389-Article Text-1589-2-10-20220928.Pdf

Chun san Kỹ thuật Cơng trình đặc biệt - Số 01/Tạp chí Khoa học & Kỹ thuật - Số 195 (12-2018) - Học viện KTQS NGHIÊN CỨU SỰ SAI KHÁC VỀ ĐỘ LÚN GIỮA MƠ HÌNH PHẲNG VÀ KHƠNG GIAN CHO BÀI TỐN HÀNG GIẾNG ĐIỂM CỐ KẾT CHÂN KHƠNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỐ Vũ Văn Tuấn* Học viện KTQS Tóm tắt Có nhiều nghiên cứu gia tải chân không kết hợp với bấc thấm (PVD) lại có cơng trình nghiên cứu giếng cố kết chân không Bài báo tập trung nghiên cứu sai khác kết dự đoán lún mơ hình số phẳng khơng gian cho hàng giếng điểm cố kết chân không Trên sở phương pháp phần tử hữu hạn, thiết lập cơng thức tính tốn phân tích yếu tố ảnh hưởng đến tỉ lệ sai khác, khảo sát tính tốn cho trường hợp bất lợi Kết luận quan trọng đưa sử dụng mơ hình phẳng để mơ cho tốn hàng giếng điểm cố kết chân khơng Từ khóa: Đất yếu; gia tải chân khơng; giếng điểm; mơ hình phần tử hữu hạn Đặt vấn đề Lần W Kjellman [1] giới thiệu vào năm 1952, đến phương pháp cố kết chân không nghiên cứu ứng dụng rộng rãi vào nhiều cơng trình giới Tại Việt Nam, thập kỷ gần đây, có số cơng trình áp dụng phương pháp Đây phương pháp có ưu điểm vượt trội so với phương pháp gia cố đất yếu khác [2] Về bản, phương pháp xử lý yếu cố kết chân dùng kết hợp với hệ thống thoát nước đứng chất tải mặt đất Hệ thống thoát nước đứng kết hợp với hút chân khơng chủ yếu có hai loại: Các bấc thấm PVD giếng hạ thấp mực nước ngầm Qua nghiên cứu tác giả [9] tiến hành cố kết đất khu vực hai dạng PVD kết hợp chân không giếng hạ thấp mực nước ngầm kết hợp hút chân không (sau gọi giếng cố kết chân khơng giếng hút chân khơng) (Hình 1) thấy: Bấc thấm PVD có hiệu nước cao mật độ lớn, giếng hút chân khơng hiệu nước hạn chế khoảng cách hàng giếng xa Tuy nhiên, giếng chân khơng lại có ưu điểm tạo thành giếng có đường kính chiều sâu lớn [10], bị tắc biến dạng (Hình 2) giúp tăng hiệu áp lực chân không * Email: vutuan2601@yahoo.com https://doi.org/10.56651/lqdtu.jst.v1.n01.389.sce 21 Section on Special Construction Engineering - N.01/Journal of Science and Technique - N.195 (12-2018) - Le Quy Don Technical University Hình Hàng giếng điểm chân khơng Hình Giếng chân khơng đường kính lớn [10] Từ lý trên, giếng điểm chân không dùng thực tế áp dụng cho cơng trình dạng tuyến khơng u cầu q cấp bách thời gian, sử dụng kết hợp với bấc thấm PVD để tăng thêm hiệu q trình nước Vì sử dụng nên thông tin việc sử dụng giếng cố kết chân không để xử lý đất sét yếu chưa công bố rộng rãi Một số nghiên cứu bật như: Tác giả [10] nghiên cứu tính đặc điểm tác dụng hạ thấp mực nước ngầm giếng chân không chiều sâu lớn tiến hành thi công thử nghiệm giếng chân không bên cạnh việc thi công hầm Metro tuyến số 10 Bắc Kinh; tác giả [6] nghiên cứu thực nghiệm đơn ngun giếng chân khơng phịng thí nghiệm tiến hành mơ hình số tốn; tác giả [8] công bố số liệu thi công quan trắc thực tế việc sử dụng 22 Chuyên san Kỹ thuật Cơng trình đặc biệt - Số 01/Tạp chí Khoa học & Kỹ thuật - Số 195 (12-2018) - Học viện