Nghiên cứu tính toán quá trình cố kết của nền đất yếu được xử lý bằng hút chân không kết hợp với bấc thấm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP . HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-----------------------

NGUYỄN CƠNG TRÍ

NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN Q TRÌNH CỐ KẾT CỦA
NỀN ĐẤT YẾU ĐƯỢC XỬ LÝ BẰNG HÚT CHÂN
KHÔNG KẾT HỢP VỚI BẤC THẤM
Chuyên Ngành: Địa Kỹ Thuật Xây Dựng
Mã số: 605860

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2013


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : ....................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 1 :...........................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 2 :...........................................................................
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày
. . . . . tháng . . . . năm . . . . .
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. ..............................................................
2. ..............................................................
3. ..............................................................
4. ..............................................................

5. ..............................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành
sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày . . . . . tháng . . . . . năm 2013

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: NGUYỄN CÔNG TRÍ

D/ Nữ
Giới tính : Nam

Ngày, tháng, năm sinh : 10/09/1984

Nơi sinh : Kiên Giang

Chuyên ngành : Địa kỹ thuật xây dựng

MSHV: 10090344

Khoá (Năm trúng tuyển) : 2010

1- TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN Q TRÌNH CỐ KẾT CỦA NỀN ĐẤT YẾU ĐƯỢC XỬ
LÝ BẰNG HÚT CHÂN KHÔNG KẾT HỢP VỚI BẤC THẤM
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
Nhiệm vụ: Nguyên cứu tính tốn q trình cố kết của nền đất yếu được xử lý bằng hút
chân không kết hợp với bấc thấm.
Nội dung gồm có:
Chương 1 : Mở đầu.
Chương 2: Giới thiệu phương pháp hút chân không.
Chương 3: Cơ sở lý thuyết tính tốn q trình cố kết khi gia tải hút chân không kết hợp
bấc thấm.
Chương 4: Phương pháp phần tử hữu hạn trong phân tích bài tốn xử lý nền bằng bơm
hút chân khơng.
Chương 5: Phân tích xử lý nền đất yếu bằng phương pháp hút chân không tại cơng
trình thực tế Đường cao tốc Bắc Nam Long Thành Dầu Giây Đồng Nai bằng phần mềm
Geostudio.
Chương 6: Phân tích tính tốn các yếu tố ảnh hưởng đến q trình xử lý nền bằng
phương pháp hút chân khơng kết hợp với bấc thấm.
Kết luận và kiến nghị.

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ

: 21/ 01 / 2013


4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ

: 21/ 06 / 2013

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

: TS. LÊ BÁ VINH

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

TS. LÊ BÁ VINH

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)

PGS.TS. VÕ PHÁN


LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS. Lê Bá Vinh, thầy đã dành nhiều thời gian
hướng dẫn rất tận tình, tâm huyết, truyền đạt các kiến thức kinh nghiệm quý báu và định
hướng cho tôi nghiên cứu đề tài để có thể hồn thành nội dung luận văn Thạc sĩ này.
Tôi xin cảm ơn Ban Quản lý Dự án đường cao tốc Băc Nam Long Thành Dầu
Giây đã cung cấp số liệu của dự án để nghiên cứu tính tốn thực hiện đề tài.
Xin gửi lời cám ơn đến tất cả các thầy cô giảng viên của Bộ mơn Địa cơ nền
móng, Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí
Minh, đã giảng dạy và cung cấp những kiến thức bổ ích trong suốt q trình hoc tập,

giúp tơi hồn thiện kiến thức làm nền tảng cho việc nghiên cứu và hoàn thành tốt Luận
văn.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình đã ln ln bên cạnh chăm lo và
động viên tinh thần để tôi yên tâm và cố gắng hoàn thành Luận văn thạc sỹ này.
Học viên cao học

Nguyễn Cơng Trí


TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Tên đề tài:
“Nghiên cứu tính tốn q trình cố kết của nền đất yếu được xử lý bằng hút
chân khơng kết hợp với bấc thấm”.
Tóm tắt đề tài:
Phương pháp hút chân không là công nghệ tiên tiến được áp dụng trong quá trình
xử lý nền, giúp cho quá trình cố kết của đất nền diễn ra nhanh chóng và hiệu quả hơn các
phương pháp gia tải truyền thống khác. Phương pháp hút chân không đã ứng dụng có
hiệu quả rất tốt cho việc cải tạo nền đất yếu trên thế giới cũng như ở Việt Nam, như Nhà
máy khí điện đạm Cà Mau, Nhà máy điện Nhơn Trạch 2, Nhà máy điện Duyên Hải, Dự
án Đường cao tốc Bắc Nam Long Thành Dầu Giây…
Hiện nay có rất nhiều cách mơ phỏng cho bài tốn xử lý nền bằng phương pháp
này, tuy nhiên kết quả mô phỏng so với thực tế quan trắc còn nhiều vấn đề để xem xét.
Trong luận văn này nghiên cứu ứng dụng khả năng áp dụng phần mềm Geostudio trong
việc mô phỏng phương pháp xử lý nền bằng hút chân không kết hợp với bấc thấm đã
được khảo sát qua công trình thực tế là Dự án Đường cao tốc Bắc Nam Long Thành Dầu
Giây và cơng trình xử lý nền tại nền đất sét yếu dày ở vùng biển Ariake, Nhật Bản. Các
kết quả tính tốn bằng phần mềm Geostudio đã được đối chiếu, so sánh với các số liệu
quan trắc thực tế.
Ngoài ra, luận văn này cũng nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến q trình hút
chân khơng: xử lý nền đất yếu dày, sự cố kết trong phạm vi ở vùng dưới mũi bấc thấm,

