TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA _
TRỊNH VƯƠNG QUỐC
NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG HÚT CHÂN KHÔNG KẾT HỢP ĐẮP ĐẤT VÀ BẤC THẤM TẠI CAO TỐC HỒ CHÍ MINH – LONG THÀNH –
DẦU GIÂY
STUDY ON SOIL IMPROVEMENT BY VACUUM PRELOADING COMBINE WITH SURCHARGE EMBANKMENT AND VERTICAL DRAIN AT HO CHI
MINH – LONG THANH – DAU GIAY EXPRESS WAY Chuyên ngành : Địa kỹ thuật xây dựng
Mã số : 8580211
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Trang 2Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS TS LÊ BÁ VINH
Cán bộ chấm nhật xét 01: PGS TS NGUYỄN THÀNH ĐẠT Cán bộ chấm nhận xét 02: TS TRẦN VĂN TUẨN
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 07 tháng 07 năm 2023
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1 PGS.TS VÕ PHÁN - Chủ tịch hội đồng
2 PGS.TS DƯƠNG HỒNG THẨM - Thư kí hội đồng 3 PGS.TS NGUYỄN THÀNH ĐẠT - Ủy viên, Phản biện 01 4 TS TRẦN VĂN TUẨN - Ủy viên, Phản biện 02
5 PGS.TS LÊ BÁ VINH - Ủy viên
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận Văn 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
Trang 3ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: TRỊNH VƯƠNG QUỐC MSHV: 1970202 Ngày, tháng, năm sinh: 18/04/1988 Nơi sinh: Quảng Trị Chuyên ngành: Địa Kỹ Thuật Xây Dựng
I TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG HÚT CHÂN KHÔNG KẾT HỢP ĐẮP ĐẤT VÀ BẤC THẤM TẠI
CAO TỐC HỒ CHÍ MINH – LONG THÀNH – DẦU GIÂY STUDY ON SOIL IMPROVEMENT BY VACUUM PRELOADING COMBINE WITH SURCHARGE EMBANKMENT AND VERTICAL
DRAIN AT HO CHI MINH – LONG THANH – DAU GIAY EXPRESS WAY
II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG 1 Nhiệm vụ
Nghiên cứu này nhằm phân tích làm rõ những vấn đề như sau:
1) Phân tích ứng xử nền đất yếu khi sử dụng bấc thấm và gia tải hút chân không kết hợp đắp đất trên cơ sở tương quan tính tốn giải tích, mơ phỏng số và kết quả quan trắc;
2) Phân tích ngược hệ số cố kết C’h của đất nền từ số liệu quan trắc hiện trường bằng phương pháp Asaoka;
3) Phân tích so sánh hai phương gia tải bằng hút chân không và gia tải bằng đất đắp;
4) Phân tích cự ly bấc thấm phù hợp khi gia tải hút chân không kết hợp đất đắp, qua đó tìm khoảng cách bấc thấm tối ưu
Trang 4Chương 1 trình bày tổng quan về đề tài nghiên cứu
Chương 2 tổng hợp các cơ sở lý thuyết và công trình nghiên cứu đã được thực hiện Bài tốn cố kết thấm một chiều, cố kết hướng trục được xem xét trước Tiếp đó là lịch sử hình thành phát triển của bấc thấm và tính tốn bấc thấm Cuối cùng là những kiến thức về phương pháp gia tải chân không kết hợp với bấc thấm và gia tải truyền thống, cùng với những đề xuất cho việc mô phỏng số cho bài toán ứng xử đất nền của các phương pháp này
Chương 3 trình bày các kết quả nghiên cứu, đánh giá tương quan giữa cơ sở thực nghiệm với kết quả tính tốn giải tích và mô phỏng số để kiểm chứng nghiên cứu
III THỜI GIAN THỰC HIỆN LUẬN VĂN Ngày giao nhiệm vụ: 06/02/2023 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 12/06/2023 IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
TS NGUYỄN TUẤN PHƯƠNG PGS TS LÊ BÁ VINH
Tp HCM, ngày 13 tháng 06 năm 2023
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
PGS TS LÊ BÁ VINH PGS TS LÊ BÁ VINH
TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
Trang 5LỜI CẢM ƠN
Cảm ơn PGS.TS Lê Bá Vinh đã hướng dẫn trong quá trình học tập, nghiên cứu tại trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM Kiến thức và kinh nghiệm của thầy là những chỉ dẫn quý giá khi thực hiện luận văn này
Cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Kỹ thuật Xây dựng, trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã giúp tôi mở rộng những kiến thức về học thuật Những kiến thức này là tài sàn vô giá để tôi áp dụng vào thực tiễn sau này
Cảm ơn các đồng nghiệp đã cung cấp những số liệu thực tế để làm cơ sơ hoàn thành luận văn này
Trang 6Trong những năm gần đây, dưới sự phát triển của ngành địa kĩ thuật và nhu cầu về phát triển hạ tầng, các phương án xử lý nền đất yếu đã được nghiên cứu áp dụng rộng rãi để cải thiện chất lượng nền móng cơng trình và tiết kiệm chi phí đầu tư xây dựng