KTQS phương pháp giếng điểm chân không cơng trình đường Thẩm Giang - Thành phố Thượng Hải - Trung Quốc Có thể thấy rằng, việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) mô tốn cố kết chân khơng khẳng định qua nhiều nghiên cứu, nhiên tác giả chưa đề cập đến việc sử dụng mơ hình số việc mơ cho tốn thực tế hàng giếng hút nước chân không kết hợp gia tải trước Ngày nay, với phát triển vượt bậc máy tính việc tính tốn theo mơ hình không gian trở nên dễ dàng Tuy vậy, việc xây dựng mơ hình khơng gian nhiều thời gian khó tránh khỏi sai sót, đặc biệt với tốn thực tế có khối lượng bấc thấm số lượng giếng lớn Để đơn giản việc xây dựng mơ hình số, số tác giả xây dựng công thức chuyển đổi từ mơ hình khơng gian mơ hình phẳng [3, 4] Tuy nhiên, mơ hình chủ yếu dùng để chuyển đổi cho bấc thấm PVD phân bố khu vực Chưa có nghiên cứu sai khác kết hay mơ hình chuyển đổi từ mơ hình khơng gian mơ hình phẳng cho tốn hàng giếng điểm chân không Trên sở phương pháp PTHH, xây dựng mơ hình khơng gian mơ hình phẳng (với tham số đất áp lực chân khơng mơ hình khơng gian) cho hàng giếng điểm chân không, báo đưa số kết luận sau tính tốn so sánh tỉ lệ sai khác độ lún hai loại mô hình điều kiện bất lợi Đặt tốn mơ hình số tốn 2.1 Đặt tốn Hình Sơ đồ bố trí giếng điểm chân khơng Ngun tắc bố trí giếng điểm tốn đặt dựa nguyên tắc bố trí giếng cơng trình đường Thẩm Giang - Thành phố Thượng Hải - Trung Quốc mà tác giả giới thiệu [8] Giếng điểm bố trí thành hai hàng, để đơn giản coi tường cách nước nằm sát bên cạnh giếng (Hình 3) Với khả huy động tối đa cơng suất bơm chân khơng áp lực chân không giả sử ổn định trị số 100 kPa 23 Section on Special Construction Engineering - N.01/Journal of Science and Technique - N.195 (12-2018) - Le Quy Don Technical University 2.2 Mơ hình số tốn Lợi dụng tính đối xứng để giảm khối lượng tính tốn Biên bên trái mơ hình mặt đối xứng - hạn chế dịch chuyển theo phương ngang; biên bên phải hàng giếng điểm - hạn chế chuyển vị theo phương ngang; bên mặt đất - biên tự do; chiều sâu khảo sát lấy chiều sâu giếng - biên hạn chế chuyển vị theo phương Hình Sơ đồ Mơ hình khơng gian, Mơ hình phẳng trị số áp lực nước lỗ rỗng sau ngày Tác dụng áp lực chân khơng biên giếng mơ hình cách gán áp lực nước lỗ rỗng âm biên giếng với giá trị áp lực chân khơng (bằng -100 kPa) Để đơn giản hóa, mặt đất biên lại khai báo biên khơng nước Sử dụng chương trình Abaqus 2017 để xây dựng mơ hình PTHH Cụ thể sau: Mơ hình 3D: Chiều dài khảo sát lấy lớn lần chiều rộng Các giếng mơ tả có đường kính d = 90 mm Khi xuất kết chọn điểm A B mặt phẳng mơ hình Chọn phần tử khối nút C3D8R chọn kích thước phần tử, phần mềm sau tự động chia phần tử (Hình 4) Mơ hình 2D: Là tốn biến dạng phẳng, chiều rộng chiều rộng mơ hình 3D Chọn phần tử phẳng nút CPE4R Kích thước cạnh phần tử tương đồng mơ hình 3D Áp lực nước lỗ rỗng âm (mô tả chân không) gán biên phải mơ hình Lưới phần tử sơ đồ thể hình 24 Chun san Kỹ thuật Cơng trình đặc biệt - Số 01/Tạp chí Khoa học & Kỹ thuật - Số 195 (12-2018) - Học viện KTQS Tỉ lệ sai khác hai loại mơ hình Cơ sở phương pháp so sánh hay chuyển đổi thường dựa độ lún mặt đất áp lực nước lỗ rỗng Ở tác giả lựa chọn độ lún mặt đất làm sở xây dựng tỉ lệ sai khác Tỉ lệ sai khác hai mơ hình tỉ lệ sai khác trung bình điểm khảo sát hai mơ hình, cụ thể định nghĩa sau: k C C  i  95  i 0 ui k u k pi (1) đó: C - tỉ lệ sai khác hai mơ hình; Ck - tỉ lệ sai khác điểm k; uki - độ lún điểm k mơ hình khơng gian thời điểm i ngày; ukpi - độ lún điểm k mơ hình phẳng thời điểm i ngày; i = 95 độ lún đạt đến 95% độ lún cuối Các yếu tố ảnh hưởng tỉ lệ sai khác trường hợp bất lợi 4.1 Các yếu tố ảnh hưởng Hình Khoảng cách chiều sâu giếng Các yếu tố ảnh hưởng đến sai khác hai loại mơ hình nhiều, kể đến là: Hệ số rỗng e; hệ số thấm k; mô đun biến dạng E; khoảng cách giếng l, L; chiều sâu giếng H; đường kính giếng r; phân bố chân không biên giếng; thời gian cố kết t Phạm vi khảo sát yếu tố ảnh hưởng trình bày bảng 25 Section on Special Construction Engineering - N.01/Journal of Science and Technique - N.195 (12-2018) - Le Quy Don Technical University Bảng Phạm vi khảo sát yếu tố ảnh hưởng Loại Các tham số giếng Các tham số đất Yếu tố ảnh hưởng Phạm vi khảo sát Khoảng cách giếng hàng, l 1,5 m Khoảng cách hàng giếng, L ÷ 24 m Chiều sâu giếng, H 7,5 ÷ 15 m Đường kính giếng, r 90 mm Hệ số rỗng, e 0,5 ÷ 2,0 Hệ số thấm, k 5.10-6 1.10-4 cm/s Mô đun biến dạng, E 2500 ÷ 6000 kPa Khoảng cách giếng hàng từ 0,5 m đến 1,5 m Khoảng cách xa tỉ lệ sai khác nhỏ Như vậy, điều kiện bất lợi xảy khoảng cách giếng hàng l = 1,5 m Đối với kết cấu thoát nước tiết diện nhỏ mơ hình số cố kết chân khơng, ngồi việc dùng kích thước thực để mơ hình giếng học giả giới thường mơ đường biên thủy lực biên thủy lực với phần tử tiếp xúc hai bên, thấy kích thước giếng thường ảnh hưởng khơng nhiều tới kết mơ hình Do vậy, báo mơ hình 3D khảo sát giếng có đường kính 90 mm Tác giả Vu and Yang [5] tiến hành thí nghiệm kết luận rằng, với đồng chiều sâu không lớn mơ hình hóa coi áp lực chân khơng phân bố theo biên giếng Vì vậy, yếu tố phân bố biên giếng không xét tới 4.1.1 Hệ số rỗng Hình Quan hệ hệ số rỗng với tỉ lệ sai khác Khảo sát hệ số rỗng e từ 0,5 đến Phân tích kết cho thấy e = tỉ lệ sai khác nhỏ Tỉ lệ sai khác lớn e = (Hình 6) 26 Chuyên san Kỹ thuật Cơng trình đặc biệt - Số 01/Tạp chí Khoa học & Kỹ thuật - Số 195 (12-2018) - Học viện KTQS 4.1.2 Hệ số thấm Hệ số thấm đất sét phổ biến khoảng từ 5.10-6 cm/s  1.10-4 cm/s Hình cho thấy tỉ lệ sai khác nhỏ k = 5.10-6 cm/s Hình Quan hệ hệ số thấm với tỉ lệ sai khác 4.1.3 Mơ đun biến dạng Hình Quan hệ mô đun biến dạng với tỉ lệ sai khác Quan hệ tỉ lệ sai khác mô đun biến dạng khơng có tính quy luật Tỉ lệ sai khác nhỏ tương ứng với E = 5000 kPa, tỉ lệ sai khác lớn tương ứng với E = 4363 kPa 4.1.4 Khoảng cách hai hàng giếng Hình Quan hệ khoảng cách hai hàng giếng với tỉ lệ sai khác 27 Section on Special Construction Engineering - N.01/Journal of Science and Technique - N.195 (12-2018) - Le Quy Don