CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ BẤC THẤM, GIA TẢI TRƯỚC ỨNG DỤNG CỦA BẤC THẤM KẾT HỢP VỚI GIA TẢI TRƯỚC TRONG VIỆC XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU 1.1 Giới thiệu về bấc thấm Vật thoát nước chế tạo sẵn gồm lõi
Giới thiệu về bấc thấm
Vật thoát nước chế tạo sẵn gồm lõi bằng polypropylene, có tiết diện dạng băng hoặc tròn, bên ngoài được bọc vỏ lọc bằng vải địa kĩ thuật không dệt tạo thành từ các sợi gắn kết bằng biện pháp cơ học, hóa học hoặc gia nhiệt
Bấc thấm là một loại vật liệu kỹ thuật được sử dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng hiện nay với mục đích là thoát nước và tăng độ ổn định cho nền móng
Bấc thấm gồm 2 loại : Bấc thấm dạng băng và bấc thấm dạng tròn
Bấc thấm dạng băng Bấc thấm dạng băng thường có chiều rộng 100 mm, dày từ 2 mm đến
10 mm lõi có dạng máng, dạng bản hoặc lưới chéo và cuốn thành cuộn có tổng chiều dài hàng trăm mét.
Bấc thấm dạng tròn : Lõi bấc thấm tròn là ống có gờ, thân có lỗ, đường kính ngoài của lõi 50 mm, đường kính trong 45 mm, có khả năng chống bẹp, chống lão hóa, chịu được va đập và lực kéo.
Gia tải trước: Biện pháp tác dụng áp lực tạm thời lên nền đất yếu để tạo độ lún trước khi xây dựng công trình; kết hợp với giải pháp thoát nước sẽ tăng nhanh quá trình ép thoát nước lỗ rỗng, tăng nhanh tốc độ cố kết của đất yếu, làm cho nền được lún trước, lún ổn định Ưu Điểm
+Hiệu quả trong công việc cải thiện sức chịu tải của nền đất
+ Thi công tương đối đơn giản
+Thời gian thi công tương đối lâu
+Gây ảnh hưởng tới môi trường xung quanh
Ứng dụng của bấc thấm kết hợp với gia tải trước trong việc xử lý nền đất yếu 2 CHƯƠNG 2: CÁC YÊU CẦU KĨ THUẬT CỦA BẤC THẤM, BẤC THẤM KẾT HỢP
Bấc thấm và gia tải trước có thể được kết hợp với nhau để xử lý nền đất yếu một cách hiệu quả Bấc thấm sẽ giúp rút ngắn thời gian thoát nước, do đó thời gian gia tải trước cũng được rút ngắn Việc kết hợp hai phương pháp này sẽ giúp tăng cường độ và giảm độ lún của nền đất một cách nhanh chóng và hiệu quả Ứng dụng:
Xây dựng nền đường trên đất yếu có yêu cầu tăng nhanh tốc độ cố kết và tăng nhanh cường độ của đất yếu để đảm bảo ổn định nền đắp và hạn chế độ lún trước khi làm kết cấu áo đường
Tôn nền trên đất yếu để làm mặt bằng chứa vật liệu, để xây dựng các kho chứa một tầng, để xây dựng các công trình dân dụng và công nghiệp loại nhỏ có tải trọng phân bố trên diện rộng (sau khi nền đã lún đến ổn định)
CHƯƠNG 2: CÁC YÊU CẦU KĨ THUẬT CỦA BẤC THẤM, BẤC THẤM KẾT HỢP GIA TẢI TRƯỚC
Thiết kế cấu tạo chung
Nguyên tắc thiết kế cấu tạo xử lí nền đất yếu bằng bấc thấm:
1) Phần đắp gia tải nén trước 5) Nền đất yếu
2) Nền đắp 6) Vải địa kỹ thuật
3) Đệm cá 7) Mốc đo lún
4) Bấc thấm 8) Thiết bị đo áp lực nước lỗ rỗng
Yêu cầu kĩ thuật của bấc thấm
Bấc thấm phải đạt các chỉ tiêu cơ lí
- Cường độ chịu kéo không dưới 1,6 kN;
- Độ giãn dài lớn hơn 20 %;
- Khả năng thoát nước dưới áp lực 10 kPa với gradient thủy lực I = 0,5 từ 80 x 10 -6 m³/s đến
- Khả năng thoát nước dưới áp lực 400 kPa với gradient thủy lực I = 0,5 từ 60 x 10 -6 m³/s đến
Yêu cầu về vải địa kĩ thuật
Khi nền là đất yếu ở trạng thái dẻo nhão, có khả năng làm nhiễm bẩn lớp đệm cát trực tiếp bên trên đầu bấc thấm thì dùng vải địa kĩ thuật ngăn cách lớp đất yếu và lớp đệm cát
- Sử dụng vải địa kỹ thuật để tăng khả năng chống trượt của khối đắp khi cần thiết;
- Sử dụng vải địa kỹ thuật để làm kết cấu tầng lọc ngược
-Khi lớp đất yếu không làm nhiễm bẩn tầng đệm cát thoát nước trên đầu bấc thấm thì không cần dùng vải địa kỹ thuật
Vải địa kĩ thuật phải có các chỉ tiêu cơ lí sau:
- Cường độ chịu kéo không dưới 1,0 kN;
- Khả năng chống xuyên thủng từ 1500 N đến 5000 N;
- Kích thước lỗ vải 090 < 0,15 mm;
- Hệ số thấm của vải: ≤ 1,4 x 10 -4 m/s
Yêu cầu về đệm cát trên đầu bấc thấm
