Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu để xây dựng công trình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI


PHẠM QUANG ĐÔNG

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP CỐ KẾT CHÂN KHÔNG
XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU ĐỂ XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI


PHẠM QUANG ĐÔNG

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP CỐ KẾT CHÂN KHÔNG
XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU ĐỂ XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH

Chun ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
Mã số:

62-58-60-01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học:
1. GS.TS TRỊNH MINH THỤ
2. GS.TS NGUYỄN CHIẾN

HÀ NỘI - 2015


i

LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình khoa học do chính tơi thực hiện. Các kết
quả, số liệu trong luận án là trung thực và chưa được ai cơng bố trong bất kỳ cơng
trình nào khác. Tác giả hồn tồn chịu trách nhiệm về tính xác thực và nguyên bản
của luận án.

Tác giả luận án

Phạm Quang Đông


ii

LỜI CẢM ƠN
Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và trân trọng đến GS.TS Trịnh

Minh Thụ và GS.TS Nguyễn Chiến là hai thầy hướng dẫn trực tiếp đã tận tình chỉ bảo,
hướng dẫn và giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận án.
Tác giả xin chân thành cảm ơn đến Ban giám hiệu, khoa Cơng trình, các thầy
giáo tổ bộ môn Địa kỹ thuật - Trường Đại học Thủy lợi, đặc biệt là thầy giáo TS.
Hoàng Việt Hùng đã tạo những điều kiện thuận lợi, đóng góp ý kiến quý báu cho
tác giả trong quá trình nghiên cứu.
Tác giả tỏ lòng biết ơn đến các anh chị em ở công ty FECON và TEINCO đã
tạo điều kiện, giúp đỡ tác giả thu thập tài liệu, số liệu, cung cấp những thơng tin cần
thiết liên quan đến q trình nghiên cứu, thực hiện luận án, giúp tác giả khảo sát,
tham quan và tiếp cận cơng trình nơi xử lý nền bằng phương pháp mà tác giả đang
nghiên cứu.
Tác giả cũng bày tỏ lòng biết ơn đến các anh chị em phịng thí nghiệm Địa kỹ
thuật Trường Đại học Thủy lợi, đã tạo những điều kiện thuận lợi, giúp đỡ, động
viên trong quá trình thực hiện các nghiên cứu thực nghiệm của luận án.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến đơn vị nơi tác giả đang công
tác là Trường Cao Đẳng Công Nghệ - Kinh Tế và Thủy lợi Miền Trung, đã tạo
những điều kiện thuận lợi, giúp đỡ, động viên để tác giả yên tâm tập trung nghiên
cứu và hồn thành luận án của mình.
Để hồn thành được luận án của mình tác giả nhận được sự động viên, ủng hộ,
chia sẻ kịp thời từ gia đình trong những lúc khó khăn nhất, tác giả xin bày tỏ lịng
biết ơn và chia sẻ những thành cơng có được của bản thân đến gia đình.
Cuối cùng, tác giả xin chân thành cảm ơn đến bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ,
động viên, ủng hộ, chia sẻ trong q trình tác giả hồn thành luận án của mình.


iii

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài ..........................................................................................1

2. Mục đích của đề tài .................................................................................................2
3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu ..............................................................................2
4. Nội dung nghiên cứu ...............................................................................................2
5. Phương pháp nghiên cứu .........................................................................................3
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn.................................................................................3
7. Những đóng góp mới của luận án ...........................................................................4
8. Bố cục của luận án ..................................................................................................5
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP CỐ KẾT CHÂN KHÔNG XỬ LÝ
NỀN ĐẤT YẾU VÀ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP .....................................7
1.1. Nền đất yếu ..........................................................................................................7
1.2. Tổng quan về nghiên cứu và ứng dụng phương pháp cố kết chân khơng ...........8
1.2.1. Tình hình ứng dụng phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu
trên thế giới .................................................................................................................8
1.2.2. Tình hình nghiên cứu phương pháp cố kết chân khơng .........................15
1.2.3. Tình hình nghiên cứu ứng dụng phương pháp cố kết chân không xử lý
nền đất yếu ở Việt Nam.............................................................................................17
1.3. Lý thuyết phương pháp cố kết chân khơng ........................................................19
1.3.1. Bài tốn cố kết thấm ...............................................................................19
1.3.2. Phương trình vi phân cơ bản ..................................................................22
1.3.3. Các phương pháp giải bài toán cố kết thấm ...........................................23
1.4. Phương pháp dự báo lún ....................................................................................31
1.4.1. Phương pháp Asaoka ..............................................................................31
1.4.2. Phương pháp điểm uốn (Inflection point) ..............................................32
Kết luận chương 1 .....................................................................................................35


iv

Chương 2: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM PHƯƠNG PHÁP CỐ KẾT CHÂN
KHƠNG XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG MƠ HÌNH VẬT LÝ .............................36

2.1. Mục đích nghiên cứu ..........................................................................................36
2.2. Mơ hình nghiên cứu ...........................................................................................36
2.2.1. Giới thiệu mơ hình..................................................................................36
2.2.2. Mẫu đất thí nghiệm.................................................................................39
2.2.3. Thiết bị thí nghiệm .................................................................................41
2.3. Quy trình thí nghiệm ..........................................................................................45
2.3.1. Chuẩn bị máng thí nghiệm hình hộp và chế bị mẫu ...............................45
2.3.2. Xác định các chỉ tiêu cơ lý của đất trước khi thí nghiệm .......................45
2.3.3. Cắm bấc thấm .........................................................................................45
2.3.4. Lắp đặt thiết bị quan trắc ALNLR..........................................................46
2.3.5. Tạo lớp mặt thoát nước và lắp đặt thệ thống thu nước ...........................46
2.3.6. Làm kín mơ hình thí nghiệm ..................................................................46
2.3.7. Lắp đặt các đồng hồ đo lún và áp lực chân không .................................47
2.3.8. Kết nối và kích hoạt các đầu đo ALNLR ...............................................47
2.3.9. Kết nối hệ thống máy bơm và hoạt động mô hình .................................47
2.4. Kết quả thực nghiệm các MHVL .......................................................................48
2.4.1. Kết quả thực nghiệm của MHVL1 .........................................................48
2.4.2. Kết quả thực nghiệm của MHVL2 .........................................................51
2.4.3. Kết quả thực nghiệm của MHVL3 .........................................................54
2.5. Hiệu quả kỹ thuật của cố kết chân không ..........................................................57
2.5.1. Hiệu quả kỹ thuật của MHVL1 ..............................................................57
2.5.2. Hiệu quả kỹ thuật của MHVL2 ..............................................................59
2.5.3. Hiệu quả kỹ thuật của MHVL3 ..............................................................61
Kết luận chương 2 .....................................................................................................64


