(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu ứng dụng mô hình số mô phỏng xử lý nền đất yếu bằng phương pháp cố kết hút chân không khi xây dựng công trình giao thông

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯

LÊ QUÝ BỬU NAM

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MƠ HÌNH SỐ MƠ PHỎNG XỬ LÝ
NỀN ĐẤT YẾU BẰNG PHƯƠNG PHÁP CỐ KẾT HÚT CHÂN
KHÔNG KHI XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH GIAO THƠNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng

Đà Nẵng - Năm 2019


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯

LÊ QUÝ BỬU NAM

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MƠ HÌNH SỐ MƠ PHỎNG XỬ LÝ
NỀN ĐẤT YẾU BẰNG PHƯƠNG PHÁP CỐ KẾT HÚT CHÂN
KHÔNG KHI XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH GIAO THƠNG

Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng
Mã số: 85.80.205

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. CHÂU TRƯỜNG LINH
TS. PHẠM QUANG ĐÔNG

Đà Nẵng - Năm 2019


LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian nghiên cứu tìm hiểu, tác giả đã hoàn thành Luận văn Thạc sỹ kỹ
thuật với đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng mơ hình số mô phỏng xử lý nền đất yếu bằng
phương pháp cố kết hút chân khơng khi xây dựng cơng trình giao thơng”.
Lời đầu tiên tác giả bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Châu Trường Linh, TS.
Pham Quang Đông đã giúp đỡ và hướng dẫn tác giả thực hiện hoàn thành Luận văn
này.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến các Cô, các Thầy trong Khoa Xây dựng Cầu đường,
Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng đã tận tình giảng dạy và giúp đỡ tác giả trong
suốt quá trình học tập tại trường.
Tác giả cũng muốn bày tỏ sự biết ơn của mình tới tập thể cán bộ tại cơ quan nơi tác
giả đang công tác đã tạo điều kiện giúp đỡ cho tác giả hoàn thành khóa học và Luận
văn này.
Và tác giả muốn bày tỏ lịng biết ơn, sự kính trọng sâu sắc tới những người thân
trong gia đình và bạn bè, những người đã luôn động viên, hỗ trợ tác giả trong suốt
những tháng ngày học tập và thực hiện Luận văn.
Tác giả Luận văn

Lê Quý Bửu Nam


LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan Luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng tơi. Những nội
dung, số liệu được tham khảo từ các nghiên cứu được trích dẫn nguồn rất rõ ràng. Các
số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất
kỳ cơng trình nào khác.
Tác giả Luận văn

Lê Quý Bửu Nam


TĨM TẮT
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MƠ HÌNH SỐ MƠ PHỎNG XỬ LÝ NỀN ĐẤT
YẾU BẰNG PHƯƠNG PHÁP CỐ KẾT HÚT CHÂN KHƠNG KHI XÂY DỰNG
CƠNG TRÌNH GIAO THƠNG
Học viên: Lê Q Bửu Nam
Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thông
Mã số: 85.80.205

Khóa: K36.XGT - Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

TĨM TẮT: Mơ hình số giải pháp xử lý nền đất yếu bằng phương pháp cố kết chân
không được thực hiện dựa trên lý thuyết cố kết thấm theo phương pháp phần tử hữu
hạn. Trên cơ sở áp dụng cho cơng trình giao thơng trên nền đất yếu ở khu vực Thành
phố Đà Nẵng, luận văn sẽ đưa ra một số kết luận về trình tự xây dựng mơ hình tính
cho bài tốn cố kết chân khơng, xây dựng các phương trình về mối quan hệ giữa thời
gian cố kết (t) với chiều dày nền đất yếu (H) và độ cố kết (U).
Từ khóa: Đất yếu, cố kết chân khơng, cơng trình giao thơng, mơ hình số, xử lý nền,
Thành phố Đà Nẵng
RESEARCH APPLICATION OF DIGITAL MODEL MODEL SIMULATING
THE PROCESS OF SOIL LAND BY METHOD OF FACILIZING VACUUM

WITHOUT CONSTRUCTION OF TRAFFIC WORKS
.
ABSTRACT: A numerical model of solutions to handle soft ground by the vacuum
consolidation method is made based on the theory of finite consolidation by finite
element method. Based on the application for traffic works on soft ground in the area
of Da Nang City, the paper will give some conclusions about the model building
sequence for the problem of vacuum consolidation, construction of equation on the
relationship between consolidation time (t) and soft soil thickness (H) and
consolidation (U).
Keywords: Soft ground, vacuum consolidation, transport works, digital model,
ground treatment, Da Nang City


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................................
LỜI CAM ĐOAN.......................................................................................................................
MỤC LỤC...................................................................................................................................
DANH MỤC HÌNH ...................................................................................................................
DANH MỤC BẢNG..................................................................................................................
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................................1
1.Lý do lựa chọn đề tài ............................................................................................................1
2.Đối tượng nghiên cứu ...........................................................................................................1
3.Phạm vi nghiên cứu ..............................................................................................................1
4.Mục tiêu nghiên cứu .............................................................................................................2
4.1.Mục tiêu tổng quát .............................................................................................................2
4.2.Mục tiêu cụ thể ...................................................................................................................2
5.Phương pháp nghiên cứu......................................................................................................2
6.Bố cục của đề tài ...................................................................................................................2
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU VÀ PHƯƠNG PHÁP CỐ KẾT CHÂN
KHÔNG XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU ......................................................................................3

1.1.Tổng quan về đất yếu trong xây dựng cơng trình ..........................................................3
1.1.1.Nguồn gốc và các loại đất yếu thường gặp .................................................................3
1.1.2.Sự phân bố các vùng đất yếu trong nước.....................................................................3
1.1.2.1.Đồng bằng Bắc bộ .......................................................................................................4
1.1.2.2.Đồng bằng ven biển miền Trung ...............................................................................4
1.1.2.3.Đồng bằng Nam bộ .....................................................................................................4
1.1.3.Phân bố và tính chất nền đất yếu tại Đà Nẵng và các khu vực lân cận ...................5
1.1.3.1.Phân bố của các lớp đất yếu .......................................................................................5
1.1.3.2.Tính chất nền đất yếu trong khu vực ........................................................................6
1.2.Tổng quan về phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu ..............................7
1.2.1.Lược sử phát triển công nghệ bơm hút chân khơng xử lý nền đất yếu ....................7
1.2.2.Tình hình nghiên cứu phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu trên thế
giới và ở Việt Nam ...................................................................................................................7
1.2.3.Tình hình ứng dụng phương pháp cố kết chân khơng xử lý nền đất yếu trên thế
giới và ở Việt Nam ...................................................................................................................9
1.3.Lý thuyết phương pháp cố kết chân không ................................................................. 12
1.3.1.Bài tốn cố kết thấm.................................................................................................... 12
1.3.2.Phương trình vi phân cơ bản ...................................................................................... 14
1.3.3.Các phương pháp giải bài toán cố kết thấm ............................................................. 15


