Cơ SỞ LÝ THUYẾT
Lý thuyết lún cố kết của đất
Quá trình cố kết của đất là sự nén chặt đất đi kèm với việc thoát nước lỗ rỗng, dẫn đến sự phân bố lại áp lực giữa cốt đất và nước Quá trình này bao gồm hai quá trình liên hệ: nén chặt đất và thoát nước lỗ rỗng Đối với đất sét, tốc độ thoát nước rất chậm, khiến quá trình nén chặt có thể kéo dài hàng trăm năm Khi đất chứa cả nước tự do và nước liên kết, quá trình thoát nước tự do diễn ra trước, gọi là cố kết nguyên sinh, sau đó nước liên kết được ép ra ngoài, gọi là cố kết thứ sinh Độ cố kết (ĐCK) là một tiêu chuẩn quan trọng để đánh giá hiệu quả xử lý nền bằng phương pháp gia tải trước bằng khối đắp hoặc hút chân không.
Nó cũng thường được dùng như một chitiếtkỹthuậttrong họp đồng của dự án cải tạo, xử lý nền đất yếu [11],
3.2 Lý thuyết cố kết của lớp đất yếuvói PVD
Bấc thấm PVD có bề rộng khoảng 10-20 cm và độ dày từ 3-5 mm Lõi của bấc thấm PVD là một băng dẻo với nhiều rãnh nhỏ giúp dẫn nước lên lớp cát thoát nước Bên ngoài, bấc thấm được bọc bằng vải địa kỹ thuật, thường làm từ polyester không dệt hoặc giấy vật liệu tổng hợp, có chức năng phân cách lòng dẫn nước bên trong với đất xung quanh, ngăn chặn cát mịn xâm nhập vào lõi và gây tắc nghẽn Đường kính tương đương của bấc thấm PVD có dạng dải băng mỏng, được xem như đường kính của bấc thấm hình tròn với khả năng thoát nước tương đương.
Mặt cắt ngang dạng băng Lõi Polypropylene
Vái lọc địa kỹ thuật
Hĩnh 2: Chitiết cấu tạo bấc thấm PVD
Lý thuyết co kết của lớp đất yếu với PVD
4.1 Thiết kếthínghiệm Để đánh giásự ảnhhưởng của lớp cát mỏng đến quá trình cố kếttrongnền, nhóm nghiên cứu tiếnhànhthực hiện các thí nghiệm cố kết cho babìnhđất để so sánh và đánh giá ứngxử về độ lún, tốc độ lún cố kết của cácmẫunhư sau: (1) Trường hợp 1 là mô hình một lớp đất yếu đồng nhất không có bố trí lớpcát mỏng; (2) Trường hợp 2 mô hình lớp đất có xen kẽ một lớp cát mỏng ở giữa; (3) Trường hợp 3 mô hình lớp đất yếu được xen kẽ hai lớpcátmỏng. Để thu đượckết quả tốt, nhóm nghiêncứu chú trọngrấtnhiều nhất đếncôngtácthiết kế bình đất Những yêu cầuchung về mẫu đất có thể kể đến như sau:
Mẫu đất được thiết kế phải đồng nhất, vì theo các nghiên cứu trước đây, lý thuyết cơ bản để xét đến lún cố kết giả sử rằng lớp đất xét luôn đồng nhất Sự không đồng nhất của các mẫu có thể gây ra sai số trong quá trình phân tích và làm giảm độ chính xác khi so sánh đặc điểm ứng xử của lớp đất yếu.
Các bình đất cần được thí nghiệm theo cùng một quy trình và điều kiện môi trường như áp suất, nhiệt độ và độ ẩm, với sự khác biệt về độ ẩm giữa các bình không đáng kể Để so sánh tổng quát, các bình đất phải được thiết kế với cùng điều kiện, bao gồm tổng chiều dày các lớp đất trong trụ và kích thước bình đều phải giống nhau.
Khi chọn kích thước bình thí nghiệm, cần dựa vào mục tiêu và vật tư thí nghiệm Bình nên có thành cứng để ngăn chặn sự chuyển vị ngang trong suốt quá trình thí nghiệm, đảm bảo rằng biến dạng lún chỉ xảy ra theo phương thẳng đứng Ngoài ra, bình cũng phải tương thích với các thiết bị có sẵn trong phòng thí nghiệm, như tải trọng và khối lượng đất, và phải chịu được tải trọng tương ứng với lần đặt tải cuối cùng Đường kính của bình cần lớn hơn đường kính của tạ lớn nhất trong phòng thí nghiệm.
