phân tích giải pháp bấc thấm kết hợp gia tải trước và bơm hút chân không cho nền cảng khu vực đồng nai

Một trong những giải pháp xử lý đất yếu thông dụng hiện nay là sử dụng giải pháp bấc thấm PVD kết hợp với gia tải trước và bơm hút chân không VCM để đẩy nhanh quá trình thoát nước cho đấ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN MINH TRUNG

PHÂN TÍCH GIẢI PHÁP BẤC THẤM KẾT HỢP GIA TẢI TRƯỚC VÀ BƠM HÚT CHÂN KHÔNG CHO NỀN CẢNG

KHU VỰC ĐỒNG NAI

ANALYSIS OF SOIL IMPROVEMENT BY

PREFABRICATED VERTICAL DRAINS (PVD) COMBINED WITH PRELOADING AND VACUUM CONSOLIDATION

METHOD (VCM) IN DONG NAI PORT GROUND

Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG Mã ngành: 8580211

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2024

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: TS NGUYỄN TRUNG KIÊN

Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: TS LÊ TRỌNG NGHĨA

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS TS LẠI VĂN QUÍ

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS TS NGUYỄN ANH TUẤN

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM, ngày 19 tháng 01 năm 2024

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1 Chủ tịch: PGS TS LÊ BÁ VINH 2 Phản biện 1: PGS TS LẠI VĂN QUÍ

3 Phản biện 2: PGS TS NGUYỄN ANH TUẤN

4 Ủy viên: ThS HOÀNG THẾ THAO

5 Thư ký: TS NGUYỄN TUẤN PHƯƠNG

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

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG TRƯỞNG KHOA

PGS TS LÊ BÁ VINH PGS TS LÊ ANH TUẤN

ĐẠI 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

Ngày, tháng, năm sinh: 12/07/1999 Nơi sinh: Tiền Giang Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng Mã số: 8580211

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG Nhiệm vụ:

− Nghiên cứu đánh giá giải pháp xử lý bằng bấc thấm kết hợp với bơm hút chân không và gia tải trước cho nền đất yếu với phương pháp phần tử hữu hạn PLAXIS 3D và PLAXIS 2D

− Nghiên cứu đề xuất hệ số tương quan cho hệ số thấm lớp đất bùn sét yếu từ bài toán PLAXIS 3D sang bài toán PLAXIS 2D cho nền đất bùn sét yếu vùng cảng khu vực Đồng Nai

− Nghiên cứu tối ưu chiều dài bấc thấm cho khu vực đất yếu nền cảng Đồng Nai

− Đánh giá hiệu quả của giải pháp xử lý bằng bấc thấm kết hợp với bơm hút chân không và gia tải trước và các kiến nghị tương lai cho giải pháp

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : …/…/2023

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: …/…/2023 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN :

GVHD1 : TS NGUYỄN TRUNG KIÊN GVHD2 : TS LÊ TRỌNG NGHĨA

Nội dung Luận văn Thạc sĩ được Hội đồng Chuyên ngành thông qua

LỜI CẢM ƠN

Luận văn này hoàn thành đã ghi dấu sự hướng dẫn, giúp đỡ quý báu của các thầy cô, các anh chị em, gia đình và bạn bè Với lòng biết ơn sâu sắc cho phép tác giả gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới:

▪ Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM , khoa Kỹ thuật Xây dựng, bộ môn Địa cơ Nền móng cùng các giảng viên đã tận tình chỉ dạy và tạo điều kiện giúp đỡ tác giả trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn Thạc sĩ này

▪ Đặc biệt, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy Tiến sĩ Nguyễn

Trung Kiên và Thầy Tiến sĩ Lê Trọng Nghĩa đã luôn tận tình hướng dẫn,

chỉ bảo, giúp đỡ và động viên tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn Thạc sĩ này

▪ Xin gửi lời cảm ơn đến anh Hoàng Mỹ đã nhiệt tình giúp đỡ, hướng dẫn tôi với các số liệu từ công tác quan trắc, góp phần hoàn thiện nội dung nghiên cứu

▪ Bên cạnh đó, tác giả xin gửi lời cảm ơn đến Thầy Thạc sĩ Hoàng Thế Thao, anh Thạc sĩ Hoàng Long Hải, anh Chung Lê Tú Tài và các anh em kỹ sư phòng thiết kế Công ty Cổ phần Khoa học Công nghệ Bách Khoa TP.HCM đã nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện để tác giả trau dồi thêm kiến thức về địa kỹ thuật xây dựng cũng như trong quá trình nghiên cứu khoa học

▪ Cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã luôn khích lệ, động viên và giúp đỡ tác giả trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn

Mặc dù đã cố gắng rất nhiều, nhưng bài luận văn không tránh khỏi những thiếu sót; tác giả rất mong nhận được sự thông cảm, chỉ dẫn, giúp đỡ và đóng góp ý kiến của các nhà khoa học, của quý thầy cô, các cán bộ quản lý và các bạn đồng nghiệp

Xin chân thành cảm ơn!