v

Chương 3: MƠ HÌNH TÍNH CHO BÀI TỐN CỐ KẾT CHÂN KHƠNG ............65
3.1. Mơ hình số tính tốn ..........................................................................................65

3.2. Mơ phỏng bài tốn cố kết chân khơng ...............................................................67
3.3. Tính tốn ứng dụng cho các MHVL ..................................................................67
3.3.1. Kết quả mơ hình số của MHVL1 ...........................................................69
3.3.2. Kết quả mơ hình số của MHVL2 ...........................................................70
3.3.3. Kết quả mơ hình số của MHVL3 ...........................................................71
3.4. So sánh kết quả thực nghiệm và tính tốn các MHVL ......................................72
3.4.1. So sánh kết quả thực nghiệm và tính toán của MHVL1 ........................72
3.4.2. So sánh kết quả thực nghiệm và tính tốn của MHVL2 ........................74
3.4.3. So sánh kết quả thực nghiệm và tính tốn của MHVL3 ........................75
3.5. Tính tốn kiểm tra cho các cơng trình thực tế ....................................................76
3.5.1. Cơng trình Pvtex Đình Vũ – Hải Phịng .................................................77
3.5.2. Cơng trình nhiệt điện Duyên Hải 3 – Trà Vinh ......................................83
3.5.3. Công trình nhiệt điện Nhơn Trạch 2 – Đồng Nai ...................................90
Kết luận chương 3 .....................................................................................................95
Chương 4: XÂY DỰNG MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC THƠNG SỐ CỦA BÀI
TỐN CỐ KẾT CHÂN KHƠNG ............................................................................96
4.1. Đặt vấn đề ..........................................................................................................96
4.2. Các chỉ tiêu cơ lý của các loại đất đất yếu tính tốn ..........................................96
4.2.1. Đất yếu Duyên Hải – Trà Vinh ..............................................................96
4.2.2. Đất yếu Đình Vũ – Hải Phịng................................................................97
4.2.3. Đất yếu nhiệt điện Thái Bình .................................................................97
4.2.4. Đất yếu Nhơn Trạch – Đồng Nai ...........................................................97
4.3. Kết quả tính tốn ................................................................................................97
4.3.1. Độ cố kết khi chiều dày nền đất yếu xử lý là 10 m ................................97
4.3.2. Độ cố kết khi chiều dày nền đất yếu xử lý là 15 m ................................98


vi

4.3.3. Độ cố kết khi chiều dày nền đất yếu xử lý là 20 m ................................98

4.3.4. Độ cố kết khi chiều dày nền đất yếu xử lý là 25 m ................................99
4.3.5. Độ cố kết khi chiều dày nền đất yếu xử lý là 30 m ..............................100
4.4. Xây dựng mối quan hệ giữa thời gian cố kết (t) với chỉ số dẻo (PI), độ cố kết
(U) và chiều dày nền đất yếu xử lý (H) ..............................................................100
4.4.1. Mối quan hệ giữa thời gian cố kết với chỉ số dẻo và độ cố kết khi chiều
dày nền đất yếu xử lý xác định................................................................................102
4.4.2. Mối quan hệ giữa thời gian cố kết với chỉ số dẻo và chiều dày nền đất
yếu xử lý khi độ cố kết xác định .............................................................................106
Kết luận chương 4 ...................................................................................................111
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................112
CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ .....................114
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................115


vii

MỤC LỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Sơ đồ ngun lý phương pháp MVC ........................................................11
Hình 1.2. Thi cơng phương pháp MVC ....................................................................12
Hình 1.3. Sơ đồ ngun lý phương pháp khơng có màng kín khí ............................12
Hình 1.4. Thi cơng khơng có màng kín khí ..............................................................13
Hình 1.5. Sân bay Suvarnabhumi,

Thái Lan .........................................................14

Hình 1.6. Khu dân cư Steiger Eiland Ijburg, Hà Lan ................................................14
Hình 1.7. Nhà máy điện nguyên tử Singori, Hàn Quốc ............................................15
Hình 1.8. Sơ đồ trạm xử lý nước Pusan, Hàn Quốc ..................................................15
Hình 1.9. Mơ hình tỉ lệ lớn để thí nghiệm cố kết có và khơng có áp lực chân khơng ...16
Hình 1.10. Nguyên lý gia tải nén trước .....................................................................20

Hình 1.11. Bản chất của cố kết thấm ........................................................................21
Hình 1.12. Nguyên lý cố kết chân khơng ..................................................................21
Hình 1.13. Độ cố kết U% theo quan hệ

 p
 f
và
..........................................25
 p
 0'

