Nghiên cứu tính toán ổn định của đường đắp theo các giai đoạn trên đất yếu có cắm hệ thống giếng cát

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN THÀNH QUAN
ĐỀ TÀI :
NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CỦA ĐƯỜNG ĐẮP
THEO CÁC GIAI ĐOẠN TRÊN ĐẤT YẾU
CÓ CẮM HỆ THỐNG GIẾNG CÁT

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 4/ 2005


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 2005


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 án này.
Xin cảm ơn đến Thạc só, nghiên cứu sinh Nguyễn Ngọc Phúc – Trường
Cao Đẳng Xây Dựng 2, người đã có những thảo luận, góp ý cho đề tài.
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 TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CỦA ĐƯỜNG ĐẮP
THEO CÁC GIAI ĐOẠN TRÊN ĐẤT YẾU
CÓ CẮM HỆ THỐNG GIẾNG CÁT
Tóm tắt nội dung nghiên cứu :
Hiện nay, các dự án phát triển hạ tầng cơ sở và xây dựng các khu công

nghiệp và đô thị mới, phần lớn đều phải đối mặt với vấn đề quan trọng là hoạt
động của “Đất đắp trên nền đất yếu”.
Nhiệm vụ hàng đầu của việc thiết kế và xây dựng đường trên đất yếu là
bảo đảm ổn định tổng thể cho nền đất yếu, tức là không để xảy ra phá hoại theo
dạng trượt trồi hay phình trồi trong thời gian xây dựng cũng như trong thời gian
khai thác. Đây chính là một thách thức lớn cho người kỹ sư trong việc tính toán
nền móng công trình xây dựng trên nền đất yếu.
Nghiên cứu ổn định của đường đắp theo các giai đoạn trên nền đất yếu,
chính là nghiên cứu bản chất trạng thái hoạt động của chúng, đánh giá độ ổn
định trong từng giai đoạn đắp, từ đó đề ra các giải pháp xử lý, giới hạn chiều cao
đắp hợp lý, nhằm đảm bảo công trình đất đắp được ổn định và an toàn, đạt yêu
cầu kinh tế kỹ thuật cho thiết kế, thi công và khai thác sử dụng, cũng như hoàn
thành công trình trong thời gian hợp lý nhất.
Nội dung của đề tài hướng đến việc sử dụng những chương trình tính toán
hiện có (PLAXIS, SLOPEW) để mô phỏng quá trình làm việc thực tế của đường
đắp nhiều giai đoạn trên đất yếu có cắm hệ thống giếng cát , từ đó rút ra những
nhận xét và so sánh về sự ổn định của công trình khi có xét đến tác dụng của bản
thân các giếng cát.


SUMMARY OF THESIS
TITLE : STUDY ON THE STABILITY OF
MULTI-STAGE EMBANKMENT IN CONSTRUCTED ON THE SOFT
GROUND IMPROVED WITH SAND DRAINS
ABSTRACT :
At present, most of the projects of developing sub-structure and building
new industrial zones and town have to face a important problem is the action of
“embanked ground on soft ground foundation”.
Primary mission in design and setting up roads on soft ground is guaranty
of overall steadiness for soft ground foundation, which means that destruction is

not allowed to happen by the form of rising-sliding or swelling-sliding during the
process of contruction as well as the process of exploitation. This is a great
challenge for the engineer to caculate the foundation of building on soft ground.
Research about steadiness of multi-stage embankment in case of soft
ground means that research of its essence and state and evaluating the
steadiness level in each embankment stage. Hence comes treating solutions,
limitation of reasonable embankment height in order to guarantee the steadiness
and safety of embanked ground work and to meet the demands of technological
economy in design, construction, exploitation and usage as well as finishing the
work by reasonable time.
The content of thesis leads to the usage of present caculating program
(PLAXIS, SLOPEW) to describe the process of pratical working of multi-stage
embankment in case of soft ground set up by sand drain system. Hence comes
remarks and comparisons about the steadiness of work when adding the effects
of sand drains themselves.


TÓM TẮT LÝ LỊCH KHOA HỌC

I.