TP Hồ Chí Minh, ngày …… tháng …… năm 20…

TÓM TẮT

Trong những năm trở lại đây, khi ngành xây dựng phát triển mạnh mẽ, ngành địa kỹ thuật xây dựng và các ngành về cơ sở hạ tầng trong lòng đất được chú trọng phát triển Với các vùng đất có địa tầng yếu, các phương pháp xử lý nền đã được áp dụng rộng rãi nhằm cải thiện chất lượng của nền đất, bảo vệ công trình khỏi các nguy cơ về lún lệch gây hư hỏng cho kết cấu thượng tầng ảnh hưởng đến tuổi thọ công trình và tiết kiệm các chi phí cho quá trình đầu tư công trình xây dựng Một trong những giải pháp xử lý đất yếu thông dụng hiện nay là sử dụng giải pháp bấc thấm PVD kết hợp với gia tải trước và bơm hút chân không (VCM) để đẩy nhanh quá trình thoát nước cho đất, tăng độ cố kết cho nền để tiến hành đưa vào xây dựng công trình Tuy nhiên, đối với bài toán xử lý nền vẫn thuần theo phương pháp giải tích để thiết kế giải pháp xử lý và ước tính dự đoán độ lún Vì vậy, việc kiểm soát bài toán vẫn còn mang tính dự đoán và khó kiểm soát được kết quả khi so sánh thực tế quan trắc hiện trường Nghiên cứu này tác giả hướng đến việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn PLAXIS 2D và 3D với 2 mô hình đất dùng cho đất bùn sét yếu là Soft Soil Creep (SSC) và Soft Soil (SS) để tiến hành phân tích ngược từ các kết quả quan trắc hiện trường Giải pháp xử lý được mô phỏng với dạng 3D gần sát với bài toán thực tế và bài toán phẳng 2D dựa trên mô hình Plane strain của Indraratna et.al để đề xuất giá trị tương quan nhân với hệ số thấm khi chuyển đổi từ bài toán 3D sang 2D Từ kết quả bài toán 3D, có thể thấy độ lún bề mặt theo thời gian tại tâm diện vùng xử lý của mô hình 3D với mô hình đất Soft Soil Creep là tương đồng với độ lún quan trắc thực tế Độ chênh lệch độ lún ở mốc thời gian thời điểm kết thúc xử lý (180 ngày) mức độ rất nhỏ, chỉ 1.7% so với kết quả quan trắc thực tế Với mô hình đất SS sử dụng bộ thông số địa chất, giá trị tải trọng gia tải và thời gian chất tải giống với mô hình đất SSC lại cho kết quả độ lún có sự chênh lệch tương đối lớn Mô hình SS có xu hướng chuyển vị tăng nhưng không nhiều, chênh lệch với độ lún của mô hình SSC và kết quả quan trắc vào khoảng 13.4% tại thời điểm 91 ngày trong xử lý Giá trị hệ số thấm của đất được khai báo có tác dụng đáng kể đến độ lún, áp lực nước lỗ rỗng, cũng như lộ trình ứng suất trong nền đất được xử lý và đây cũng là yếu tố quan trọng nhất quyết định độ cố kết của nền đất để ước tính thời gian xử lý nền phù hợp Kết

hợp giữa 2 kết quả phân tích ngược từ bài toán 2D và 3D có thể thấy, khi sử dụng bài toán phẳng đối với nền đất yếu cảng khu vực Đồng Nai cần xem xét nhân thêm 1 hệ số tương quan phù hợp gia tăng hệ số thấm từ 3 đến 3.782 lần hệ số quy đổi tính toán bài toán phẳng của Indraratna et.al để đánh giá đúng giá trị độ lún thực tế Bên cạnh đó, với bề dày lớp đất yếu vào khoảng 40m bùn sét của nền cảng khu vực Đồng Nai, chiều dài của bấc thấm khi cắm đến hết bề dày của lớp đất yếu sẽ gây lãng phí cho công tác thi công vì không tăng được hiệu quả nhiều trong cố kết lún cho nền đất Từ kết quả mô phỏng bài toán lặp, chiều dài bấc thấm thực tế có thể tối ưu lại chỉ cần 30m giúp giảm được chi phí cho công tác thi công xử lý nền