Hình 1.14. Phân bố độ cố kết theo hướng thốt nước ...............................................25
Hình 1.15. Quan hệ giữa Uv (Tv) theo Terzaghi ........................................................27
Hình 1.16. Biểu đồ phân bố độ cố kết Uz (z/Hdr;Tv).................................................27
Hình 1.17. Quan hệ giữa Ur(Tr) theo Barron ............................................................28
Hình 1.18. Quan hệ giữa F(n) ...................................................................................29
Hình 1.19. Đường kính chuyển đổi của bấc thấm .....................................................30
Hình 1.20. Đường thẳng Asaoka ...............................................................................32
Hình 1.21. Điểm uốn .................................................................................................33
Hình 1.22. Đạo hàm U(Tv) ........................................................................................33
Hình 1.23. Hệ số điểm uốn lý thuyết ........................................................................34
Hình 1.24. Hệ số điểm uốn thực nghiệm ..................................................................34
Hình 2.1. Sơ họa mơ hình thí nghiệm .......................................................................37
Hình 2.2. Sơ đồ bố trí thiết bị MHVL1 .....................................................................38


viii

Hình 2.3. Sơ đồ bố trí thiết bị MHVL2 .....................................................................38
Hình 2.4. Sơ đồ bố trí thiết bị MHVL3 .....................................................................39

Hình 2.5. Mẫu đất khu ven biển PVtex Đình Vũ - Hải Phịng .................................40
Hình 2.6. Chế bị mẫu đất nghiên cứu........................................................................40
Hình 2.7. Biểu đồ biến đổi sức chống cắt khơng thốt nước (S u) của đất theo độ sâu
trước thí nghiệm ........................................................................................................41
Hình 2.8. Đầu đo ALNLR kiểu dây rung - Geokon ..................................................42
Hình 2.9. Sơ đồ cấu tạo đầu đo ALNLR kiểu dây rung ............................................42
Hình 2.10. Đầu đọc số liệu - Geokon LC 2x4...........................................................43
Hình 2.11. Bàn đo lún, đồng hồ đo lún và bộ gá đỡ .................................................44
Hình 2.12. Bấc thấm và hệ thống ống đấu nối ..........................................................44
Hình 2.13. Lắp đặt các thiết bị của máy bơm ...........................................................44
Hình 2.14. Lắp đặt bấc thấm trên mơ hình thí nghiệm .............................................46
Hình 2.15. Lắp đặt thiết bị quan trắc ALNLR trên mơ hình thí nghiệm ..................46
Hình 2.16. Rải lớp cát vàng và lắp đặt hệ thống thu nước ........................................46
Hình 2.17. Làm kín trên mơ hình ..............................................................................46
Hình 2.18. Lắp đặt các thiết bị quan trắc lún ............................................................47
Hình 2.19. Cài đặt các thơng số của đầu đo ALNLR................................................47
Hình 2.20. Kết nối hệ thống máy bơm với mơ hình .................................................47
Hình 2.21. Quan hệ giữa độ lún thực nghiệm và thời gian của MHVL1..................48
Hình 2.22. Đường hồi quy tại vị trí cạnh bấc thấm MHVL1 ....................................49
Hình 2.23. Đường hồi quy tại vị trí giữa 2 bấc thấm MHVL1 .................................49
Hình 2.24. Quan hệ giữa ALNLR thực nghiệm và thời gian của MHVL1 ..............50
Hình 2.25. Quan hệ giữa độ lún thực nghiệm và thời gian của MHVL2..................51
Hình 2.26. Đường hồi quy tại vị trí cạnh bấc thấm MHVL2 ....................................52
Hình 2.27. Đường hồi quy tại vị trí giữa 2 bấc thấm MHVL2 .................................52
Hình 2.28. Quan hệ giữa ALNLR thực nghiệm và thời gian của MHVL2 ..............53
Hình 2.29. Quan hệ giữa độ lún thực nghiệm và thời gian của MHVL3..................54


ix

Hình 2.30. Đường hồi quy tại vị trí cách biên phân tố 0,5 m MHVL3 .....................55
Hình 2.31. Đường hồi quy tại vị trí cách biên phân tố 1,0 m MHVL3 .....................55
Hình 2.32. Quan hệ giữa ALNLR thực nghiệm và thời gian của MHVL3 ..............56
Hình 2.33. Sơ đồ lấy mẫu và cắt cánh sau thí nghiệm ..............................................57
Hình 2.34. Lấy mẫu và cắt cánh sau thí nghiệm .......................................................57
Hình 2.35. Quan hệ giữa sức chống cắt khơng thốt nước (Su) và độ sâu sau thí
nghiệm của MHVL1 .................................................................................................58
Hình 2.36. Quan hệ giữa sức chống cắt khơng thốt nước (S u) trước và sau thí
nghiệm với độ sâu của MHVL1 ................................................................................58
Hình 2.37. Quan hệ giữa sức chống cắt khơng thốt nước (Su) và độ sâu sau thí
nghiệm của MHVL2 .................................................................................................60
Hình 2.38. Quan hệ giữa sức chống cắt khơng thốt nước (Su) trước và sau thí
nghiệm với độ sâu của MHVL2 ................................................................................60
Hình 2.39. Quan hệ giữa sức chống cắt khơng thốt nước (Su) và độ sâu sau thí
nghiệm của MHVL3 .................................................................................................62
Hình 2.40. Quan hệ giữa sức chống cắt khơng thốt nước (S u) trước và sau thí
nghiệm với độ sâu của MHVL3 ................................................................................62
Hình 3.1. Sơ đồ trình tự giải bài tốn cố kết chân khơng .........................................67
Hình 3.2. Sơ đồ khối đất nghiên cứu thực nghiệm ...................................................68
Hình 3.3. Điều kiện biên trong mơ đun SEEP/W của các MHVL ............................68
Hình 3.4. Điều kiện biên trong mơ đun SIGMA/W của các MHVL ........................68
Hình 3.5. Quan hệ giữa độ lún tính tốn và thời gian của MHVL1..........................69
Hình 3.6. Quan hệ giữa ALNLR tính tốn và thời gian của MHVL1 ......................69
Hình 3.7. Quan hệ giữa độ lún tính tốn và thời gian của MHVL2..........................70
Hình 3.8. Quan hệ giữa ALNLR tính tốn và thời gian của MHVL2 ......................71
Hình 3.9. Quan hệ giữa độ lún tính tốn và thời gian của MHVL3..........................71
Hình 3.10. Quan hệ giữa ALNLR tính tốn và thời gian của MHVL3 ....................72
Hình 3.11. Quan hệ giữa độ lún tính toán và thực nghiệm với thời gian của MHVL1
...................................................................................................................................73