TÓM TẮT :
Họ và tên: Nguyễn Thành Quan
Phái: Nam
Sinh ngày: 13 – 11 -1976
Nơi sinh: Tây Ninh

II. ĐỊA CHỈ LIÊN LẠC :
Nhà riêng: 2/56 Khu Phố Hiệp Lễ –P. Hiệp Ninh – Thị xã Tây Ninh-TN
Điện thoại: 066. 825407

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: 066.822174
III.QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO :
Năm 1994 – 1999 : Sinh viên trường ĐHBK 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

LỜI MỞ ĐẦU ..............................................................................trang 4
PHẦN I : TỔNG QUAN
Chương 1 : Tổng quan về tính toán ổn định của đường đắp trên đất yếu có
cắm hệ thống giếng cát .............................................................trang 7
1.1 Tổng quan về các kết quả nghiên cứu ứng dụng ở trong và ngoài nước về xử
lý nền đất yếu với hệ thống giếng cát ........................................ trang 7
1.2 Một số sự cố của các công trình xây dựng đường trên đất yếu được xử lý bằng
hệ thống thoát nước thẳng đứng ................................................. trang 15
1.3 Những tồn tại về tính toán ổn định của đường trên đất yếu có cắm giếng cát
PHẦN II : NGHIÊN CỨU ĐI SÂU VÀ PHÁT TRIỂN
Chương 2 : Đặc điểm và điều kiện đất yếu ở Việt Nam..........trang 22
Chương 3 : Nghiên cứu ứng dụng giếng cát trong xử lý nền đất yếu dưới nền
đường đắp theo các giai đoạn ................................................... trang 36

3.1 Cấu tạo của giải pháp ........................................................... trang 36
3.2 Tính toán độ cố kết của nền đất yếu dưới tác dụng
của tải trọng đắp ........................................................................ trang 40
3.2.1 Trường hợp chiều sâu đặt giếng cát đến đáy của vùng nén lún……trang 40
3.2.2 Trường hợp chiều sâu đặt giếng cát không đến đáy
của vùng nén lún ........................................................................ trang 41
3.3 Tính toán hệ số cố kết ngang Ch của nền đất yếu dưới nền đường đắp theo
phương pháp của Asaoka............................................................ trang 43

HVTH: NGUYỄN THÀNH QUAN

Trang 1


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM

LUẬN VĂN THẠC SĨ

3.3.1 Cơ sở lý thuyết của phương pháp ....................................... trang 44
3.3.2 Thiết lập chương trình Matlab để tự động hóa tính toán và vẽ biểu đồ trong
phương pháp Asaoka .................................................................. trang 46
3.4 Sự tăng ổn định của nền đất yếu dưới nền đường đắp theo các giai đoạn sau
khi được xử lý với hệ thống giếng cát......................................... trang 48
3.4.1 Xác định cường độ chống cắt sử dụng trong đợt đắp đầu tiên……trang 49
3.4.2 Xác định sự tăng lên của cường độ chống cắt trong các giai đoạn đắp tiếp
theo ............................................................................................. trang 51
3.4.3 Xác định sức chống cắt khi xét gộp chung cả ảnh hưởng của yếu tố ma sát
và ảnh hưởng của yếu tố dính không tách nhau ......................... trang 52
Chương 4 : Tính toán ổn định của đường đắp theo các giai đoạn trên đất yếu
có cắm hệ thống giếng cát..........................................................trang 54

4.1 Khái niệm về ổn định ........................................................... trang 54
4.2 Tính toán ổn định nền đường ................................................ trang 55
4.2.1 Tính toán ổn định nền đường đắp trên nền đất yếu theo các toán đồ ổn định
hay theo sức chịu tải ................................................................... trang 56
4.2.2Các phương pháp kiểm tra ổn định của nền đường đắp trên đất yếu. trang 60
4.3 Ứng dụng phương pháp PTHH để tính toán và phân tích ổn định của đường
đắp theo các giai đoạn trên đất yếu có cắm hệ thống giếng cát……… trang 65
4.3.1 Tính toán kiểm tra ổn định bằng FEM – chương trình PLAXIS……trang 65
4.3.2 Tính toán kiểm tra ổn định mái dốc bằng chương trình Slope/w…trang 80
Chương 5 : Ứng dụng kết quả nghiên cứu để tính toán cho một công trình cụ
thể. ................................................................................................trang 83
5.1 p dụng phương pháp Asaoka để xác định hệ số Ch ............ trang 83