Phương án gia tải chân không kết hợp đắp đất và bấc thấm là một trong những biện pháp hiệu quả để xử lý nền đất yếu thông qua việc đẩy nhanh q trình cố kết Áp dụng gia tải chân khơng đã giải quyết được những điểm yếu của phương pháp gia tải bằng đất đắp truyền thống như giới hạn về độ ổn định của nền đất (hạn chế về chiều cao đắp và bệ phản áp) và thời gian cố kết
Nghiên cứu này kiểm chứng lại nghiên cứu về cố kết thấm của Terzaghi (1943), lời giải của Hansbo (1979), của Indraratna (2005) và các tác giả khác áp dụng cho ứng xử của nền đất yếu sử dụng bấc thấm dưới ảnh hưởng của gia tải chân không kết hợp gia tải đất đắp Các kết quả phân tích ngược từ số liệu quan trắc thực tế bằng phương pháp Asaoka (1978) cũng được áp dụng để đánh giá độ lún cuối cùng và hệ số cố kết thực tế C’h
Phương pháp số được trình bày bằng cách sử dụng phần mềm Plaxis 2D để mô phỏng q trình thi cơng dựa trên mơ hình phẳng của Indraratna (2000) Các thơng số của bài tốn mơ phỏng được tính tốn áp dụng dựa trên các nghiên cứu gần đây nhằm đưa ra mơ hình phù hợp để kiểm chứng với kết quả thực tế
Kết quả của các bài tốn giải tích, mơ hình số và tương quan của chúng với kết quả quan trắc có thể được dùng để tham khảo cho các lời giải của những dự án tương tự sau này
Trang 7ABSTRACT
In recent years, under the development of geotechnic field and the demand for infrastructure development, the ground treatment have been studied and applied widely to improve the quality of the ground, foundation and save construction investment costs
The option of vacuum pre-loading combined with soil surcharge and prefabricated vertical drain (PVD) is one of the effective methods to improve soft ground by accelerating the consolidation process Vacuum loading solved the weaknesses of the traditional filling method such as the limitation of the stability of the ground (limitation of embankment height and counter berm) and consolidation time
This study verifies Terzaghi's consolidation theory (Terzaghi, 1943), Hansbo's solution (Hansbo, 1979), Indraratna model (Indraratna, 2005), and relevant authors applied to the prediction of the ground behavior under vacuum preloading combined with surchange embankment and prefabricated vertical drain The back analysis results from the actual data by Asaoka (1978) also apply to evaluate the final settlement and actual consolidation coefficient C’h
Numerical methods presents using Plaxis 2D software to simulate the construction and consolidation following the plane strain model by Indraratna (2000) The parameters of Plaxis model are calculated and applied based on recent studies to provide a suitable model for comparision to actual site data
The results of analytic calculation, numerical models and their correlation with the observed data can be used as a reference for future projects
Trang 8Tôi xin cam đoan đây là cơng việc do chính tơi thực hiện Các kết quả trong Luận văn là đúng sự thật và chưa được sử dụng cho các luận án hay nghiên cứu khác
Tôi xin chịu trách nhiệm về cơng việc thực hiện của mình
Tp HCM, ngày12 tháng 6 năm 2023
Trang 9MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ i
LỜI CẢM ƠN iii
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ iv
ABSTRACT v
LỜI CAM ĐOAN vi
MỤC LỤC vii
DANH MỤC HÌNH ẢNH x
DANH MỤC BẢNG BIỂU xiii
DANH MỤC KÝ HIỆU xiv
MỞ ĐẦU 1
1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1
2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 2
3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2
4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2
5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN 3
6 CẤU TRÚC LUẬN VĂN 3
7 GIỚI HẠN PHẠM VI NGHIÊN CỨU 4
TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU BẤC THẤM VÀ GIA TẢI HÚT CHÂN KHÔNG 5
ỨNG DỤNG BẤC THẤM TRONG CẢI TẠO NỀN ĐẤT 5
Sự ra đời của bấc thấm 5
Trang 10GIA TẢI BẰNG HÚT CHÂN KHÔNG TRONG CẢI TẠO NỀN 11
Giới thiệu về gia tải hút chân không 11
Lịch sử nghiên cứu và ứng dụng 15
Địa chất của đoạn cao tốc Tp HCM – Long Thành – Dầu Giây 15
NHẬN XÉT CHƯƠNG 1 16
CƠ SỞ LÝ THUYẾT 18
PHƯƠNG PHÁP GIẢI TÍCH 18
Cố kết 18
Lý thuyết cố kết một chiều của Terzaghi 20
Lý thuyết cố kết thấm hướng trục 22
Các phương án bố trí bấc thấm 23
Ảnh hưởng của vùng xáo trộn 24
Cố kết do gia tải chân không 26
Dự đoán độ lún tổng theo Asaoka 28
Ảnh hưởng của thời gian gia tải tới độ cố kết 30