sự ảnh hưởng của hiệu quả xử lý nền khi thay đổi các thơng số bấc thấm, mơ phỏng bấc
thấm lí tưởng và bấc thấm khơng lí tưởng, ảnh hưởng của lớp thấu kính cát bên dưới mũi
bấc thấm và ở giữa bấc thấm.
Qua luận văn này kì vọng có thể đưa ra phương pháp thiết kế xử lý nền bằng hút
chân không kết hợp với bấc thấm cũng như xem xét các yếu tố ảnh hưởng khi thiết kế để
phục vụ nhu cầu thiết kế, thi công phương pháp tiên tiến hiệu quả này.


SUMMARY OF THESIS
Title:
“"Research on the calculation of the soft soil consolidation is treated by
vacuum combined with vertical drains”
Abstract:
Vacuum method is advanced technologies are applied in the soft soil
improvement, it helps the soil consolidation process more quickly and efficiently than
traditional methods. Vacuum method are applied very effectively for improving soft soil
in the world as well as in Vietnam, such as Ca Mau Gas power plant, Nhon Trach 2
Power Plant, Duyen Hai Power Plant , Long Thanh Dau Giay North-South Expressway
Project…
Currently, there are many ways to simulate the handling problem. However, the
simulation results compared with actual observations taking many issues to consider. In
this thesis studies the applicability of Geostudio software in simulating the soil
improvement by vacuum combined with vertical drained, were surveyed across Long
Thanh Dau Giay North-South Expressway project and the soil treatment with the weak
thick clay in Ariake Sea, Japan. The results calculated by the Geostudio software has
been collated, compared with the actual monitoring data.
In addition, this thesis also examines the factors affecting the vacuum process
when improving the soft soil, such as: treating the weak thick clay, the consolidation
region under the nose of drain, the effects of the treatment by changing parameters of
drain, perfect drain simulate and non-perfect drain simulate, the effect of sand lens layer

under the nose of drain and at the middle of drain.
Through this thesis can be expected to give the design method for soil treatment
by the vacuum combined with vertical drains as well as related the affects to consider
when designed, serve the needs of the design and construction for this effectively
advanced method.


LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan các số liệu tính toán và quan trắc trong dự án Đường cao tốc
Bắc Nam Long Thành Dầu Giây và vùng ven biển Ariake Nhật Bản được dùng để phục
vụ nghiên cứu tính tốn phương pháp xử lý nền bằng hút chân không kết hợp với bấc
thấm đúng với thực tế cũng như các kết quả tính tốn bằng phần mềm Geostudio hồn
tồn trung thực.

Học viên cao học

Nguyễn Cơng Trí


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU ......................................................................................... 13
1.1. Đặt vấn đề nghiên cứu................................................................................. 13
1.2. Mục tiêu nghiên cứu.................................................................................... 14
1.3. Phạm vi nghiên cứu ..................................................................................... 14
1.4. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................. 15
1.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .................................................... 15
CHƯƠNG 2. GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP HÚT CHÂN KHÔNG ........... 16
2.1. Phương pháp xử lý nền bằng gia tải trước kết hợp giếng thấm .................. 16
2.1.1. Kỹ thuật gia tải trước............................................................................. 16

2.1.2. Giếng thấm ............................................................................................ 17
2.2. Giới thiệu phương pháp gia tải trước bằng công nghệ hút chân không... 19
2.2.1. Nguyên tắc hoạt động của bơm hút chân không ................................... 21
2.2.2. Kết hợp gia tải trước bằng đắp đất và bơm hút chân khơng ................. 22
2.2.3. Phân tích ưu khuyết điểm của phương pháp gia tải trước bơm hút chân
không so với phương pháp giả tải trước thông thường ................................... 22
2.3. Một số cơng trình thực tế áp dụng phương pháp thi công gia tải trước bơm
hút chân khơng.................................................................................................... 23
CHƯƠNG 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN Q TRÌNH CỐ KẾT KHI
GIA TẢI HÚT CHÂN KHƠNG KẾT HỢP BẤC THẤM.................................... 25
3.1. Cơ sở lý thuyết ............................................................................................ 25
3.1.1. Thông số kỹ thuật của giếng thấm ........................................................ 25
3.1.2. Mơ hình lăng trụ thấm đối xứng trục .................................................... 28
3.1.3. Cơ sở lý thuyết bài toán cố kết thấm..................................................... 28
3.1.4. Cơ sở lý thuyết bài toán giếng thấm...................................................... 31
3.1.5. Áp lực hút chân khơng .......................................................................... 32
3.2. Lý thuyết tính tốn độ lún của đất nền: ....................................................... 36
CHƯƠNG 4. PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN TRONG PHÂN TÍCH
BÀI TỐN XỬ LÝ NỀN BẰNG BƠM HÚT CHÂN KHÔNG .......................... 38
 