HVTH: NGUYỄN THÀNH QUAN

Trang 2


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM

LUẬN VĂN THẠC SĨ

5.1.1 p dụng phương pháp Asaoka để tìm hệ số Ch cho đất yếu ở công trình Cầu
Ba Tơ – Quận 8 – Tp.HCM........................................................ trang 83
5.1.2 p dụng phương pháp Asaoka để tìm hệ số Ch cho đất yếu ở công trình
Tuyến tránh Vónh Điện – Quãng Ngãi (Vinh Dien Bypass) ...... ……trang 95
5.2 Sử dụng chương trình Slopew để tính toán kiểm tra ổn định………trang 108
5.3 Sử dụng chương trình Plaxis để tính toán kiểm tra ổn định………trang 165
PHẦN III : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Chương 6 : Nhận xét, kết luận và kiến nghị .............................. trang 197

Tài liệu tham khảo ................................................ trang 201

HVTH: NGUYỄN THÀNH QUAN

Trang 3


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM

LUẬN VĂN THẠC SĨ

LỜI MỞ ĐẦU

I/ ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU:
Ở Việt Nam, hai vùng kinh tế trọng điểm phía Bắc và phía Nam đều nằm
trên vùng bồi tích châu thổ sông Hồng và sông Cửu Long, do vậy mọi công trình
xây dựng ở đây đều liên quan ít hoặc nhiều đến xử lý nền đất yếu.
Nhiệm vụ hàng đầu của việc thiết kế và xây dựng đường trên đất yếu là
bảo đảm ổn định tổng thể cho nền đất yếu, tức là không để xảy ra phá hoại theo
dạng trượt trồi hay phình trồi trong thời gian xây dựng cũng như trong thời gian
khai thác. Đây chính là một thách thức lớn cho người kỹ sư trong việc tính toán
nền móng công trình xây dựng trên nền đất yếu.
Trong số những phương pháp cải tạo đất như cọc đất-ximăng, cọc đất-vôi,
sử dụng hệ thống thoát nước thẳng đứng như sử dụng giếng cát gia tải trước, sử
dụng hệ thống thoát nước chế tạo sẳn (Prefabricated Vertical Drain – PVD hoặc
bấc thấm, có nơi gọi là cọc bản nhựa )… thì trong thời gian khoảng 10 năm gần
đây phương pháp sử dụng giếng cát kết hợp với việc gia tải bằng đất đắp nền
đường theo các giai đoạn đã ngày càng chứng tỏ được tính hiệu quả của chúng.
Tuy nhiên, việc thiết kế cũng như thi công thực tế không được kiểm tra
chặt chẽ, đã dẫn đến việc làm hạn chế tác dụng của các phương pháp xử lý nền

và do đó đất nền không được cố kết như dự đoán, dẫn đến nền đất đắp có khả
năng mất ổn định.
Chính vì vậy, việc nghiên cứu tính toán ổn định của đường đắp theo các
giai đoạn trên đất yếu có cắm hệ thống giếng cát là vấn đề thời sự và cần thiết
hiện nay.

HVTH: NGUYỄN THÀNH QUAN

Trang 4


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM

LUẬN VĂN THẠC SĨ

II/ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA 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 giếng cát trong xử lý nền đất yếu dưới nền
đường, tác giả đưa ra các nhận định cũng như kiến nghị, đánh giá về độ cố kết
của nền đường khi có xét đến ảnh hưởng của giếng cát.
Sử dụng những chương trình tính toán 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 ổn định
của công trình khi có xét đến tác dụng của bản thân các giếng cát.
Qua nghiên cứu, tính toán tác giả cũng đề xuất các giá trị về hệ số cố kết
ngang thực tế Ch , sự tăng sức chống cắt, cũng như tăng tính ổn định của đất nền
sau xử lý ở điều kiện Việt Nam.
III/ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI :
Qua việc tổng kết và đánh giá các công thức tính toán về mặt lý thuyết,
kết hợp với thực tế, tác giả kiến nghị chiều sâu đặt giếng cát trong xử lý đất yếu,
trong trường hợp giếng cát không đặt đến đáy của vùng nén lún.

p dụng phương pháp Asaoka để tính toán hệ số cố kết ngang Ch , từ việc
quan trắc lún thực tế ngoài hiện trường đối với một số khu vực xử lý.
Sử dụng phần mềm PLAXIS để mô phỏng quá trình làm việc thực tế của
đường đắp nhiều giai đoạn, từ đó cho thấy quá trình thay đổi áp lực nước lỗ rỗng
trong mỗi giai đoạn đắp như thế nào, cũng như độ tăng cố kết và ổn định trong
đất nền sau mỗi giai đoạn đắp có xét đến tác dụng của giếng cát.
Sử dụng phần mềm GEOSLOPE để mô phỏng quá trình làm việc thực tế
của đường đắp nhiều giai đoạn, từ đó đưa ra kết luận về việc tăng độ ổn định mái
dốc của nền đắp sau mỗi giai đoạn, khi có xét đến sự ảnh hưởng của bản thân
giếng cát trong xử lý.