ABSTRACT

In recent years, as the civil construction has experienced robust growth, the field of geotechnical engineering and underground infrastructure has received significant attention In regions with weak soil layer, various ground improvement methods have been widely applied to enhance soil quality, safeguarding structures from risks of settlement-induced damage and contributing to the longevity of construction projects One prevalent solution for treating weak soils involves the use of Prefabricated Vertical Drains (PVD) combined with Preloading and Vacuum Consolidation Method (VCM) to expedite water drainage, increase soil consolidation, and facilitate construction However, traditional analytical methods are often employed for designing soil improvement solutions and predicting settlement, leading to predictive and challenging-to-control outcomes when compared to actual field observations This study aims to utilize numerical methods, specifically employing the FEM through PLAXIS 2D and 3D, with the using of two soil material models, Soft Soil Creep (SSC) and Soft Soil (SS), to conduct inverse analyses based on field measurements The 3D simulation closely resembles real-world conditions, while the 2D flat problem is based on the Plane Strain model proposed by Indraratna et al., with a correlation factor introduced when transitioning from the 3D to the 2D problem The 3D results show that the settlement over time at the center of the treated area for the Soft Soil Creep model closely aligns with actual field observations, with a negligible difference of only 1.7% at the end of the treatment period (180 days) Conversely, for the SS model using soil parameters, loading values, and loading duration matching those of the SSC model, there is a relatively large difference in settlement The Soft Soil model exhibits a slight increase in settlement, differing by approximately 13.4% compared to the Soft Soil Creep model and field measurements at the 91-day mark of treatment The declared permeability coefficient significantly influences settlement, pore water pressure, and stress paths in the treated soil This coefficient is a crucial factor determining soil consolidation Combining the results of the back analysis from 2D and 3D problems reveals that when using a flat problem

for weak soil in the Dong Nai port ground area, an additional correlation factor needs to be considered, increasing the permeability coefficient from 3 to 3.782 times the conversion factor used in the flat problem calculation proposed by Indraratna et al to accurately evaluate the actual settlement values Additionally, considering the significant thickness of the approximately 40m soft clay layer in the Dong Nai port area, the length of the vertical drains reaching the full thickness of the weak soil layer may result in inefficient construction costs The simulation results suggest that the optimal length of the vertical drains could be reduced to 30m, minimizing costs for soil treatment during construction

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan Luận văn thạc sĩ đề tài “PHÂN TÍCH GIẢI PHÁP BẤC THẤM KẾT HỢP GIA TẢI TRƯỚC VÀ BƠM HÚT CHÂN KHÔNG CHO NỀN CẢNG KHU VỰC ĐỒNG NAI ” là đề tài nghiên cứu khoa học do chính tác giả thực

hiện Đề tài được thực hiện theo đúng nhiệm vụ luận văn thạc sĩ, được thực hiện dưới

sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Nguyễn Trung Kiên và Tiến sĩ Lê Trọng Nghĩa

Tất cả số liệu, kết quả tính toán, phân tích trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố ở các nghiên cứu khác Tác giả chịu trách nhiệm về sản phẩm nghiên cứu của mình

Tp.HCM, ngày … tháng … năm 20…

Học viên

NGUYỄN MINH TRUNG

3.Mục tiêu nghiên cứu 2

4.Phương pháp nghiên cứu 3

5.Tính mới của nghiên cứu 3

6.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN BÙN SÉT YẾU BẰNG PHƯƠNG PHÁP CỐ KẾT CHÂN KHÔNG 4

1 Đặt vấn đề về việc xử lý nền đất yếu 4

1.1 Khái niệm về đất yếu 4

1.2 Việc xử lý nền đất yếu 5

2.Tổng quan về công nghệ bấc thấm kết hợp cố kết chân không 5

3.Nguyên lý của giải pháp bấc thấm kết hợp cố kết chân không và gia tải trước 8

4.Tình hình nghiên cứu và ứng dụng của phương pháp sử dụng bấc thấm kết hợp với cố kết chân không và gia tải trước trong xử lý nền đất yếu trên thế giới và tại Việt