4.1. Giới thiệu phương pháp phần tử hữu hạn.................................................... 38
4.2. Mơ hình Cam-Clay ...................................................................................... 39
4.3. Phương pháp mơ phỏng mơ hình bấc thấm................................................. 42
4.3.1. Phương pháp khối đất tương đương...................................................... 42
4.3.2. Phương pháp bài toán đối xứng trục ..................................................... 43
4.3.3. Phương pháp quy đổi tương đương sang bài toán phẳng...................... 43
4.4. Điều kiện biên trong phương pháp PTHH .................................................. 45
4.5. Mô phỏng áp suất chân không do máy bơm ............................................... 45

CHƯƠNG 5. PHÂN TÍCH XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG PHƯƠNG PHÁP
HÚT CHÂN KHƠNG TẠI CƠNG TRÌNH THỰC TẾ ĐƯỜNG CAO TỐC BẮC
NAM LONG THÀNH DẦU GIÂY ĐỒNG NAI BẰNG PHẦN MỀM
GEOSTUDIO......................................................................................................... 47
5.1. Giới thiệu về cơng trình thực tế được nghiên cứu....................................... 47
5.2. Điều kiện đất nền......................................................................................... 48
5.3. Thi công thực tế ........................................................................................... 49
5.3.1. Thi công bấc thấm ................................................................................. 49
5.3.2. Thi công gia tải và hút chân không ....................................................... 55
5.3.3. Q trình thi cơng gia tải và hút chân khơng ........................................ 57
5.3.4. Bố trí thiết bị quan trắc.......................................................................... 57
5.4. Phân tích xử lý nền bằng phương pháp hút chân không kết hợp bấc thấm
bằng phương pháp phần tử hữu hạn Geostudio.................................................. 59
5.4.1. Mơ hình bài tốn ................................................................................... 59
5.4.2. Phân tích kết quả lún theo độ sâu.......................................................... 65
5.4.3. Phân tích kết quả chuyển vị ngang........................................................ 71
5.4.4. Phân tích kết quả áp lực nước lỗ rỗng trong nền đất............................. 74
5.4.5. Kết luận về ứng dụng phần mềm Geostudio......................................... 76
CHƯƠNG 6. PHÂN TÍCH TÍNH TỐN CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN
Q TRÌNH XỬ LÝ NỀN BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÚT CHÂN KHÔNG KẾT
HỢP VỚI BẤC THẤM ......................................................................................... 77
6.1. Phân tích hiệu quả xử lý nền khi thay đổi khoảng cách cắm bấc thấm, chiều
dài bấc thấm........................................................................................................ 77
 


6.1.1. Thay đổi khoảng cách cắm bấc thấm .................................................... 77
6.1.2. Thay đổi chiều dài bấc thấm ................................................................. 81
6.2. Phân tích xử lý nền bằng phương pháp hút chân không với lớp sét yếu dày
............................................................................................................................ 83

6.2.1. Điều kiện đất nền .................................................................................. 83
6.2.2. Bơm hút chân không ............................................................................. 85
6.2.3. Thông số bấc thấm ................................................................................ 85
6.2.4. Phân tích mơ phỏng cơng tác xử lý nền bằng phần mềm Geostudio và so
sánh với kết quả quan trắc............................................................................... 86
1. Phân tích kết quả độ lún nền đất............................................................... 90
2. Phân tích kết quả chuyển vị ngang của nền đất........................................ 94
3. Phân tích kết quả áp lực nước lỗ rỗng thặng dư trong nền đất................. 94
6.2.5. Kết luận về xử lý nền với lớp đất sét yếu dày:...................................... 97
6.3. Phân tích phạm vi lún cố kết phía dưới mũi bấc thấm ................................ 97
6.3.1. Phân tích ảnh hưởng của hệ số thấm đất sét đến phạm vi vùng lún cố kết
bên dưới mũi bấc thấm.................................................................................... 98
6.3.2. Phân tích ảnh hưởng của khoảng cách cắm bấc thấm đến phạm vi vùng
lún cố kết bên dưới mũi bấc thấm ................................................................. 100
6.3.3. Phân tích ảnh hưởng của áp lực bơm đến phạm vi vùng lún cố kết bên
dưới mũi bấc thấm......................................................................................... 101
6.3.4. Kết luận về phạm vi vùng lún cố kết bên dưới mũi bấc thấm ............ 101
6.4. Phân tích mơ phỏng bấc thấm lý tưởng và không lý tưởng....................... 102
6.4.1. Mơ phỏng bấc thấm lí tưởng ............................................................... 102
6.4.2. Mơ phỏng bấc thấm khơng lí tưởng .................................................... 105
6.4.3. Kết luận về mô phỏng bấc thấm lý tưởng và bấc thấm không lý tưởng
....................................................................................................................... 107
6.5. Phân tích ảnh hưởng của lớp thốt nước tốt bên dưới mũi bấc thấm ........ 107
6.5.1. Trường hợp khơng có lớp thốt nước tốt: ........................................... 108
6.5.2. Trường hợp lớp thoát nước tốt nằm dưới mũi bấc thấm 3m:.............. 110
6.5.3. Trường hợp lớp thoát nước tốt nằm dưới mũi bấc thấm 2m:.............. 112
6.5.4. Trường hợp lớp thoát nước tốt nằm dưới mũi bấc thấm 1.5m:........... 114
 