x

Hình 3.12. Quan hệ giữa ALNLR tính tốn và thực nghiệm với thời gian của MHVL1
...................................................................................................................................73
Hình 3.13. Quan hệ giữa độ lún tính tốn và thực nghiệm với thời gian của MHVL2
...................................................................................................................................74
Hình 3.14. Quan hệ giữa ALNLR tính tốn và thực nghiệm với thời gian của MHVL2
...................................................................................................................................75
Hình 3.15. Quan hệ giữa độ lún tính tốn và thực nghiệm với thời gian của MHVL3
...................................................................................................................................75
Hình 3.16. Quan hệ giữa ALNLR tính tốn và thực nghiệm với thời gian của MHVL3
...................................................................................................................................76
Hình 3.17. Mặt bằng các vùng xử lý của cơng trình Pvtex Đình Vũ – Hải Phịng ...77
Hình 3.18. Mặt cắt địa chất vùng 1 của cơng trình Pvtex Đình Vũ - Hải Phịng [9]
...................................................................................................................................78
Hình 3.19. Điều kiện biên mơ đun SIGMA/W .........................................................80
Hình 3.20. Điều kiện biên mơ đun SEEP/W .............................................................80
Hình 3.21. Quan hệ giữa độ lún tính tốn và thời gian của cơng trình Pvtex Đình Vũ
– Hải Phịng ...............................................................................................................80
Hình 3.22. Quan hệ giữa ALNLR tính tốn và thời gian của cơng trình Pvtex Đình
Vũ – Hải Phịng .........................................................................................................81
Hình 3.23. Quan hệ giữa độ lún thực nghiệm và thời gian của công trình Pvtex Đình
Vũ – Hải Phịng .........................................................................................................81
Hình 3.24. Quan hệ giữa ALNLR thực nghiệm và thời gian của cơng trình Pvtex
Đình Vũ – Hải Phịng ................................................................................................82
Hình 3.25. Quan hệ giữa độ lún tính tốn và thực nghiệm với thời gian của cơng
trình Pvtex Đình Vũ – Hải Phịng .............................................................................82
Hình 3.26. Quan hệ ALNLR tính tốn và thực nghiệm với thời gian của cơng trình
Pvtex Đình Vũ – Hải Phịng ......................................................................................83

Hình 3.27. Mặt bằng các vùng xử lý của cơng trình nhà máy nhiệt điện Duyên Hải 3
– Trà Vinh .................................................................................................................84


xi

Hình 3.28. Mặt cắt địa chất của cơng trình nhà máy nhiệt điện Duyên Hải 3 –
Trà Vinh [53] ...........................................................................................................85
Hình 3.29. Điều kiện biên trong mơ đun SIGMA/W ................................................86
Hình 3.30. Điều kiện biên trong mơ đun SEEP/W ...................................................86
Hình 3.31. Quan hệ giữa độ lún tính tốn và thời gian của cơng trình nhà máy nhiệt
điện Dun Hải 3 – Trà Vinh ....................................................................................87
Hình 3.32. Quan hệ giữa ALNLR tính tốn và thời gian của cơng trình nhà máy
nhiệt điện Dun Hải 3 – Trà Vinh ...........................................................................87
Hình 3.33. Quan hệ giữa độ lún thực nghiệm và thời gian của cơng trình nhà máy
nhiệt điện Duyên Hải 3 – Trà Vinh ...........................................................................88
Hình 3.34. Quan hệ giữa ALNLR thực nghiệm và thời gian của cơng trình nhà máy
nhiệt điện Dun Hải 3 – Trà Vinh ...........................................................................88
Hình 3.35. Quan hệ giữa độ lún tính tốn và thực nghiệm với thời gian của cơng
trình nhà máy nhiệt điện Duyên Hải 3 – Trà Vinh....................................................89
Hình 3.36. Quan hệ giữa ALNLR tính tốn và thực nghiệm với thời gian của cơng
trình nhà máy nhiệt điện Dun Hải 3 – Trà Vinh....................................................89
Hình 3.37. Mặt bằng các vùng xử lý của cơng trình nhà máy nhiệt điện Nhơn Trạch 2
– Đồng Nai ................................................................................................................90
Hình 3.38. Mặt cắt địa chất của cơng trình nhà máy nhiệt điện Nhơn Trạch 2 –
Đồng Nai [14] ..........................................................................................................91
Hình 3.39. Điều kiện biên mơ đun SIGMA/W .........................................................92
Hình 3.40. Điều kiện biên mơ đun SEEP/W ............................................................92
Hình 3.41. Quan hệ giữa độ lún tính tốn và thời gian của cơng trình nhà máy nhiệt
điện Nhơn Trạch 2 – Đồng Nai .................................................................................93