HVTH: NGUYỄN THÀNH QUAN

Trang 5


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM

LUẬN VĂN THẠC SĨ

PHẦN I

TỔNG QUAN

HVTH: NGUYỄN THÀNH QUAN

Trang 6


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH
CỦA ĐƯỜNG ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU CÓ CẮM
HỆ THỐNG GIẾNG CÁT.

1.1 Tổng quan về các kết quả nghiên cứu ứng dụng ở trong và ngoài nước về
xử lý nền đất yếu bằng hệ thống giếng cát:
1.1.1 Những kết quả nghiên cứu đã có về mặt lý thuyết tính toán giếng cát :
Khi nghiên cứu quá trình cố kết của nền đất có dùng giếng cát, một số tác
giả như L.Rendulic, R.A.Barron,… thường dùng một số giả thiết cơ bản sau đây:
-

Dưới tác dụng của tải trọng, đất nền chỉ biến dạng theo phương thẳng
đứng.

-

Vùng ảnh hưởng của mỗi giếng cát là một hình trụ tròn có đường kính
bằng khoảng cách giữa các trục của giếng cát.

-

Tốc độ nước thấm trong đất được xác định theo định luật Darcy. Đối
với đất yếu có tính nén lớn, độ dốc thủy lực xem như gần bằng không
(uo#0).

-

Bỏ qua sự khác nhau về tính nén của môi trường đất và vật liệu trong
giếng, xem nền đất là hoàn toàn đồng nhất để đơn giản việc tính toán.

-

Điều kiện biên để giải các bài toán cố kết như sau:
Khi t = 0

thì u (z,r,o) = q

(1-1)

Khi z = 0 ; t ≠ 0

thì u (o,r,t) = 0

(1-2)

Khi z = h ; t ≠ 0

thì

δu
=0
δz

(1-3)

Khi r = ro ; t ≠ 0

thì u (z,ro,t) = 0

HVTH: NGUYỄN THÀNH QUAN

(1-4)

Trang 7


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Khi r = R ; t ≠ 0

thì

δu
=0
δr

(1-5)

trong đó : q = tải trọng phân bố đều của công trình
h = chiều dày lớp đất trong đó có giếng cát
u = áp lực nước lỗ rỗng của đất nền
t = thời điểm đang xét.
Dựa vào sự phân tích của N.Carrillo, trị số áp lực nước trong lỗ rỗng u
(z,r,t) có thể xác định như sau:
u ( z, r , t ) =

trong đó:

u ( z , t )u (r , t )
u ( z , r , o)

(1-6)

u (z,t) : áp lực nước trong lỗ rỗng theo hướng thẳng đứng.
u (r,t) : áp lực nước trong lỗ rỗng theo hướng xuyên tâm.

* Hệ số cố kết ngang:
Theo Bergado, hệ số cố kết hướng tâm có thể đánh giá bằng giá trị Cv tính
theo quan hệ gần đúng sau:
⎛k
C h = ⎜⎜ h
⎝ kv

⎞
⎟⎟.C v
⎠

Ở đây: Cv : hệ số cố kết thẳng đứng
Đối với đất sét yếu Băng Cốc :
kh/kv = 4 – 10 ( được tính bằng phân tích ngược)
Ch (ngoài trời) / Ch (trong phòng) = 4
Cv (ngoài trời) / Cv (trong phòng) = 26
Ngoài ra, dựa trên các số liệu của Jamiolkowski,…, (1983) đã thống kê
trong bảng dưới đây, có thể tính sơ bộ sự dị hướng về tính thấm của đất sét (kh/kv)
ở hiện trường. Thiết bị đo cột nước áp lực tại chổ và phân tích đường cong phân

tán của áp lực lỗ rỗng cũng có thể ước tính được Ch và kh (Jamiolkowski,…,1985).

