thông trong vùng
còn nhiều khó khăn do nhiều nguyên nhân mà trước hết là vấn đề ổn định và
biến dạng.
Những vấn đề liên quan đến sự ổn định của nền đắp cần được quan tâm
trước tiên. Do thiếu sót của công tác khảo sát thiết kế hoặc thi công mà nền
đường thường bị hư hỏng vì mất ổn định trong và sau khi xây dựng công trình. Ta
thường gặp các vấn đề liên quan đến lún cho tất cả các nền đắp xây dựng trên
đất yếu, do ứng suất nền đắp tác dụng lên đất yếu đủ để gây ra biến dạng lớn.
Cho nên trong xây dựng cầu đường cần được chú ý đến độ lún, vì đây là nguyên
nhân làm cho nhiều công trình cầu đường bị hư hỏng phải xử lý rất tốn kém hoặc
nhiều khi không xử lý được.
Chính vì vậy, việc nghiên cứu tính toán biến dạng của đường đắp trên đất
yếu có cắm hệ thống bấc thấm là vấn đề thời sự và cần thiết hiện nay.
HVTH: LÊ THÀNH TRIEÁT
Trang 4
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM
LUẬN VĂN THẠC SĨ
2/. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI.
Trên cơ sở tính toán và tổng kết các thành quả nghiên cứu về lý thuyết
cũng như thực nghiệm việc ứng dụng bấc thấm trong xử lý nền đất yếu dưới nền
đường, tác giả đưa ra các nhận định cũng như kiến nghị, đánh giá về mức độ cố
kết của nền đường khi có xét đến ảnh hưởng bấc thấm.
Sử dụng chương trình Plaxis hiện có để mô phỏng quá trình làm việc thực
tế của công trình, từ đó rút ra những nhận xét và so sánh về sự biến dạng của
công trình khi có xét đến tác dụng của hệ thống bấc thấm.
Trong luận án này tác giả sẽ mô phỏng khối đất có hệ thống bấc thấm là
một khối hỗn hợp để tính toán về biến dạng theo thời gian của nền đất, từ đó rút
ra những nhận xét và so sánh về sự biến dạng của công trình khi có xét đến tác
dụng của hệ thống bấc thấm
Khi đất yếu có cắm hệ thống bấc thấm thì hệ số thấm của khối hỗn hợp sẽ
lớn hơn bao nhiêu lần so với đất đã được nghiên cứu.
3/. PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI.
Nghiên cứu tính toán biến dạng của đường đắp trên đất yếu có cắm hệ
thống bấc thấm tập trung ở một số tỉnh thuộc ĐBSCL như: Long An, Tiền Giang,
Bến Tre, Vónh Long, Cần Thơ, Đồng Tháp, An Giang….
HVTH: LÊ THÀNH TRIẾT
Trang 5
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM
LUẬN VĂN THẠC SĨ
PHẦN I
TỔNG QUAN
HVTH: LÊ THÀNH TRIẾT
Trang 6
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM
LUẬN VĂN THẠC SĨ
CHƯƠNG 1
NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ ĐÁNH GIÁ BIẾN DẠNG CỦA
ĐƯỜNG ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU CÓ CẮM HỆ THỐNG BẤC THẤM
VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ LÝ CƠ BẢN CỦA ĐẤT YẾU
1. Nghiên cứu tổng quan về giải pháp gia cố nền đất yếu bằng hệ thống
bấc thấm.
1.1 Giới thiệu về việc sử dụng hệ thống bấc thấm ở các nước trên thế giới.
Sử dụng các thiết bị thoát nước thẳng đứng để gia tăng quá trình cố kết
của đất yếu được bắt đầu trong thập niên 20 bằng các giếng cát. Vào giữa những
năm 30 Walter Kjellman, sau đó Viện trưởng Viện địa kỹ thuật Thụy Điển đã
phát minh ra hệ thống thoát nước chế tạo sẵn đầu tiên trên thế giới. Sau năm
1939, hệ thống thoát nước thẳng đứng này được sử dụng rộng rãi ở các nước châu
Âu và Nhật Bản. Một vài năm sau Thụy Điển và nhiều nước khác lại trở lại sử
dụng giếng cát, do hệ thống thoát nước chế tạo sẳn có hệ số thấm và lưu lượng
thoát nước nhỏ. Cho tới năm 1950 hầu hết hệ thống thoát nước thẳng đứng là các
giếng cát. Với sự phát triển các chất dẻo và vải lọc, từ năm 1980 các hệ thống
thoát nước chế tạo sẵn (chủ yếu là bấc thấm) đã trở thành phổ biến do lắp đặt dễ
dàng, mềm dẻo, độ tin cậy cao và chi phí thấp.