Hệ số ứng suất đối với tải đắp 31
Chuyển vị ngang của chân mái dốc 32
PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN MƠ PHỎNG BÀI TỐN SCM+VCM 33
Mơ hình nền phẳng 33
Giới Thiệu Plaxis 2D 35
Mơ Hình Đàn Hồi Tuyến Tính (LE) 35
Mơ Hình Mohr-Coulomb (MC) 36
Mơ Hình Hardening Soil (HS) 38
Mơ Hình Soft Soil (SS) 41
Ứng xử hút chân khơng của mơ hình Plaxis 42
Thơng Số Của Mơ Hình 43
NHẬN XÉT CHƯƠNG 2 46
Trang 11ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP GIẢI TÍCH 47
ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP SỐ 49
ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA KHOẢNG CÁCH BẤC THẤM 52
CƠ SỞ THỰC NGHIỆM 53
KẾT QUẢ TÍNH TỐN GIẢI TÍCH 56
ĐỘ LÚN TỔNG THEO ASAOKA VÀ TÍNH NGƯỢC HỆ SỐ C’h 56
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG SỐ BẰNG PLAXIS 2D 58
KHOẢNG CÁCH PVD TỐI ƯU 65
NHẬN XÉT CHƯƠNG 3 66
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 67
1 KẾT LUẬN 67
2 KIẾN NGHỊ 68
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 69
PHỤ LỤC 71
Trang 12Hình 1.1 Nguyên lý của giếng thấm 5
Hình 1.2 Bấc thấm của Kjellman (1947) 6
Hình 1.3 Máy đóng bấc thấm 6
Hình 1.4 Lưu lượng thốt nước của bấc thấm dự án 8
Hình 1.5 Định vị bấc thấm 9
Hình 1.6 Phương pháp khoan bấc thấm 9
Hình 1.7 Phương pháp neo bấc thấm 10
Hình 1.8 Sơ đồ phương pháp bấc thấm kết hợp gia tải bằng đất đắp và hút chân khơng (Menard, 2020) [1] 11
Hình 1.9 Lắp đặt hệ thống thốt nước ngang và màng kín khí 12
Hình 1.10 Sơ đồ phương pháp hút chân khơng có màng (Indraratna, 2005) 13
Hình 1.11 Gia tải chân khơng khơng có màng kín khí (Indraratna, 2005) 14
Hình 1.12 Các bước thi cơng gia tải chân khơng 14
Hình 1.13 Mặt cắt địa chất đoạn cao tốc và các phương án xử lý nền đất yếu (VEC, 2009) [5] 16
Hình 2.1 Nguyên lý cố kết một chiều 18
Hình 2.2 Chỉ số nén và chỉ số nở 20
Hình 2.3 Mơ hình cố kêt thấm một chiều 20
Hình 2.4 Mơ hình cố kết thấm hướng trục 22
Hình 2.5 Hai phương án phổ biến bố trí PVD: a) Hình vng b) Tam giác 24
Hình 2.6 Sơ đồ vùng ảnh hưởng PVD 25
Hình 2.7 Cần khoan và vùng ảnh hưởng (Rixner et al 1986) 25
Hình 2.8 Ngun lý cố kết chân khơng (Chu et al, 2005) [9] 27
Hình 2.9 Trạng thái ứng suất dưới các phương pháp gia tải 28
Hình 2.10 Biểu đồ minh họa phương pháp Asaoka 29
Hình 2.11 Gia tải tuyến tính 30
Hình 2.12 Lời giải theo phương pháp đồ thị (Gerscovich et al 2018) 30
Trang 13Hình 2.14 Ứng xử chuyển vị ngang của nền (Manh Duc Nguyen, 2017) 32
Hình 2.15 Biến đổi từ mơ hình đối xứng trục sang mơ hình phẳng 34
Hình 2.16 Quan hệ ứng suất - biến dạng của mơ hình LE 36
Hình 2.17 Quan hệ ứng suất - biến dạng mơ hình MC 36
Hình 2.18 Trạng thái phá hoại M-C (Craig, 2004) 37
Hình 2.19 Mặt dẻo mơ hình M-C (Plaxis Manual) 38
Hình 2.20 Thơng số độ cứng theo thí nghiệm ba trục thốt nước (Plaxis Manual) 40Hình 2.21 Mặt dẻo của mơ hình HS (Plaxis Manual) 40
Hình 2.22 Phương pháp nội suy số mũ độ cứng (Obrzud, 2018) 40
Hình 2.23 Mặt Dẻo của mơ hình Soft Soil (Plaxis Manual) 41
Hình 2.24 Thơng số mơ hình dựa trên đường quan hệ ứng suất - biến dạng 42
Hình 2.25 Mặt cắt ngang phương án gia tải (Posco E&C, 2010) 43
Hình 2.26 Mơ hình phần mềm Plaxis 44
Hình 2.27 Các cấp gia tải thực tế và mơ hình Plaxis 46
Hình 3.1 Phân bố áp lực chân khơng trong bấc thấm 48
Hình 3.2 Các cấp gia tải theo thời gian 48
Hình 3.3 Tính tốn độ lún khi xét đến gia tải theo thời gian 49
Hình 3.4 Lưới biến dạng của nền dưới tải chân khơng 50
Hình 3.5 Phổ chuyển vị đứng của nền Uy 51
Hình 3.6 Phổ chuyển vị ngang của nền Ux 51
Hình 3.7 Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư 51
Hình 3.8 Biểu đồ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư 52
Hình 3.9 Bản đồ dự án cao tốc HCM- LT- DG 53
Hình 3.10 Kết quả quan trắc lún 55
Hình 3.11 Biểu đồ Độ lún theo thời gian 56
Hình 3.12 Dự báo độ lún theo Asaoka 57
Hình 3.13 Biểu đồ độ cố kết theo tỉ số hệ số thấm Ch/ Cv 58
Hình 3.14 Biểu đồ giá trị lún theo thời gian 59
Hình 3.15 Lưới mơ phỏng 59
Trang 14Hình 3.18 Phổ biến dạng phương ngang Ux 60
Hình 3.19 Phổ Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư sau khi cố kết 61
Hình 3.20 Biểu đồ áp lực nước lỗ rỗng trong PVD (-9.6m) 61
Hình 3.21 So sánh chuyển vị ngang quan trăc và chuyển vị ngang mơ phỏng (t=355 ngày, x=122m) 62