HVTH: NGUYỄN THÀNH QUAN

Trang 8


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Sử dụng giá trị kh tại chổ bằng thấm kế tự khoan với giá trị mv trong phòng để
tính Ch theo quan hệ sau (Jamiolkowski,…,1983)
Ch =

kh
(mvγ w )

Với : γw : trọng lượng đơn vị của nước
mv : hệ số nén thể tích
Bảng: phạm vi giá trị ngoài trời của tỉ số kh/kv ở đất sét yếu.
Bản chất của đất sét

kh/kv

Không có hay vó cấu trúc biểu hiện yếu, trầm tích chủ yếu đồng nhất
Vó cấu trúc từ tương đối đến tốt; đó là đất sét trầm tích với các thấu

1 đến 1,5
2 đến 4

kính và lớp đất thấm tốt hơn không liên tục.
Đất sét dạng dải và các trầm tích khác có chứa các lớp thấm ít nhiều

3 đến 15

liên tục

1.1.1.1 Chọn sơ đồ tính toán:
Khi nghiên cứu quá trình cố kết của đất nền có dùng giếng cát, các tác giả
thường dùng hai loại sơ đồ tính toán: nền biến dạng bằng nhau và nền biến dạng
tự do.
q

q

St
Giếng
cá t

Đất không thấ m nước

Hình 1-1: Biến dạng bằng nhau

HVTH: NGUYỄN THÀNH QUAN

St

Giếng
cá t

Đất không thấ m nước

Biến dạng tự do

Trang 9


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM

-

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Trong trường hợp nền biến dạng bằng nhau: xem như độ lún trong vùng
ảnh hưởng của mỗi giếng cát có trị số bằng nhau. Sơ đồ này thể hiện ở
chỗ, đệm cát đã tạo ra sẽ cân bằng đáng kể các biến dạng không đều
nhau. Do vậy, trong quá trình nén chặt nền đất, quan sát thấy độ lún
thực tế của nó là đều nhau. Sơ đồ tính toán các biến dạng đều nhau
hoàn toàn phù hợp với điều kiện làm việc của nền đất yếu bảo hòa
nước, nén lún mạnh. Đây là một cơ sở gần đúng, thích hợp khi xây
dựng các đê cao, thiết kế bản móng có chiều dày lớn (có độ cứng lớn),
kích thước lớp đệm cát lớn hoặc khoảng cách giữa các giếng cát khá
gần nhau.

-

Trong trường hợp nền biến dạng tự do:, tải trọng phân bố trong đới tác
dụng của giếng tiêu nước thẳng đứng là không đổi trong quá trình cố
kết, nhưng độ lún trong vùng ảnh hưởng của mỗi giếng cát có giá trị

khác nhau, gần giếng độ lún sẽ xảy ra nhanh hơn so với độ lún của đất
nằm cách xa giếng đó một đoạn nhất định. Đệm cát nằm phía trên sẽ
không phân bố lại tải trọng ngoài, tức là đệm cát và công trình xây
dựng trên nó sẽ là dẻo tuyệt đối. Sơ đồ này tương ứng với điều kiện
làm việc của mặt đường băng sân bay, mặt đường ô tô khi khoảng cách
giữa các giếng cát rất lớn.

Theo R.A. Barron, sự khác nhau về kết quả tính toán theo hai sơ đồ biến
dạng bằng nhau và biến dạng tự do là rất nhỏ, đặc biệt khi tỉ số s = R/ro >
10 (R: bán kính vùng ảnh hưởng của mỗi giếng; ro : bán kính giếng cát)

HVTH: NGUYỄN THÀNH QUAN

Trang 10


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM

LUẬN VĂN THẠC SĨ

1.1.1.2 Xác định mức độ cố kết của nền đất yếu có dùng giếng cát:
Hiện tượng cố kết của nền đất khi có xây dựng các giếng cát hay các
đường thoát nước tương tự (cọc bản nhựa, …) có thể xảy ra do ảnh hưởng đồng
thời của cố kết theo phương đứng và cố kết theo phương ngang.
Năm 1935, L. Rendulic đã đề nghị phương trình vi phân cố kết đối xứng
theo trục để xác định trị số áp lực nước lỗ rỗng của nền đất khi có dùng giếng cát
như sau:
2
⎛ δ 2u 1 δ u ⎞
δu