Sau đây là một số công trình tiêu biểu có dùng bấc thấm:
Khối đắp thí nghiệm dùng thiết bị tiêu nước Mebra
Một khối đắp thí nghiệm, cao 4,0m thi công ở bên trong viện AIT trên khu
đất đã được cải tạo bằng thiết bị tiêu nước thẳng đứng chế tạo sẵn Mebra để
nghiên cứu hiệu quả của chúng tới đất sét yếu Băng Cốc. Thiết bị tiêu nước đặt
HVTH: LÊ THÀNH TRIẾT
Trang 7
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM
LUẬN VĂN THẠC SĨ
theo sơ đồ hình tam giác, cách nhau 1,5m tới độ sâu 8m. Trụ hình chữ nhật với
kích thước bên trong 28mm x 133mm, kích thước bên ngoài 45mm x 150mm đủ
chứa thiết bị tiêu nước thẳng đứng chế tạo sẵn Mebra kích thước 3mm x 95mm
Khối đắp thí nghiệm dùng thiết bị tiêu nước chế tạo sẵn Alidrain
Bergado (1991) đã đặt thiết bị tiêu nước thẳng đứng chế tạo sẵn Alidrain
cách nhau 1,2m theo sơ đồ hình vuông tới độ sâu 8m tại một vị trí thí nghiệm
trong Viện AIT
Lún do cố kết của nền đất yếu tạo ra nhiều sự cố cho nền móng công
trình. Để rút ngắn thời gian cố kết này người ta dùng thiết bị tiêu nước thẳng
đứng kết hợp nén trước bằng khối đắp tạm hay áp lực chân không. Thiết bị tiêu
nước thẳng đứng có nhiều loại với các đặc trưng vật lý khác nhau nhằm tạo ra
đường thoát nước nhân tạo cho đất.
Hệ thống tiêu nước bằng hệ thống bấc thấm:
Nền đắp
Đệm cát
Cọc bản nhựa
Hình 1.1: Tăng độ cố kết cho nền đất khi dùng cọc bản nhựa
Cọc bản nhựa được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1972 cho các hố móng
xây dựng cao ốc ở nhà máy năng lượng Hemweg (Amstecdam). Ngành địa chất
Hà Lan đã phát triển loại Mebradrain vào năm 1978, từ đó cùng với Mebradrain
hàng chục loại bấc thấm đã ra đời và được sử dụng rộng rải trên khắp thế giới.
HVTH: LÊ THÀNH TRIẾT
Trang 8
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Cho đến nay có rất nhiều nước trên thế giới đã sử dụng cọc bản nhựa để xử lý
nền đất yếu như: Thái Lan, Singapore… và ở Việt Nam.
Chính vì vấn đề hệ thống bấc thấm ngày càng được sử dụng rộng rải trên
khắp thế giới cho nên đã đặt ra cho các nhà nghiên cứu, quản lý, thiết kế ở Việt
Nam vấn đề: ứng dụng hệ thống bấc thấm để xử lý nền đất yếu.
Kết quả thí nghiệm hiện trường gia cố nền đất yếu bằng bấc thấm
(Km33+174.09 đến Km33+662.05) công trình cải tạo nâng cấp quốc lộ 1A (đoạn
Gành Hào-Đầm Cùng) cho thấy việc sử dụng bấc thấm để xử lý nền đất yếu ở
nước ta là cần thiết và nhiều vấn đề đặt ra cho các nhà khoa học Việt Nam là
làm thế nào để xác định các thông số của bấc thấm, các giải pháp tính toán thiết
kế của mỗi loại bấc thấm cho từng loại đất yếu cụ thể nhằm đảm bảo chất lượng
công trình và đạt hiệu quả kinh tế cao.
Mái dốc khối đắp không ổn định.
Mái dốc phía đào không ổn định.