Trong quá trình đọc số liệu, cần phải đọc cẩn thận và bảo quản mẫu đất đúng cách Tránh tác động vật lý mạnh lên mẫu để không làm sai lệch kết quả Quy trình thiết kế mẫu đất thí nghiệm được minh họa rõ ràng trong Hình 3.
XÁC ĐỊNH MỤC TIÊU NGHIÊN cứu
Thiết kế thí nghiệm
Nhóm nghiên cứu tiến hành đánh giá ảnh hưởng của lớp cát mỏng đến quá trình cố kết trong nền bằng cách thực hiện các thí nghiệm cố kết cho ba bình đất Các trường hợp thí nghiệm bao gồm: (1) mô hình một lớp đất yếu đồng nhất không có lớp cát mỏng; (2) mô hình lớp đất có xen kẽ một lớp cát mỏng ở giữa; và (3) mô hình lớp đất yếu được xen kẽ hai lớp cát mỏng Để đạt được kết quả tốt, nhóm nghiên cứu đặc biệt chú trọng đến công tác thiết kế bình đất, với các yêu cầu chung về mẫu đất được xác định rõ ràng.
Mẫu đất được thiết kế đồng nhất, theo các nghiên cứu trước đây, lý thuyết cơ bản để xét đến lún cố kết giả sử lớp đất xét luôn đồng nhất Sự không đồng nhất của các mẫu có thể dẫn đến sai số trong quá trình phân tích và làm giảm độ chính xác khi so sánh đặc điểm ứng xử của lớp đất yếu.
Các bình đất cần được thử nghiệm theo quy trình đồng nhất và trong cùng điều kiện môi trường như áp suất, nhiệt độ và độ ẩm, với sự khác biệt độ ẩm giữa các bình là không đáng kể Để có so sánh tổng quát, các bình đất phải được thiết kế với cùng điều kiện, bao gồm tổng chiều dày các lớp đất trong trụ và kích thước bình phải đồng nhất.
Khi chọn kích thước bình thí nghiệm, cần căn cứ vào mục tiêu và vật tư thí nghiệm Bình thí nghiệm nên có thành cứng để tránh sự chuyển vị ngang trong suốt quá trình thử nghiệm, đảm bảo rằng biến dạng lún chỉ xảy ra theo phương thẳng đứng Ngoài ra, bình cũng phải phù hợp với các thiết bị có sẵn trong phòng thí nghiệm, như tải trọng và khối lượng đất, và có khả năng chịu đựng được tải trọng trong lần đặt tải cuối cùng Đường kính của bình cần lớn hơn đường kính của tạ lớn nhất trong phòng thí nghiệm để đảm bảo tính an toàn và hiệu quả trong thí nghiệm.
Trong quá trình đọc số liệu, cần phải cẩn thận và bảo quản các mẫu đất một cách kỹ lưỡng Tránh tác động vật lý mạnh lên mẫu đất để không làm thay đổi lực tải, từ đó tránh sai lệch kết quả Quy trình thiết kế các mẫu đất thí nghiệm được minh họa trong Hình 3.
Mỗi thành phần trong mô hình thí nghiệm được thiết kế cẩn thận, đặc biệt là trong giai đoạn bố trí lớp cát mỏng, cần thực hiện tỉ mỉ để tránh trộn lẫn với lớp bùn yếu Đối với bình không có lớp cát và hai lớp cát, quy trình cũng được thực hiện tương tự Lớp giấy thấm nước được bố trí giữa lớp bùn và lớp cát nhằm giảm thiểu ảnh hưởng xáo trộn giữa hai thành phần Mô hình mẫu thí nghiệm được trình bày trong Hình 4.
Hình 4: Chi tiết các thành phần trong mẫu đất
Sau khi hoàn thành thiết kế mẫu đất và để cho mẫu đất lún ổn định trong một tuần, nhóm nghiên cứu tiến hành đo độ lún do tải trọng Để phân bố tải trọng đều trên bề mặt, nhóm sử dụng tấm thép cứng đặt trên lớp cát Tấm thép này được hàn chắc chắn với một thanh cứng và kết nối với đồng hồ đo lún (chuyển vị kế) Mô hình đặt tải trọng và phương pháp đọc số liệu được minh họa trong Hình 5.