Chiều dày tầng đệm cát tối thiểu là 50 cm và phải có biện pháp đảm bảo thoát nước ngang trong toàn bộ quá trình xử lý nền, chịu được tải trọng của xe máy thi công cắm bấc thấm, cắm được bấc thấm qua tầng đệm cát dễ dàng và thoát nước tốt
Cát để làm tầng đệm cát phải là cát thô hoặc cát trung, đạt các yêu cầu sau:
- Tỉ lệ cỡ hạt lớn hơn 0,5 mm phải chiếm trên 50 %;
- Tỉ lệ cỡ hạt nhỏ hơn 0,14 mm không quá 10 %;
- Hệ số thấm của cát không nhỏ hơn 10 -4 m/s;
- Hàm lượng hữu cơ không quá 5 % Độ đầm nén của lớp đệm cát phải thỏa mãn hai điều kiện:
- Máy thi công di chuyển và làm việc ổn định;
- Phù hợp độ chặt K yêu cầu trong kết cấu nền đắp
-Trong phạm vi chiều cao tầng đệm cát và dọc theo chu vi (biên) tầng đệm cát phải có tầng lọc ngược thiết kế bằng sỏi đá theo cấp phối chọn lọc hoặc sử dụng vải địa kĩ thuật
Quy định về bố trí bấc thấm
Để không làm xáo động đất quá lớn, khoảng cách giữa các bấc thấm quy định tối thiểu là 1,30 m Để đảm bảo hiệu quả làm việc của mạng lưới bấc thấm, khoảng cách giữa các bấc thấm không quá 2,20 m Khi xác định khoảng cách bấc thấm phải chú ý đến điều kiện địa chất công trình cụ thể bấc thấm làm việc có hiệu quả tốt nhất
Phải bố trí bấc thấm phân bố đều trên mặt bằng của công trình có điều kiện địa chất công trình như nhau Đối với công trình dân dụng và công nghiệp bấc thấm được bố trí ngay dưới móng công trình và ra ngoài mép công trình một khoảng bằng 0,2 bề rộng đáy móng Đối với công trình đường thì phải bố trí bấc thấm đến chân mái dốc của nền đắp
Bố trí mạng lưới bấc thấm có thể theo hình tam giác đều hoặc theo hình ô vuông
Chiều dài của bấc thấm phải bố trí hết chiều sâu tầng chịu nén của nền đất dưới tác dụng của tải trọng công trình Chiều sâu tầng chịu nén đước tính toán cụ thể cho từng loại công trình Khi xác định chiều dài cắm bấc thấm phải đồng thời xét đến:
- Nếu chiều sâu tầng chịu nén Ha nhỏ hơn chiều dày tầng đất yếu thì bấc thấm chỉ cần cắm hết chiều sâu tầng chịu nén
- Chiều dài bấc thấm có thể giới hạn ở độ sâu có ứng suất do tải trọng công trình gây ra cân bằng với áp lực tiền cố kết của đất
- Khi sử dụng bấc thấm phải có hệ thống quan trắc để kiểm tra các dự báo thiết kế và điều chỉnh bổ sung khi cần thiết.
Yêu cầu về gia tải nén trước
Tổng tải trọng gia tải nén trước lớn hơn hoặc bằng 1,2 lần tổng tải trọng thiết kế của công trình
Vật liệu gia tải nén trước có thể bằng đất loại sét, đất loại cát hoặc bằng tải trọng công trình (nếu công trình là nhà)
Khi nền đất không ổn định, phải đắp theo từng giai đoạn Tải trọng của từng giai đoạn đắp phải bảo đảm nền luôn trong điều kiện ổn định và được tính toán cụ thể
Thời gian lưu tải của toàn bộ tải trọng gia tải phải đảm bảo cho quá trình cố kết hoàn thành, nền đất lún đến ổn định Nghĩa là chỉ được dỡ tải khi nền đất yếu được gia cố bằng bấc thấm đạt được độ cố kết yêu cầu
Khi trong nền cần gia cố có một lớp đất tốt, mỏng (≤ 2 m) nằm bên trên thì phải bảo đảm tải trọng đặt trên mặt lớp đất tốt phải đủ lớn để phá vỡ được độ bền kết cấu của lớp đất này và gây nên độ lún theo dự báo Đắp gia tải tuân theo các chỉ dẫn trong thiết kế về vật liệu đắp, về thời gian và về tải trọng của từng giai đoạn Áp lực do lớp gia tải gây nên không vượt quá sức chịu tải giới hạn của đất nền để đảm bảo cho nền lún trong giới hạn quy định đúng với thiết kế mà không phá hoại nền đất cần gia cố
Khi có nguy cơ nền đất yếu kém ổn định, có khả năng bị lún trồi hoặc bị trượt, thì phải đắp phản áp để đảm bảo cho nền đắp cao không bị mất ổn định
Căn cứ vào độ lún ổn định sau khi dỡ tải và cao độ thiết kế của công trình để tính toán khối lượng đất đắp bù lún Đất bù lún phải được đầm chặt đúng quy trình và đảm bảo độ chặt theo yêu cầu thiết kế công trình
Khi hết thời gian gia tải, độ lún của nền đắp tương ứng với độ lún tính toán thiết kế, thì cho phép dỡ tải Công tác dỡ tải phải tiến hành theo từng lớp (tránh dỡ cục bộ gây mất ổn định nền đắp) Khi dỡ tải đến độ cao thiết kế, phải dọn sạch các vật liệu không phù hợp.
NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CẢI TẠO NỀN ĐẤT YẾU DÙNG BẤC THẤM KẾT HỢP GIA TẢI TRƯỚC
Cơ sở lý thuyết tính toán bài toán cố kết thấm
3.1.1 Các giải thuyết tính toán cố kết
Dựa vào bài toán lún cố kết một chiều của Terzaghi, thiết lập phương trình cố kết thấm dựa vào các giả thiết sau:
- Đất đồng nhất và bảo hòa nước, hạt đất và nước lỗ rỗng không bị nén;
- Độ thay đổi thể tích ∆V của phân tố đất là bé so với thể tích ban đầu của đất;
- Sự thấm của đất tuân theo định luật Darcy
- Hệ số thấm là hằng số trong suốt quá trình cố kết
- Từ biến không xuất hiện trong quá trình lún
- Đất đẳng hướng thấm theo các trục x, y, z
- Gia tải ∆𝑃 được đặt tức thời
3.1.2 Bài toán cố kết cơ bản
Khảo sát một phan tố dx, dy, dz tại điểm (x, y, z) trong khối đất Vận tốc thấm v được phân tích thành phần Vx, Vy, Vz Theo định luật bỏa toàn khối lượng thì độ chênh lệch của lượng nước vào và ra bằng độ thay đổi thể tích của phân tố đất: x v y z v v
Định luật Darcy tổng quát có dạng:
Vi phân (2.2) thay vào (2.1) sau khi biến đổi ta được:
- gọi là hệ số cố kết, chúng ta tìm được phương trình vi phân cố kết thấm 3 chiều
Với hệ tọa độ trụ, phương trình (2.4) trở thành
Phương trình có thể được phân thành hai thành phần:
Nếu bài toán thấm xem xét trong điều kiện chỉ có thấm đứng, phương trình một chiều có dạng:
Phương trình (2.8) là phương trình vi phân cố kết thấm một chiều theo lý thuyết cố kết của Terzaghi (1943)
Dạng lời giải của phương trình này tùy thuộc vào điều kiện ban đầu và điều kiện biên thoát nước của lớp đất cố kết
Trong sơ đồ cố kết có các điều kiện sau
- Tải phân bố đều kín khắp gây ra gia tăng ứng suất không đổi theo chiều sâu;
- Áp lực nước lỗ rỗng thẳng dư ban đầu tại mọi thời điểm trong lớp đất bằng với gia tăng ứng suât bên ngoài lớp đất
Khi giải phương trình (2.8) ta sẽ giải được giá trị áp lực lỗ rỗng thẳng dư tại thời điểm t ở độ sâu Z là:
Và nhân tố thời gian T v C t v 2
H ; trong đó H – là chiều dài đường thoát nước
Và độ cố kết ở thời điểm t của cả bề dày lớp cố kết là:
Tính toán bố trí bấc thấm TCVN 9355:2012
3.2.1 Khoảng cách và độ lún của bất thấm
Nền đất có cắm bấc thấm dưới tác dụng của tải trọng sẽ cố kết theo sơ đồ bài toán đối xứng trục Áp lực nước lỗ rỗng và độ cố kết U biến đổi theo thời gian t tùy thuộc khoảng cách bấc thấm L và các tính chất cơ lí của đất (chiều dày h, hệ số cố kết Cvz, Cvh) Bài toán này có thể giải quyết bằng máy tính với phần mềm chuyên dụng, hoặc có thể tính bằng tay (xem Phụ lục A, Phụ lục B)
3.2.2 Quy định bố trí bất thấm
Phải bố trí bấc thấm phân bố đều trên mặt bằng của công trình có điều kiện địa chất công trình như nhau
- Đối với công trình dân dụng và công nghiệp bấc thấm được bố trí ngay dưới móng công trình và ra ngoài mép công trình một khoảng bằng 0,2 bề rộng đáy móng
- Đối với công trình đường thì phải bố trí bấc thấm đến chân mái dốc của nền đắp
- Bố trí mạng lưới bấc thấm có thể theo hình tam giác đều hoặc theo hình ô vuông
3.2.3 Nguyên tắc tính toán tải đất đắp a) Phân bố ứng suất trong đất nền khi gia tải đất đắp Ứng suất tính toán trong đất là ứng suất hữu hiệu, ứng suất hữu hiệu trong đất ở trạng thái ban đầu như sau:
Pa: Áp suất khí quyển h: Chiều dày lớp đất
Trong trường hợp gia tải truyền thống, ứng suất hữu hiệu tăng lên do phần tải trọng thêm vào, do đó ứng suất hữu hiệu sẽ tăng lên tương ứng, ngược lại áp lực nước lổ rỗng còn lại không thay đổi Trong trường hợp gia tải chân không, ứng suất tổng không tăng và ứng suất hữu hiệu tăng là do áp lực nước lỗ rỗng giãm, do tác dụng của ứng suất âm
Trong trường hợp đó, trạng thái ứng suất có thể mô tả không gian ba chiều với ứng suất hữu hiệu p’ và độ lệch ứng suất q được định nghĩa như sau:
1 3; ' q p 3 Độ lún tổng cộng của nền
0 c c z pz p Độ lún tổng cộng của nền đất đường bao gồm: độ lún tức thời, độ lún cố kết sơ cấp và độ lún cố kết thứ cấp b) Lún tức thời: Độ lún tức thời tính theo kinh nghiệm: St=(m-1).Sc ( với m= 1,1-1,4)
Nếu có các biện pháp hạn chế đất yếu bọ đẩy trồi sang ngang dưới tải trọng đắp (như có đắp phản áp hoặc rải vải địa kỹ thuật…) thì chọn m= 1,1, ngoài ra chiều cao đắp càng lớn và đất càng yếu thì chọn trị số m càng lớn c) Lún cố kết sơ cấp
Xác định theo phương pháp tổng độ lún của các lớp phân tố Từ thí nghiệm nền đất không nở hông trong phòng thí nghiệm, độ lún nền đất được xác định như sau:
1 i i i n i i pz i pz vz c i r i c i n vz pz