Hình 1.2: Một số hình ảnh về sự mất ổn định của nền đắp trên đất yếu
1.2 Những kết quả nghiên cứu đã có về mặt lý thuyết
HVTH: LÊ THÀNH TRIẾT
Trang 9
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM
LUẬN VĂN THẠC SĨ
1.2.1 Lý thuyết tính toán bấc thấm:
a. Đường kính tương đương của cọc bản nhựa:
Với tiêu nước hướng tâm, lý thuyết cố kết coi đất được tiêu nước bởi thiết
bị tiêu nước thẳng đứng có mặt cắt ngang hình tròn. Đường kính tương đương của
thiết bị tiêu nước dạng dải (cọc bản nhựa) thì bằng đường kính của thiết bị tiêu
nước hình tròn có hiệu suất tiêu nước hướng tâm lý thuyết bằng thiết bị tiêu nước
dạng dải.
Theo Hansbo (1979):
dw =
2( a + b )
π
Ví dụ một cọc bản nhựa có kích thước: 100mm x 3mm
dw =
2(100 + 3)
≈ 65,6mm
3,14
Theo Kim Young Nam (Hàn Quốc: 1996)
dw =
α .2( a + b)
π
α = 0,6 ÷ 0,9
Thông thường α = 0,75 (hệ số an toàn sẽ là 1,3)
dw =
0,75.2(100 + 3)
= 49,2mm
3,14
Do lưu lượng dòng chảy trong cọc bản nhựa bị ảnh hưởng tiêu cực khi so
sánh với lưu lượng dòng chảy trong thiết bị hình tròn nên nhìn chung người ta
thường lấy dw = 50mm làm giá trị tính toán.
Bằng phương pháp phần tử hữu hạn, Rixner (1986) đã đưa ra cách tính dw
như sau và được Hansbo (1987) xác minh.
dw =
a + b 100 + 3
=
= 51,5mm
2
2
Kích thước tương đối của các đường kính tương đương này được so sánh
với mặt cắt ngang dạng dải của cọc bản nhựa (hình 1.3)
HVTH: LÊ THÀNH TRIEÁT
Trang 10
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Thiết bị tiêu nước hình tròn
tương đương với
dw = (a+b)/2
dw = 2(a+b)/π
b
a
Thiết bị tiêu nước thẳng đứng
bằng chất dẻo dạng dải
Hình 1.3: Đường kính tương đương của cọc bản nhựa
b. Vùng ảnh hưởng của cọc bản nhựa
Trong bài toán cố kết đối xứng trục mỗi vật thoát nước được xem như một
đơn vị cơ bản hình trụ có đường kính De = α.S
Trong đó:
S: khoảng cách thực tế giữa các cọc bản nhựa
α = 1,05 khi bố trí cọc bản nhựa theo lưới tam giác
α = 1,13 khi bố trí cọc bản nhựa theo lưới hình vuông
Thiết bị tiêu nước thẳng đứng
De
S
S
S
S
De = 1,13S
sơ đồ hình vuông
De = 1,05S
sơ đồ hình tam giác
Hình 1.4: nh hưởng giữa khoảng cách các thiết bị tiêu nước (S) với vùng ảnh hưởng De
c. Cố kết của đất nền:
HVTH: LÊ THÀNH TRIẾT
Trang 11
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Hansbo (1979) tiếp tục phát triển lời giải của Barron cho trường hợp thoát
nước ngang dùng cọc bản nhựa có xét đến các yếu tố ảnh hưởng thực tế khác
nhau như tổn thất thủy lực qua cọc bản nhựa, ảnh hưởng của thi công đến hệ số
thấm tự nhiên.