Hình 3.22 Biểu đồ so sánh tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư 63
Hình 3.23 Biểu đồ độ lún khi gia tải bằng 2 phương pháp: 63
Hình 3.24 So sánh cố kết chân không và gia tải đắp (Indraratna, 2016) 64
Hình 3.25 Độ cố kết theo các khoảng cách PVD 65
Hình 3.26 Biểu đồ quan hệ U% và S 65
Hình P.1 Lưới biến dạng phương án chỉ hút chân khơng 71
Hình P.2: Lưới biến dạng phương án chỉ gia tải đắp 71
Hình P.3 Phổ chuyển vị ngang gia tải chân không 72
Trang 15DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Một số loại bấc thấm phổ biến (Bo et al 2003) 7
Bảng 2.1 Đường kính vùng xáo trộn 26
Bảng 2.2 Thơng số mơ hình MC 38
Bảng 2.3 Thơng số cơ bản mơ hình HS 39
Bảng 2.4 Thơng số cơ bản mơ hình Soft Soil 42
Bảng 2.5 Thơng số đầu vào mơ hình Plaxis 44
Bảng 3.1 Thơng số địa chất tại vị trí nghiên cứu [5] 54
Bảng 3.2 Hệ số cố kết trung bình 58
Bảng P.1 Dữ liệu chiều cao đắp đất 73
Bảng P.2 Độ lún từng cấp tải và độ lún hiệu chỉnh 73
Bảng P.3 Kết quả tính tốn lún của các phương pháp 75
Bảng P.4 Dữ liệu dự báo lún theo phương pháp Asaoka 76
Bảng P.5 Kết quả độ cố kết theo các giả thiết về hệ số cố kết ngang 77
Bảng P.6 Chuyển vị ngang quan trắc 78
Trang 16av : Hệ số nén
Cv : Hệ số cố kết đứng
Ch : Hệ số cố ngang (cố kết hướng trục) dw : Đường kính tương đương bấc thấm
ds : Đường kính tương đương vùng xáo trộn (smear zone) de : Đường kính tương đương vùng ảnh hưởng bấc thấm e : Hệ số rỗng của đất
H : Chiều dày lớp đất yếu kv & kh : Hệ số thấm của nền ks : Hệ số thấm vùng xáo trộn l : Chiều dài đường thấm mv : Hệ số nén thể tích po : Áp lực chân không p : Áp lực
S : Giá trị độ lún t : Thời gian
Th : Nhân tố thời gian
u : Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư U : Độ cố kết z : Độ sâu σ : Ứng suất σ’ : Ứng suất có hiệu ε : Biến dạng
γw : Trọng lượng riêng của đất
PVD : Bấc thấm (Prefabricated Vertical Drains) SCM : Gia tải bằng đất đắp
Trang 17MỞ ĐẦU
1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Phương pháp bấc thấm kết hợp gia tải bằng đất đắp và hút chân không là một trong những phương pháp cải tạo đất hiệu quả nhất hiện nay Phương pháp này bao gồm việc đặt các giếng thấm vào đất, sau đó tạo ra áp suất gia tải (bằng đất đắp hoặc/ và hút chân khơng) để thúc đẩy q trình cố kết của đất
Phương pháp này sử dụng áp lực chân không như một lớp gia tải để đẩy nhanh quá trình cố kết của đất yếu Áp lực chân không được sử dụng khoảng 60-80 kPa (Áp lực chân khơng của khí quyển tối đa là 100kPa)
Kết quả của phương pháp này là đẩy nhanh quá trình cố kết, cải thiện tính ổn định của cơ sở hạ tầng/ nền móng
Phương pháp cố kết chân khơng được phát kiến năm 1952 ở Thụy Điển bởi W Kjellman và bắt đầu phát triển ở Thụy Điển và Nhật Bản trong những năm 60 của thế kỉ trước Ở Việt Nam, phương pháp này được sử dụng phổ biến trong các dự án xây dựng cơ sở hạ tầng gần đây, đặc biệt là trên các khu vực đất yếu và dễ nén lún Các dự án tiêu biểu sử dụng phương pháp này gồm dự án mở rộng cảng Cái Mép - Thị Vải, cao tốc HCM – LT - DG, một số dự án cao tầng: WaterFont, Mizuki Park… ở xung quanh Tp Hồ Chí Minh
Hiện tại, trong hệ thống tiêu chuẩn việt nam, đã có tiêu chuẩn thi công và nghiệm thu (TCVN 9842:2013 Xử lý nền đất yếu bằng phương pháp cố kết hút chân khơng có màng kín khí trong xây dựng các cơng trình giao thơng – thi cơng và nghiệm thu), tuy nhiên, các tài liệu để phục vụ cho công tác thiết kế là còn hạn chế
Trang 18Nghiên cứu này nhằm phân tích làm rõ những vấn đề như sau:
1) Phân tích và kiểm chứng ứng xử cố kết khi sử dụng bấc thấm và gia tải hút chân không kết hợp đắp đất trên cơ sở kết quả tính tốn giải tích, mô phỏng số và kết quả quan trắc;
2) Phân tích ngược hệ số cố kết C’h của đất nền từ số liệu quan trắc hiện trường bằng phương pháp Asaoka; qua đó đề xuất biên độ phù hợp về giả thiết tỉ số hệ số cố kết hướng trục và cố kết đứng trong tiêu chuẩn TCCS 41: 2022/ TCĐBVN - Tiêu chuẩn khảo sát, thiết kế nền đường ô tô trên nền đất yếu
3) Phân tích so sánh hai phương gia tải bằng hút chân không và gia tải bằng đất đắp để đánh giá hiệu quả của phương pháp gia tải hút chân khơng; 4) Phân tích cự ly bấc thấm phù hợp khi gia tải hút chân không kết hợp đất
đắp, qua đó đánh giá khoảng cách bấc thấm phù hợp khi hút chân không phù hợp với yêu cầu của tiêu chuẩn thiết kế