Technical University Hình thể quan hệ khoảng cách hai hàng giếng với tỉ lệ sai khác Có thể thấy tỉ lệ sai khác lớn L = 15,5 m; tỉ lệ sai khác nhỏ L = 23,5 m 4.1.5 Chiều sâu giếng Hình 10 Quan hệ chiều sâu giếng với tỉ lệ sai khác Có thể thấy chiều sâu giếng lớn tỉ lệ sai khác nhỏ Tuy nhiên, khoảng thay đổi nhỏ (0,9970 - 0,9967) 4.2 Khảo sát với trường hợp bất lợi Như phân tích trên, tỉ lệ sai khác nhỏ e = 2; hệ số thấm k = 5.10-6 cm/s; mô đun E = 5000 kPa; khoảng cách hàng giếng 15,5 m; chiều sâu giếng H = 15 m Tác giả lựa chọn trường hợp bất lợi để kiểm tra trình bày chi tiết cách thức tính tốn tỉ lệ sai khác Hình 11; hình 12 hình 13 thể lún mặt đất mơ hình khơng gian, mơ hình phẳng tỉ lệ sai khác biến thiên theo thời gian điểm khác Kết cho thấy mơ hình khơng gian mơ hình phẳng có khác biệt bé Thời gian lâu tỉ lệ sai khác độ lún loại mơ hình tiệm cận Sự khác biệt lớn xảy giai đoạn bắt đầu trình cố kết Tỉ lệ sai khác điểm nhỏ điểm tỉ lệ sai khác lớn điểm 3, điều cho thấy cách giếng điểm xa tỉ lệ sai khác gần (sự khác biệt mơ hình bé) Ngồi ra, gần trùng điểm điểm hình 13 cho thấy tỉ lệ sai khác mặt cắt qua giếng mặt cắt hai giếng Trong trường hợp khảo sát này, chọn thông số bất lợi tỉ lệ sai khác tương đối tiệm cận (0,9739) Có thể thấy rằng, giếng hút chân khơng đặc biệt dùng để tăng tốc độ cố kết sét, mang đặc điểm giếng hút nước: Khi khoảng cách hàng đủ nhỏ, thời gian hút đủ lâu, điều kiện địa chất thuận lợi tương hỗ giếng làm cho đường hạ thấp mực nước hàng giếng 28 Chuyên san Kỹ thuật Cơng trình đặc biệt - Số 01/Tạp chí Khoa học & Kỹ thuật - Số 195 (12-2018) - Học viện KTQS hào hút nước Điều lý giải sai số hai mơ hình khơng gian phẳng điều kiện khảo sát nhỏ Ngoài ra, điểm khảo sát nằm xa hàng giếng nguyên nhân dẫn tới khác biệt bé kết tính lún hai loại mơ hình Như vậy, sử dụng mơ hình phẳng để mơ hình hóa tốn khơng gian cho hàng giếng điểm kết sai khác khoảng 2,62% Giá trị tương đối nhỏ, bỏ qua xây dựng mơ hình số Hình 11 Lún mặt đất mơ hình khơng gian mơ hình phẳng Hình 12 Tỉ lệ sai khác biến thiên theo thời gian điểm 1, 2, Hình 13 Tỉ lệ sai khác biến thiên theo thời gian điểm 1, 29 Section on Special Construction Engineering - N.01/Journal of Science and Technique - N.195 (12-2018) - Le Quy Don Technical University Kết luận Trên sở xây dựng mơ hình PTHH phẳng khơng gian cho toán cố kết đất yếu hàng giếng điểm chân khơng, thiết lập cơng thức tính tốn xem xét yếu tố ảnh hưởng đến tỉ lệ sai khác, khảo sát tính tốn cho trường hợp bất lợi nhất, rút số kết luận sau: - Sự sai khác độ lún mơ hình khơng gian mơ hình phẳng nhỏ, gần với Khảo sát với trường hợp bất lợi tỉ lệ sai khác 0,9739 Có nghĩa kết mơ hình phẳng khơng gian sai lệch 2,06% - Thời gian cố kết lâu sai khác kết tính lún hai dạng mơ hình nhỏ Giá trị sai khác lớn xảy giai đoạn đầu trình cố kết - Các điểm xa hàng giếng tỉ lệ sai khác gần (sự khác biệt kết tính lún hai loại mơ hình nhỏ), điểm gần hàng giếng có tỉ lệ sai khác nhỏ điểm xa hàng giếng Tài liệu tham khảo