1.3.3.1.Phương pháp cố kết nén lún tương đương ............................................................ 15
1.3.3.2.Phương pháp Barron – Terzaghi ............................................................................ 17
1.4.Các phương pháp dự báo lún......................................................................................... 18
1.4.1.Phương pháp Hybebol................................................................................................. 18
1.4.2.Phương pháp Asaoka .................................................................................................. 19
1.4.3.Phương pháp ba điểm.................................................................................................. 20
Kết luận chương 1 ................................................................................................................. 22
Chương 2 LỰA CHỌN MƠ HÌNH SỐ TÍNH TỐN VÀ TƯƠNG QUAN GIỮA
CÁC THƠNG SỐ CỦA Q TRÌNH XỬ LÝ CỐ KẾT CHÂN KHƠNG ........... 23

2.1.Đặc điểm phân bố, tính chất cơ lý và cấu trúc nền đất yếu khu vực nghiên cứu.... 23
2.2.Mơ hình tính cho bài tốn cố kết chân khơng ............................................................. 31
2.3.1.Mơ hình số tính tốn ................................................................................................... 31
2.3.2.Tính tốn kiểm tra cho cơng trình thực tế ................................................................ 34
2.3.2.1.Giới thiệu cơng trình ................................................................................................ 34
2.3.2.2.Điều kiện địa chất nền ............................................................................................. 35
2.3.2.3.Kết quả tính tốn ...................................................................................................... 38
2.3.2.4.Kết quả thực nghiệm cơng trình ............................................................................. 39
2.3.2.5.So sánh kết quả tính tốn và thực nghiệm............................................................. 40
2.3.Tương quan áp lực bơm với ứng suất – biến dạng ..................................................... 41
2.4.Tương quan áp lực bơm với áp lực nước lỗ rỗng ....................................................... 45
2.5.Sự thay đổi khoảng cách bấc thấm ............................................................................... 45
Kết luận chương 2 ................................................................................................................. 48
Chương 3 ỨNG DỤNG MƠ HÌNH SỐ TÍNH TỐN XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU
CHO CƠNG TRÌNH G IAO THƠNG CAO TỐC ĐÀ NẴNG – QUẢNG NG ÃI . 49
3.1.Giới thiệu cơng trình tính tốn ...................................................................................... 49
3.2.Đặc điểm cấu trúc nền cơng trình ................................................................................. 51
3.3.Trình tự tính tốn ............................................................................................................ 51
3.4.Kết quả tính tốn ............................................................................................................. 53
3.5.Đánh giá hiệu quả xử lý bằng phương pháp cố kết chân không ............................... 55
3.6.Xác định hàm hồi quy đa biến các quan hệ ................................................................. 55
3.6.1.Đặt vấn đề ..................................................................................................................... 55
3.6.2.Kết quả tính tốn.......................................................................................................... 56
3.6.3.Xây dựng mối quan hệ giữa thời gian cố kết (t) với chiều dày nền đất yếu (H) và
độ cố kết (U) .......................................................................................................................... 57
Kết luận chương 3 ................................................................................................................. 59
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................................... 60


I.Kết luận ................................................................................................................................ 60

II.Kiến nghị ............................................................................................................................ 60
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 61


DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1. Cố kết thấm bằng HCK ...............................................................................................12
Hình 1.2. Đường quá trình lún của nền. .....................................................................................14
Hình 1.3. Quan hệ Uv (Tv) theo Terzaghi ...................................................................................18
Hình 1.4. Đồ thị xác định các thơng số α,β ................................................................................19
Hình 1.5. Dự đốn độ lún cuối cùng theo phương pháp Asaoka ............................................20
Hình 2.1. Sơ đồ phân chia các cấp cấu trúc nền ĐBVB Quảng Nam - Đà Nẵng .................25
Hình 2.2. Bản đồ cấu trúc nền ĐBVB Quảng Nam - Đà Nẵng tỉ lệ 1/50.000 (thu nhỏ) ......26
Hình 2.3. Cấu trúc địa chất nhóm 1 ............................................................................................30
Hình 2.4. Cấu trúc địa chất nhóm 2 ............................................................................................30
Hình 2.5. Cấu trúc địa chất nhóm 3 ............................................................................................30
Hình 2.6. Cấu trúc địa chất nhóm 4 ............................................................................................30
Hình 2.7. Giới thiệu giao diện phần mềm Msettle ....................................................................32
Hình 2.8. Giới thiệu giao diện phần mềm Plaxis ......................................................................32
Hình 2.9. Giới thiệu giao diện phần mềm Geostudio 2012 .....................................................33
Hình 2.10. Giới thiệu giao diện phần mềm FoSSA ..................................................................34
Hình 2.11. Mặt bằng các vùng xử lý của cơng trình Pvtex Đình Vũ – Hải Phịng ...............35
Hình 2.12. Mặt cắt địa chất vùng 1 của cơng trình Pvtex Đình Vũ - Hải Phịng ..................36
Hình 2.13. Điều kiện biên trong mơ đun SEEP/W ở pha tính tốn ........................................37
Hình 2.14. Điều kiện biên trong mơ đun SIGMA/W ở pha tính tốn ....................................37
Hình 2.15. Quan hệ giữa độ lún tính tốn và thời gian của cơng trình Pvtex Đình Vũ –
Hải Phịng .......................................................................................................................................38
Hình 2.16. Quan hệ giữa ALNLR tính tốn và thời gian của cơng trình Pvtex Đình Vũ
– Hải Phịng....................................................................................................................................38
Hình 2.17. Quan hệ giữa độ lún thực nghiệm và thời gian của cơng trình Pvtex Đình

Vũ – Hải Phịng .............................................................................................................................39
Hình 2.18. Quan hệ giữa ALNLR thực nghiệm và thời gian của cơng trình Pvtex Đình
Vũ – Hải Phịng .............................................................................................................................39
Hình 2.19. Quan hệ giữa độ lún tính tốn và thực nghiệm với thời gian của cơng trình
Pvtex Đình Vũ – Hải Phịng.........................................................................................................40
Hình 2.20. Quan hệ giữa ALNLR tính tốn và thực nghiệm với thời gian của cơng
trình Pvtex Đình Vũ – Hải Phịng ...............................................................................................40
Hình 2.21. Điều kiện biên trong mơ đun SEEP/W nhóm 1 và nhóm 2 ..................................42
Hình 2.22. Điều kiện biên trong mơ đun SEEP/W nhóm 3 và nhóm 4 ..................................42