Nam 11

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỐ KẾT CHÂN KHÔNG 12

1.Cơ chế của phương pháp cố kết chân không 12

2.Lộ trình ứng suất cho trường hợp cố kết chân không và gia tải đất đắp 14

3.Thông số kỹ thuật của bấc thấm 16

3.1 Đường kính tương đương của bấc thấm 16

3.2 Khả năng thoát nước của bấc thấm 17

3.3 Đường kính vùng ảnh hưởng 19

3.4 Độ cản thấm 19

3.5 Đường kính vùng đất bị xáo trộn 22

4.Cơ sở lý thuyết tính toán bài toán cố kết thấm một chiều 24

4.1 Giả thuyết bài toán cố kết 24

4.2 Bài toán cố kết cơ bản 24

4.3 Cơ sở lý thuyết tính toán bài toán cố kết thấm ba chiều 26

5.Các phương pháp dự đoán độ lún cuối cùng 29

5.1 Phương pháp Asaoka 29

5.2 Phương pháp dự đoán độ lún cố kết cuối cùng với lời giải giải tích theo Terzaghi 31

6.Cơ sở lý thuyết của các mô hình nền sử dụng trong tính toán 32

6.1 Mô hình Soft Soil Creep (SSC) 32

6.2 Mô hình Soft Soil (SS) 33

7.Phương pháp mô phỏng mô hình bấc thấm 34

7.1 Phương pháp khối đất tương đương 34

7.2 Phương pháp bài toán đối xứng trục 35

7.3 Phương pháp quy đổi tương đương sang bài toán phẳng 36

7.4 Điều kiện biên trong phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) 37

7.5 Mô phỏng áp suất chân không trong xử lý nền 37

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ GIẢI PHÁP XỬ LÝ BẰNG BẤC THẤM KẾT HỢP VỚI BƠM HÚT CHÂN KHÔNG VÀ GIA TẢI TRƯỚC CHO NỀN ĐẤT YẾU 38

9.1 Phương pháp mô phỏng tính toán 47

9.2 Hệ số nén thứ cấp C sử dụng trong mô hình Soft Soil Creep 48

9.3 Điều kiện biên của bài toán 48

9.4 Thông số địa chất sử dụng trong mô hình nghiên cứu 49

9.5 Áp lực bơm hút chân không 52

10.Kết quả tính toán mô phỏng PLAXIS 3D khi thực hiện mô phỏng xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp gia tải trước và bơm hút chân không 53

10.1 Phương pháp thực hiện mô phỏng 53

10.2 Đánh giá sự hội tụ khi lựa chọn bề rộng vùng xử lý phù hợp cho biên bài toán mô phỏng 54

10.3 Kết quả mô phỏng tính toán với PLAXIS 3D và nhận xét 57

10.3.1 Mô phỏng bài toán bằng PPPTHH 57

10.3.2 Kết quả về độ lún bề mặt 59

10.3.3 Kết quả về độ lún sâu của nền với mô hình SSC 61

10.4 Dự báo độ lún cuối cùng của nền 62

10.4.1 Phương pháp phân tích ngược Asaoka 62

10.4.2 Phương pháp giải tích với lời giải Terzaghi 63

10.4.3 Phương pháp số sử dụng PLAXIS 3D 63

10.5 Nhận xét 64

11 Nghiên cứu ứng xử của nền đất yếu được xử lý với giải pháp bấc thấm kết hợp gia tải trước và bơm hút chân không bằng PPPTHH PLAXIS 2D 67

11.1 Quy đổi bài toán đối xứng trục 3D về bài toán phẳng Plane strain 67

11.2 Kết quả mô phỏng tính toán với PLAXIS 2D và nhận xét 68

11.2.1 Mô phỏng bài toán bằng PPPTHH 2D 68

13 Nghiên cứu tối ưu chiều dài bấc thấm cho khu vực đất yếu nền cảng Đồng

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC 85

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 88

TÓM TẮT LÝ LỊCH KHOA HỌC 91

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý của giải pháp xử lý nền bằng bấc thấm kết hợp bơm hút

chân không 8

Hình 1.2 Sơ đồ dịch chuyển của nền khi sử dụng giải pháp bấc thấm 9

Hình 1.3 Mô hình chuyển vị ngang của nền dưới tác dụng của tải đắp và chân không 10