3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Đối tượng của luận văn này là ứng xử của nền đất yếu khi được cải tạo bằng bấc thấm, gia tải đất đắp kết hợp hút chân không Các ứng xử của nền đất yếu như chuyển vị, hệ số cố kết, áp lực nước lỗ rỗng và tương quan về hiệu quả giữa các phương án gia tải sẽ được tập trung nghiên cứu
Phạm vi của luận văn này là nền đất yếu được xử lý bằng phương pháp gia tải đắp đất kết hợp hút chân không của dự án Cao tốc Hồ Chí Minh – Long Thành – Dầu Giây ở đoạn KM18+725.9 đến KM18+989.8
4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Phương pháp thống kê
Trang 19Cải tạo nền đất yếu bằng phương án bấc thấm và gia tải đắp đã có các nghiên cứu đầy đủ qua các cơng trình tiêu biểu của Terzaghi (Terzaghi, 1943), Baron (Baron, 1948), Hansbo (Hansbo, 1979), Indraratna (Indraratna, 1998)…
Trong những năm gần đây, với sự phát triển của công nghệ, phương pháp gia tải hút chân ngày càng trở nên phổ biến, các mơ hình phân tích ứng xử của đất nền trong phương pháp này trở thảnh chủ để được quan tâm nghiên cứu qua các cơng trình của Bergado (2002), Chen (Chen et al., 2007), Indranatna (Indranatna et al., 2011) Phương pháp mô phỏng số
Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (PLAXIS 2D v20) mơ phỏng q trình thi công, so sánh kết quả mô phỏng với kết quả tính tốn và quan trắc thực tế để kiểm chứng nghiên cứu
5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
Nghiên cứu này xác định được các ứng xử về chuyển vị, hệ số cố kết, thời gian cố kết, khoảng các bấc thấm trong công tác dự báo độ lún khi xử lý nền đường đắp trên đất yếu có gia tải hút chân khơng
Nghiên cứu đề xuất giá trị giả thiết thích hợp về hệ số cố kết hướng trục so với hệ số cố kết đứng sử dụng trong tính tốn dự báo lún khi xử lý đất yếu có gia tải hút chân khơng
Có thể tham khảo nghiên cứu để dự báo ứng xử của đất nền khi xử lý đất yếu có gia tải hút chân khơng trong cơng tác thiết kế hạ tầng và đường giao thông
6 CẤU TRÚC LUẬN VĂN
Luận văn gồm các phần: Mở đầu, 3 chương, Kết luận và kiến nghị
Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu bấc thấm và gia tải hút chân khơng Giới thiệu tồn cảnh về bấc thấm và gia tải hút chân không cùng với lịch sử hình thành và ứng dụng
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Trang 20cứu về bài toán gia tải đồng thời: hút chân không kết hợp với bấc thấm và gia tải truyền thống, cùng với những đề xuất cho việc mô phỏng số cho ứng xử của nền đất yếu khi áp dụng các phương pháp này
Chương 3: Kết quả nghiên cứu
Trình bày phương pháp nghiên cứu nhằm đạt được các mục tiêu nghiên cứu; trình bày các dữ liệu cơ bản để làm cơ sở thực nghiệm của luận văn; trình bày kết quả nghiên cứu và đánh giá kết quả nghiên cứu dựa trên tương quan giữa cơ sở thực nghiệm với kết quả tính tốn giải tích, kết quả mơ phỏng số
7 GIỚI HẠN PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu này tập trung phân tích ứng xử cố kết của nền đất yếu dưới tác dụng của gia tải chân không và gia tải đắp kết hợp với bấc thấm với giả thiết từ bài toán cố kết là nền đồng nhất và hệ số cố kết là không thay đổi
Trang 21TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU BẤC THẤM VÀ GIA TẢI HÚT CHÂN KHÔNG
ỨNG DỤNG BẤC THẤM TRONG CẢI TẠO NỀN ĐẤT Sự ra đời của bấc thấm
Theo các khái niệm cơ bản của cơ học đất, khi áp một tải trọng bên ngồi trên một lớp đất có hệ số thấm thấp sẽ gây ra áp lực nước lỗ rỗng thặng dư, áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tiêu tán bằng cách thốt ra khỏi đất (q trình cố kết), theo đó là sự tăng dần tương ứng của ứng suất hữu hiệu
Quá trình cố kết sẽ tiếp tục cho đến khi áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tiêu tán hết Thời lượng của quá trình này phụ thuộc vào các đặc tính cố kết của đất và tỉ lệ thuận với độ dài đường thoát nước
Bấc thấm là ý tưởng hữu hiệu để giảm chiều dài của đường thốt nước và qua đó làm giảm thời gian cố kết Ý tưởng này đã trở thành một trong những ứng dụng phổ biến trong việc cải tạo nền đất
Hình 1.1 Nguyên lý của giếng thấm
Việc sử dụng giếng thấm bằng cát được đề xuất lần đầu tiên vào năm 1925 và được cấp bằng sáng chế vào năm 1926, bởi Daniel D Moran