Hình 2.23. Điều kiện biên trong mơ đun SIGMA/W nhóm 1 và nhóm 2 ..............................42
Hình 2.24. Điều kiện biên trong mơ đun SIGMA/W nhóm 3 và nhóm 4 ..............................43
Hình 2.25. Quan hệ giữa độ lún tính tốn với thời gian nhóm 1 .............................................43
Hình 2.26. Quan hệ giữa độ lún tính tốn với thời gian nhóm 2 ............................................ 43
Hình 2.27. Quan hệ giữa độ lún tính tốn với thời gian nhóm 3 .............................................44
Hình 2.28. Quan hệ giữa độ lún tính tốn với thời gian nhóm 4 .............................................44
Hình 2.29. Quan hệ giữa độ lún tính tốn với thời gian nhóm 1,2,3,4 ...................................44
Hình 2.30. Quan hệ giữa ALNLR tính tốn với thời gian nhóm 1,2,3,4 ...............................45
Hình 2.31. Quan hệ giữa độ lún và ALNLR tính tốn với thời gian nhóm 1 ........................46
Hình 2.32. Quan hệ giữa độ lún và ALNLR tính tốn với thời gian nhóm 2 ........................46
Hình 2.33. Quan hệ giữa độ lún và ALNLR tính tốn với thời gian nhóm 3 ........................47
Hình 2.34. Quan hệ giữa độ lún và ALNLR tính tốn với thời gian nhóm 4 ........................47
Hình 3.1. Cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi (ảnh: Google) .......................................................49
Hình 3.2. Sơ đồ trình tự giải bài tốn cố kết chân khơng dự án đường Cao tốc Đà Nẵng
– Quảng Ngãi .................................................................................................................................51
Hình 3.3. Điều kiện biên trong mô đun SEEP/W dự án đường Cao tốc Đà Nẵng –
Quảng Ngãi ....................................................................................................................................52
Hình 3.4. Điều kiện biên trong mô đun SIGMA/W dự án đường Cao tốc Đà Nẵng –
Quảng Ngãi ....................................................................................................................................52

Hình 3.5. Quan hệ giữa độ lún tính tốn và thời gian dự án đường Cao tốc Đà Nẵng –
Quảng Ngãi ....................................................................................................................................53
Hình 3.6. Quan hệ giữa ALNLR tính tốn và thời gian dự án đường Cao tốc Đà Nẵng
– Quảng Ngãi .................................................................................................................................53
Hình 3.7. Quan hệ giữa đơ lún tính tốn dự án đường Cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi
và độ lún cấu trúc nền IAr4..........................................................................................................54
Hình 3.8. Quan hệ giữa ALNLR tính tốn dự án đường Cao tốc Đà Nẵng – Quảng
Ngãi và ALNLR cấu trúc nền IAr4.............................................................................................54
Hình 3.9. Quan hệ giữa độ cố kết và thời gian khi chiều dày nền đất yếu thay đổi .............56
Hình 3.10. Quan hệ giữa thời gian cố kết với chiều dày nền đất yếu và độ cố kết...............57


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Một số cơng trình ứng dụng phương pháp có màng kín khí (MVC) ....................10
Bảng 1.2. Một số cơng trình ứng dụng phương pháp khơng có màng kín khí ......................11
Bảng 2.1. Đặc điểm phân bố đất yếu khu vực nghiên cứu.......................................................23
Bảng 2.2. Các chỉ tiêu cơ lý của đất yếu ....................................................................................24
Bảng 2.3. Thuyết minh các cấp cấu trúc nền vùng đồng bằng ven biển Quảng Nam –
Đà Nẵng ..........................................................................................................................................29
Bảng 2.4. Khoảng cách và chiều dài bấc thấm xử lý cho các vùng ........................................35
Bảng 2.5. Chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất của cơng trình Pvtex Đình Vũ – Hải Phịng .........36
Bảng 3.1. Tính chất cơ lý của các lớp đất tại gói số 1 dự án đường cao tốc Đà Nẵng Quảng Ngãi ....................................................................................................................................50
Bảng 3.2. Lựa chọn mặt cắt tính tốn dự án đường Cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi..........51
Bảng 3.3. So sánh kết quả tính tốn theo các phương pháp khác nhau ..................................55
Bảng 3.4. Độ cố kết và thời gian ứng với các chiều dày đất yếu cao tốc Đà Nẵng –
Quảng Ngãi ....................................................................................................................................57


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do lựa chọn đề tài
Trong sự nghiệp cơng nghiệp hóa – hiện đại hóa của đất nước, nhu cầu phát
triển cơ sở hạ tầng đóng vai trò rất quan trọng, đặc biệt là cơ sở hạ tầng giao thông.
Nhiều tuyến đường đi qua khu vực phân bố đất yếu, do đất yếu có sức chịu tải thấp
nên việc đảm bảo độ ổn định của nền đắp trở nên khó khăn. Bên cạnh đó, đất yếu
có khả năng nén lún khá lớn, độ thoát nước nhỏ nên nền đắp thường bị lún mạnh và
kéo dài, đòi hỏi kỹ thuật xử lý phức tạp, tốn kém.
Để xây dựng nền đường đắp trên nền đất yếu, cần phải áp dụng các giải pháp
xử lý để tăng sức chịu tải, giảm độ lún, đảm bảo điều kiện khai thác bình thường
cho cơng trình. Hiện nay, việc áp dụng các giải pháp như đệm cát, giếng cát, cọc
cát, bấc thấm, vải địa kĩ thuật,…để xử lý nền đường đất yếu đã và đang mang lại
những hiệu quả nhất định. Tuy nhiên, trong điều kiện nguồn vật liệu gia tải khan
hiếm như hiện nay và hướng tới giải pháp xử lý bền vững nhằm giảm thiểu ô
nhiễm môi trường trong thi công cũng như u cầu rút ngắn thời gian thi cơng thì
việc nghiên cứu, áp dụng công nghệ mới trong xử lý nền đất yếu là cần thiết và cấp
bách. Một trong những giải pháp xử lý mà thế giới áp dụng thành công là phương
pháp cố kết hút chân không. Ở Việt Nam, phương pháp cố kết hút chân không
bước đầu ứng dụng đã và đang mang lại những hiệu quả nhất định. Tuy nhiên công
nghệ và trang thiết bị thi công theo phương pháp này chủ yếu từ các đơn vị nước
ngồi, chính vì vậy các nghiên cứu về phương pháp này ở Việt Nam còn hạn chế,
mặt khác các nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng của phương pháp này như ảnh
hưởng của hệ số xáo trộn, chiều sâu ảnh hưởng của bấc thấm, chiều sâu ảnh hưởng
của áp lực chân không, thấm biên, phạm vi biên ảnh hưởng của khu vực xử lý…
còn nhiều tranh cãi, chưa hồn thiện cho nên cần có các nghiên cứu khác nhằm
hoàn thiện phương pháp này, đặc biệt ứng dụng phù hợp với từng trường hợp đất
yếu ở Việt Nam. Do vậy đề tài “Nghiên cứu ứng dụng mơ hình số mô phỏng xử lý
nền đất yếu bằng phương pháp cố kết hút chân khơng khi xây dựng cơng trình giao
thơng” có tính cấp thiết và ý nghĩa thực tiễn.
2. Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu diễn biến thay đổi ứng suất – biến dạng trong nền đất yếu xử lý
bằng phương pháp cố kết chân không.
3. Phạm vi nghiên cứu
Nền đường đắp trên nền đất yếu ở địa bàn thành phố Đà Nẵng và các khu vực
lân cận.