Đất ở trạng thái cố kết thường
Đất quá cố kết: ( vz i i pz )
1 i i i n i i pz i pz vz c i r i c i n vz pz
Hi: Chiều dày tính lún lớp thứ i σ i : Chiều dày, độ rỗng ban đầu của phân tố thứ i
C i : Chỉ số nén lún hay độ dốc của đoạn đường cong nén lún
C i : Chỉ số nén lún hồi phục khi dỡ tải, hay độ dốc của đoạn đường cong nén lún trong phạm vi σ i < σ i i : Áp lực tiền cố kết ở lớp thứ i σ z v z i : Áp lực do trọng lượng bản thân của các lớp đất tự nhiên nằm bên trên tiền lớp đất thứ i σ i : Ứng suất do tải trọng ngoài gây ra ở trọng tâm lớp thứ i Độ lún tổng cộng theo tiêu chuẩn thiết kế đường ô tô được dự đoán: S=mSc Trong đó lấy m (1,1- 1,4) d) Lún cố kết thứ cấp Độ lún này do hiện tượng từ biến trong đất gây nên Theo Mesri (1973), độ lún này có thể được xác định như sau:
Theo Mesri (1973), độ lún này có thể được xác định như sau:
C α : Hằng số vật lý, nó được xác định từ thí nghiệm cố kết 1 chiều tiếp ngay sau khi kết thúc cố kết ban đầu với số gia tải trọng phù hợp;
H α : Chiều dày tầng đất bắt đầu cố kết thứ cấp bằng H-Sc; t1: Thời gian bắt đầu xuất hiện lún thứ cấp (đôi khi dùng thời gian tương ứng với 90% hay 100% cố kết ban đầu) t2: Thời gian phát sinh độ lún thứ cấp e) Tính toán lún theo thời gian Độ lún cố kết trên đất yếu sau thời gian t được xác định như sau: St=Sc.U Độ lún cố kết còn lại nền đắp trên đất yếu sau thời gian t được xác định như sau:
Sc- là độ lún của nền đất yếu khi chưa có bấc thấm U- độ cố kết của đất yếu đạt được sau thời gian t Thiết lập phương trình cố kết thấm của Terzaghi dựa trên các giả thiết sau:
- Hạt đất và nước lỏ rỗng không bị nén
- Độ thay đổi thể tích 𝛥V của phân tố đất là bé so với thể tich ban đầu của đất;
- Sự chảy trong cố kết thấm tuân theo định luật Darcy
- Đất đẳng hướng thấm theo các trục x, y, z
- Gia tải𝛥 P được đặt tức thời
Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích bài toán gia tải trước 10
3.3.1 Lịch sử phát triển phần tử hữu hạn
Phương pháp phần tử hữu hạn được bắt nguồn từ những yêu cầu giải các bài toán phức tạp về lý thuyết đàn hồi, phân tích kết cấu trong xây dựng và kỹ thuật hàng không Nó được phát triển bắt dầu bởi Alexander Hrennikoff (1941) và Richard Courant (1942) Mặc dù hướng tiếp cận của những người đi tiên phong là khác nhau nhưng đều có một quan điểm chung đó là chia những miền liên tục thành những miền con rời rạc Hrennikoff rời rạc những miền liên tục bằng cách sử dụng lưới tương tự, trong khi Courant chia những miền liên tục thnahf những miền có hình tam giác cho cách giải thứ hai cho phương trình vi phân từng phần Elliptic, xuất hiện từ các bài toán về xoắn của phần tử thanh hình trụ Sự đóng góp của Courant là phát triển, thu hút một số người nhanh chóng đưa ra kết quả cho phương trình vi phân toàn phần Elliptic được phát triển bởi Rayleigh, Ritz và Galerkin Sự phát triển chính thức của phương pháp phần tử hữu hạn được bắt đầu vào nửa sau những năm 1950 trong việc phân tích kết cấu khung máy bay và công trình xây dựng Phương pháp này được cung cấp trên nền tảng toán học chặt chẽ vào năm 1973 với việc xuất bản cuốn “Strang” và tổng kết trong “An Analysis of the Finite element Method” và kể từ đó phương pháp phần tử hữu hạn được tổng quát hóa thành một ngành toán ứng dụng, một mô hình số học cho các hệ thống tự nhiên được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật ví dụ như điện từ học, động lực học chất lỏng
Sự phát triển phương pháp phần tữ hữu hạn trong cơ học kết cấu đặt cơ sở cho nguyên lý năng lượng ví dụ như: nguyên lý công khả dĩ Phương pháp phần tử hữu hạn cung cấp một cơ số tổng quát mang tính trực quan theo quy luật tự nhiên, đó là một yêu cầu lớn đối với những kỹ sư kết cấu
3.3.2 Giới thiệu phương pháp phần tử hữu hạn
Phương pháp phần tử hữu hạn thường được dùng trong các bài toán cơ học (Cơ học kết cấu, cơ học môi trường liên tục, cơ học đất….) để xác định từng ứng suất và biến dạng của vật thể
Trong những năm 1960 – 1970 cơ học truyền thống chia ra những bài toán làm hai nhóm, nhóm thứ nhất bao gồm những bài toán xác định khả năng chịu tải của móng, ổn định của mái dốc, của khối đất đắp của các hầm và bể ngầm và áp lực lên tường chắn, nhóm thứ hai bao gồm những bài toán tính lún của nền đất dưới tác dụng của tải trọng ngoài và các công trình khác trong đó có kể đến cố kết thấm, bài toán tiếp xúc về tác dụng tương hỗ giữa công trình và đất