Độ cố kết trung bình ở độ sâu tuỳ ý được tính bằng phương trình sau:
⎛ − 8.Th ⎞
Uh(z, Th ) = 1 − exp⎜
⎟
⎝ F ⎠
Trong đó: F = F(n) + Fs + Fr
Fs: hệ số hiệu quả xáo động
Kinh nghiệm cho thấy rằng khoảng cách của thiết bị tiêu nước (cọc bản
nhựa) thường lớn hơn 1m, điều này có nghóa là:
2
2
2
⎛ dw ⎞
⎛ 50mm ⎞
⎛ 50 ⎞
−3
⎜
⎟ =⎜
⎟ <⎜
⎟ = 2,5.10
⎝ De ⎠
⎝ 105mm ⎠
⎝ 100 ⎠
Do đó đại lượng này sẽ không ảnh hưởng đến tính toán và F(n) được viết
lại như sau:
F (n ) = ln(n ) −
3
⎛ De ⎞
= ln⎜
⎟ − 0,75
4
⎝ dw ⎠
Fr: hệ số sức cản giếng
Fr = π . z (2l − z )
Kh
qw
z: chiều sâu của điểm tính toán đến biên thoát nước đứng gần nhất
l = β.ld
ld: chiều dài cọc bản nhựa
β = 0,5 hoặc 1,0 tùy thuộc vào nước thoát theo hai biên trên và dưới hay
chỉ thoát một hướng lên mặt nền
Kh: hệ số thấm theo phương ngang của đất không bị phá hoại
qw: khả năng thải nước của cọc bản nhựa
HVTH: LÊ THÀNH TRIẾT
Trang 12
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Tính thấm của đất (theo kinh nghiệm)
Loại đất
Kh / qw (m-2)
Kh (m/s)
Cát hạt thô
10-2 ÷ 10-3
1000 ÷ 100
Cát trung
10-3 ÷ 10-4
100 ÷ 10
Cát hạt mịn
10-4 ÷ 10-5
10 ÷ 1
Cát có phù sa
10-5 ÷ 10-6
1 ÷ 10-1
Than bùn
10-7 ÷ 10-9
10-2 ÷ 10-4
Sét
10-9 ÷ 10-11
10-4 ÷ 10-6
Bảng1.1: Hệ số thấm một số loại đất theo kinh nghiệm
Hệ số thấm của loại đất có thể nén được Kh nằm trong phạm vi từ 10-7 ÷
10-11 m/s. Ở đây giả định qw = 10-5 m3/s => khả năng thải nước của cọc bản nhựa
sẽ ảnh hưỡng đến tiến trình cố kết khi tỷ lệ Kh/qw > 10-4 m-2 => đối với cọc bản
nhựa điều này có nghóa là tiến trình cố kết sẽ bị ảnh hưởng khi các loại đất có hệ
số thấm > 10-9 m/s.
Để tính ảnh hưởng phá hoại đất, khi đặt thiết bị ta giả thiết đất phá hoại có
tính thấm giảm ở lân cận xung quanh cọc bản nhựa.
Hệ số hiệu quả xáo động tính theo công thức:
⎛K
⎞ ⎛ ds ⎞
Fs = ⎜⎜ h − 1⎟⎟. ln⎜
⎟
⎝ Ks
⎠ ⎝ dw ⎠
ds: đường kính của đất phá hoại xung quanh cọc bản nhựa
Ks: hệ số thấm theo phương ngang trong vùng phá hoại
Khi chỉ xem xét sức kháng giếng, Yoshikami đề nghị một phương trình để
tính độ cố kết trung bình vào năm 1979 nhö sau:
⎡
− 8.Th
⎤
U h (Th ) = 1 − exp ⎢
⎥
⎣ (F ( n ) + 0,8L )⎦
HVTH: LÊ THÀNH TRIEÁT
Trang 13
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM
32 ⎛ K ⎞ ⎛ H ⎞
L = 2 .⎜⎜ h ⎟⎟.⎜ ⎟
π ⎝ K s ⎠ ⎝ dw ⎠
LUẬN VĂN THẠC SĨ
2
(Hệ số kháng giếng = 8/3,14.R)
H: độ dày của lớp đất nén được
1.2.2 Lý thuyết tính toán biến dạng
a. Xác định độ lún ổn định toàn bộ (trong giai đoạn cố kết thứ
nhất)
-
Khái niệm về độ lún ổn định toàn bộ
Độ lún ổn định toàn bộ trong giai đoạn cố kết thứ 1 là một bộ phận của
quá trình lún của đất nền dưới tải trọng công trình. Xét theo hiện tượng cơ học
xảy ra trong đất, độ lún ổn định toàn bộ của đất nền được giới hạn bởi hai mốc
thời điểm đầu và thời điểm cuối của nó như sau: thời điểm đầu ứng với lúc bắt
đầu xuất hiện và biến đổi áp lực nước trong các lỗ rỗng của đất (theo lý thuyết
nén chặt căn cứ vào sự biến đổi áp lực nước trong các lỗ rỗng của đất) hoặc ứng
với lúc bắt đầu giảm độ ẩm – độ chặt của đất (theo lý thuyết cố kết căn cứ vào