2
4. Mục tiêu nghiên cứu
4.1. Mục tiêu tổng quát
Thông qua việc mô phỏng nhằm xác định sự biến đổi ứng suất – biến dạng, áp
lực nước lỗ rỗng theo chiều sâu nền đất yếu tương ứng với áp lực bơm hút chân
khơng, tính chất nền đất yếu khác nhau và các vấn đề liên quan.
4.2. Mục tiêu cụ thể
- Xác định quy luật biến thiên áp lực nước lỗ rỗng, biến thiên ứng suất - biến
dạng và biến dạng lún của nền đất yếu trong quá trình cố kết chân không cho loại
đất yếu nghiên cứu.
- Xác định biên ảnh hưởng biến dạng lún của khu vực xử lý khi xử lý bằng
phương pháp cố kết chân không.
- Xác định hàm hồi quy đa biến các quan hệ.
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 dụng liên quan đến việc giải bài toán cố kết chân không.
- Phương pháp thống kê: Xử lý thống kê để xác lập các đường quan hệ giữa các
yếu tố nghiên cứu.
- Phương pháp mô phỏng số bằng phương pháp phần tử hữu hạn: Lựa chọn, sử
dụng mơ hình số để tính tốn xây dựng mối quan hệ giữa các thơng số của q
trình cố kết chân khơng.
6. Bố cục của đề tài
Ngoài phần Mở đầu; Kết luận, kiến nghị, luận văn gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về đất yếu và phương pháp cố kết chân không xử lý nền
đất yếu.
Chương 2: Lựa chọn mơ hình số tính tốn và tương quan giữa các thơng số của
q trình xử lý cố kết chân không.
Chương 3: Ứng dụng mô hình số tính tốn xử lý nền đất yếu cho cơng trình
giao thơng cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi.


3
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU VÀ PHƯƠNG PHÁP CỐ KẾT CHÂN KHÔNG
XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU
1.1. Tổng quan về đất yếu trong xây dựng cơng trình
1.1.1. Nguồn gốc và các loại đất yếu thường gặp
Đất yếu [4,8,10] có nhiều nguồn gốc khác nhau (khoáng vật hoặc hữu cơ) và
có điều kiện hình thành khác nhau (trầm tích ven biển, vịnh biển, đầm hồ, đồng
bằng châu thổ, vùng đầm lầy có mực nước ngầm cao, vùng có nước tích đọng
thường xuyên…), nói chung đất yếu có các đặc trưng sau: Sức chịu tải nhỏ, hệ số
rỗng lớn (e>1), đất ở trạng thái bão hịa ho ặc gần bão hịa, tính thấm nước kém (hệ
số thấm nhỏ) và thay đổi theo sự biến dạng của đất yếu, tính biến dạng (lún) lớn khi
chịu tác động của tải trọng ngoài.
Các loại đất yếu thường gặp ở nước ta là bùn, than bùn, sét mềm, hữu cơ. Sét
mềm là các loại đất sét, á sét tương đối chặt, bão hòa nước, thường được bồi tự
trong nước theo những cách khác nhau như: Bồi tích ven biển, đầm phá, cửa sơng,
ao hồ… Đất sét gồm các hạt nhỏ như thạch anh, các khoáng vật sét. Đặc điểm quan
trọng của sét mềm là tính dẻo được tạo thành bởi thành phần khống vật của nhóm
hạt có kích thước nhỏ hơn 0,002mm và hoạt tính của chúng đối với nước. Sét mềm
có trạng thái từ dẻo chảy đến chảy. Bùn là các lớp đất mới được tạo thành trong môi
trường nước ngọt hoặc nước biển, gồm các hạt rất mịn (<200µm), bản chất khống
vật thay đổi và thường có kết cấu tổ ong. Bùn có thể là á cát, á sét, sét, luôn no nước,

có hàm lượng hữu cơ thường nhỏ hơn 10% và rất yếu về mặt chịu lực. Than bùn có
nguồn gốc hữu cơ được hình thành ở đầm lầy nơi đọng nước thường xuyên hoặc có
mực nước ngầm cao, các loại thực vật phát triển, thối rữa, phân hủy tạo thành các
trầm tích hữu cơ lẫn trầm tích khống vật. Than bùn có độ ẩm cao, bị nén lún lâu
dài, không đều.
1.1.2. Sự phân bố các vùng đất yếu trong nước
Do lịch sử địa chất, diện phân bố đất yếu ở nước ta khá rộng từ vùng núi trung
du đến các đồng bằng, ở cả 3 miền Bắc bộ, Trung bộ và Nam bộ. Ở vùng núi và
trung du, đất yếu nằm trong dãi trũng rộng, vùng hồ, thung lung… có cấu trúc


4
không phức tạp, đồng nhất, chiều dày không lớn. Ở các vùng đồng bằng, nền đất
yếu khá phổ biến, cấu trúc phức tạp, đa dạng, không đồng nhất, chiều dày lớn, thành
phần trầm tích, trạng thái và tính chất cơ lý của đất yếu cũng rất khác nhau.
1.1.2.1. Đồng bằng Bắc bộ
Đồng bằng Bắc bộ có diện tích khoảng 15.000km2 . Địa hình bị chia cắt bởi
hệ thống sơng suối, kênh mương chằng chịt. Đồng bằng Bắc bộ được hình thành
trên một miền võng rộng lớn, từ chế độ biển, sang chế độ vũng hồ, kết thúc ở chế độ
trầm tích kỷ thứ tư. Vùng này thuộc địa hình bồi tụ, chiều dày rất lớn, từ vài mét
đến hơn trăm mét. Các tạo thành Đệ Tứ được phân chia ra các chu kỳ trầm tích với
tổ hợp cộng sinh. Các chu kỳ đó được bắt đầu bởi các tướng hạt thô lục địa, tương
ứng với các pha biển lùi cực đại và kết thúc bởi các tướng hạt mịn châu thổ hoặc
biển vịnh ven bờ. Nói chung, c ấu tạo lớp trong vùng rất phức tạp, chúng thường xen
kẽ nhau hoặc xen kẽ các lớp có khả năng chịu lực tốt hơn.
1.1.2.2. Đồng bằng ven biển miền Trung
Là đồng bằng mài mịn bồi tụ điển hình. Trầm tích kỷ thứ Tư ở đây
thường thấy ở vùng thung lũng các sông và thường là loại phù sa bồi tích. Vùng
duyên hải thuộc vùng trầm tích phát triển trên các đ ầm phá cạn dần, bồi tích trong
điều kiện lắng đọng tĩnh.