Hình 2.1 Mô hình lò xo cho quá trình cố kết 13

Hình 2.2 a) trạng thái ban đầu; b) gia tải đất đắp; c) gia tải chân không 14

Hình 2.3 Lộ trình ứng suất trên mặt p’-q 15

Hình 2.4 Bấc thấm hình có tiết diện chữ nhật và đường kính quy đổi 16

Hình 2.5 Đường kính tương đương của bấc thấm 17

Hình 2.6 Sự uốn – gập của bấc thấm 18

Hình 2.7 Lưu lượng thấm của bản thân từng loại bấc thấm (từ Rixner et al., 1986) 18

Hình 2.8 Sơ đồ bố trí bấc thấm 19

Hình 2.9 Sự thay đổi độ cố kết theo độ sâu khi kể đến độ cản thấm của giếng 20

Hình 2.10 Ảnh hưởng của lưu lượng thấm của bấc thấm lên độ cố kết 21

Hình 2.11 Ảnh hưởng của chiều dài giếng thấm lên độ cố kết 21

Hình 2.12 Vùng đất bị xáo trộn xung quanh ống Madrel (Rixner et al 1986) 22

Hình 2.13 Độ lún theo tính toán và quan trắc từ mô hình thật (Bergado et al 1993) 23

Hình 2.14 Mô hình thoát nước và các thông số cơ bản 27

Hình 2.15 Dự đoán độ lún cuối cùng theo phương pháp Asaoka 30

Hình 2.16 Quan hệ ứng suất hữu hiệu và biến dạng mô hình Soft Soil Creep 33

Hình 2.17 Mặt dẻo mô hình Soft Soil Creep 33

Hình 2.18 Quan hệ ứng suất hữu hiệu và biến dạng mô hình Soft Soil 34

Hình 2.19 Mặt dẻo mô hình Soft Soil 34

Hình 3.1 Phối cảnh tổng quan 3D dự án Cảng Phước An 39

Hình 3.2 Tải trọng thiết kế yêu cầu cho từng phân khu của Cảng Phước An 39

Hình 3.3 Cao độ hiện trạng của từng phân khu 40

Hình 3.4 Vị trí phân khu C1 đang được dùng cho tính toán nghiên cứu 40

Hình 3.5 Mặt bằng bố trí hố khoan các giai đoạn của dự án 41

Hình 3.6 Mặt cắt địa chất điển hình các hố khoan bổ sung năm 2022 42

Hình 3.7 Thông số địa chất điển hình lớp bùn sét yếu từ kết quả khảo sát các hố khoan bổ sung năm 2022 44

Hình 3.8 Mặt cắt trình tự thi công PVD điển hình 45

Hình 3.9 Tiến trình gia tải và biểu đồ dự báo lún do xử lý nền theo yêu cầu thiết kế 46

Hình 3.10 Mô phỏng PLAXIS 3D xử lý với giải pháp bấc thấm kết hợp gia tải trước và bơm hút chân không 47

Hình 3.11 Biên biến dạng (trái) và biên thấm (phải ) của bài toán 48

Hình 3.12 Mô phỏng PLAXIS 3D với các biên biến dạng và biên thấm 49

Hình 3.13 Biểu đồ kết quả quan trắc áp lực bơm hút chân không 52

Hình 3.14 Biểu đồ độ lún theo thời gian của vùng xử lý với các bề rộng dãy mô phỏng khác nhau 55

Hình 3.15 Biên thấm và biên biến dạng được tác giả áp dụng trong nghiên cứu này 56

Hình 3.16 Mô hình bài toán tại thời điểm cuối giai đoạn xử lý (180 ngày) 57

Hình 3.17 Độ lún tổng phương đứng Uz tại thời điểm cuối giai đoạn xử lý (180 ngày) 57

Hình 3.18 Áp lực nước lỗ rỗng hoạt động Pactive tại thời điểm cuối giai đoạn xử lý (180 ngày) 57

Hình 3.19 Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư Pexcess tại thời điểm cuối giai đoạn xử lý 58Hình 3.20 Xu hướng chuyển vị phương X của mô hình mô phỏng 58

Hình 3.21 Xu hướng chuyển vị phương Y của mô hình mô phỏng 59

Hình 3.22 Biểu đồ độ lún bề mặt theo thời gian kết quả quan trắc và phương pháp phần tử hữu hạn PLAXIS 3D tại thời điểm kết thúc gia tải (180 ngày) 60

