Phân tích xử lý nền đất yếu bằng phương pháp hút chân không kết hợp bấc thấm - Ứng dụng phần mềm Plaxis 3D

PHÂN TÍCH XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG PHƯƠNG PHÁP
HÚT CHÂN KHÔNG KẾT HỢP BẤC THẤM ỨNG DỤNG PHẦN MỀM PLAXIS 3D
LÊ BÁ VINH*
NGÔ NỮ QUỲN TRÂM**

Analysis the soft ground improvement by using vacuum preloading
method in combination with PVDs – the application of “PLAXIS 3D”
software
Abstract: In this paper, authors present the simulation of vacuum
preloading method combined with vertical drains to improve the soft clay
ground. The software used in this paper is Plaxis 3D, with many
significant improvements giving very positive results. Morever, the
consolidation zone lying under the vertical drains was analyzed to
establish the consolidation scope and determination of the depth of
vacuum-induced consolidation zone.
1. ẶT VẤN Ề *
Để tăng tốc độ và hiệu quả xử lý nền đất yếu,
ngƣời ta thƣờng dùng phƣơng pháp cố kết chân
không hoặc gia tải trƣớc kết hợp bấc thấm. Tuy
nhiên hiện nay việc sử dụng phần mềm ứng
dụng trong tính tốn q trình cố kết lại khá hạn
chế [1], [2]. Vì vậy nghiên cứu này tiến hành
đánh giá tính khả thi của phần mềm Plaxis 3D
trong mơ phỏng bài tốn cố kết chân khơng kết
hợp bấc thấm. Khảo sát tính ứng dụng thơng
qua cơng trình thực tế ở vịnh Tokyo (Japan), so
sánh kết quả mô phỏng với số liệu quan trắc.
Ngồi ra, bài báo cịn đánh giá thêm vùng
lún bên dƣới mũi bấc thấm, vì quá trình cố kết
khơng chỉ diễn ra ở vùng cắm bấc thấm. Nhờ
vào việc ứng dụng phƣơng pháp phần tử hữu

hạn bằng phần mềm Plaxis 3D từ đó thiết lập
cơng thức tƣơng quan về vùng nền dƣới mũi
bấc thấm.
*

**

Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM
268 Lý Thường Kiệt, Q.10, Tp. HCM
Email:
Công ty TNHH Thương Mại Xây Dựng Đoàn Lực
80 Đường D2, Thủ Dầu Một, T. B nh Dương
DĐ: 096.557.3447
Email:

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1 - 2021

2.

N

G

TÍN

K Ả THI CỦA

PHẦN MỀM PLAXIS 3D TRONG PHÂN
TÍCH XỬ LÝ NỀN BẰNG HÚT CHÂN
KHƠNG K T HỢP BẤC THẤM

2.1. Giới thiệu cơng trình
Hai vùng thử nghiệm hiện trƣờng (A và B)
đã đƣợc xây dựng, và tiến hành gia tải hút
chân không ở vịnh Tokyo, Nhật Bản để cố kết
nền đất sét yếu nằm ở đáy biển cũng nhƣ các
lớp bùn sét nạo vét [5]. Phần A có diện tích
60m x 60m và Phần B có diện tích 61,2m x
61,2m, và hai phần gần nhƣ liền kề nhƣ hình
1. Nền đất tại địa điểm này nhƣ hình 2 bao
gồm một lớp đất sét đƣợc khai hoang có độ
dày khoảng 12 m. Bên dƣới nó là một lớp đất
sét tự nhiên dày khoảng 29 m, dƣới đó là một
lớp cát. Phần lớn việc khai hoang đƣợc thực
hiện từ năm 2003 đến năm 2005 với tốc độ
san lấp khoảng 3,5 m / năm. Có thể thấy rằng
lớp bùn khai hoang là cố kết thƣờng, nhƣng
lớp đất sét vẫn đang ở trong quá trình cố kết.
Chọn khu vực xử lý là phần A.
59


2.2. Thơng số nhập mơ hình
Thơng số đất nền nhập vào mơ hình đƣợc lấy
chọn lọc nhƣ hình 3 bên dƣới:

dHình 1. Định vị khu đất x lý

Hình 3. Mặt cắt các lớp đất, bấc thấm và các
thông số cơ bản của mơ h nh tính tốn
Hình 2. Một số thông số của đất nền vùng

cần x lý [3]

Để tiện cho việc tính tốn mơ phỏng, thơng
số đƣợc thống kê nhƣ bảng 1:

ảng 1. Thông số đất nền nhập mô hình [4]
Lớp đất
Reclaimed
layer
Clay 1
Clay 2
Clay 3
Sand

unsat
kN/m3

sat
kN/m3

eo

Cc

Cs

kx = ky
m/day

kz

m/day

12,0

14,7

14,7

2,41

0,88

0,117

9,04E-04

4,52E-04

9,0
9,0
11,0
1,0

13,7
13,7
13,7
16,3

13,7
13,7

13,7
16,3

3,28
3,28
3,28
1,50

1,10
1,50
1,50
-

0,147
0,200
0,200
-

2,48E-04
2,56E-04
2,02E-04
1.0

1,24E-04
1,28E-04
1,01E-04
1.0

ề dày
m

Bấc thấm có chiều dài 30m đƣợc cắm trong
vùng xử lý có diện tích 60m x 60m. Khoảng
cách cắm bấc thấm thực tế 2m. Lƣới bấc thấm
bố trí hình vng. Đƣờng kính tƣơng đƣơng của
bấc thấm 0.075m.
Lực hút chân không đƣợc mô phỏng dựa trên
sự hạ mức nƣớc ngầm bên trong ống thốt nƣớc
đứng (phần tử Drain).

60

ảng 2. Thơng số bấc thấm

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1 - 2021


2.3. Các phase tính tốn:
Theo thơng tin của cơng trình thì lớp đất sét
tự nhiên vẫn đang trong quá trình cố kết, nhƣ
vậy sau khi thi công cắm bấc thấm, cho đất cố
kết 165 ngày. Sau đó mới tiến hành hút chân
không trong 204 ngày. Tổng thời gian xử lý là
369 ngày. Các giai đoạn tính tốn đƣợc trình
bày nhƣ bảng 3.
ảng 3. Các phase tính tốn
Hình 5. Độ lún của mặt nền theo thời gian

Tính tốn Plaxis 3D

H nh 6. Chuy n vị ngang của nền theo chiều sâu

Hình 4. Mơ hình trong Plaxis 3D
2.4. Kết quả tính tốn
Từ mơ hình tính tốn theo phần mềm Plaxis
3D [6] và các thơng số bên trên, thu đƣợc kết
quả tính tốn mơ phỏng, từ đó so sánh với số
liệu quan trắc nhƣ các hình 4, 5, và 6:
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1 - 2021

H nh 7. Sự tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng
thặng dư trong nền
 Nhận xét:
- Đƣờng đồ thị độ lún có hình dạng gần giống
với quan trắc, chỉ có ở 235 ngày là chuyển vị đứng
lớn hơn 34% so với giá trị quan trắc.
61


- Kết quả sự tiêu tán áp lực nƣớc lỗ rỗng
thặng dƣ trong nền nhƣ thể hiện ở hình 7 cho ra
kết quả khá giống với ứng xử thực tế của đất khi
xử lý hút chân không, áp lực nƣớc lỗ rỗng thặng
dƣ sau thời gian xử lý giảm xuống gần bằng 0 ở
trong vùng có bấc thấm.
- Lớp đất khai hoang bên trên cũng bị ảnh
hƣởng do quá trình cố kết trong 165 ngày đầu
tiên sau khi cắm bấc thấm và gia tải bề mặt lớp
đất sét.
- Lớp đất sét bên dƣới cũng có bị ảnh hƣởng

bởi việc hút chân khơng rõ rệt.
- Kết quả chuyển vị ngang có chênh lệch
nhiều so với kết quả quan trắc, sau khi hiệu
chỉnh số liệu lớp đất sét số 1 thì sự chênh lệch
số liệu đã giảm đi. Đây cũng là kinh nghiệm
để với số liệu quan trắc ta có thể đánh giá
đƣợc thơng số đất nền có thực sự sát thực tế
hay khơng, và có hƣớng đề xuất hiệu chỉnh
cho phù hợp, sao cho sai số tính tốn so với
thực tế là ít nhất.
3. PHÂN TÍCH PHẠM VI VÙNG LÚN
CỐ K T ÊN DƢỚ MŨ ẤC THẤM
Khi áp lực chân không tác dụng trực tiếp lên
nền đất yếu thì áp lực nƣớc lỗ rỗng giảm đi, q
trình cố kết khơng chỉ diễn ra ở khu vực xử lý
mà các vùng lân cận và bên dƣới mũi bấc thấm
cũng xảy ra quá trình này.
Thơng qua việc đánh giá vùng nén lún xảy ra
bên dƣới mũi bấc thấm ta có thể giảm đƣợc
chiều sâu cắm bấc thấm mà vẫn mang lại hiệu
quả xử lý, và tiết kiệm chi phí. Vì vậy xác định
phạm vi vùng nén lún bên dƣới mũi bấc thấm là
cần thiết.
Có nhiều yếu tố ảnh hƣởng đến vùng nén lún
này nhƣ: hệ số thấm của đất, khoảng cách giữa
các bấc thấm, áp lực hút chân khơng… Trong
bài này phân tích các yếu tố chính cho điều kiện
nền đồng nhất 1 lớp sét, qua đó đƣa ra cơng
thức tƣơng quan để có thể xác định nhanh vùng
nén lún bên dƣới mũi bấc thấm.