6.5.5. Trường hợp lớp thoát nước tốt nằm dưới mũi bấc thấm 1m:.............. 116
6.5.6. Trường hợp lớp thoát nước tốt nằm dưới mũi bấc thấm 0.5m:........... 118
6.5.7. Trường hợp lớp thoát nước tốt nằm sát dưới mũi bấc thấm (cách 0m):
....................................................................................................................... 120
6.5.8. Trường hợp lớp thoát nước tốt nằm sát dưới mũi bấc thấm (cách 0m) có
hệ số thấm lớn nhất kx=86m/ngày≈10-1cm/s: ............................................... 122
6.5.9. Kết luận về ảnh hưởng của lớp thoát nước tốt bên dưới mũi bấc thấm
....................................................................................................................... 125
6.6. Phân tích ảnh hưởng của lớp thấu kính cát nằm giữa bấc thấm ................ 125
6.6.1. Phân tích nền khi khơng có lớp thấu kính cát ..................................... 126
6.6.2. Phân tích nền khi có lớp thấu kính cát ở giữa bấc thấm ..................... 131
1. Thấu kính cát với hệ số thấm kx=2m/ngày............................................. 131
2. Thấu kính cát với hệ số thấm kx=86m/ngày........................................... 134
6.6.3. Kết luận về ảnh hưởng của lớp thấu kính cát ở giữa bấc thấm …………..137
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ………….……………………………………….138

 


13

CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề nghiên cứu
Trong thời kì hội nhập phát triển kinh tế đất nước, vấn đề đầu tư và xây
dựng cơ sở hạ tầng rất được chú trọng và ngày càng được đẩy mạnh. Các khu
cơng nghiệp, cảng và nhà máy có quy mơ lớn được xây dựng tại các khu vực
duyên hải, hoặc châu thổ để tận dụng các thuận lợi về địa điểm và vị trí địa lý càng
ngày càng nhiều.
Nhiều cơng trình có tải trọng lớn được đặt tại vị trí có địa chất yếu bên dưới
được đưa vào sử dụng sớm trong khi đất nền chưa cố kết hết nên công trình tiếp

tục lún gây ra nhiều hư hỏng cần phải sửa chữa mà cơng trình vẫn tiếp tục lún. Do
đó để xây dựng các cơng trình có tải trọng lớn trong khu vực này cần phải có các
biện pháp xử lý nền trước khi xây dựng cơng trình.
Hiện nay, việc áp dụng các biện pháp xử lý nền tiên tiến trên thế giới vào các
cơng trình trong nước cũng mang đến những thành công vượt mong đợi về hiệu
quả và thời gian. Khi phải xử lý nền đất rất yếu, phương pháp hút chân khơng có
hiệu quả nhanh hơn phương pháp gia tải đơn thuần với áp lực chân không 80 kPa
thường được giữ khơng đổi trong suốt q trình xử lý nền. Phương pháp hút chân
không để gia tải cũng rẻ hơn khi so sánh với chỉ gia tải với sức tải tương đương.
Phương pháp gia cố đất nền bằng gia tải trước đắp đất kết hợp bơm hút chân
khơng đã được áp dụng vào một số cơng trình tại nước ta như cơng trình Nhà máy
khí điện đạm Cà Mau, Nhà máy điện Nhơn Trạch 2, Nhà máy điện Duyên Hải,
Đường cao tốc Bắc Nam Long Thành Dầu Giây…với các nhà thầu trong và ngoai
nước tham gia thiết kế và thi công phương pháp xử lý nền này.
Phương pháp này cho thấy rất nhiều ưu điểm về tiến độ, kinh tế, và thực sự
là một trong các phương pháp xử lý nền hiệu quả sẽ được áp dụng phổ biển trong
tương lai. Đối với nước ta, có thể nói xử lý nền bằng bơm hút chân khơng là một
HVTH: NGUYỄN CƠNG TRÍ
 

CBHD: TS LÊ BÁ VINH


14

.
Hiện nay, có rất nhiều đơn vị, cá nhân quan tâm nghiên cứu ứng dụng công nghệ
này để áp dụng vào cơng trình thi cơng thực tế.
1.2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu chính của đề tài bao gồm những nội dung sau đây:

Nghiên cứu tính tốn cơng thức quy đổi hệ số thấm đất có bấc thấm từ
3D sang 2D của Indraratna.
Nghiên cứu phương pháp mô phỏng bấc thấm trực tiếp bằng phần tử
Drain cho nền đất Đường cao tốc Bắc Nam Long Thành Dầu Giây xử
lý hút chân không bằng phần mềm Geostudio.
Nghiên cứu độ cố kết của nền đất khi thay đổi khoảng cách bấc thấm
và chiều dài bấc thấm, mô phỏng bằng phần mềm Geostudio.
Nghiên cứu độ cố kết của nền sét yếu dày, mô phỏng bằng phần mềm
Geostuio.
Nghiên cứu cơng thức tính tốn phạm vi lún cố kết dưới mũi bấc
thấm, mô phỏng bằng phần mềm Geostudio.
Nghiên cứu mô phỏng bấc thấm lý tưởng và bấc thấm không lý tưởng
bằng phần mềm Geostudio.
Nghiên cứu ảnh hưởng sự rị rỉ chân khơng của lớp cát đến độ cố kết
nền bằng mô phỏng bằng phần mềm Geostudio.
1.3. Phạm vi nghiên cứu
Đường cao tốc Bắc Nam Long Thành Dầu Giây và nền đất yếu ở ven
biển Arieka, Nhật Bản.
Mơ phỏng bằng phần mềm Geostudio.
HVTH: NGUYỄN CƠNG TRÍ
 

CBHD: TS LÊ BÁ VINH


15

Sử dụng số liệu quan trắc để kiểm tra độ lún, chuyển vị ngang, áp lực
nước lỗ rỗng của nền đất.
Nghiên cứu mở rộng các bài toán xét các yếu tố ảnh hưởng đến quá

trình xử lý nền bằng phương pháp hút chân không kết hợp bấc thấm.
1.4. Phương pháp nghiên cứu
Trên cơ sở số liệu về địa hình, địa chất và kết quả thiết kế thi cơng tại cơng
trình, nghiên cứu lý thuyết tính tốn, đưa ra mơ hình tính tốn theo phương pháp
PTHH bằng phần mềm Geostudio. So sánh kết quả tính lý thuyết theo mơ hình và
kết quả quan trắc thực tế của cơng trình đưa ra kết luận về tính chính xác của mơ
hình và lý thuyết tính tốn.
1.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ưu điểm của phương pháp xử lý nền bằng hút chân không kết hợp bấc thấm
là thời gian thi công nhanh, giảm khả năng mất ổn định cơng trình trong thời gian
gia tải, giảm khối lượng cát gia tải so với phương pháp gia tải bằng cát đắp truyền
thống. Nếu tiếp tục nghiên cứu làm chủ công nghệ thi công giúp hạ giá thành thi
công, đây là phương pháp phù hợp, có thể áp dụng phổ biến trong tương lai, thay
thế cho phương pháp gia tải truyền thống.
Áp dụng phương pháp mơ phỏng mơ hình xử lý nền bằng hút chân không kết
hợp bấc thấm bằng phần mềm Geostudio, trong đó sử dụng cơng thức chuyển đổi
hệ số thấm của đất nền từ mơ hình 3D sang 2D và xem xét mô phỏng phần tử bấc
thấm Drain lý tưởng và không lý tưởng sao cho phù hợp với thực tế thi công.
Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý nền bằng phương pháp
hút chân không kết hợp bấc thấm phục vụ nhu cầu thiết kế cũng như thi công bằng
phương pháp này.

HVTH: NGUYỄN CƠNG TRÍ
 

CBHD: TS LÊ BÁ VINH


16

CHƯƠNG 2. GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP HÚT CHÂN
KHÔNG
2.1. Phương pháp xử lý nền bằng gia tải trước kết hợp giếng thấm
Một trong những phương pháp cải tạo các tính chất của đất được sử dụng
phổ biến trên thế giới là phương pháp gia tải trước kết hợp với các thiết bị thoát
nước thẳng đứng (giếng thấm).
2.1.1. Kỹ thuật gia tải trước
Gia tải trước là quá trình nén trước nền đất trước khi xây dựng cơng trình.
Nếu tải trọng nén trước tác dụng tạm thời lớn hơn tải trọng thường xun của cơng
trình thì phần chênh lệch được gọi là gia tải.

 

Hình 2.1: Xử lý nền bằng phương pháp gia tải trước
Phương pháp gia tải trước đơn giản nhất là phương pháp sử dụng đất đắp.
Khi tải trọng đặt trên nền đất yếu, đầu tiên toàn bộ tải trọng sẽ do nước lỗ rỗng
gánh chịu. Áp lực nước lỗ rỗng sẽ giảm dần khi nước lỗ rỗng thấm theo phương
thẳng đứng ra khỏi nền đất làm cho nền đất cố kết.

HVTH: NGUYỄN CƠNG TRÍ
 

CBHD: TS LÊ BÁ VINH


17

 