Trang 22được Hansbo tiến hành năm 1957 ở Edeby, Thụy Điển Cát trong các giếng thấm này được đóng gói thành ống dạng lưới bằng sợi tổng hợp, có đường kính 0,18m
Loại bấc thấm đầu tiên được giới thiệu được phát minh ở Thụy Điển bởi Walter Kjellman và đồng nghiệp của ông tại Viện Địa kỹ thuật Thụy Điển (Kjellman, 1947) Bấc thấm này được làm bằng hai tấm bìa cứng dán lại với nhau, kích thước bên ngồi 100mm x 3mm và bao gồm mười rãnh dọc rãnh bên trong - rộng 3 mm và dày 1 mm (Hình 1.1) Một chiếc máy đặc biệt có khả năng lắp bấc các tơng xuống độ sâu 14m cũng được phát triển (Hình 1.3)
Hình 1.2 Bấc thấm của Kjellman
(1947) Hình 1.3 Máy đóng bấc thấm
(Kjellman, 1947)
Ứng dụng thực tế của bấc thấm không thực sự rộng rãi cho đến khi có sự ra đời của Geodrain, được phát triển tại Viện Địa kỹ thuật Thụy Điển với sự hợp tác với Perstorp AB và O’rebro Pappersbruk AB (Boman, 1973) Bấc thấm này cấu tạo bởi một lõi nhựa được bao quanh bởi lưới lọc
Trang 23Sau một số ứng dụng thành công của Geodrains, một số lượng lớn dải bấc thấm, có ít nhiều đặc điểm giống nhau nhưng thoát nước khác nhau hiệu quả, đã được phát triển
Bảng 1.1 Một số loại bấc thấm phổ biến (Bo et al 2003)
Loại Lõi Lưới lọc Kích thước (mm)
Kjellman Paper Paper 100 x 3
PVC PVC None 100 x 2
Geodrain PE Cellulose 95 x 4
mebradrain PP PP or PES 93 x 4
Alidrain PE PES 100 x 6
Colband PES PES 100 x 6
Hitek PE PP 100 x 6
Castle Board PL PES 100 x 4
Ameridrain PP PP 100 x 3 Flexidrain PP PP 100 x 4 Flodrain PE PE 100 x 4 Tafnel NIL PP 100 x 7,5 Hongplast PP PP 100 x 3,8 Technodrain PV PP 100 x 3,5 Ali wick PE PP 100 x 3,0
Bidim NIL PES 100 x 4,0
Desol PL NIL 98 x 2-3
Fibredrain 4 Coir
Strands 2 Jute burlog 98-100 x 2-3
Bando Paper PVC 96 x 2.9
OV Drain PES PES 103
Solpac
Charbonneay PES PES 105
Trang 24Với kỹ thuật sản xuất bấc thấm hiện nay, lưu lượng thoát nước của bấc thấm có thể đạt hơn 500m3/năm (kết quả thí nghiệm vật liệu PVD của dự án), và có thể khoan sâu tới độ sâu 40m
Hình 1.4 Lưu lượng thoát nước của bấc thấm dự án Cao tốc TPHCM - LT- DG (Posco E&C, 2010) Quá trình thi cơng bấc thấm
Trải lớp đệm cát
Tạo một thảm cát dày khoảng (50 - 80) cm trên nền đất bão hoà để tạo mặt bằng làm việc
Toàn bộ mặt bằng phải có cao độ lớn hơn cao độ ngập nước tại khu vực thi cơng ít nhất 1m
Đánh dấu vị trí PVD
Dùng tồn máy tồn đạc định vị và đánh dấu vị trí sẽ cắm PVD bằng cọc tre
Trang 25Hình 1.5 Định vị bấc thấm Cắm bấc thấm
Di chuyển máy khoan bấc đến vị trí đánh dấu
Chuẩn bị bấc thấm, đánh dấu chiều dài để kiểm tra chéo thiết bị đo Lắp đặt bấc thấm lên giàn khoan và khoan thử để kiểm tra thiết bị đo
và chiều sâu khoan thực tế
Sau khi kiểm tra thiết bị, tiếp tục khoan thử để kiểm tra chiều sâu cần xử lý nền Khoảng cách khoan thử là 9m
Trục ép (dự án dùng kích thước 140mm x 70mm) được dùng để khoan bấc thấm
Tấm neo (dự án dùng kích thước 190mm x 90mm) được lắp vào bấc thấm
Các đoạn nối sẽ được thực hiện bằng ghim bấm với chiều dài chồng mép cho phép tối thiểu là 150mm
Khi trục khoan được kéo lên, bấc thấm sẽ được cắt đi Bấc thấm được kiến nghị cắt cao hơn mặt đất 200mm
Trang 26Hình 1.7 Phương pháp neo bấc thấm Gia tải
Sau khi hoàn thành lắp đặt bấc thấm, khu vực thi công được gia tải bằng các lớp đất đắp phù hợp với tính tốn
Ở những vị trí lớp đất nền có sức chống cắt khơng thoát nước thấp, ổn định dọc theo mép của lớp đất đắp có thể bị trượt Các gờ tải phản ám có thể được bố trí nếu cần thiết để đảm bảo tính ổn định
Khi xem xét sự cần thiết của bệ phản áp, cần phản tính đến bản thân q trình lắp đặt bấc thấm có thể kéo theo sự sụt giảm sức chống cắt khơng thốt nước của đất nền
Chi phí cho bệ phản áp đóng góp đáng kể vào tổng chi phí của phương án cố kết bằng bất thấm và gia tải Để nâng cao hiệu quả gia tải, giảm chiều cao đắp và bệ phản áp, phương pháp hút chân không là một giải pháp hữu hiệu Phương pháp này thay thế áp lực gia tải trước bằng cách sử dụng áp lực chân khơng tương đương trong màng kín khí và bấc thấm Phương pháp này sẽ được trình bày trong phần tiếp theo
Trang 27GIA TẢI BẰNG HÚT CHÂN KHÔNG TRONG CẢI TẠO NỀN Giới thiệu về gia tải hút chân không
Gia tải hút chân không áp dụng áp suất âm (chân không) lên khối đất, khiến khối đất chịu thêm áp lực khí quyển và hút nước ra khỏi lỗ rỗng trong đất