Hình 3.42. Quan hệ giữa độ lún thực nghiệm và thời gian của cơng trình nhà máy
nhiệt điện Nhơn Trạch 2 – Đồng Nai ........................................................................93
Hình 3.43. Quan hệ giữa độ lún tính tốn và thực nghiệm với thời gian của cơng
trình nhà máy nhiệt điện Nhơn Trạch 2 – Đồng Nai.................................................94
Hình 4.1. Quan hệ giữa độ cố kết và thời gian khi chiều dày nền đất yếu xử lý 10 m
...................................................................................................................................98


xii

Hình 4.2. Quan hệ giữa độ cố kết và thời gian khi chiều dày nền đất yếu xử lý 15 m
...................................................................................................................................98
Hình 4.3. Quan hệ giữa độ cố kết và thời gian khi chiều dày nền đất yếu xử lý 20 m
...................................................................................................................................99
Hình 4.4. Quan hệ giữa độ cố kết và thời gian khi chiều dày nền đất yếu xử lý 25 m
...................................................................................................................................99
Hình 4.5. Quan hệ giữa độ cố kết và thời gian khi chiều dày nền đất yếu xử lý 30 m
.................................................................................................................................100
Hình 4.6. Quan hệ giữa thời gian cố kết với chỉ số dẻo và độ cố kết khi chiều dày
nền đất yếu xử lý là 10 m ........................................................................................102
Hình 4.7. Quan hệ giữa thời gian cố kết với chỉ số dẻo và độ cố kết khi chiều dày
nền đất yếu xử lý là 15 m ........................................................................................103
Hình 4.8. Quan hệ giữa thời gian cố kết với chỉ số dẻo và độ cố kết khi chiều dày
nền đất yếu xử lý là 20 m ........................................................................................104
Hình 4.9. Quan hệ giữa thời gian cố kết với chỉ số dẻo và độ cố kết khi chiều dày
nền đất yếu xử lý là 25 m ........................................................................................105
Hình 4.10. Quan hệ giữa thời gian cố kết với chỉ số dẻo và độ cố kết khi chiều dày
nền đất yếu xử lý là 30 m ........................................................................................106
Hình 4.11. Quan hệ giữa thời gian cố kết với chỉ số dẻo và chiều dày nền đất yếu
khi độ cố kết là 80% ................................................................................................107

Hình 4.12. Quan hệ giữa thời gian cố kết với chỉ số dẻo và chiều dày nền đất yếu
khi độ cố kết là 85% ................................................................................................108
Hình 4.13. Quan hệ giữa thời gian cố kết với chỉ số dẻo và chiều dày nền đất yếu
khi độ cố kết là 90% ................................................................................................109
Hình 4.14. Quan hệ giữa thời gian cố kết với chỉ số dẻo và chiều dày nền đất yếu
khi độ cố kết là 95% ................................................................................................110


xiii

MỤC LỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Một số cơng trình ứng dụng phương pháp có màng kín khí (MVC) ..........9
Bảng 1.2. Một số cơng trình ứng dụng phương pháp khơng có màng kín khí .........10
Bảng 2.1. Các chỉ tiêu cơ lý của đất trước thí nghiệm ..............................................40
Bảng 2.2. Sức chống cắt khơng thốt nước của đất theo độ sâu trước thí nghiệm ...41
Bảng 2.3. Kết quả độ lún dự báo theo Asaoka MHVL1 ...........................................49
Bảng 2.4. Kết quả độ lún dự báo theo Asaoka của MHVL2 ....................................52
Bảng 2.5. Kết quả độ lún dự báo theo Asaoka MHVL3 ...........................................55
Bảng 2.6. Các chỉ tiêu cơ lý của đất sau thí nghiệm của MHVL1 ............................57
Bảng 2.7. Sức chống cắt khơng thốt nước sau thí nghiệm của MHVL1.................58
Bảng 2.8. Các chỉ tiêu cơ lý của đất sau thí nghiệm MHVL2 ..................................59
Bảng 2.9. Sức chống cắt khơng thốt nước của đất theo độ sâu sau thí nghiệm của
MHVL2 .....................................................................................................................60
Bảng 2.10. Các chỉ tiêu cơ lý của đất sau thí nghiệm MHVL3 ................................61
Bảng 2.11. Sức chống cắt khơng thốt nước của đất theo độ sâu sau thí nghiệm của
MHVL3 .....................................................................................................................62
Bảng 3.1. Khoảng cách và chiều dài bấc thấm xử lý cho các vùng [30] ..................77
Bảng 3.2. Chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất của cơng trình Pvtex Đình Vũ – Hải Phịng
...................................................................................................................................78
Bảng 3.3. Chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất tính tốn tại cơng trình Pvtex Đình Vũ –

Hải Phịng ..................................................................................................................79
Bảng 3.4. Chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất của cơng trình nhà máy nhiệt điện Duyên
Hải 3 – Trà Vinh .......................................................................................................85
Bảng 3.5. Chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất của cơng trình nhà máy nhiệt điện Nhơn
Trạch 2 – Đồng Nai ...................................................................................................92
Bảng 4.1.Chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất tại cơng trình nhà máy nhiệt điện Thái Bình
...................................................................................................................................97
Bảng 4.2. Độ cố kết, chỉ số dẻo và thời gian của các loại đất yếu ..........................101


xiv

Bảng 4.3. Độ cố kết, chỉ số dẻo và thời gian khi chiều dày nền đất yếu xử lý 10 m
.................................................................................................................................102
Bảng 4.4. Độ cố kết, chỉ số dẻo và thời gian khi chiều dày nền đất yếu xử lý là 15 m
.................................................................................................................................103
Bảng 4.5. Độ cố kết, chỉ số dẻo và thời gian khi chiều dày nền đất yếu xử lý là 20 m
.................................................................................................................................104
Bảng 4.6. Độ cố kết, chỉ số dẻo và thời gian khi chiều dày nền đất yếu xử lý là 25 m
.................................................................................................................................105
Bảng 4.7. Độ cố kết, chỉ số dẻo và thời gian khi chiều dày nền đất yếu xử lý là 30 m
.................................................................................................................................106
Bảng 4.8. Chiều dày nền đất yếu xử lý, chỉ số dẻo và thời gian khi độ cố kết là 80%
.................................................................................................................................107
Bảng 4.9. Chiều dày nền đất yếu xử lý, chỉ số dẻo và thời gian khi độ cố kết là 85%
.................................................................................................................................108
Bảng 4.10. Chiều dày nền đất yếu xử lý, chỉ số dẻo và thời gian khi độ cố kết là 90%
.................................................................................................................................109
Bảng 4.11. Chiều dày nền đất yếu xử lý, chỉ số dẻo và thời gian khi độ cố kết là 95%
.................................................................................................................................110