1.1.2.3. Đồng bằng Nam bộ
Căn cứ vào chiều dày lớp đất yếu [9], có thể chia vùng đất yếu đồng bằng
Nam bộ thành các khu vực sau:
- Khu vực có lớp đất yếu dày 1-30m, gồm các vùng ven thành phố Hồ Chí
Minh, thượng nguồn các sơng Vàm Cỏ Đơng, Vàm Cỏ Tây, phía Tây Đồng Tháp
Mười, rìa quanh vùng Bảy Núi đến ven biển Hà Tiên, Rạch Giá, rìa đơng bắc đồng
bằng từ Vũng Tàu đến Biên Hòa.
- Khu vực có lớp đất yếu dày 5-30m, phân bổ kế cận các vùng trên và
chiếm đại bộ phận đồng bằng và khu vực trung tâm Đồng Tháp Mười.
- Khu vực có lớp đất yếu dày 15-30m chủ yếu thuộc các tỉnh Cửu Long,
Bến Tre tới các tỉnh duyên hải Hậu Giang, Tiền Giang …


5
Nguồn gốc các tầng đất yếu là các loại trầm tích châu thổ (sơng, bãi bồi,
tam giác châu), trầm tích bờ, vũng vịnh và đều thuộc loại trầm tích kỷ thứ tư.
1.1.3. Phân bố và tính chất nền đất yếu tại Đà Nẵng và các khu vực lân
cận
1.1.3.1. Phân bố của các lớp đất yếu
Qua hồ sơ địa chất các cơng trình đã và đang triển khai trên địa bàn thành
phố Đà Nẵng thu thập được đồng thời tham khảo các tài liệu địa chất khu vực, nhận
thấy đia hình khu vực nghiên cứu có các dạng sau: địa hình bóc mịn tổng hợp, địa
hình tích tụ do hỗn hợp sơng - biển, địa hình tích tụ do hỗn hợp biển đầm lầy, địa
hình tích tụ do biển, địa hình tái tích tụ do gió. Với sự đa dạng của các dạng địa
hình như vậy thì cấu trúc địa chất khu vực cũng khá đa dạng về nguồn gốc cũng như
loại đất đá cấu tạo nên bề mặt địa hình. Đặc biệt với sự xuất hiện của các lớp đất
yếu có thành phần khác nhau như sét, sét pha, cát pha, bùn sét pha, bùn cát pha chứa
hữu cơ, cát mịn bão hịa có trạng thái chảy đến dẻo mềm,… trong đó chủ yếu là các
loai sét pha dẻo mềm, các loại bùn hầu hết chỉ phân bố trên tầng mặt hoặc đơi chổ
nằm bên dưới lớp cát mỏng.

Có thể nhận thấy sự đa dạng các yếu tố địa hình khu vực có ảnh hưởng rất
lớn đến phân bố cả lớp đất yếu. Trên đia bàn thành phố Đà Nẵng, thông thường các
khu vực có địa chất đất yếu thường nằm ở các vị trí ruộng trũng, đầm lầy ao hồ, bãi
bồi ven sơng, vịnh biển.
Tùy theo cao trình xuất hiện lớp đất yếu, có thể phân chia khu vực đất yếu
thành 02 loại:
- Loại phân bố trên bề mặt tự nhiên (không xét đến lớp đất đắp phủ, đất
trồng mùn hữu cơ,…): Loại này phân bổ dọc theo các thung lũng hẹp của các sông,
suối, hồ, đầm lầy những nơi có lưu vực trũng thấp. Diện phân bố của loại này
thường khơng rộng, kéo dài theo hướng dịng chảy. Địa chất khu vực này thường có
mặt các lớp bùn sét pha lẫn hữu cơ, sét pha, cát pha ở trạng thái dẻo chảy. Chiều
dày địa chất đất yếu loại này thường từ 4m đến trên 10m nhưng không quá 20m.


6
- Loại phân bố dưới sâu: Loại này thường nhiều loại địa chất xen kẽ lẫn
nhau rất phức tạp, phân bố xen thung lung của các sông cách bờ sông hiện trạng từ
2–5 (Km), sát nên gồm nhiều trầm tích có nguồn gốc tổng hợp, khơng phản ánh rỏ
quy luật phân bố. Tại những khu vực này, đất yếu thường gặp là bùn sét pha, sét pha,
sét ở trạng thái dẻo mềm, dẻo chảy kẹp với các lớp đất dính, chiều dày trung bình từ
3m – 5m.
1.1.3.2. Tính chất nền đất yếu trong khu vực
Đất yếu phân bố ở khu vực thành phố Đà Nẵng và các khu vực lân cận có
thể chia thành ba nhóm chính sau:
- Đất sét, sét pha, cát pha dẻo mềm đến chảy.
- Đất bùn sét, bùn sét pha, bùn cát pha trạng thái dẻo mềm đến chảy.
- Đất cát mịn, cát bụi trạng thái dẻo đến chảy.
Nói chung, đất mềm dính (sét, sét pha cát, cát pha sét) thường đặc trưng
bằng hệ số rỗng, độ sệt, hệ số nén lún, hệ số thấm tương đối thấp. Ngược lại, khối
lượng tự nhiên, khối lượng thể tích khơ, góc ma sát trong, lực dính kết, sức chịu tải,

mô đun biến dạng… tương đối cao. Nếu như thành tạo trầm tích loại sét, sét pha,
thuộc nhóm đất mềm dính có các đặc trưng cơ lý biến đổi có quy luật nói trên thì
bùn sét, bùn sét pha cát, bùn cát pha, than bùn của nhóm đất có thành phần, trạng
thái, tính chất đặc biệt ở độ sâu lớn hơn lại có những tính chất cơ lý biến đối theo
quy luật ngược lại. Một điểm đáng lưu ý nữa là trong loại đất này thường có một
lượng vật chất hữu cơ cao. Do đó, bùn sét, bùn sét pha thường có giới hạn chảy và
giới hạn dẻo cao hơn so với các giới hạn đó của đất loai sét, sét pha. Tuy vậy, chỉ số
dẻo lại không khác nhau là mấy giữa hai loại đất này. Mặt khác ở bùn sét, bùn sét
pha các loại có hê số rỗng lớn nhưng hệ số thấm gần như tương đương với giá trị hệ
số thấm của đất loại sét, sét pha các loại [11].
Trình tự nén chặt cao hơn của đất loại đất sét, sét pha cát, cát pha sét nằm
trên so với thành tạo đất bùn, bùn sét pha, bùn cát pha, than bùn nằm bên dưới cũng
quan sát thấy rõ. Trong điều kiện địa hình cao, mực nước ngầm nằm sâu, khả năng
thoát nước từ trong ra thuận lợi… thì tại những nơi phân bố bùn cát pha, cát pha, sét