Hình 1.8 Sơ đồ phương pháp bấc thấm kết hợp gia tải bằng đất đắp và hút chân không (Menard, 2020) [1]
Chuẩn bị mặt bằng và thiết bị
Đánh dấu vị trí của bấc thấmKhoan thử để kiếm tra thiết bị đo và đánh giá độ sâu căm bấc
Thi công bấc thấm đại tràKiêm tra theo thiết kế và tiêu
Trang 28đường ống chân không thẳng đứng hay nằm ngang được lắp đặt trong đất Hệ thống này được kết nối với một máy bơm chân khơng để tạo ra và duy trì áp suất âm mong muốn
Khi nước được rút ra khỏi đất, các hạt đất bị ép lại gần nhau hơn, dẫn đến việc giảm các lỗ rỗng của đất và làm giảm độ lún
Q trình cố kết này có thể mất vài tuần hoặc vài tháng tùy thuộc vào loại đất, độ sâu và cường độ của áp suất chân không được áp dụng
Khi đã đạt được mức độ cố kết mong muốn, áp lực chân không được dỡ bỏ và đất tiếp tục cố kết dưới áp lực tải trọng ngồi
Kết quả của q trình hút chuân không là lớp đất ổn định hơn, với khả năng chịu tải tăng lên và giảm khả năng lún
Cố kết chân không thường được sử dụng kết hợp với các kỹ thuật cải tạo đất khác như bấc thấm hoặc gia tải đắp để đẩy nhanh quá trình cố kết
Hiện nay, có hai loại gia tải hút chân khơng áp dụng trung thực tế: loại có màng kín khí và loại cơng có màng
Gia tải hút chân khơng có màng kín khí
Sau khi cắm PVD và lưới thoát nước ngang trên bề mặt, đặt một lớp đệm cát như một lớp thoát nước phía trên
Hình 1.9 Lắp đặt hệ thống thốt nước ngang và màng kín khí
Màng kín khí được đặt trên lớp đệm cát Các cạnh của màng được ấn chìm trong một rãnh bùn bentonite để ngăn chặn rị rỉ khơng khí ngoại vi
Trang 29Lợi thế của hệ thống này là lực hút do máy bơm tạo ra lan truyền theo bề mặt đất và xuống các PVD trong vùng kín làm tăng tốc độ tiêu tán nước lỗ rỗng hướng tâm về phía PVD và the chiều dọc lên bề mặt
Hạn chế của phương pháp này là hiệu quả của tồn bộ hệ thống phụ thuộc vào khả năng kín khí để duy trì đủ lực hút trong một khoảng thời gian đáng kể (Indraratna et al 2005) [2]
Hình 1.10 Sơ đồ phương pháp hút chân khơng có màng (Indraratna, 2005) Gia tải hút chân khơng khơng có màng kín khí
Khi thực hiện màng kín khí trên một khu vực rộng lớn, khu vực này phải được chia nhỏ thành các phần nhỏ để tạo thuận lợi cho việc lắp đặt màng, việc này sẽ không hiệu quả Một cách để khắc phục vấn đề này kết nối buồng chân không trực tiếp với từng PVD riêng lẻ bằng hệ thống ống
Không giống như hệ thống màng kín khí, nơi bất kỳ rị rỉ khơng khí nào cũng có thể ảnh hưởng đến tất cả các VPD, trong hệ thống này, mỗi nhánh PVD hoạt động độc lập
Trang 30Hình 1.11 Gia tải chân khơng khơng có màng kín khí (Indraratna, 2005) Q trình thi cơng gia tải chân không được thể hiện trong lưu đồ bên dưới
Trang 31Lịch sử nghiên cứu và ứng dụng
Nghiên cứu sớm nhất về cố kết chân không đã được xuất bản bởi Terzaghi vào năm 1925 Trong nghiên cứu này, Terzaghi đã trình bày lý thuyết và ứng dụng của cố kết chân không trong việc xây dựng kênh đào Panama (Terzaghi, 1925)
Trong những thập kỷ 1950s và 1960s, nhiều nhà nghiên cứu tiếp tục nghiên cứu hiệu quả của phương pháp cố kết chân không trong việc cải thiện nền đất, đặt nền móng cho các nghiên cứu và phát triển tiếp theo (Kjellman, 1952; Seed et al., 1963) [3]
Trong những năm gần đây, nghiên cứu về cố kết chân không ngày càng hồn thiện thơng qua các nghiên cứu nổi bật của Indraratna et al.,2005; Haung et al., 2018 Phương pháp cố kết chân không đã được ứng dụng rộng rãi trong các dự án địa kĩ thuật trên toàn thế giới:
Sân bay Quốc tế Kansai ở Nhật Bản (1990) Cầu Hong Kong-Chu Hải-Macau (2009) Marina Bay Sands ở Singapore (2010)
Đường hầm cơ sở Gotthard ở Thụy Sĩ, đường hầm đường sắt dài nhất thế giới (1980)
Tianjin Port ở Trung Quốc (2010)
Cao tốc Tp HCM – Long Thành – Dầu Giây (2011) Dự án Water Font Tp HCM (2015)
Địa chất của đoạn cao tốc Tp HCM – Long Thành – Dầu Giây
Trang 32loại bùn sét hoặc sét yếu, có độ ẩm 80% đến 100%, hệ số quá cố kết từ 1.2 đến 2.6, sức chống cắt khơng thốt nước từ 11 kPa đến 35 kPa
Các lớp đất phía dưới là lớp sét nửa cứng hoặc cát chặt, có độ cứng lớn hơn nhiều so với lớp đất yếu phía trên
Lớp đất yếu trên cùng là nguyên nhân chủ yếu gây lún hoặc mất ổn định và cần phải được xử lý khi thi công đường cao tốc Phương pháp gia tải chân không là một trong các biện pháp được sử dụng
Hình 1.13 Mặt cắt địa chất đoạn cao tốc và các phương án xử lý nền đất yếu (VEC, 2009) [5]