Hình5: Mô hìnhđọc tái trọngvàphương pháp đọc sổ liệu
Hình 6:Mô hình mẫu đấtđãthiết kế xong
Hình 7: Chi tiết bố trí lớp đất saucùng
Trình tự thí nghiệm
Nhóm nghiên cứu thực hiện thí nghiệm dựa trên quan sát thực tế và so sánh kết quả lún cố kết giữa các mẫu đất thí nghiệm Họ đã khảo sát và đánh giá các yếu tố liên quan đến độ lún, bao gồm tốc độ lún và độ lún cuối cùng của mô hình sau ba lần đặt tải Cụ thể, nhóm thí nghiệm đã chuẩn bị khối đất theo mục 2.1 và dành một ngày để quan sát hiện tượng lún do tải trọng bản thân của mẫu đất Mô phỏng lún do đặt tải trọng bản thân được thể hiện ở Hình 8.
Hĩnh 8: Quá trình lúndo tải trọng bảnthân
Sau khi xác định trọng lượng bản thân, nhóm nghiên cứu sẽ thực hiện việc thụt hút sạch nước bề mặt và tiến hành đặt tải cho các mô hình thí nghiệm với các mức tải 5kg, 10kg, và 15kg Sau 7 ngày, sẽ tiến hành tăng tải một lần, ghi nhận số liệu sau mỗi 5 phút trong vòng 30 phút Cuối cùng, số liệu sẽ được ghi lại hàng ngày sau khi thực hiện chất tải.
Hình9: Biêu đồgiatăng tái trọng theo thời gian
KẾT QUẢ NGHIÊN cứu
Kết quả nghiên cứu
5 1.1 Xây dựng biểu đồ đường cong lún
Nhóm nghiên cứu đã xây dựng biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa độ lún và thời gian lún trong 37 ngày dựa trên số liệu thu thập từ 3 mô hình Các biểu đồ được tạo ra bao gồm: (1) Biểu đồ mối quan hệ giữa độ lún cố kết và thời gian, (2) Biểu đồ tốc độ lún trung bình theo thời gian, và (3) Biểu đồ tốc độ cố kết so với thời gian Những kết quả này được trình bày trong Hình 10 và Hình 11.
Hình 10: Biêu đồ quan hệ độ lúnvà thời gian trong 37 ngày
Hình 11:Biêu đồ quan hệ độ cổkết vàthờigian trong 37 ngày
Nhóm nghiên cứu đã phân tích biểu đồ quan hệ giữa độ lún cố kết và thời gian trong 37 ngày, chia thành các giai đoạn để đánh giá tốc độ lún trung bình của các mô hình thí nghiệm Mỗi giai đoạn được xác định dựa trên vị trí giao nhau giữa các đường cong lún của các mô hình thí nghiệm, như trình bày trong Bảng 2.
Bảng 1: Xét các giai đoạn đặt tải
Giai đoạn Ngày bắt đầu Ngày kết thúc
Saukhi đánh giá các yếu tố về tốc độ cốkếtvàđộ lún sau cùng, nhóm nghiêncứu sẽ đềra
2 mô hình căn bản để sosánh:
Mô hình 1 là mô hình đồng nhất, không có sự hiện diện của lớp cát mỏng, trong khi Mô hình 2 là mô hình hỗn hợp, có sự xuất hiện của lớp cát mỏng.
5 1.2 Xây dụng biểu đồ và so sánh tấc độ ỉún trung bình
~7 Tôc độ lún ” trung bình: 777 V ứ(h 7-7 = — - —
4-4 v tb( } : Tốc độ lúntrung bình trong khoảng thời gian Í2- tỉ (cm/ngày) s : Độ lún được đọc tạingày thứ i (cm) h , z2 : Ngày đọc (ngày)
Quađó, nhóm nghiêncứuchora bảng sau:
Bảng 2: Độ lún tại thời điểm cần nhận xét (cm) Độ lún 0 Lớp cát 1 Lớp cát 2 Lớp cát
Bảng3: Tốc độlúntrung bình trongtừng giai đoạn (cm/ngày)
Do sự chênh lệch lớn về tốc độ lún giữa giai đoạn đầu và giai đoạn cuối, nhóm nghiên cứu đã chia thành 2 biểu đồ tốc độ lún để so sánh chi tiết các mô hình thí nghiệm Biểu đồ này được thể hiện trong Hình 12 và Hình 13.