7
pha có các chỉ tiêu cơ lý khơng khác nhau là mấy so với giá trị tương ứng của các
loại đất sét, sét pha có cùng thành phần thạch học.
Do vậy, để đạt đến khả năng phù hợp với mọi tính năng xây dựng cơng
trình thì cần phải có biện pháp xử lý nền đất yếu cho phù hợp đồng thời phải có thời
gian quan trắc xem xét từng phương pháp xử lý để đi đến thống nhất các giải pháp
hợp lý ứng với từng loại đất yếu khác nhau.
1.2. Tổng quan về phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu
1.2.1. Lược sử phát triển công nghệ bơm hút chân không xử lý nền đất
yếu
Công nghệ bơm hút chân không xử lý nền đất yếu (HCK) lần đầu tiên được
giới thiệu là vào năm 1952 bởi tiến sĩ W. Kjellman. Sau đó bài toán cố kết hút chân
không được nghiên cứu lại bởi giáo sư Cognon với một số nguyên tắc lý thuyết cơ
bản mới. Đến những năm 70, HCK được ứng dụng rộng rãi, đặc biệt là ở Nga và

Nhật. Vào thời điểm bấy giờ HCK được bổ sung một lớp tường chống thấm bao
quanh khu vực xử lý nhằm hạn chế nước ngầm từ khu vực xung quanh, đồng thời
gia tăng áp lực nén đứng của dịng thấm. Tuy nhiên cách bố trí này sớm bộc lộ
khuyết điểm là khá tốn kém.
Năm 1989 hãng xây dựng Menard (Pháp) dựa trên nghiên cứu và phát minh
của giáo sư J.M. Cognon lần đầu tiên áp dụng phương pháp cố kết MVC (Menard
Vacuum Consolidation) trên diện tích 390 (m2) của một trường huấn luyện phi công
ở Ambes, Pháp. Việc bố trí tường chống thấm khơng cịn nữa mà thay vào đó là lớp
gia tải bằng đất và sự chênh lệch giữa áp suất khí quyển với áp suất chân khơng
dưới màng kín khí bao phủ bề mặt diện tích xử lý. Từ sau đó phương pháp này đã
được ứng dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới.
1.2.2. Tình hình nghiên cứu phương pháp cố kết chân khơng xử lý nền
đất yếu trên thế giới và ở Việt Nam
Phương pháp xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp hút chân không và gia
tải trước [1,2,3,5,6,7] đã và đang được áp dụng nhiều nơi trên thế giới. Mặc dù vậy,
việc tính tốn thiết kế vẫn đang được hồn thiện. Hiện chưa có một cơ sở lý thuyết
tính tốn nào được thực hiện cho tồn bộ cơng tác xử lý nền bằng phương pháp này.


8
Áp lực chân không hiệu quả dọc theo bấc thấm có bị suy giảm theo chiều sâu
hay không, vấn đề này vẫn còn nhiều tranh luận qua các kết quả nghiên cứu. Theo
Chu và nnk (2000), Indraratna và nnk (2005) chỉ ra rằng áp lực chân không hiệu quả
giảm dần theo chiều sâu bấc thấm [18,19,21,22,32,33]. Tuy nhiên nhiều nghiên cứu
từ các cơng trình thực tế, Bo và nnk (2003) [20] lại cho rằng áp lực chân không
hiệu quả không suy giảm theo chiều sâu bấc thấm.
Hầu hết các nghiên cứu đều quan tâm đến vấn đề biến dạng và biến đổi
ALNLR trong q trình cố kết chân khơng của nền (Rujikiatkamjorn và nnk (2006)
[23,24], Indraratna và nnk (2006) [25,26,27], Mohamedelhassan và nnk [28],
Chamari [29], Chu [30], Shang và nnk [31], kết quả của các nghiên cứu này cũng đã

chỉ ra rằng tùy thuộc vào loại đất, cấp áp lực, loại bấc thấm, khoảng cách bấc thấm
ảnh hưởng đến độ cố kết của nền. Tuy nhiên ngoài các điều kiện trên tạo ra sự khác
biệt của các kết quả nghiên cứu, hệ số cố kết theo phương ngang và mức độ xáo
trộn quanh vùng bấc thấm là nhân tố chính ảnh hưởng đến quá trình cố kết dẫn đến
sự khác biệt này.
Tại Việt Nam, hơn một thập kỷ trở lại đây, phương pháp cố kết chân không
cũng đã được áp dụng. Tuy nhiên các cơng trình nghiên cứu về các yếu tố ảnh
hưởng cũng như cơ sở lý thuyết tính tốn đến phương pháp trong thời gian qua
khơng nhiều, một số ít bài báo và cơng trình khoa học đã được công bố.
Một nghiên cứu về phương pháp này do tác giả Nguyễn Thị Nụ [14] - Trường
Đại học Mỏ - Địa chất, Việt Nam, dựa trên kết quả xử lý của cơng trình nhà máy
nhiệt điện Long Phú – Sóc Trăng trên nền đất yếu có bề dày 15-18m, bố trí bấc
thấm hình vng với khoảng cách 1,0x1,0m. Áp lực hút chân không được thực hiện
là 70-80kPa với thời gian duy trì hút chân khơng từ 150 đến170 ngày, chiều cao gia
tải trước từ 0,68 đến 2,88m. Trong quá trình xử lý nền đất yếu, tiến hành quan trắc
địa kỹ thuật ngoài hiện trường, độ lún quan trắc cho kết quả khá phù hợp với độ lún
dự báo. Độ cố kết của nền sau xử lý đạt trên 90% và độ lún dư nhỏ hơn so với độ
lún của yêu cầu thiết kế. Từ kết quả nghiên cứu có thể thấy phương pháp xử lý nền
đất yếu bằng cố kết chân không đạt được hiệu quả đối với nền đất yếu tại nhà máy
Nhiệt điện Long Phú - Sóc Trăng. Đây là cơ sở để áp dụng lý thuyết tính tốn xử lý
nền đất yếu bằng phương pháp cố kết chân không ở Việt Nam.