Nền đất đƣợc chọn lấy thông số của nền đất
sét tƣơng tự nhƣ ở mục 2 và nêu tóm tắt ở
62

bảng 4. Vùng nền đƣợc mơ phỏng có kích
thƣớc 20m x 20m x 40m, vùng xử lý hút chân
không có kích thƣớc 10m x 10m x 10m nhƣ
thể hiện ở hình 8.
ảng 4. Thơng số của nền đất ph n t ch

H nh 8. Mô h nh nền trong Plaxis 3D
Kết quả tính tốn vùng nén lún bên dƣới mũi
bấc thấm sau 365 ngày xử lý ở tất cả các mơ
hình đƣợc xác định từ mơ hình tính tốn.
3.1. Phân tích sự ảnh hƣởng của hệ số
thấm đứng đến phạm vi vùng lún bên dƣới
mũi bấc thấm
Với lực hút chân không 90kPa, khoảng cách
bấc thấm 2m, chiều sâu vùng xử lý 10m, phạm
vi vùng lún tƣơng ứng với các hệ số thấm đứng
khác nhau nhƣ trình bày ở bảng 5.
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1 - 2021


ảng 5. ảng thông số hệ số thấm đứng và
phạm vi vùng lún dƣới mũi bấc thấm

Có thể nhận thấy khi tăng hệ số thấm thì
phạm vi vùng lún bên dƣới mũi bấc thấm
càng mở rộng. Từ kết quả tính tốn, ta đƣợc

phƣơng trình thiết lập mối quan hệ giữa
phạm vi lún bên dƣới mũi bấc thấm và hệ số
thấm đứng:
Phƣơng trình hiệu chỉnh lúc này (hệ số thấm
có đơn vị 10-4 m/day):
y = 1.9428*(ln kz) + 2.1256
Phƣơng trình hiệu chỉnh lúc này (hệ số thấm
có đơn vị cm/s):
y = 1.9428*(ln kz) + 33.1521
3.2. Phân tích sự ảnh hƣởng của khoảng
cách bấc thấm đến phạm vi vùng lún bên
dƣới mũi bấc thấm
Với lực hút chân không 90kPa, khoảng cách
bấc thấm thay đổi: 1.75m, 2.0m, 2.5m, chiều
sâu vùng xử lý 10m, phạm vi vùng lún tƣơng
ứng với các khoảng cách bấc thấm khác nhau
nhƣ trình bày ở bảng 6.
ảng 6. ảng thống kê sự thay đổi
khoảng cách bấc thấm và phạm vi vùng lún
dƣới mũi bấc thấm

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1 - 2021

Với s là khoảng cách bấc thấm, phƣơng trình
hiệu chỉnh lúc này (hệ số thấm có đơn vị
10-4 m/day):
y = (5.1311-1.5065s).(ln kz) + 2.2381
Phƣơng trình hiệu chỉnh lúc này (hệ số thấm
có đơn vị cm/s):
y = (5.1311-1.5065s).(lnkz + 15.97) + 2.2381

3.3. Phân tích sự ảnh hƣởng của lực hút
ch n không đến phạm vi vùng lún bên dƣới
mũi bấc thấm
Với lực hút chân không dao động từ (60-7080-90) kPa, khoảng cách bấc thấm 2.0m, chiều
sâu vùng xử lý 10m, phạm vi vùng lún tƣơng
ứng với các lực hút chân khơng khác nhau nhƣ
trình bày ở bảng 7.
ảng 7. ảng thống kê sự thay đổi lực
hút ch n không và phạm vi vùng lún
dƣới mũi bấc thấm

Với s là khoảng cách bấc thấm, P là lực hút
chân khơng, phƣơng trình hiệu chỉnh lúc này (hệ
số thấm có đơn vị 10 -4 m/day):
y=(5.1311-1.5065s).(lnkz)+(0.0355P-1.0371)
Phƣơng trình hiệu chỉnh lúc này (hệ số thấm
có đơn vị cm/s) :
y = (5.1311-1.5065s).(lnkz+15.97)
+ (0.0355P-1.0371)
4. K T LUẬN
Kết quả bài tốn mơ phỏng và số liệu thực tế
quan trắc là gần tƣơng đồng nhau. Điều này có
thể kết luận đƣợc việc mô phỏng cố kết chân
không kết hợp bấc thấm là phù hợp. Việc mô
phỏng cố kết chân không kết hợp bấc thấm bằng
phần mềm Plaxis là khả thi.