xv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
a

- Hệ số nén lún của đất

ALNLR

- Áp lực nước lỗ rỗng

C

- Cường độ lực dính

Cc

- Chỉ số nén lún

Ceq

- Hệ số cố kết tương đương

Ch

- Hệ số cố kết theo phương ngang

Cr

- Hệ số cố kết theo phương bán kính

Cs

- Chỉ số nở

Cv

- Hệ số cố kết phương thẳng đứng

C

- Chỉ số nén lún thứ cấp

de

- Đường kính ảnh hưởng của bấc thấm

dw

- Đường kính quy đổi của bấc thấm

e0

- Hệ số rỗng ban đầu của đất

Fn

- Hệ số khoảng cách bấc thấm

Fs

- Hệ số vùng xáo trộn

Fw

- Hệ số kháng giếng

g

- Gia tốc trọng trường

G

- Độ bão hòa của đất

Gs

- Tỷ trọng

Hi

- Chiều dày lớp đất thứ i

Hdr

- Đường thoát nước lớn nhất

kr

- Hệ số thấm phương bán kính

ks

- Hệ số thấm ngang vùng xáo trộn

kv

- Hệ số thấm phương đứng

l

- Chiều dài bấc thấm

LI

- Chỉ số chảy

MHVL

- Mơ hình vật lý


xvi

MVC

- Cố kết chân khơng theo phương pháp có màng kín khí

pvac

- Áp suất chân khơng

PIE

- Thiết bị quan trắc áp lực nước lỗ rỗng

PVD

- Vật thoát nước thẳng đứng

qw

- Lưu lượng yêu cầu cho bấc thấm

Sc, St

- Độ lún

Su

- Sức chống cắt khơng thốt nước

t

- Thời gian

Tr , T v

- Nhân tố thời gian

TEN

- Thiết bị quan trắc lún

u

- Áp lực nước lỗ rỗng dư

Ur

- Độ cố kết theo phương bán kính

Uv

- Độ cố kết theo phương đứng



- Trọng lượng thể tích tự nhiên

d

- Trọng lượng thể tích khơ

w

- Trọng lượng riêng của nước



- Hệ số nở hông



- Ứng suất


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Một phần lớn lãnh thổ Việt Nam có thành tạo đất yếu, đặc biệt là các vùng
đồng bằng ven sông, ven biển. Ở những vùng này có đất đai trù phú, dân cư đơng
đúc, và có vị trí quan trọng trong nền kinh tế quốc dân. Với việc đẩy mạnh xây
dựng và hoàn thiện cơ sở hạ tầng nhằm đáp ứng sự nghiệp cơng nghiệp hóa, hiện
đại hóa đất nước và ứng phó với biến đổi khí hậu tồn cầu, đã và đang địi hỏi xây
dựng hàng loạt các cơng trình dân dụng, công nghiệp, giao thông và thủy lợi trên
các vùng đất này.
Vì thế nhiều thành phố, khu cơng nghiệp, cảng biển, khu du lịch, đường giao
thông…đang được đầu tư xây dựng với tốc độ ngày càng lớn và phần lớn nền của
các cơng trình này là mềm yếu cần được xử lý để tăng sức chịu tải, giảm độ lún,
đảm bảo ổn định cơng trình.
Có rất nhiều phương pháp xử lý nền đất yếu, nhưng tùy thuộc vào điều kiện và
đặc điểm của mỗi cơng trình có thể chọn một phương pháp xử lý cho phù hợp. Với
đặc điểm các vùng có chiều dày đất yếu lớn, diện xử lý rộng, dài, cần rút ngắn thời
gian xử lý thì việc tìm ra phương pháp xử lý mới có hiệu quả là một thách thức của
các nhà địa kỹ thuật và mang ý nghĩa thời sự.
Phương pháp cố kết chân không được ứng dụng thành công trên thế giới và

Việt Nam bước đầu ứng dụng. Phương pháp này có những ưu điểm vượt trội so với
các phương pháp khác như: Thời gian thi cơng ngắn, giảm được chiều cao gia tải
trước, vì thế tiết kiệm được vật liệu gia tải, công tác dỡ tải sau xử lý gọn, thi công
không gây ô nhiễm môi trường, đặc biệt phù hợp khi xử lý nền trên diện rộng, dài.
Việt Nam đã ứng dụng phương pháp này để xử lý nền cho một số công trình
cơng nghiệp, đường giao thơng, cảng biển, với cơng nghệ và trang thiết bị do các
đơn vị nước ngoài phụ trách. Việc am hiểu, chủ động được công nghệ và xây dựng
được mối quan hệ giữa các thông số của nền đất trong q trình cố kết chân khơng
cho một số loại đất yếu ở Việt Nam mang ý nghĩa thời sự và cần thiết. Vì vậy việc
nghiên cứu ứng dụng phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu để xây
dựng cơng trình có ý nghĩa khoa học và thực tiễn to lớn.