⎟ + C v δ u2
= C h ⎜⎜ 2 +
δt
r δ r ⎟⎠
δz
⎝ δz

(1-7)

trong đó :
u : áp lực nước lỗ rỗng ở thời điểm đang xét.
t : thời gian cố kết khảo sát.
r : khoảng cách từ điểm đang xét tới trục z.
z : độ sâu khảo sát.
Cv, Ch : hệ số cố kết thấm theo hướng đứng và hướng ngang của đất nền.
Ch =

k h (1 + ε tb )
γ na

(1-8)

Cv =

k v (1 + ε tb )
γ na

(1-9)

với : kv, kh : hệ số thấm theo hướng đứng và ngang của đất nền.

εtb : hệ số rỗng trung bình của đất.
γn : trọng lượng thể tích trung bình của nước
a : hệ số nén của đất.
Khi nghiên cứu quá trình cố kết của nền đất có dùng giếng cát, các tác giả
Terzaghi, Kjellman, Barron, Rendullic,… đều cho rằng tốc độ thấm của nước
trong lỗ rỗng là hằng số, độ dốc thủy lực ban đầu của đất xem như không đáng kể

HVTH: NGUYỄN THAØNH QUAN

Trang 11


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM

LUẬN VĂN THẠC SĨ

(io # 0), định luật Darcy được xem là giả thuyết cơ bản và tải trọng công trình tác
dụng lên móng là không đổi theo thời gian,.v..v…
Tuy nhiên, như trình bày của giáo sư Hansbo, điều đó không đúng với đất
sét có tính dẻo cao và gradien thủy lực nhỏ trong thực nghiệm với nền đất có
dùng giếng cát. Do vậy, để có thể xác định một cách chính xác hệ số cố hết
ngang và đứng, tác giả đề nghị một phương pháp khác dựa vào thực nghiệm từ
việc phân tích những số liệu đo thực tế của vùng quan sát lún, sẽ được trình bày ở
chương 2.
Năm 1942, N.Carrillo đã nêu lên một định lý, phân loại bài toán cố kết
thấm ba chiều thành tổng hợp của bài toán cố kết thấm theo hướng thẳng đứng và
bài toán cố kết thấm theo hướng xuyên tâm:
Cv .

δ 2 u δu

=
δz 2 δt

⎛ δ 2 u 1 δu
+
Cr ⎜
⎜ δ r 2 r δr
⎝

(1-10)

⎞ δ u
⎟=
⎟ δt
⎠

(1-11)

Dựa vào những điều kiện biên ban đầu (1-1), (1-2), (1-3), K.Terzaghi đã
cho lời giải của phương trình (1-10) nhö sau:
Uv =1−

⎛ π 2 Cv
⎜−
exp
⎜ 4h 2
π2
⎝
8

⎞
t ⎟⎟ ; %
⎠

(1-12)

Năm 1947, các giáo sư R.A.Barron và L.Rendulic đã cho lời giải của
phương trình (1-11) như sau:
⎛ 8T ⎞
U h = 1 − exp⎜⎜ − h ⎟⎟
⎝ F ( n) ⎠

;%

(1-13)

Trong đó :
Uv : độ cố kết trung bình của đất nền chỉ kể thoát nước theo phương đứng.
Uh : độ cố kết trung bình của đất nền chỉ kể thoát nước theo phương ngang.

HVTH: NGUYỄN THÀNH QUAN

Trang 12


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Cv và Ch : hệ số cố kết thấm theo phương đứng và ngang của đất nền (m2/năm)

t : thời gian cố kết khảo sát.
h : chiều dày thoát nước hữu hiệu của lớp đất nền cần xử lý ; ( m )
n = de /r
Th : yếu tố thời gian theo phương ngang, được xác định theo biểu thức :
Th =

C h .t
de

2

⎛ 3n 2 − 1 ⎞
⎛ n2 ⎞
⎟⎟
⎟⎟ ln(n) − ⎜⎜
F (n) = ⎜⎜ 2
2
⎝ 4n ⎠
⎝ n −1⎠

(1-14)
(1-15)

de : đường kính vùng ảnh hưởng của giếng cát.
r : đường kính giếng cát
Ở nước ta, việc nghiên cứu về lý thuyết thoát nước thẳng đứng dưới hình
thức giếng cát bắt đầu từ những thập niên 1950 – 1960 . Một số nhà khoa học tiêu
biểu như Nguyễn Công Mẫn, Hoàng Văn Tân…
Nguyễn Công Mẫn đã đưa ra khái niệm “cố kết tương đương” chuyển bài
toán cố kết thấm 3 chiều về bài toán cố kết thấm 1 chiều và sử dụng lới giải của