sự biến đổi độ ẩm – độ chặt của đất được gọi tắt là lý thuyết về độ ẩm – độ chặt
của đất)
-
Xác định độ lún ổn định toàn bộ xuất phất từ bài toán nén ép một chiều
(phương pháp tổng các lớp phân tố)
Xác định các ứng suất nén thẳng đứng do tải trọng bản thân của đất và tải
trọng ngoài gây ra trên trục đối xứng của tải trọng (trục có ứng suất nén lớn nhất)
chia bề dày vùng hoạt động đã được xác định ra nhiều lớp phân tố sao cho trong
mỗi lớp có các chỉ tiêu cơ lý giống nhau và ứng suất σz do tải trọng ngoài gây ra
ít thay đổi theo chiều sâu và được thay bằng trị trung bình. Từ đó điều kiện nén
chặt của mỗi lớp phân tố tương tự như trường hợp bài toán nén ép một chiều của
một lớp đất có chiều dày hữu hạn dưới tác dụng của tải trọng phân bố đều kín
HVTH: LÊ THÀNH TRIẾT
Trang 14
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM
LUẬN VĂN THẠC SĨ
khắp. Căn cứ vào kết quả của bài toán nén ép một chiều, độ lún ổn định toàn bộ
(Sôđ) của mổi lớp phân tố đất (h) được xác định theo công thức:
Sod =
e1 − e2
h
1 + e1
hay
Sod =
m0
σ z .h
1 + e1
hoaëc
S od = h
hoaëc
S od =
⎛ σ + Δσ
Cc
lg⎜⎜ v 0
1 + e0 ⎝ σ v 0
β
E0
⎞
⎟⎟
⎠
σ z .h
Trong đó:
e1 – hệ số rỗng ứng với áp lực trung bình (σ1) do trọng lượng bản
thân của đất nền thiên nhiên gây ra
e2 – hệ số rỗng ứng với áp lực trung bình (σ2) do tải trọng đất nền
thiên nhiên và tải trọng từ nền đường gây ra
m0 – hệ số nén chặt được xác định bởi biểu thức
m0 = (e1 – e2)/( (σ1 – σ2)
σz – ứng suất nén thẳng đứng do tải trọng nền đường gây ra
σv0- áp lực nén ban đầu của đất.
-
Xác định độ lún ổn định toàn bộ theo môđun lún có tính đến 2 thành
phần ứng suất nén và nở hông hạn chế (phương pháp tổng các lớp phân tố)
B
a
H
b
aα1
b
α2
a
R2
R1
Z=H/2
Z
Hình 1.5: Sơ đồ để xác định các ứng suất nén σz và σx
HVTH: LÊ THÀNH TRIẾT
Trang 15
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Môđun lún (ε) là độ lún của 1m chiều dày đất nền dưới tác dụng của tải
trọng σ, hay còn gọi là biến dạng tương đối. Trong điều kiện bài toán phẳng của
nền đất dưới nền đường, theo giáo sư Maslov môđun lún có thể xác định bởi
biểu thức:
ε z'' = M (1 − υ 2 )[ε σ −
z
υ
1−υ
εσ ]
x
trong đó: εσz và εσx – các môđun lún theo các trục z và x dưới tác dụng trực
tiếp của các ứng suất pháp tương ứng σz và σx
υ- hệ số poisson
M- hệ số xét sự chuyển tiếp từ không nở hông sang nở hông hạn chế, được
xác định bởi biểu thức:
M =
1 −υ
1 − υ − 2υ 2
Trị môdun lún εσz và εσx ứng với σz và σx được xác định trực tiếp theo
đường cong nén ép [ε = f(σ)]
εσ
ε’’z
εσ
σx
σ*tt
σz
áp lực
σ
Hình 1.6: Sơ đồ đường cong nén ép theo môđun lún và cách xác định εσz, εσx và q*tt
b. Xác định độ lún theo thời gian (trong giai đoạn cố kết thứ nhất)
Việc xác định độ lún theo thời gian đối với công trình qua vùng đất yếu
nhằm 2 mục đích chính:
1) Xác định thời gian tiến hành xây dựng mặt đường. Bởi vì mặt đường
HVTH: LÊ THÀNH TRIẾT
Trang 16
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM
LUẬN VĂN THẠC SĨ
chỉ được bắt đầu xây dựng khi nền đường đạt được 0,8 – 0,9 độ lún ổn định toàn
bộ (trong giai đoạn cố kết thứ 1).