9
Nghiên cứu tiếp theo là của nhóm tác giả Vũ Bảo Ngọc và nnk [12,13] đã công
bố kết quả về công nghệ thi công cố kết chân không theo phương p háp có màng và
kết quả thực nghiệm về lún của cơng trình Nhơn Trạch - Đồng Nai 2 và kết quả lún,
ALNLR cho cơng trình Pvtex Đình Vũ - Hải Phòng. Trong nghiên cứu này nhóm
tác giả chỉ giới thiệu về công nghệ thi công mà chưa quan tâm đến các yếu tố ảnh
hưởng đến thông số cố kết của nền.

Qua tổng quan về tình hình nghiên cứu trên thế giới và ở Việt Nam cho thấy
các cơng trình nghiên cứu về phương pháp này cịn ít, các nghiên cứu chủ yếu từ kết
quả xử lý của một số cơng trình thực tế, chưa có các mơ hình thực n ghiệm trong
phịng về nghiên cứu thơng số biến đổi ALNLR và biến dạng lún của nền, chưa có
các mô hình số phù hợp để kiểm tra so sánh.
1.2.3. Tình hình ứng dụng phương pháp cố kết chân khơng xử lý nền đất
yếu trên thế giới và ở Việt Nam
Phương pháp cố kết chân không đã và đang phát triển mạnh trên thế giới, đã
có nhiều thành tựu rất lớn trong nghiên cứu, thiết kế và xây dựng.
Một số công trình xử lý nền bằng cố kết chân khơng theo phương pháp MVC
ở các nước trên thế giới như ở bảng 1.1


10
Bảng 1.1. Một số cơng trình ứng dụng phương pháp có màng kín khí (MVC)
Năm

Tên cơng trình

Nước

2001

Hamburg

Đức

2001

Bang Bo

Thái Lan

1999

Jangyoo STP

Hàn Quốc

1999
1997
1996

Quebec
Wismar
Khimae PS

1996

RN1

1995

Kuching

Canada
Đức
Hàn Quốc
Pháp
quốc Hải

ngoại
Malaysia

1995

Khimae STP

Hàn Quốc

1994
1994
1993
1992

A 837 Phase 2
Lubeck
A837 - Phase
1
Ipoh Gopeng

Pháp
Đức
France
Malaysia
Pháp
quốc Hải
ngoại
Pháp
quốc Hải
ngoại

1992

Lamentin

1991

Lamentin

1990

Ambes

Pháp

1990
1990
1990

Eurotunnel
Ambes
Lomme

Pháp
Pháp
Pháp

1989

Ambes

Pháp

Loại cơng
trình
Kho hàng
sân bay
Đường
vào nhà
máy điện
Nhà máy
xử lý
nước thải
Cầu
Cảng
Trạm bơm
Đường
vòng

Đơn vị tư vấn
IGB – Dr
Maybaum

Phạm vi
(m2 )
238,000

Seatac

30,000

KECC

70,000

QDOT
Steinfeld & Part
KECC

1,000
15,000
20,000

CETE Fort de
France

Cầu tàu
Nhà máy
xử lý
nước thải
Đường cao
tốc
Cảng
Đường cao
tốc
Đường cao
tốc

SCETAU
ROUTE

INROS

6,150

ACER

12,000

KECC

83,580
10,000
22,500

LCPC

44,500

ZAIDUN
LEENG

2,600

Đường cao
tốc

BRGM

7,805

Sân bay

CEBTP

17,692

Mecasol

17,550

SETEC
CETE Bordeaux
FONDASOL

56,909
21,106
8,130

Bể chứa
dầu
Đường
Đường
Kho hàng
Trạm kiểm
tra sân bay

Test area

390

Từ năm 1997 Công ty xây dựng Cofra của Hà Lan nghiên cứu cải tiến cố kết
chân không theo hướng đơn giản hóa, bỏ đi lớp màng bảo vệ thi công phức tạp và
dễ bị hư hại, tuy nhiên phải đắp thêm gia tải để bù cho sự chênh lệch áp suất khí
quyển bị gỡ bỏ đi. Hướng cải tiến mới này đã cho ra đời ba phương p háp bố trí mới,


11
nhanh chóng được chấp nhận và thi công tại nhiều cơng trình lớn trên thế giới. Các
phương pháp bố trí mới đó là Vertical drain, Beaudrain, Beaudrain-S.
Về bản chất, tính hiệu quả của phương pháp MVC, Vertical drain, Beaudrain,
Beaudrain-S và các biện pháp thi công khác của cố kết chân không có thể coi là
tương đương nhau. Sự khác nhau chủ yếu là thiết bị, cách bố trí và thời gian cố kết.
Một số cơng trình xử lý theo phương pháp Beaudrain-S ở các nước trên thế
giới như ở bảng 1.2.
Bảng 1.2. Một số cơng trình ứng dụng phương pháp khơng có màng kín khí
Năm

Tên cơng trình

Nước

2008

Baanhoek Sliedrecht

Hà Lan

4500

2008

Waddinxveen

Hà Lan

2000

2008

Quay wall IHC, Krimpen a/d
IJssel

Hà Lan

2500

2007

Randeburgseweg, Reeuwijk,

Hà Lan

4500

2006

Bremerhaven

Đức

62000

2005

Suvarnabhumi airport

Thailand

400000

2005

Parking Ikea Delft

Hà Lan

3700

2005

Ter Aar

Hà Lan

1800

2004

Railway Betuwelijn Gorinchem

Hà Lan

4400

Phạm vi (m2 )

Phương pháp cố kết chân không bước đầu được ứng dụng ở Việt Nam, cơng
trình đầu tiên ứng dụng thành cơng là nhà máy khí điện đạm Cà Mau trên diện tích
90 ha, ngồi ra cịn có các cơng trình khác như: Nhà máy sợi Polyester Đình Vũ,
Nhà máy điện chu trình hỗn hợp Nhơn Trạch 2 - Đồng Nai, Cảng Đình Vũ - Hải
Phòng, đường cao tốc Long Thành - Dầu Giây, cơng trình bể chứa ven sơng Sài
Gịn, nhà máy Nhiệt điện Long Phú 1 (Sóc Trăng), nhà máy Nhiệt điện Duyên Hải 1
(Trà Vinh), nhà máy Nhiệt điện Thái Bình 2, khu liên hợp thép Formosa Hà
Tĩnh....đã dùng cơng nghệ cố kết chân không theo phương pháp có màng và khơng
có màng kín khí để cố kết nền đất rất nhanh chỉ trong thời gian rất ng ắn. Trên cơ sở
của những kết quả ứng dụng ban đầu cho thấy đây là một phương pháp mới, hiệu
quả. Tuy nhiên, đến nay việc thiết kế và thi công theo phương pháp này chủ yếu do
các đơn vị nước ngoài nắm giữ, vì vậy cần có các nghiên cứu về bản chất của q
trình cố kết và nắm bắt được cơng nghệ thi công phù hợp với điều kiện địa chất và