Phép giải toán nhóm thứ hai dựa trên giả thuyết về mối liên hệ tuyến tính giữa ứng suất và biến dạng trong đất, điều đó tạo cơ sở vận dụng các phương pháp của lý thuyết đàn hồi khi phân tích biến dạng của đất dưới tác dụng của tải trọng Do rất kho thu được lời giải đàn hồi, các bài toán biến dạng của cơ học đất thường được thực hiện với nhiều giả thiết đơn giản hóa, điều đó cho phép vận dụng lời giải đã biết của các bài toán đơn giản nhất, bỏ qua một số thành phần của ten – sơ ứng suất khi tính biến dạng
Khi giải các bài toán nhóm thứ nhất, biến dạng của đất không được xét đến và được giả thiết là vừa đủ để huy động toàn bộ sức kháng Ở nhóm bài toán thứ hai, ứng suất và biến dạng được giả thiết là nhỏ, vùng trạng thái giới hạn còn chưa hình thành hoặc nhỏ đến mức có thể bỏ qua Khi độ lớn vùng dẻo nhỏ thì người ta bỏ qua chúng và coi bài toán là đàn hồi Khi biến dạng dẻo phát triển đáng kể thì thì cần phải kể đến phương pháp phần tử hữu hạn
Ngày nay, phương pháp phần tử hữu hạn viết cho cơ học đất với nhiều mô hình khác nhau: Mô hình đàn hồi Morh – Coulomb, Cam – clay… Nên rất thích hợp để phân tích bài toán cơ học đất với việc sử dụng thích hợp các mô hình tùy theo các laoij đất khác nhau Trong nội dung của luận văn này sử dụng chương trình Plaxis để mô phỏng bài toán gia tải kết hợp bấc thấm
3.3.3 Mô tả phương pháp phần tử hữu hạn
Trong các phần mềm tính toán sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng hiện nay đều không có các phần tử thoát nước đặc biệt để mô phỏng bấc thấm một cách chính xác nhất, nên trong quá trình tính toán nhiều tác giả đã đề nghị các phương pháp mô phỏng khac nhau Sau đây là hai phương hướng sử dụng hiện nay:
Do tác dụng của bấc thấm chủ yếu là dùng để thoát nước và bấc thấm có tính chất là một vật liệu đàn hồi nên khi mô phỏng trong phương pháp phần tử hữu hạn, với bài toán phẳng 2D người ta có thể mô phỏng bấc thấm bằng các phần tử vật liệu đàn hồi thoát nước và có hệ số thấm nước theo phương thẳng đứng như tốc độ thấm của bấc thấm
Trên thực tế thì bấc thấm hoạt động theo mô hình đối xứng trục nhưng khi mô phỏng bằng phần mềm Plaxis 2D là mô hình phẳng cho nên cần phải tính toán lại khp và kwp tương ướng là hệ số thấm ngang và đứng trong mô phỏng Công thức quy đổi hệ số thấm từ đối xứng trục qua mô hình 2D như sau:
+ Xác định hệ số thấm ngang trong mô hình phẳng
k ha và k sa : tương ứng là hệ số thấm ngang trong vùng không xáo trộn và vùng xáo trộn mô hình ĐXT, theo [4];
2B = S: Là khoảng cách mô phỏng bấc thấm trong MHP;
R-0,5d e : Bán kính vùng ảnh hưởng thoát nước của bấc thấm trong mô hình r s = 3r m : bán kính vùng xáo trộn; r m : bán kính kiếm cắm (mandrel)
+ Xác định hệ số thấm đứng trong mô hình phẳng: q wp : Khả năng thoát nước bấc thấm trong MHP; q wa : Khả năng thoát nước của bấc thấm trong mô hình ĐXT; k wa : hệ số thấm của bấc thấm trong mô hình ĐXT b w = r w : bề dày bấc thấm trong MHP;
Hình 3.1: Mô hình chuyển đổi các thông số từ mô hình đối xứng (ĐXT) sang mô hình phẳng(MHP)
Các bấc thấm được cắm vào trong đất làm tăng nhanh quá trình cố kết thoát nước bên trong nền đất nên có thể xem vùng có PVD là vùng tương đương Có thể coi vùng có PVD như vùng đất bình thường nhưng có hệ số thấm đứng tương đương là k ve rất lớn so với hệ số thấm đứng k v của đất bình thường Hệ số thấm đứng k v được tính dựa trên sự cân bằng mức độ cố kết với các giả thiết sau:
+ Dạng biến dạng của nền đất được xử lý bằng PVD gần như là một phương Vì vậy lý thuyết cố kết cố kết theo một phương đang được sử dụng trong tính toán cố kết theo phương đứng và lý thuyết của Hansbo trong tính toán cố kết theo phương ngang vẫn được sử dụng
+ Mức độ cố kết tổng là sự kết hợp của mức độ cố kết theo phương đứng và phương ngang theo quan hệ đã được đề nghị của Scoott (1963) Để có được sự diễn tả cho hệ số thấm đứng tương đương k ve , phương trình cân bằng mức độ cố kết theo phương đứng được đề nghị như sau:
Uv: Mức độ cố kết theo phương đứng
Tv: Hệ số thời gian không thứ nguyên
Hệ số thấm tương đương k ve được tính như sau (Theo chai và côṇg sư ̣ ,2001):
kh ,kv: hệ số thấm ngang và đứng
F=Fn+Fs+Fr de: Đường kính vùng ảnh hưởng bấc thấm
3.3.4 Điều kiện biên trong phương pháp phần tử hữu hạn Điều kiện biên trong phương pháp phần tử hữu hạn trong bài toán xử lý nền đất yếu bằng phương pháp bấc thấm kết hợp gia tải trước Điều kiện biên chuyển vị nút phần tử
- Biên áp lực nước lỗ rỗng.