2) Khi thực hiện phương pháp đắp nền đường theo một số lớp, có thể xác
định thời gian, mức độ lún và cố kết của đất nền theo các giai đoạn đắp nền
đường.
•
Xác định độ lún theo thời gian theo lý thuyết cố kết cổ điển của
Terzaghi – Gerxevanov
Độ lún theo thời gian của một lớp đất nền có chiều dày 2h thoát nước hai
chiều dưới tác dụng tải trọng σ = q theo điều kiện bài toán nén ép một chiều
được xác định theo biểu thức:
2h
2h
∫ udz
0
2h.σ
S t = ∫ mv (σ − u )dz = Sod (1 −
0
) = Sod .U 0
trong đó: mv- hệ số nén qui đổi: mv=m0/(1+e0);
u- áp lực nước trong các lỗ rổng ở thời điểm t;
z- độ sâu tính toán;
U0- mức độ cố kết của đất cho trường hợp σ=const theo chiều sâu
Sôđ- độ lún ổn định toàn bộ
σ- áp lực toàn phần.
Từ lời giải của lý thuyết cố kết Terzaghi – Gerxevanov nêu trên có thể
xác định liên quan giữa thời gian cố kết T1 và T2 của hai lớp đất cùng loại có
chiều dày H1 và H2 khi đạt tới cùng mức độ cố kết U như nhau dưới tác dụng áp
lực nén chặt giống nhau q theo biểu thức:
T1
H
= ( 1 )2
T2
H2
•
Xác định mức độ cố kết của nền đất yếu khi có xây dựng giếng cát
thoát nước
HVTH: LÊ THÀNH TRIẾT
Trang 17
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Hiện tượng cố kết của đất nền khi có xây dựng giếng cát hoặc các kết cấu
thoát nước tương tự (rãnh cát, băng nhựa, băng các tông… ) có thể xảy ra do ảnh
hưởng đồng thời của cố kết theo chiều đứng và cố kết theo chiều ngang. Năm
1942 N.Karillo đã chứng minh định đề sau đây: hàm số áp lực nước lỗ rỗng uz(M)
∂u z
∂ 2u z
= Cv
là lời giải của phương trình Terzaghi – Gerxevanov:
còn ur(M) là
∂t
∂z 2
lời giải phương trình cố kết chỉ theo phương ngang của L. Rendulic:
⎛ 1 ∂u r ∂ 2 u r
∂u r
= c r ⎜⎜ . 2 +
∂t
∂r 2
⎝ r ∂r
thì hàm số
⎞
⎟⎟
⎠
∂ vr u z ( M ) u r ( M )
.
=
u0
u0
u0
là lời giải của phương trình cố kết theo 3 chiều:
∂u vr
∂ 2u
∂ 2u z
1 ∂u
= cvr ( 2r + . r +
)
r ∂r
∂t
∂r
∂z 2
u0 – áp lực nước lỗ rỗng ban đầu
Cr – hệ số cố kết khi chỉ có ép thoát nước theo phương ngang
c. Tính toán độ lún do biến dạng từ biến trong giai đoạn cố kết
thứ 2
Trong giai đoạn cố kết thứ 2 độ lún theo thời gian xảy ra chủ yếu là do
biến dạng từ biến của đất. Trên cơ sở các kết quả đã nghiên cứu có thể xác định
độ lún theo thời gian do biến dạng từ biến gây ra trong giai đoạn cố kết thứ 2
theo biểu thức:
Sη (Tη ) =
H tbTη
∫ ∫ η − (η
0 0
c
c
σz
dTη dZ
− η d )e − μTη
Trong đó:
Tη – thời gian biến dạng lưu biến
Htb – chiều dày vùng hoạt động do từ biến
HVTH: LÊ THÀNH TRIẾT
Trang 18