Hình 2.2: Kết quả độ lún do quá trình gia tải trước

Tải trọng tạm thời có thể được dỡ bỏ khi nền đất có độ lún đạt được giá trị độ
lún cuối cùng với cấp tải trọng thiết kế. Sau đó, nếu xây dựng cơng trình lên nền
đất này độ lún cố kết sẽ khơng cịn đáng kể. Ngồi ra, với sự gia tăng về cường độ
cũng như tốc độ gia tải thì độ lún thứ cấp sẽ được giảm đáng kể. Điều này được
giải thích là, khi sử dụng tải trọng gia tải trước lớn hơn tải trọng làm việc của cơng
trình, đất nền ln ln nằm trong trạng thái quá cố kết và tính lún thứ cấp của đất
quá cố kết thì nhỏ hơn rất nhiều so với đất cố kết thường. Điều này có ý nghĩa rất
lớn trong thực tế (Johnson, 1970). Tuy nhiên phần gia tải chỉ có thể dỡ đi khi áp
lực nước lỗ rỗng trong đất tiêu tán hoàn toàn.
2.1.2. Giếng thấm
Lún cố kết ln gây ra nhiều vấn đề với nền móng cơng trình, hệ số thấm của
đất yếu thường rất nhỏ nên độ lún cố kết chỉ kết thúc sau một thời gian rất lâu. Để
rút ngắn thời gian cố kết người ta dùng kỹ thuật giếng thấm cộng với phương pháp
gia tải trước. Giếng thấm là đường thoát nước nhân tạo được cắm vào nền đất yếu,
dưới tác dụng của gia tải, gradient thủy lực của nước trong lỗ rỗng gia tăng làm
nước thấm theo phương ngang vào các giếng thấm và sau đó nước sẽ thấm tự do
một cách nhanh chóng theo giếng thấm đi lên trên bề mặt. Như vậy dùng giếng
thấm sẽ rút ngắn chiều dài đường thấm cho nên thời gian cố kết cũng được rút
HVTH: NGUYỄN CƠNG TRÍ
 

CBHD: TS LÊ BÁ VINH


18

ngắn một cách đáng kể. Hơn nữa thông số hệ số thấm theo phương ngang lớn hơn
hệ số thấm theo phương đứng cho nên thời gian kết thúc cố kết sẽ được rút ngắn
lại. Giếng thấm có hai chức năng rõ rệt :

Rút ngắn thời gian cố kết


Tăng sức chống cắt

Hình 2.3: Gia tải trước với giếng thấm
D.J.Moran (kỹ sư người Mỹ) là người đầu tiên đề nghị sử dụng giếng cát vào
năm 1925 và được thi công thử nghiệm một vài năm sau đó tại California.
Phương pháp giếng cát có một số nhược điểm nhất định. Cát được sử dụng
trong giếng cát phải được chọn lựa kỹ lưỡng để có hệ số thấm tốt nhất cho nên
phải vận chuyển cát từ những nguồn thích hợp xa vị trí cơng trường. Ngồi ra,
trong khi thi cơng rất có khả năng giếng cát bị đứt đoạn khơng bảo đảm được vai
trị thốt nước do lỗi trong thi cơng hoặc do chuyển vị ngang của nền lớn. Người ta
đã bắt đầu nghĩ ra cách thay thế vật liệu thuận lợi hơn để thi công giếng thấm.
Tại Thụy Điển vào giữa thập niên 1930, Kjellman bắt đầu tiến hành thử
nghiệm giếng thấm chế tạo sẵn hồn tồn bằng các tơng. Tuy nhiên với vật liệu
giếng thấm này vấn đề nảy sinh là sự phá hoại nhanh chóng bấc thấm khi thi cơng
vào nền đất. Vào năm 1971, Wager cải thiện bấc thấm Kjellman bằng cách sử
HVTH: NGUYỄN CƠNG TRÍ
 

CBHD: TS LÊ BÁ VINH


19

dụng lõi làm bằng chất dẻo (polyethylene) nhằm thay thế lõi bằng các tơng. Một
thời kì mới mở ra đối với giếng thấm, một số lượng bấc thấm chế tạo sẵn đã xuất
hiện. Thi công cắm bấc thấm được cải thiện về tốc độ và chiều sâu cắm. Ngày nay

bấc thấm được xem là vật liệu chính phổ biến dùng để xử lý nền đất có độ sâu lớn,
được áp dụng rộng rãi cho các dự án đường, cảng, sân bay…
Bấc thấm thường có bề rộng 100mm, dày 3 5mm. Lõi bấc thấm là một loại
chất dẻo, có nhiều rãnh nhỏ để làm khe thoát nước hoặc để đỡ võ lớp bọc khi có áp
lực ép vào bấc thấm. Bao quanh lõi là lớp vỏ bằng vải địa kỹ thuật bằng nhựa tổng
hợp hoặc dạng dệt từ sợi nhựa tổng hợp. Vỏ có tác dụng làm bộ lọc nước, hạn chế
các hạt đất đi qua làm tắc nghẽn khe thoát nước. Với kỹ thuật sản xuất bấc thấm
hiện nay, lưu lượng tháo nước của bấc thấm có thể đạt 80m3 140m3/năm cao hơn
rất nhiều so với độ thấm của đất yếu.