Barron để xác định áp lực nước lỗ rỗng và độ cố kết trong quá trình cố kết của
nền đất yếu khi sử dụng giếng cát.
Hoàng Văn Tân đã tiến hành giải bài toán cố kết thấm 3 chiều trong
trường hợp tải trọng thay đổi theo thời gian, khi tính thấm của đất nền với tải
trọng đều thay đổi trong quá trình nén chặt và khi xét ảnh hưởng của từ biến cho
nền đất yếu có sử dụng giếng cát.

HVTH: NGUYỄN THÀNH QUAN

Trang 13


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM

LUẬN VĂN THẠC SĨ

1.1.2 Những ứng dụng ở trong và ngoài nước về xử lý nền đất yếu bằng giếng cát:

1.1.2.1 Ở nước ngoài :
Khái niệm căn bản đầu tiên về hệ thống thoát nước thẳng đứng được nêu
bởi Moreau (1832) và được phát triển theo hai phương pháp xử lý hệ thống thoát
nước thẳng đứng độc lập nhau : Phương pháp giếng cát của Moran (1925) và
phương pháp bìa thấm carton - Kjellman (1937). Ở Liên Xô (cũ), việc sử dụng
giếng cát lần đầu tiên được trình bày bởi Gersevanov và Polshin (1948).
Năm 1934 tại đường cao tốc ở California, hệ thống thoát nước thẳng đứng
được áp dụng dưới hình thức giếng cát (sand drain) và sau đó được hệ thống lại
và mô tả bởi Barron (1944). Hình thức công nghệ này sau đó được áp dụng rộng
rãi ở Mỹ, các nước Bắc u và tại Liên Xô (cũ).
Trong vùng Đông Nam Á, giếng cát tiêu nước được dùng rộng rãi để cải
tạo đất như trong các báo cáo của Tominaga,…, (1979) về vùng cải tạo đất Vịnh

Manila, Philippin ; của Chou,…, (1980) ở Đài Loan ; của Akagi (1981),
Balasubramaniam,…, (1980), Brenner và Prebaharan (1983), Moh và Woo (1987)
và Woo,…, (1989) về vùng Băng Cốc, Thái lan. Việc sử dụng giếng cát tiêu nước
gần đây ở Nhật được thể hiện trong các báo cáo của Takai,…, (1989) ; Suzuki và
Yamada (1990) cho Dự án Sân bay quốc tế Kansai và Tanimoto,…, (1979) cho
vùng Kobe của Nhật.
1.1.2.2 Ở trong nước :
Về ứng dụng, công trình đầu tiên sử dụng hệ thống thoát nước thẳng đứng
là công trình xử lý nền đất yếu cho xilô Trà Nóc – Cần Thơ (1986).
Sau đó, việc xử lý nền đất yếu dùng giếng cát được sử dụng rộng rãi cho
các công trình có kích thướt móng lớn như : đường, nền kho, bãi, sân bay… Cụ thể
nêu một số dựa án lớn như : đường Cà Mau – Năm Căn (1996), đường Quốc lộ 5

HVTH: NGUYỄN THÀNH QUAN

Trang 14


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội – Hải Phòng (1997), Dự án PVC Phú Mỹ, công trình tuyến tránh Vónh
Điện – Quãng Ngãi (năm 2003)……
Trong lónh vực xây dựng cơ sở hạ tầng GTVT, đã sử dụng giếng cát để xử
lý cố kết đất yếu trên hàng trăm công trình. Tuy ở hầu hết các công trình đó, loại
vật liệu này đã phát huy hiệu quả theo mục tiêu ban đầu nhưng trong đó cũng còn
một tỷ lệ không nhỏ chưa làm thỏa mãn yêu cầu người sử dụng. Những tồn tại
như vậy có thể chia ra những nhóm sau :
a.

Phát huy hiệu quả hạn chế, ảnh hưởng đến tiến độ xây lắp các hạng
mục tiếp theo.

b.

Kết quả cố kết thực tế/ lún chưa phù hợp với tính toán ban đầu đã dẫn
đến phải có các xử lý bổ sung, ảnh hưởng đến chất lượng khai thác
công trình.

c.