63

Độ lún theo kết quả mô phỏng và kết quả
quan trắc ở các thời điểm cuối chênh lệch nhau
khoảng 6%. Việc lựa chọn thơng sơ mơ hình
tính tốn rất quan trọng, nó ảnh hƣởng lớn đến
kết quả nên phần nhiều khi mơ phỏng vẫn phải
hiệu chỉnh và dùng vịng lặp để có kết quả gần
quan trắc nhất.
Trong Plaxis 3D áp dụng phần tử Drain để
mơ phỏng bấc thấm thì kết quả tính tốn và ứng
xử của nền tƣơng đồng quan trắc.
Nhiều ý kiến cho rằng vùng xử lý của hút
chân không chỉ giới hạn ở chiều sâu 20m, tuy
nhiên với sự phát triển của công nghệ kỹ thuật
thi công đã cải tiến chất lƣợng cũng nhƣ khả
năng xử lý nền đất yếu; theo thực tế cơng trình ở
vịnh Tokyo đã xử lý nền với bấc thấm dài 30m
cho kết quả khả quan.
Trong trƣờng hợp hút chân khơng thì chuyển
vị của đất nền ở ngồi vùng xử lý là lún xuống,
cịn đối với gia tải bằng đất đắp thì trồi lên, vì
quá trình thay đổi áp lực nƣớc lỗ rỗng thặng dƣ
dẫn đến cố kết trong 2 phƣơng pháp này hoàn
toàn khác nhau.
Khi áp lực chân không tác dụng trực tiếp lên
nền đất yếu thì q trình cố kết khơng chỉ diễn
ra ở khu vực có xử lý bấc thấm mà các vùng lân
cận và bên dƣới mũi bấc thấm cũng xảy ra q
trình này. Có nhiều yếu tố ảnh hƣởng đến vùng
nén lún này nhƣ: hệ số thấm của đất, khoảng
cách giữa các bấc thấm, áp lực hút chân không,

thời gian xử lý, độ sâu xử lý… Trong bài báo đề
cập đến ba yếu tố quan trọng ảnh hƣởng nhiều
đến vùng nền dƣới mũi bấc thấm.
Qua các phân tích tính tốn có thể xác định
chiều sâu vùng lún dƣới mũi bấc thấm theo biểu
thức sau: h = (5.1311-1.5065s).(ln kz+15.97) +
(0.0355P-1.0371)

Thông qua việc đánh giá vùng nén lún bên
dƣới mũi bấc thấm ta có thể giảm đƣợc chiều
sâu cắm bấc thấm mà vẫn mang lại hiệu quả xử
lý, và tiết kiệm chi phí.
Lời cảm ơn:
Chúng tơi xin cảm ơn Trƣờng Đại học
Bách Khoa, ĐHQG-TPHCM đã hỗ trợ thời
gian, phƣơng tiện và cơ sở vật chất cho nghiên
cứu này.
TÀ L ỆU T AM K ẢO
[1] Châu Ngọc Ẩn, Cơ học đất, Nhà xuất
bản Đại học Quốc gia Thành Phố Hồ Chí
Minh, 2016.
[2] Lê Bá Vinh - Nguyễn Cơng Trí, Phân tích
xử lý nền đất yếu bằng phƣơng pháp hút chân
không kết hợp bấc thấm bằng phần mềm
Geostudio, Tạp chí Địa kỹ thuật, 2013.
[3] Jinchun Chai - John P. Carter – Martin
D.
Liu,
Vacuum Consolidation and
Deformation Analyses – Case Studies in

Japan, Proc. of International Conference on
Ground Improvement and Ground Control
(ICGI 2012) , 2012.
[4] Márcio Almeida, New Techniques
on Soft Soils, Nhà xuất bản Oficina d e
Textos, 2010.
[5] Miyakoshi, K., Takeya, K., Otsuki, Y.,
Nozue, Y., Kosaka, H., Kumagai, M.,
Oowada, T. and Yamashita, T. The
application of the vacuum compaction drain
method to prolong the life of an offshore
disposal field. Nippon Koei Technical Forum,
16: 9-19 (in Japanese), 2007.
[6] PLAXIS 3D Reference Manual 2019

Người phản biện: PGS, TS ĐÀO VĂN TOẠI

64

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1 - 2021