Hình 2.4: Hình dạng bấc thấm và ống cắm bấc thấm điển hình
2.2. Giới thiệu phương pháp gia tải trước bằng công nghệ hút chân không
Mặc dù những phương pháp xử lý gia cố nền đất yếu bằng giếng cát, bấc
thấm với gia tải trước đã trở nên phổ biến và được áp dụng thành công ở nhiều
công trình. Tuy nhiên, cùng với sự khan hiếm vật liệu đất đắp hiện nay và với yêu
cầu ngày càng cao về tiến độ thi công, … đã làm nảy sinh nhu cầu cần có một biện
pháp xử lý mới hơn trong phương pháp gia tải trước.
HVTH: NGUYỄN CƠNG TRÍ
 

CBHD: TS LÊ BÁ VINH


20

Năm 1952, Kjellman đã đưa ra phương pháp dùng áp lực hút chân không để
nén cố kết nền đất thay cho việc chất tải. Trong phương pháp này người ta phủ lên
nền đất sét một lớp cát có chiều dày chừng 15cm và dùng một tấm bằng cao su
hoặc nhựa phủ lên toàn bộ lớp cát này và biên của nó được chơn kỹ vào lớp sét
yếu. Sau đó người ta hút khơng khí ra để tạo áp lực hút chân không khoảng chừng

70-80kpa, tương đương với chiều cao đất đắp 5m. Ý tưởng này đã được đặt ra từ
thập niên 60, nhưng chỉ trong thời gian gần đây, khi công nghệ thi công bằng
phương pháp này được áp dụng và thành cơng trong các cơng trình lớn thì nó mới
được ghi nhận và đánh giá như một công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực xử lý đất
yếu.
Về mặt lý thuyết hồn tồn hợp lý, tuy nhiên lại khơng thực tế vào những
năm 1952 vì các tấm phủ bị hư hỏng nhanh chóng và kết quả là khơng tạo được
lực hút chân không. Ngày nay các tấm phủ được cải thiện tốt cho nên có thể sử
dụng được, ngồi ra bấc thấm được phát triển mạnh cho nên phương pháp này
hồn tồn có thể sử dụng được. Trong phương pháp gia tải trước trong quá trình
gia tải ứng suất tổng khơng đổi:
σ = σ’ + u
Trong đó:
σ - ứng suất tổng
σ’ - ứng suất có hiệu
u – áp lực nước lỗ rỗng
Từ phương trình trên suy ra:
dσ’ = -du
Cho nên độ giảm áp lực nước lỗ rỗng bằng độ gia tăng ứng suất hữu hiệu.

HVTH: NGUYỄN CƠNG TRÍ
 

CBHD: TS LÊ BÁ VINH


21

Theo phương pháp gia tải bằng cách đắp đất thì ứng suất cắt bên trong nền sẽ
gia tăng lập tức, trong khi đó ứng suất có hiệu cũng như sức chống cắt của nền chỉ

gia tăng khi áp lực lỗ rỗng tiêu tán cho nên quá trình đắp đất phải được tiến hành
từng bước để tránh cho nền không bị phá hoại. Trong khi đó phương pháp hút
chân khơng nền khơng bị phá hoại trượt vì ứng suất tổng khơng gia tăng cho nên
ứng suất cắt cũng không gia tăng. Tiện lợi nhất của phương pháp này là việc gia
tải không bị khống chế do sức chống cắt của đất nền.
2.2.1. Nguyên tắc hoạt động của bơm hút chân không
Sơ đồ hoạt động của hệ thống bơm hút chân không được mơ tả:

Hình 2.5: Sơ đồ hoạt động của hệ thống bơm hút chân không
 

Các nguyên tắc hoạt động của bơm hút chân khơng


Loại bỏ áp lực khơng khí trong đất nền, từ một mơi trường đóng kín (bao

gồm phía trên là màng kín khí, bên dưới và xung quanh là mơi trường đất độ thấm
nhỏ bão hịa nước).
HVTH: NGUYỄN CƠNG TRÍ
 

CBHD: TS LÊ BÁ VINH


22



Duy trì hệ thống thốt nước hiệu quả dưới màng để tống nước và khơng khí

ra khỏi đất trong suốt thời gian bơm.



Giữ cho mơi trường khơng bão hồ nước bên dưới màng.
Duy trì áp suất chân khơng liên tục trong suốt q trình xử lý.




Neo chặt và bịt kín hệ thống ở chu vi ngoại biên của vùng xử lý.
Kết quả cuối cùng nước sẽ được hút ra khỏi nền và đất sẽ cố kết lại.

2.2.2. Kết hợp gia tải trước bằng đắp đất và bơm hút chân không
Thông thường phương pháp hút chân không được lựa chọn cho cơng trình
cần độ gia tải lớn, u cầu về thời gian thi cơng nhanh. Phương pháp hút chân
khơng có nhược điểm là áp lực gia tải hạn chế bởi hiệu suất bơm hút (chỉ đạt 70
80 kPa), nên thường được kết hợp với biện pháp gia tải trước đắp đất.
Thông thường, giai đoạn bơm hút chân không sẽ được áp dụng trước làm cho
đất nền tăng sức chịu tải, sau đó mới triển khai giai đoạn gia tải đắp đất theo nhiều
cấp tiếp theo.
Ngoài ra, để giảm các chuyển vị ngang nằm ở chu vi khu vực xử lý khi tiến
hành hút chân không, việc gia tải bằng đất đắp phải được cân nhắc sao cho có
khuynh hướng làm triệt tiêu chuyển vị này.
2.2.3. Phân tích ưu khuyết điểm của phương pháp gia tải trước bơm hút chân
không so với phương pháp giả tải trước thông thường
a. Ưu điểm


Việc hút chân không tạo ra áp lực gia tải lớn (tối đa đến 80kPa) và gần như

tức thời. Thời gian gia tải được rút ngắn đáng kể.