12
thực tiễn để có thể ứng dụng rộng rãi trong xử lý nền các cơng trình xây dựng ở
Việt Nam.
1.3. Lý thuyết phương pháp cố kết chân khơng
1.3.1. Bài tốn cố kết thấm
Bài toán cố kết thấm đã được nghiên cứu từ đầu thế kỷ 20 và khơng ngừng
được hồn thiện cho tới hiện nay. Nhìn chung các giải pháp đều phát triển lên từ
nền móng cơ bản là phương trình c ủa Terzaghi. Về cơ bản bài tốn cố kết thấm
cũng có thể giải quyết được nhờ phương trình liên tục về chuyển động của các pha

trong đất nền.
Trong tổng thể, đất là một tổ hợp phức tạp của ba pha chính là thể rắn, thể
lỏng và thể khí. Về nguyên tắc cả ba pha này đều tham gia vào quá trình chịu tải của
đất với các mức độ khác nhau. Thành phần chính chịu tải trọng là thể rắn (hạt đất).
Khi đất ổn định, ứng suất tác dụng lên hạt đất bằng ứng suất max mà tải trọng và
trọng lượng bản thân của khối đất có thể gây ra, gọi là ứng suất tổng. Thành phần
chịu tải thứ hai là nước nằm trong lỗ rỗng. Khi giải bài tốn cố kết thấm, có thể coi
nước trong lỗ rỗng là không chịu nén. Phần ứng suất mà nước trong lỗ rỗng chịu gọi
là ứng suất lỗ rỗng dư , còn phần ứng suất mà các hạt đất phải chịu là ứng suất hiệu
quả . Ứng suất tổng có giá trị bằng giá trị của ứng suất dư và ứng suất hiệu quả.
Thành phần chịu tải cuối cùng là khí nằm trong đất, tuy nhiên tỉ lệ thường là vô
cùng nhỏ, có thể bỏ qua.
Khi giải phương trình liên tục về chuyển động của các pha cần lưu ý rằng
lượng khí thường xun hịa tan hoặc tách rời khỏi nước trong lỗ rỗng tùy theo các
điều kiện nhiệt độ, áp suất. Khi giải bài toán cố kết thấm, hiện tại hầu hết đều giải
bài toán ở dạng hai pha để đơn giản hóa và cũng vì ảnh hưởng của pha khí là q
nhỏ.

Hình 1.1. Cố kết thấm bằng HCK


13
Bản chất của hiện tượng cố kết thấm là sự giảm hệ số rỗng của đất nền bằng
cách trục xuất bớt nước trong lỗ rỗng ra ngoài bằng hiện tượng thấm, nhờ đó các hạt
đất tì chặt trực tiếp lên nhau, gia cố được sự liên kết của cấu trúc đất (hình 1.1). Nếu
nguyên lý của phương pháp đ ầm nén cơ học bình thường sử dụng lực tác dụng của
tải trọng để gia tăng ứng suất tổng từ đó tăng thêm ứng suất hiệu quả, thì bản chất
của cố kết thấm bằng hút chân không là giảm ứng suất dư trong lỗ rỗng, từ đó tăng
ứng suất hiệu quả mà không thay đổi ứng suất tổng. HCK nhờ áp suất chân không
tạo sự chênh lệch áp suất giữa các vùng trong đất nền, từ đó nảy sinh dòng thấm

cưỡng bức đem nước ngầm trong đất rút ra ngoài. Việc sắp xếp lại cấu trúc liên kết
giữa các hạt đất được tiến hành bằng trọng lượng bản thân hạt đất, và có thể được
hỗ trợ nhờ gia tải khi phần lớn nước trong lỗ rỗng bị trục xuất.
Bản chất và tác dụng của việc cố kết đất nền trước khi xây dựng nói chung và
bằng HCK nói riêng có thể được giải thích trên hình 1.2. Nếu trước khi xây dựng
cơng trình mà khơng gia cố nền, thì sau khi đặt cơng trình lên, tải trọng cơng trình
(p) gia tăng áp lực lên nền, khiến quá trình cố kết xảy ra do nước vẫn bị đẩy khỏi lỗ
rỗng. Kết quả là đất nền bị lún tương đối nhanh, có thể gây ra hiện tượng lún khơng
đều, từ đó có thể dẫn đến nứt, gẫy kết cấu. Tại thời điểm t2, đất nền cố kết hoàn
toàn và đạt độ lún cuối Sc(p). Nếu khơng có sự thay đổi về tải trọng, nền ổn định và
không tiếp tục lún nữa.
Gia cố nền trước khi xây dựng được tiến hành bằng cách gia tải trước có giá trị
bằng tổng tải trọng cơng trình (p) với một siêu tải (f), tổng siêu tải (p+f) sẽ khiến
nền lún nhanh hơn và mau chóng đạt được giá trị S(p+f) xấp xỉ giá trị độ lún cuối
Sc(p)

tại thời điểm t1, sớm hơn t2. Nếu tại thời điểm này bắt đầu xây dựng, đặt

cơng trình lên nền thì độ lún dư trong các năm tiếp theo của công trình là tương đối
nhỏ và khơng gây nguy hại cho kết cấu. Có thể thấy, siêu tải (f) càng lớn, thời gian
cố kết t1 càng ngắn.


14

Hình 1.2. Đường quá trình lún của nền.
1.3.2. Phương trình vi phân cơ bản
Terzaghi cho rằng phương trình vi phân cơ bản của hiện tượng cố kết thấm có
dạng:
𝜕𝑢

𝜕𝑡

𝜕𝑢2

1 𝜕𝑢 𝜕𝑢2

=Cv( 𝑟2 + 𝑟 𝜕𝑟 𝜕𝑧2 )

(1.1)

Theo Carrillo bài toán cố kết 3 hướng theo (1.1) có thể được xem xét như tổng
hợp của hai bài toán cố kết theo phương thẳng đứng và phương bán kính, (1.1)
chuyển thành:
𝜕𝑢
𝜕𝑡

=Cv(

𝜕𝑢2
𝜕𝑟2

+

1 𝜕𝑢

𝜕𝑢2

𝑟 𝜕𝑟

𝜕𝑧2

)+ Cv(

)

(1.2)

Trong đó:
Cv – hệ số cố kết theo phương đứng;
Cr – hệ số cố kết theo phương ngang;
u – áp lực nước lỗ rỗng dư.
Hệ số cố kết có thể được xác định bằng công thức:
Cv =

Cr =

𝑘𝑣 (1+Ɛ0 )
𝛼𝛾𝑤
𝑘𝑟 (1+Ɛ0 )
𝛼𝛾𝑤

(1.3)

(1.4)