QUY TRÌNH THI CÔNG CẢI TẠO NỀN DÙNG BẤC THẤM KẾT HỢP GIA TẢI TRƯỚC
Bước 1: Tạo mặt bằng thi công, thi công tầng đệm cát và lắp đặt thiết bị quan trắc:
Phải thi công tầng đệm cát trước khi thi công cắm bấc thấm Tầng đệm cát này thường làm bằng cát thô hoặc cát trung và có chiều dày từ 0,5 m đến 0,6 m
Việc thi công tầng đệm cát phải tuân theo các quy định và quy trình đắp nền (mỗi lớp từ 25 cm đến 30 cm) Độ chặt đầm nén của đệm cát phải thỏa mãn hai điều kiện:
- Máy thi công di chuyển và làm việc ổn định
- Phù hợp độ chặt K theo thiết kế
Phía trên tầng đệm cát phải có lớp cát hạt trung để phủ kín bấc thấm với chiều dày tối thiểu là
25 cm (không đắp trực tiếp đất loại sét trên đầu bấc thấm)
Tầng lọc ngược ở phía thấm ra ngoài mái dốc của tầng đệm cát phải được thi công sau khi thi công cắm bấc thấm và trước khi đắp gia tải (tức là trước khi cho nước từ bấc thấm qua tầng đệm cát ra ngoài)
Lớp phủ bảo vệ tầng đệm cát phía mái dốc nền đắp được thi công trước khi bắt đầu dỡ tải
Hình 4.1: Hình ảnh san lấp mặt bằng thi công
Bước 2: Cắm bấc thấm theo vị trí đã thiết kế
Thiết bị cắm bấc thấm có các đặc trưng kĩ thuật sau:
- Trục tâm để lắp bấc thấm có tiết diện 60 mm x 120 mm, dọc trục có vạch chia đến xentimét để theo dõi chiều sâu cắm bấc thấm và phải có quả dọi để thường xuyên kiểm tra độ thẳng đứng khi cắm bấc thấm vào lòng đất
- Máy phải có lực đủ lớn để cắm bấc thấm đến độ sâu thiết kế
- Thiết kế trước sơ đồ di chuyển làm việc của máy cắm bấc thấm trên mặt bằng của đệm cát theo nguyên tắc:
+ Khi di chuyển, máy không được đè lên những đầu bấc thấm đã thi công
+ Hành trình di chuyển máy là ít nhất
- Trước khi thi công chính thức, đơn vị thi công phải tổ chức thi công thí điểm trên một phạm vi đủ để máy di chuyển hai lần đến ba lần khi thực hiện các thao tác cắm bấc thấm, phải có sự chứng kiến của tư vấn giám sát trong quá trình thí điểm để kiểm tra độ thẳng đứng đúng vị trí và đảm bảo độ sâu
Chú ý: khi thi công thí điểm đạt yêu cầu mới được thi công chính thức
Trình tự thi công cắm bấc thấm như sau:
- Định vị tất cả các điểm sẽ phải cắm bấc thấm bằng máy đo đạc thông thường theo hàng dọc và ngang đúng với thiết kế, đánh dấu vị trí định vị, công việc này cần làm cho từng ca máy;
- Đưa máy cắm bấc thấm vào vị trí theo đúng hành trình đã vạch trước Xác định vạch xuất phát trên trục tâm để tính chiều dài thấm bấc được cắm vào đất, kiểm tra độ thẳng đứng của trục tâm bằng dây dọi hoặc bằng thiết bị con lắc đặt trên giá máy ép;
- Lắp bấc thấm vào trục tâm và điều khiển máy đưa đầu trục tâm đến vị trí cắm bấc thấm;
- Gắn đầu neo vào đầu bấc thấm với chiều dài bấc thấm được gấp lại tối thiểu là 30 cm và được ghim bằng ghim thép Các đầu neo phải có kích thước phù hợp với bấc thấm Kích thước của đầu neo thường là 85 mm x 150 mm bằng tôn dày 0,5 mm;
- Cắm trục tâm đã được lắp bấc thấm đến độ sâu thiết kế với tốc độ đều trong pham vi từ 0,2 m/s đến 0,6 m/s Sau khi cắm bấc thấm xong, kéo trục tâm lên (lúc này đầu neo sẽ giữ bấc thấm lại trong lòng đất) Khi trục tâm được kéo lên hết, dùng kéo cắt bấc thấm, còn lại 20 cm đầu bấc thấm nhô lên trên lớp đệm cát và quá trình bắt đầu lại từ đầu với một vị trí cắm bấc thấm tiếp theo
- Khi thi công gặp những điều bất thường thì phải báo cáo xin ý kiến tư vấn giải quyết
- Phải vẽ sơ đồ và ghi chép chi tiết mỗi lần cắm bấc thấm về vị trí, chiều sâu, thời điểm thi công và các sự cố xảy ra trong quá trình thi công
- Sau khi cắm bấc thấm xong phải dọn dẹp sạch các mảnh vụn bấc thấm rơi vãi trên mặt bằng tiến hành đắp lớp cát phủ kín đầu bấc thấm