2

2. Mục đích của đề tài
- Xác định quy luật biến thiên áp lực nước lỗ rỗng và biến dạng (lún) của nền
đất yếu trong quá trình cố kết chân không.
- Xây dựng mối quan hệ giữa chỉ số dẻo (PI), độ cố kết (U), chiều dày nền đất
yếu xử lý (H) và thời gian cố kết (t) khi xử lý nền bằng phương pháp cố kết chân
không.
3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
- Đất yếu ven sông, ven biển khu Đình Vũ – Hải Phịng, Dun Hải – Trà
Vinh, Nhơn Trạch – Đồng Nai, Nhiệt điện Thái Bình – Thái Bình.
- Các loại đất yếu khu vực khác có các chỉ tiêu cơ lý tương đồng.
4. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan về các giải pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu
trên thế giới và ở Việt Nam. Đánh giá tồn tại về kỹ thuật và chỉ ra vấn đề mà luận
án tập trung giải quyết.
- Ứng dụng cơ sở lý thuyết, phương pháp tính tốn thiết kế giải pháp cố kết

chân khơng, tính tốn đưa ra các thơng số của q trình cố kết cho loại đất yếu
nghiên cứu để làm cơ sở đối chiếu, so sánh với kết quả thực nghiệm của MHVL và
hiện trường.
- Nghiên cứu lắp đặt, vận hành hệ thống, các thiết bị thí nghiệm để chủ động
về cơng nghệ cố kết chân không.
- Nghiên cứu thực nghiệm về quy luật biến thiên ALNLR và biến dạng của
nền đất trong q trình cố kết chân khơng bằng các MHVL. Kết quả nghiên cứu
thực nghiệm trong phòng được đối chiếu so sánh với kết quả tính tốn từ mơ hình
số để xem xét sự phù hợp của mơ hình số tính tốn.
- Sử dụng mơ hình số được chọn, tính tốn ứng dụng cho các cơng trình thực
tế, so sánh kết quả tính tốn với kết quả thực nghiệm cơng trình của chúng với nhau
để khẳng định sự hợp lý của mơ hình số.


3

- Ứng dụng mơ hình số được chọn tính tốn cho một số loại đất yếu tương
đồng. Xây dựng mối quan hệ giữa chỉ số dẻo, độ cố kết, chiều dày nền đất yếu xử lý
và thời gian cố kết khi xử lý nền bằng phương pháp cố kết chân khơng.
5. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp tính tốn, phân tích lý thuyết: Nghiên cứu bài tốn cố kết chân
khơng, nghiên cứu các nội dung liên quan đến việc giải bài tốn cố kết chân khơng.
- Phương pháp thực nghiệm: Thí nghiệm MHVL để xác định q trình biến
thiên ALNLR và biến dạng tại các vị trí và độ sâu trong nền trong q trình cố kết
chân khơng.
- Phương pháp thống kê: Xử lý số liệu thí nghiệm, xử lý thống kê để xác lập
các đường quan hệ giữa các yếu tố nghiên cứu.
- Phương pháp phần tử hữu hạn: Lựa chọn, sử dụng mơ hình số để tính tốn
xây dựng mối quan hệ giữa các thông số của quá trình cố kết chân khơng được thực
hiện theo sơ đồ sau:

- Phương pháp chuyên gia: Tổ chức hội thảo, báo cáo khoa học nhằm tổng hợp
các ý kiến đóng góp của các chuyên gia, các nhà khoa học về lĩnh vực nghiên cứu.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
a) Ý nghĩa khoa học
Phương pháp cố kết chân không là một phương pháp hiệu quả khi xử lý nền
đất yếu, đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giới. Việt Nam bước đầu ứng dụng
phương pháp này để xử lý nền cho một số cơng trình, các nghiên cứu về các yếu tố
ảnh hưởng đến phương pháp này cịn ít, vì vậy kết quả nghiên cứu các quy luật biến
đổi các thơng số của q trình cố kết theo phương pháp này của luận án, trong điều
kiện đất yếu Việt Nam, để làm cơ sở đưa ra các dự đoán khi xử lý nền đất yếu cho
các cơng trình thực tế.


4

Việc ứng dụng các mơ hình số để tính tốn xác định các thơng số của q trình
cố kết khi xử lý nền bằng phương pháp cố kết chân không nhằm giảm khối lượng
tính tốn. Kết quả tính tốn được phân tích, so sánh với kết quả thực nghiệm, qua
đó giúp đưa ra các kết luận về sự biến đổi thơng số của q trình cố kết. Tuy nhiên,
đến nay chưa có phần mềm chuyên dụng nào ứng dụng cho phương pháp này, vì
vậy việc lựa chọn được phần tử hữu hạn phù hợp có ý nghĩa khoa học.
Để đưa ra các dự đốn về q trình cố kết khi xử lý nền bằng phương pháp cố
kết chân không, việc xây dựng được mối quan hệ giữa các thông số độ cố kết, thời
gian cố kết, chiều dày nền đất yếu xử lý, chỉ số dẻo...là cần thiết, qua đó làm cơ sở
dự đốn ban đầu q trình cố kết, khi xử lý nền đất yếu bằng phương pháp nêu trên.
b) Ý nghĩa thực tiễn
Với kết quả nghiên cứu xác định được quy luật biến thiên các thông số của
nền đất, đồng thời xác lập được mối quan hệ của chúng khi xử lý nền đất yếu bằng
phương pháp cố kết chân không, giúp cho các cán bộ địa kỹ thuật có được cơng cụ

để đưa ra các dự đốn ban đầu về quá trình cố kết khi xử lý nền đất yếu theo
phương pháp này.
7. Những đóng góp mới của luận án
(1) Thiết lập và thí nghiệm MHVL cỡ lớn (2,4m3) là mơ hình đầu tiên ứng dụng
phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu cho loại đất yếu ven biển được
thực hiện tại phịng thí nghiệm Địa kỹ thuật, trường Đại học Thủy lợi để nghiên cứu
quá trình biến thiên ALNLR và biến dạng của nền đất tại các vị trí và độ sâu nghiên
cứu khác nhau.
(2) Lựa chọn được bộ phần mềm phù hợp (tích hợp giữa mơ đun Seep/W và
Sigma/W của phần mềm GeoStudio) để tính tốn cố kết chân khơng kết hợp gia tải
cho cả bài tốn trong phịng và hiện trường.
(3) Xây dựng được các biểu đồ về mối quan hệ giữa chỉ số dẻo, độ cố kết,
chiều dày nền đất yếu xử lý và thời gian cố kết khi xử lý nền đất yếu bằng phương
pháp cố kết chân không.