Kjellmann W (1952) Consolidation of clay soil by means of atmospheric pressure Proceedings on Soil Stabilization Conference Boston, U.S.A Griffin Harry and O'Kelly Brendan C (2014) Ground improvement by vacuum consolidation - A review Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Ground Improvement, 167(4), 274-290 Tran Tuan Anh and Mitachi Toshiyuki (2008) Equivalent plane strain modeling of vertical drains in soft ground under embankment combined with vacuum preloading Computers and Geotechnics, 35(5), 655-672 Indraratna Buddhima and Redana I W (2000) Numerical modeling of vertical drains with smear and well resistance installed in soft clay Canadian Geotechnical Journal, 37(1), 132-145 Vu Van-tuan and Yang Yu-you (2016) Numerical modelling of soft ground improvement by vacuum preloading considering the varying coefficient of permeability International Journal of Geotechnical Engineering, 1-9 Vu Van-tuan, Yao Lei-hua, and Wei Ying-jie (2016) Laboratory investigation of axisymmetric single vacuum well point Journal of Central South University, 23(3), 750-756 Indraratna Buddhima, et al (2010) Performance monitoring of vacuum preloading for stabilizing soft foundations for transportation and port infrastructure Indian Geotechnical Conference, GEOtrendz, Mumbai 30 Chuyên san Kỹ thuật Cơng trình đặc biệt - Số 01/Tạp chí Khoa học & Kỹ thuật - Số 195 (12-2018) - Học viện KTQS 文新伦 (2003) 真空降水联合堆载预压机理及应用技术研究 Ms Thesis, 同济大学, 上海 Văn Tân Luân (2003) Nghiên cứu chế ứng dụng phương pháp chân không hạ thấp mực nước ngầm kết hợp với gia tải trước Luận văn thạc sĩ, Đại học Đồng Tế, Thượng Hải 杨海旭, 王海飙, and 董希斌 (2008) 真空井点降水联合加固软土地基的试验 哈尔滨工 业大学学报, 40(12), 2044-2047 Dương Hải Húc, Vương Hải Tiêu Đổng Hi Bân (2008) Thí nghiệm giếng chân không hạ thấp mực nước ngầm kết hợp với gia tải trước vào gia cố đất yếu Tạp chí Đại học Cơng nghệ Cáp Nhĩ Tân, 40(12), 2044-2047 10 汪国锋, 潘秀明, and 王贵和 (2006) 真空深井降水技术及其在北京地铁施工中的应用 研究 岩土工程技术, 20(4), 173-178 Uông Quốc Phong, Phan Tú Minh Vương Quý Hòa (2006) Nghiên cứu ứng dụng giếng chân không chiều sâu lớn thi công đường tàu điện ngầm Bắc Kinh Tạp chí Địa kỹ thuật, 20(4), 173-178 RESEARCH ON THE SETTLEMENT DISCREPANCY BETWEEN 2D AND 3D MODELS FOR VACUUM WELLPOINTS CONSOLIDATION BY NUMERICAL METHOD Abstract: While there are many studies on vacuum pre-loading combined with PVD, there are very few studies on vacuum well systems This paper aims to study a discrepancy in the settlement between 2D and 3D numerical models for rows of vacuum wellpoints Based on the finite element method, the definition of discrepancy ratio, the analysis of the factors affecting the discrepancy ratio, the worst case has been evaluated The important conclusion can be drawn: 2D numerical models can be used to simulate the rows of vacuum wellpoints consolidation Keywords: Soft ground; vacuum preloading; vacuum wellpoint; finite element method Ngày nhận bài: 25/8/2018; Ngày nhận sửa lần cuối: 02/10/2018; Ngày duyệt đăng: 18/01/2019  31