Một số nơi xảy ra tình trạng mất ổn định, gây sụt trượt trong quá trình
gia tải cố kết…

1.2 Một số sự cố của các công trình xây dựng đường trên đất yếu được xử lý
bằng hệ thống thoát nước thẳng đứng.
Xét theo điều kiện ổn định cho nền đất yếu dưới nền đường, có thể nêu lên
2 trường hợp mất ổn định thường gặp :
1.2.1 Mất ổn định theo dạng phình trồi :
Đây là trường hợp nền đường chưa bị xé rách nhưng bị võng xuống và đẩy
đất yếu phình lên hai bên chân taluy. Với trường hợp này vùng phá hoại (chứa
các điểm mất ổn định) trong nền đất yếu đã xuất hiện nhưng chưa đạt tới mức có
thể gây ra một mặt trượt liên tục xé rách nền đất yếu và nền đường.

HVTH: NGUYỄN THÀNH QUAN

Trang 15

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ở Việt Nam, dạng phình lồi này đã xảy ra trước năm 1976 ở một đoạn
đường quốc lộ 1 đi qua thung lũng Hảo Sơn thuộc tỉnh Phú Khánh; ở một số đoạn
đường quốc lộ 4 trên địa phận của các tỉnh Tiền Giang, Hậu Giang, Minh Hải…

Hình 1-2 : mất ổn định dạng phình trồi và trượt trồi
1.2.2 Mất ổn định theo dạng trượt trồi :
Trong trường hợp này đã xảy ra mặt trượt liên tục làm xé rách nền đường
và đẩy đất yếu trượt trồi lên phía chân ta luy. Vùng phá hoại trong nền đất yếu đã
vượt quá mức giới hạn tương ứng cho ổn định tổng thể của nền đường trên đất
yếu.
9 Năm 1963, dạng trượt trồi này đã xảy ra ở đường dẫn vào cầu Hàm
Rồng thuộc tỉnh Thanh Hóa; ở một số đoạn trên quốc lộ 18 thuộc tỉnh Quảng
Ninh; ở trên đường từ thị xã Tây Ninh đi phà Gò Chai; năm 1998 ở quốc lộ 1A
Bắc Giang; năm 1998 ở quốc lộ 51 (TP.HCM – Vũng Tàu); năm 2001 quốc lộ 1A
đoạn kênh nhà Lê (Thanh Hóa - Nghệ An).
9 Ngày 19/3/1999 đoạn nền đường dẫn vào cầu Hàm Rồng QL 1A đã bị
sụt, các mặt trượt đã cắt qua gần tim đường và đẩy nền đất đắp về hai phía chân
đường làm mặt đất ruộng lúa hai bên đường trồi từ 70-85cm.

HVTH: NGUYỄN THÀNH QUAN

Trang 16


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM

LUẬN VĂN THẠC SĨ

9 Khoảng 4h sáng ngày 21/3/1999 đoạn từ Km25+928 đến Km26+041
trên quốc lộ 46 nằm trong địa phận Nghệ An đã bị sụt trượt, cao độ mặt đường
chìm xuống chiều sâu trung bình 3m so với cao độ mặt đường, và tiếp tục lún với
tốc độ nhỏ những ngày sau đó.

Vết nứt nền đường Quốc lộ 91

Nền đường dẫn vào cầu vượt Hàm Rồng

(đoạn qua cua Mỹ Đức đến Kinh Đào - An Giang)

( Quốc lộ 1A )

Sụt trượt đoạn tuyến từ Km25+928 đến Km26+041, Quốc lộ 46 – Nghệ An

Hình 1-3 : Một số hình ảnh thực tế về việc mất ổn định nền

HVTH: NGUYỄN THÀNH QUAN

Trang 17


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 1-4: Mái dốc khối đắp không ổn định.

Hình 1-5: Mái dốc phía đào không ổn định.

HVTH: NGUYỄN THÀNH QUAN

Trang 18


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM

LUẬN VĂN THẠC SĨ

1.2 Một số hình ảnh mái dốc ổn định trong thực tế: Công trình Tuyến tránh
Vónh Điện – Quãng Ngãi.

Hình 1-6: Một số hình ảnh mái dốc ổn định trong thực tế:

HVTH: NGUYỄN THAØNH QUAN

Trang 19