5

8. Bố cục của luận án
MỞ ĐẦU
Chương 1: Tổng quan về phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu và
lý thuyết của phương pháp: Trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu, ứng dụng
phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu trên thế giới và Việt Nam. Cơ sở
lý thuyết bài toán cố kết thấm bằng phương pháp cố kết chân không và phương
pháp dự báo lún.
Chương 2: Nghiên cứu thực nghiệm phương pháp cố kết chân không xử lý nền
đất yếu bằng MHVL: Chương này giới thiệu các các thiết bị và nguyên lý hoạt động
của các thiết bị này, trình tự thí nghiệm, phương pháp quan trắc số liệu biến dạng
lún, ALNLR và kết quả thực nghiệm khi xử lý nền bằng phương pháp cố kết chân
khơng.

Chương 3: Mơ hình tốn cho bài tốn cố kết chân khơng: Chương này ứng
dụng phương pháp phần tử hữu hạn tính tốn cho các trường hợp mơ hình thực
nghiệm trong phịng, kết quả tính toán được so sánh, đối chiếu với kết quả thực
nghiệm trong phịng, qua đó lựa chọn được phần tử hữu hạn phù hợp. Để có thể
khẳng định tính hợp lý của phần tử hữu hạn được chọn, tiến hành tính tốn ứng
dụng cho các cơng trình thực tế Pvtex Đình Vũ - Hải Phòng, Duyên Hải 3 – Trà
Vinh, Nhơn Trạch 2 – Đồng Nai thông qua việc so sánh kết quả tính tốn và thực
nghiệm cơng trình của chúng với nhau.
Chương 4: Xây dựng mối quan hệ giữa các thơng số của bài tốn cố kết chân
khơng: Ứng dụng mơ hình số được lựa chọn, tính tốn ứng dụng cho một số loại đất
yếu: Pvtex Đình Vũ - Hải Phòng, Duyên Hải 3 – Trà Vinh, Nhơn Trạch 2 – Đồng
Nai và đất yếu nhiệt điện Thái Bình với các chiều dày đất yếu khác nhau (10-30) m.
Từ kết quả tính tốn xây dựng mối quan hệ giữa thời gian cố kết với chỉ số dẻo, độ
cố kết và chiều dày nền đất yếu xử lý thông qua các biểu đồ và công thức khi xử lý
nền bằng phương pháp cố kết chân khơng, từ đó có thể đưa ra được các dự đốn về
q trình cố kết cho nền đất yếu có các chỉ tiêu tương đồng.


6

Kết luận và kiến nghị: Rút ra các kết luận từ các kết quả nghiên cứu thực
nghiệm trong phòng, kết quả thực nghiệm hiện trường và mơ hình số. Kiến nghị các
biện pháp và hướng phát triển tiếp theo của đề tài.
Danh mục các tài liệu khoa học đã công bố
Danh mục các tài liệu tham khảo


7

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP CỐ KẾT CHÂN KHÔNG
XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU VÀ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP
1.1. Nền đất yếu
Khi xây dựng các cơng trình thì đặc tính chịu tải của nền đất có ý nghĩa quyết
định đến sự ổn định của cơng trình trong q trình vận hành dưới tác dụng của các
tải trọng thường xuyên, tạm thời và cả tải trọng đặc biệt, tránh được các hậu quả
khôn lường do các hiện tượng lún, lún không đều, sạt, trượt… Tuy nhiên do yêu cầu
về dân sinh và giao thơng, rất nhiều cơng trình khơng có khả năng lựa chọn linh
hoạt địa điểm thi công như cơng trình xây dựng đơ thị ven sơng, ven biển, đường
giao thơng, đê điều, cầu, cảng… Các cơng trình này bắt buộc phải được xây dựng
trên nền đất có đặc tính chịu tải kém, gọi chung là nền đất yếu [2].
Có rất nhiều quan niệm khác nhau về nền đất yếu. Nếu nền đất không đủ khả
năng chịu tải, không đủ độ bền và có độ biến dạng lớn, cần phải gia cố mới có thể
thi cơng và vận hành cơng trình thì gọi là đất yếu [12]. Đây là một quan niệm mang
tính vận dụng cao, được chấp nhận rộng rãi, tuy nhiên quan niệm này lại khơng có
hạn định rõ ràng vì đối với một số cơng trình, một nền cụ thể có thể coi là nền đất
yếu, nhưng đối với một số cơng trình khác thì khơng. Điểm này gây khó khăn cho
việc quy hoạch xây dựng cơng trình.
Một quan niệm khác cho rằng, đất yếu là đất có khả năng chịu tải nhỏ (vào
khoảng (50-100) kPa), có tính nén lún lớn, hầu như bão hịa nước, có hệ số rỗng lớn
(e > 1), mơ đun biến dạng thấp (E < 5000 kPa) [5].
Đối với xây dựng đường ơ tơ, theo tiêu chuẩn 22TCN262-2000, nền đất yếu
có thể là đất sét, sét pha bụi mềm, bùn, than bùn và đất hữu cơ. Tất cả các loại đất
này được được bồi tụ trong nước một cách khác nhau, với đất sét mềm được bồi tụ
ở bờ biển hoặc gần biển. Ở trạng thái tự nhiên độ ẩm của chúng thường bằng hoặc
lớn hơn giới hạn chảy, hệ số rỗng lớn (đất sét mềm e ≥ 1,5; đất sét pha e ≥ 1), cường
độ lực dính theo kết quả cắt nhanh khơng thốt nước nhỏ hơn 15 kPa, góc ma sát