Hình 4.2: Hình ảnh thi công bấc thấm theo thiết kế
Tạo áp lực cho nền bằng cách chất lên nền 1 tải trọng Tải có thể là đát, cát, các khối bê tông Đắp gia tải tuân theo các chỉ dẫn trong thiết kế về vật liệu đắp, về thời gian và về tải trọng của từng giai đoạn
Thường xuyên quan sát xem có nước thoát ra ngoài không Cần có biện pháp tạo đường thoát thuận tiện cho nước lỗ rỗng từ nền đất yếu được ép thoát lên rồi chảy ra ngoài phạm vi nền đắp Nếu cần (có ý kiến của giám sát viên tư vấn) có thể tạo hố tập trung nước và dùng bơm hút đi Trường hợp thật cần thiết và điều kiện kĩ thuật cho phép, có thể dùng phương pháp hút chân không để hút thoát nước thật nhanh
Hình 4.3: Hình ảnh ứng lực trước bằng đất
Bước 4: Kiểm tra thu thập số liệu quan trắc, phân tích số liệu quan trắc và đánh giá độ cố kết, nghiệm thu công trình
Kiểm tra, nghiệm thu chất lượng bậc thấm
- Bấc thấm phải đảm bảo yêu cầu về chất lượng;
- Mỗi lô hàng phải có chứng chỉ xuất xưởng và kiểm tra chất lượng kèm theo Khối lượng kiểm tra trung bình 10 000 m thí nghiệm một mẫu hoặc khi thay đổi lô hàng nhập;
- Phải ghi lại chiều dài mỗi cuộn bấc thấm và quan sát bằng mắt thường xem bấc có bị gãy lõi không
Kiểm tra nghiệm thu chất lượng đệm cát
- Đệm cát phải bảo đảm chất lượng ghi ở 5.5
- Đối với vật liệu cát làm đệm cứ 500 m³ phải thí nghiệm kiểm tra các chỉ tiêu một lần
- Độ chặt của đệm cát được kiểm tra theo quy định
- Chiều dày của đệm cát không được nhỏ hơn chiều dày thiết kế.
Kiểm tra nghiệm thu chất lượng thi công bấc thấm
- Vị trí cắm bấc thấm không được sai với thiết kế quá 15 cm;
- Bấc thấm phải cắm thẳng đứng, không được lệch quá 5 cm so với chiều thẳng đứng;
- Chiều dài bấc thấm không được sai với chiều dài thiết kế quá 1 %;
- Đầu bấc thấm nhô lên mặt đệm cát tối thiểu là 20 cm, tối đa là 25 cm;
Kiểm tra nghiệm thu các thiết bị quan trắc
- Các thiết bị quan trắc như mốc chuẩn, mốc dẫn, mốc đo lún, mốc đo chuyển vị ngang, thiết bị đo áp lực nước lỗ rỗng phải bảo đảm đúng chất lượng quy định;
- Những tài liệu kết quả quan trắc phải thực hiện đúng theo yêu cầu thiết kế
Đánh giá hiệu quả gia cố nền đất yếu bằng bấc thấm
CÔNG TRÌNH THỰC TẾ SỬ DỤNG BẤC THẤM
Đặc điểm công trình
Hình 5.1: Nhà máy nhiệt điện sông Hậu 1
5.1.2 Quy mô và thông tin công trình
Chủ đầu tư: Tập đoàn Dầu khí Việt Nam (Petrovietnam)
Tổng thầu EPC: Tổng Công ty Lắp máy Việt Nam (Lilama)
Tổng vốn đầu tư: Nhà máy Nhiệt điện Sông Hậu l khoảng 43.043 tỷ đồng tương đương với 2,046 tỷ USD Nguồn vốn của dự án với 30% vốn chủ sỡ hữu, 70% vốn vay tín dụng khẩu ECA và vay thương mại khác
Công suất lắp đặt: Nhà máy có tổng công suất 1.200 MW gồm 2 tổ máy (2x600MW) 45
Diện tích xây dựng: 115ha - Địa điểm: Ấp Phú Xuân, Thị trấn Mái Dầm, Huyện Châu Thành, Tỉnh Hậu Giang
Diện tích đất nền cần xử lý đất yếu: 37 ha
Phương pháp xử lý nền: Sử dụng bấc thấm kết hợp gia tải trước
Nhà thầu tthi công xử lý nền đất yếu: Công ty Cổ phần Địa kỹ thuật Việt Nam (GeoVietnam)
Hình 5.2: Mặt bằng tổng thể khu nhà máy nhiệt điện Sông Hậu 1- Hậu Giang
5.1.3 Điều kiện địa chất công trình
5.1.3.1 Mô tả địa chất công trình
Lớp 1: Đất sét, màu xám xanh, nâu vàng, Trạng thái dẻo mềm
Lớp 2a: Đất sét, màu xám đen, xanh xám, xanh xám, Trạng thái dẻo mềm
Lớp L1: Đất sét pha cát, màu nâu xám, xám xanh, Trạng thái chảy dẻo
Lớp này phân bố ở tất cả các lỗ khoan trừ BH-26, BH-32, BH-39 bề dầy lớp thay đổi từ 0.20m (BH-07) để 2.60m (BH-13)
Lớp 2b: Sét pha cát, màu xám đen, xám xanh, xám xanh, Trạng thái dẻo mềm