HVTH: NGUYỄN CƠNG TRÍ
 

CBHD: TS LÊ BÁ VINH


23



Không sử dụng nhiều vật liệu gia tải (hiện đang dần khan hiếm, nhất là khu

vực thành thị) làm giảm được giá thành.


Áp lực hút chân không là đẳng hướng nên không phát sinh lực cắt trượt,

không gây chuyển vị ngang nên an tồn đối với cơng trình lân cận.


Nếu kết hợp gia tải sau khi hút chân không, do tính chất bù trừ áp lực nở

hơng do hút chân không (co đất) và áp lực do gia tải đắp đất (nở đất), nên áp lực
gia tải tổng cộng đạt được lớn hơn rất nhiều so với gia tải thông thường.

Hình 2.6: Ứng suất trong phương pháp gia tải chân khơng và đắp đất
b. Nhược điểm



u cầu máy móc và kỹ thuật thi công cao, dẫn đến giá thành đắt,
Bị giới hạn về áp lực hút chân không và độ sâu gia cố, hiệu quả thấp đối với

nền gồm các tầng cát với hệ số thấm cao nằm xen kẹp.


Rất khó làm kín khí nên gây thất thốt áp lực hút.
Tuy nhiên với kỹ thuật ngày càng hồn thiện cơng nghệ bơm hút chân không

đã và đang dần trở nên phổ biến trên thế giới.
HVTH: NGUYỄN CƠNG TRÍ
 

CBHD: TS LÊ BÁ VINH


24

2.3. Một số cơng trình thực tế áp dụng phương pháp thi công gia tải trước
bơm hút chân không
Việc nghiên cứu triển khai ứng dụng công nghệ gia tải bơm hút chân không
đã được triển khai và thành công ở nhiều nước trên thế giới.
Trung Quốc là nước đã tiến hành thử nghiệm đầu tiên do thiếu vật liệu đắp
gia tải trước. Một số cơng trình quy mơ lớn đã được sử dụng công nghệ này như
cảng Xingang, Tianjing, Trung Quốc, xử lý lớp đất sét yếu dày ở vùng ven biển

Arieka, Nhật Bản. Tại Nhật Bản, phương pháp này được sử dụng thường xun
trong xây dựng cơng trình từ những năm 1960 đến 1980.
Tại Việt Nam, công nghệ gia tải hút chân khơng chưa được phổ biến. Cơng
trình đầu tiên áp dụng phương pháp này là nhà máy khí điện, đạm Cà Mau (diện
tích xử lý 130.000m2) nằm ở điểm cực nam Việt Nam, gần thành phố Cà Mau, bao
gồm hai nhà máy, mỗi nhà máy có cơng suất 720MW.
Dự án Nhà Máy Điện Duyên Hải tỉnh Trà Vinh được đặt trên nền đất yếu
gần bờ biển Duyên Hải nên đã sử dụng phương pháp gia tải trước bằng cát đắp và
hút chân không để cải thiện sức chịu tải của nền đất.
Dự án Nhà Máy Điện Chu Trình Hỗn Hợp Nhơn Trạch 2 cũng đã được sử
dụng công nghệ này (diện tích xử lý khoảng 9.3 ha). Cơng trình này đặt tại Nhơn
Trạch, tỉnh Đồng Nai.
Dự án Đường cao tốc Bắc Nam Long Thành Dầu Giây đã thử nghiệm
phương pháp hút chân khơng để có thể đưa vào sử dụng xử lý nền đất sét yếu bên
dưới. Đề tài sẽ sử dụng các thông số đo được từ kết quả quan trắc trong quá trình
xử lý nền của Dự án này để kiểm chứng với kết quả tính tốn từ các phương pháp
mơ phỏng.

HVTH: NGUYỄN CƠNG TRÍ
 

CBHD: TS LÊ BÁ VINH


25

CHƯƠNG 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN Q TRÌNH CỐ
KẾT KHI GIA TẢI HÚT CHÂN KHÔNG KẾT HỢP BẤC THẤM
3.1. Cơ sở lý thuyết
3.1.1. Thông số kỹ thuật của giếng thấm

1. Đường kính tương đương
Hansbo (1979) đề nghị đường kính tương đương bấc thấm có thể xác định
theo cơng thức sau:

Hình 3.1: Đường kính tương đương
2. Khả năng thốt nước
Mục đích của việc sử dụng bấc thấm là làm tiêu tán nhanh áp lực nước lỗ
rỗng và tháo nước lỗ rỗng trong nền đất yếu ra ngồi. Vì vậy khả năng thốt nước
của bấc thấm càng cao thì hiệu quả của bấc thấm càng lớn.
3. Vùng ảnh hưởng của giếng thấm
Thời gian để đạt được độ cố kết là hàm số phụ thuộc vào bình phương đường
kính có hiệu de của giếng thấm. Thơng số này có thể được khơng chế theo ý muốn
HVTH: NGUYỄN CƠNG TRÍ
 

CBHD: TS LÊ BÁ VINH