NHẬN XÉT CHƯƠNG 1
Phương pháp gia tải hút chân không về cơ bản là tận dụng áp suất khí quyển làm tăng áp lực gây lún, cùng với việc đẩy nhanh quá trình tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thông qua chênh áp qua bấc thấm Phương pháp này phù hợp để xử lý các loại đất sét yếu, bùn có hệ số thấm thấp
Trong điều kiện bình thường, áp lực chân khơng tối đa chỉ bằng áp lực khí quyển (100 kPa) và áp lực chân không hữu hiệu chỉ dao động khoảng 60 -80kPa Áp lực này, tùy theo điều kiện nền đất yếu, có thể khơng đủ để đạt được độ lún dư yêu cầu trong tiêu chuẩn thiết kế Khi đó, phương án gia tải đắp kết hợp với gia tải chân không là giải pháp cần được xem xét
Trang 34PHƯƠNG PHÁP GIẢI TÍCH Cố kết
Cố kết là quá trình các hạt đất được sắp xếp lại và lỗ rỗng giữa chúng giảm đi dưới tác động của tải trọng Khi một tải trọng tác dụng lên một lớp đất, nước trong đất bị đẩy ra khỏi các lỗ rỗng của đất Điều này dẫn đến việc giảm thể tích của lớp đất (hay thường được gọi là độ lún cố kết)
Cố kết là một quá trình phụ thuộc vào thời gian, nghĩa là nó xảy ra dần dần theo thời gian khi nước bị đẩy ra khỏi lớp đất Tốc độ cố kết xảy ra phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm tính thấm của đất, độ dày của lớp đất, cường độ và thời gian của tải trọng tác dụng…
Hình 2.1 Nguyên lý cố kết một chiều
Trang 35Thay đổi thể tích khối đất bằng bằng với thay đổi thể tích lỗ rỗng, do đó:
∆𝑉 = ∆𝑉 = ∆𝑒 𝑉 (2.2)
∆V = ∆e = S A (2.3)
Hay:
𝑆 = 𝐻 ∆ (2.4)
Đối với đất dính cố kết thường:
𝑆 = 𝑙𝑜𝑔 ( ∆ ) (2.5)
Đối với đất dính quá cố kết: 𝜎 + ∆𝜎 ≤ 𝜎
𝑆 = 𝑙𝑜𝑔 ( ∆ ) (2.6)
𝜎 + ∆𝜎 > 𝜎
𝑆 = 𝑙𝑜𝑔 + 𝑙𝑜𝑔 ( ∆ ) (2.7)
Trong đó:
Trang 36Hình 2.2 Chỉ số nén và chỉ số nở Lý thuyết cố kết một chiều của Terzaghi
Terzaghi (Terzaghi, 1943) [6] đưa ra bài toàn cố kết một chiều để đánh giá độ cố kết theo thời gian với các giả thiết như sau:
1) Đất bão hòa nước, đồng nhất và đẳng hướng 2) Chỉ thấm theo chiều dọc
3) Tuân theo định luật thấm Darcy
4) Đất và nước không bị biến dạng nén, chỉ sắp xếp lại
Hình 2.3 Mơ hình cố kêt thấm một chiều
Trang 37= = + 𝑉 + 𝑒 (2.8)Với 𝑉 : Thể tích đất và 𝑉 : Thể tích lỗ rỗng Do đất không biến đạng: = 0 𝑉 = = (2.9) Biến đổi ta có: = (2.10)Theo Darcy: − = (2.11)Do đó: − = (2.12)
Giả thiết sự thay đổi thể tích tuyến tính với áp lực hữu hiệu (và áp lực nước lỗ rỗng): 𝜕𝑒 = −𝑎 𝜕𝑢Trong đó đặt 𝑎 là hệ số nén Ta được: − = − = −𝑚 (2.13)Trong đó = 𝑚 là hệ số nén thể tích
Trang 38Với điều kiện biên: z=0, u=0; z= 2H, u=0; t=0, u=u0
Nghiệm của phương trình (2.5)
2( , )12sin exp( )nizz tvnu Mu x M TM H (2.15) Với (2 1)2M m
Nhân tố thời gian v2v
C tT
H
; Trong đó, H chiều dài đường thoát nước Độ cố kết ở thời điểm t của cả bề dày lớp đất là:
𝑈 = 1 − = = 1 − ∑ 𝑒 (2.16) 24281 TvtSU eS (2.17) Lý thuyết cố kết thấm hướng trục
Baron (Baron, 1948) [7] là người tiên phong trong việc đưa ra lời giải cố kết thấm hướng tâm để giải bài toán cố kết của bấc thấm
Trang 39Phương trình vi phân cố kết (xuyên tâm và thẳng đứng) có dạng như sau:
= 𝐶 + + 𝐶 (2.18)
Nếu chỉ xét cố kết theo phương ngang, phương trình (2.7) có dạng:
= 𝐶 + (2.19)
Trong đó 𝐶 = – Hệ số cố kết hướng tâm (cố kết ngang) Hansbo (Hansbo, 1979) đưa ra lời giản rút gọn như sau:
𝑈 = = 1 − 𝑒 (2.20)
𝜇 = ln( ) + ln(𝑠) − 0.75 + 𝜋𝑧(2𝑙 − 𝑧) (2.21) Nếu chỉ xem xét hệ số ảnh hưởng vùng xáo trộn:
𝜇 = ln( ) + ln(𝑠) − 0.75 (2.22)
Nếu chỉ xem xét hệ số cản thẩm của bấc thấm:
𝜇 = ln(𝑛) − 0.75 + 𝜋𝑧(2𝑙 − 𝑧) (2.23) Trong đó:
𝑑 : đường kính tương đương bấc thấm 𝑑 : đường kính tương đương vùng xáo trộn 𝑑 : đường kính vùng ảnh hưởng giếng thấm
𝑑 = 1,13S (Lưới hình vuông) 𝑑 = 1,05S (Lưới tam giác) 𝑙 : chiều dài đường thấm
𝑧 : Độ sâu
𝑞 : Lưu lượng thoát nước của bấc thấm
𝑛 = 𝑠 =
Các phương án bố trí bấc thấm
Trang 40Hình 2.5 Hai phương án phổ biến bố trí PVD: a) Hình vng b) Tam giác Hiệu quả của hai phương án bố trí là gần như nhau Tuy nhiên, phương án tam giác tạo ra vùng ảnh hưởng đồng đều hơn xung quanh bấc thấm, trong khi phương án hình vng dễ thi cơng hơn [8]
Ảnh hưởng của vùng xáo trộn
Vùng xáo trộn (vùng miết) là vùng đất bị xáo trộn và nén chặt được tạo ra xung quanh PVD trong quá trình khoan
Trong vùng xáo trộn, đất giảm độ rỗng và tính thấm, cũng như sự gia tăng tỷ trọng và cường độ [8]