Lớp 3a: Sét, màu xám xanh, nâu vàng, Trạng thái nửa cứng
5.1.3.2 Thông số kỹ thuật của từng lớp đất
Bảng chỉ tiêu cơ lý của đất được thể hiện qua bảng dưới đây
Trong đó c’ và Φ’ xác định theo phương pháp nén 3 tru ̣c cố kết không thoát nước (CU)
5.1.4 Thông số kỹ thuật của bấc thấm
Thông số kỹ thuật của bấc thấm được thể hiện dưới bảng sau:
Các thông số đưa vào bài toán
Khu vực đưa vào tính toán trong phần này là khu vực nhà máy chính tại công trình xây dựng nhà máy nhiệt điện Sông Hậu 1- Hậu Giang
Hố khoan khảo sát: BH26
Chiều sâu cắm bấc thấm: 16m
Hình thức cắm bấc thấm: Theo lưới hình vuông
Khoảng cách cắm bấc thấm: 1,3m
Cần xuyên dùng để đóng bấc thấm là loại cần thép hình thoi có kích thước 150x80 mm Lớp thép dày 5mm, Vậy đường kính tương đương của cần xuyên là dm4mm
Việc thi công san lấp lớp đệm cát có trải lớp vải địa chất loại Terram T1500 với sức kháng kéo là 12,5 kN/m có tác dụng phân cách với đất nền và dễ dàng thi công đầm lèn phần đất đắp bên trên
Hình 5.3: Mặt cắt địa chất khu vực tính toán
Tính toán phân tích công trình bằng phần mềm Plaxis 2D
Mô phỏng theo phương hướng quy đổi tương đương vùng đất có bấc thấm
Ta đi xác định hệ số thấm tương đương k ve theo công thức:
Với số liệu địa chất công trình ta có:
Và theo Hansbo (1987) và Bergado (1991) k s / k v = 1 với ks = 0,76 x10 -9 (m/s)
Từ đó ta tính toán được k ve = 1,4 x 10 -2 (m/day)
Việc mô phỏng được tiến hành trong mô hình Morh – Coulomb, toàn bộ nền đất sẽ được mô phỏng giống như tự nhiên, chỉ riêng vùng đất có cắm bấc thấm sẽ được quy đổi tương đương thành vùng địa chất có hệ số thấm đứng lớn: k ve =1,4 x 10 -2 (m/day); k he = 1,45 x 10 -4 ( m/day)
Các thông số khai báo trong mô hình các lớp cát được thể hiện dưới bảng sau:
Các thông số khai báo trong mô hình các lớp đất được thể hiện dưới bảng sau:
Bài toán được tính toán theo 12 bước dựa trên thực tế thi công của công trình:
Bước 1: Trải vải địa kỹ thuật và thi công tầng đệm cát.( 5 ngày)
Bước 2: Chờ lún cố kết (5 ngày)
Bước 3: Thi công bấc thấm tiến hành thay đổi vùng địa chất xung quanh bấc thấm thành vùng địa chất quy đổi (15 ngày)
Bước 4: Chờ lún cố kết.(5 ngày)
Bước 5: Thi công lớp cát đắp lần 1 (15 ngày)
Bước 6: Chờ lún cố kết (45 ngày) 50
Bước 7: Thi công lắp cát đắp lần 2 (15 ngày)
Bước 8: Chờ lún cố kết (45 ngày)
Bước 9: Thi công lớp cát đắp lần 3 (15 ngày)
Bước 10: Chờ lún cố kết (45 ngày)
Bước 11: Thi công lắp cát đắp lần 4 (15 ngày)
Bước 12: Chờ lún cố kết Kết thúc quan trắc vào cuối giai đoạn này (45 ngày)
Tổng thời gian xử lý nền : 270 ngày
Bài toán được mô phỏng thực hiện trong hệ tọa độ phẳng, do tính đối xứng của mô hình nên ta chỉ tiến hành mụ phỏng theo ẵ mụ hỡnh với chiều sõu là toàn bộ lớp đất yếu
Hình 5.4: Mô phỏng khối đất quy đổi vùng tương đương bấc thấm
Hình 5.5: Chia lưới phần tử trong mô hình
5.3.3 Kết quả tính toán a) Độ lún nền đất
Hình 5.6: Biến dạng lún của đất nền sau khi kết thúc thời gian chất tải
Hình 5.7: Biến dạng lún của đất nền tại mỗi khu vực
Tính toán lún của đất nền theo tcvn: 9355- 2012
5.4.1 Tính độ lún cố kết S c (Khi nền đất chưa có bấc thấm) Độ lún Sc được tính theo phương pháp tổng độ lún các lớp phân tố theo công thức :S c =
1 i i i n pz pz vz i i i r c i i i n vz pz
H i : Chiều dày tính lún lớp thứ i
0 e i : Chiều dày, độ rỗng ban đầu của phân tố thứ i i
C r : Chỉ số nén lún hay độ dốc của đoạn đường cong nén lún i
C c : Chỉ số nén lún hồi phục khi dỡ tải, hay độ dốc của đoạn đường cong nén lún trong phạm vi vz i