Hình 12: Biêu đô quan hệgiữa tóc độ lún trung bình và thời gian phân 1
Trong nghiên cứu về tốc độ lún của các mô hình đất, giai đoạn 1 cho thấy mô hình có nhiều lớp cát lún nhanh hơn, trong khi mô hình có lớp cát mỏng đạt trạng thái cân bằng nhanh chóng do thoát nước hiệu quả Ngược lại, mô hình đồng nhất lún chậm hơn và chưa đạt trạng thái cân bằng Ở giai đoạn 2, tốc độ lún có xu hướng ngược lại, với mô hình đồng nhất vẫn chưa đạt trạng thái cân bằng, trong khi mô hình cát mỏng đã đạt trạng thái này sớm Giai đoạn 3 không có sự thay đổi thứ tự tốc độ lún so với giai đoạn 2 Đến giai đoạn 4, thứ tự tốc độ lún thay đổi với mô hình hỗn hợp lún nhanh nhất Sau 37 ngày thí nghiệm, nhóm nghiên cứu thử tăng tải trọng nhưng dừng lại ở 15kg do thiết bị không chịu được tải cao hơn Kết quả cho thấy mô hình hỗn hợp có tốc độ lún nhanh nhất trong những ngày đầu, nhưng giảm dần về sau, trong khi mô hình đồng nhất có độ lún cuối cùng lớn hơn.
CHƯƠNG 6 ĐÁNH GIÁ ỨNG xử LÚN CÓ KÉT CỦA sự HIỆN
DIỆN LỚP CÁT MỎNG TRONG LỚP ĐẤT YẾU
6.1 Môhìnhhỗn hợp có tốc độ cố kết nhanh hon môhình đồngnhất Ở “Biểu đồ quan hệ độ lún vàthờigiantrong 37 ngày”, nhóm nghiên cứunhận ra rằngmô hình có sự hiện diện 2 lớpcát mỏngđạt độcố kết100% vào ngày thứ 32, mô hình cósựhiện diện 1 lớp cátmỏng đạt cố kết 100% vào ngày thứ 35 và mô hình không hiện diện lớp cát mỏng đạt độ cố kết 100% vào ngày thứ 37 Như vậy, mô hình hỗn hợpcó tốc độcốkếtnhanh hơn mô hình đồng nhất và số lớp cát mỏng trong mẫu càngnhiều thì tốc độ cố kếtcàng táng.
6.2 Mô hìnhhỗn hợp cókhả năng thoát nước nhanh hon so vóimôhình đồng nhất Ở “Biểu đồ quan hệ độ lún vàthời gian trong 37 ngày” và mục 5.1.2, nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng mô hình hỗn hợp có khảnăng thoátnước nhanh hơn so vớimô hìnhđồng nhất Đối với điều này cóthể hiểu rằng mô hình đất gồm 3 pha: pha đất, pha nước và pha khí, tốc độ cốkếtliên quan chặt chẽ đếntốc độgiảm đipha khí và pha nước của mẫu đất Cụ thể, khi pha nước và pha khí giảm càng mạnh thì tốc độ cố kếtcủamô hình xảy ra càng nhanh Đối với mẫu đất thiếtkế, giả thiết độ ẩm được thiếtkế là 105% (mẫu đất đã bão hòa) nên trong mẫu đất chỉ có 2 pha là phađất và pha nước.
Sau khi thảo luận, nhóm nhận định rằng lớp cát mỏng trong mô hình hỗn hợp ảnh hưởng lớn đến khả năng thoát nước Lớp cát được rải đều và nằm ngoài phạm vi hút nước của bấc thấm, tạo điều kiện cho các phần tử nước ở xa bấc thấm có thể thoát ra ngoài Do đó, khi mẫu đất có bố trí lớp cát mỏng, khả năng thoát nước của mẫu khi chịu tải sẽ tăng lên, và khả năng thoát nước tỷ lệ thuận với số lượng lớp cát mỏng trong mẫu đất.
6.3 Môhìnhhỗn hợp có độ lún ít hon so vói mô hìnhđồngnhất Ở Bảng5tại Mục 5.1.2“Độ lún saucùngcủa mẫu đất”, nhómnghiêncứu thấy rằng độlún sau cùngcủa mô hình hỗn hợp thấphơn so với mô hình đồng nhất và mô hình càngnhiều lớp cátmỏng thì độ lún càng giảm Điều này có thể hiểu rằng nếu mẫu đất yếu khi được gia cố thêm lớp cát mỏng thì độ cứng của mẫu được tăng lên Trongtrườnghợp có nhiều lớp cát mỏng, không chỉtạo điều kiện cho khả năng thoát nước của mẫu khi đặt tải mà còn tăng độ cứng vàtính ổn địnhtrong mẫu.