Hình 3.23 Biểu đồ độ lún sâu của nền theo thời gian kết quả quan trắc và phương pháp phần tử hữu hạn PLAXIS 3D tại thời điểm kết thúc gia tải (180 ngày) 61

Hình 3.24 Biểu đồ dự báo độ lún cuối cùng theo Asaoka 62

Hình 3.25 Kết quả tính toán dự báo độ lún cuối cùng theo giải tích của Terzaghi 63Hình 3.26 Kết quả tính toán dự báo độ lún cuối cùng theo mô phỏng PLAXIS 3D 63

Hình 3.27 Quy đổi bài toán đối xứng trục 3D về bài toán phẳng 2D 67

Hình 3.28 Mô hình bài toán tại thời điểm cuối giai đoạn xử lý (180 ngày) 68

Hình 3.29 Độ lún tổng phương đứng Uz tại thời điểm cuối giai đoạn xử lý 68

Hình 3.30 Áp lực nước lỗ rỗng hoạt động Pactive tại thời điểm cuối giai đoạn xử lý (180 ngày) 69

Hình 3.31 Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư Pexcess tại thời điểm cuối giai đoạn xử lý 69Hình 3.32 Xu hướng chuyển vị phương X của mô hình mô phỏng 69

Hình 3.33 Biểu đồ độ lún bề mặt theo thời gian kết quả quan trắc và phương pháp phần tử hữu hạn PLAXIS 2D tại thời điểm kết thúc gia tải (180 ngày) 70

Hình 3.34 Biểu đồ độ lún sâu của nền theo thời gian kết quả quan trắc và phương pháp phần tử hữu hạn PLAXIS 2D tại thời điểm kết thúc gia tải (180 ngày) 71

Hình 3.35 Biểu đồ độ lún bề mặt theo thời gian kết quả quan trắc và tương quan về tỷ số thấm của mô hình PLAXIS 3D và PLAXIS 2D (180 ngày) 76

Hình 3.36 Biểu đồ độ lún sâu của nền theo thời gian kết quả quan trắc và phương pháp phần tử hữu hạn PLAXIS 2D sau khi hiệu chỉnh hệ số thấm (180 ngày) 77

Hình 3.37 Biểu đồ độ lún bề mặt theo từng chiều dài bấc thấm 80

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 Thông số đầu vào địa chất mô hình PLAXIS 3D 50Bảng 2 So sánh kết quả bề rộng vùng xử lý đối với độ lún của bài toán PLAXIS 3D 54Bảng 3 So sánh kết quả độ lún sâu của nền theo kết quả quan trắc và PPPTHH 3D tại thời điểm kết thúc gia tải (180 ngày) 60Bảng 4 So sánh kết quả độ lún bề mặt theo kết quả quan trắc và PPPTHH tại thời điểm kết thúc gia tải (180 ngày) 61Bảng 5 Hệ số thấm quy đổi của vùng xử lý từ bài toán đối xứng trục 3D sang bài toán phẳng 2D 68Bảng 6 So sánh kết quả độ lún bề mặt theo kết quả quan trắc và PPPTHH 2D tại thời điểm kết thúc gia tải (180 ngày) 71Bảng 7 So sánh kết quả độ lún bề mặt theo kết quả quan trắc và PPPTHH 2D tại thời điểm kết thúc gia tải (180 ngày) 72Bảng 8 So sánh kết quả độ lún sâu của nền theo kết quả quan trắc và PPPTHH tại thời điểm kết thúc gia tải (180 ngày) 78

MỞ ĐẦU

1 Bối cảnh và tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, với tốc độ công nghiệp hóa ngày càng tăng, các cụm công nghiệp nhà máy cầu cảng phát triển dần ra các vùng ven sông lớn, ven biển, mà về tổng thể ở phía các vùng phía Nam là những khu vực có bề dày lớp đất yếu tương đối lớn như Đồng Nai, Bà Rịa – Vũng Tàu, Nhà Bè, Cần Giờ, … hay các tỉnh có những khu vực giáp biển như Kiên Giang, Bến Tre, Trà Vinh, … thuộc vùng Đồng bằng Sông Cửu Long Do đó, việc phát triển quy hoạch cho các vùng đất yếu ngày càng được chú trọng, vì vậy, công tác xử lý nền đất yếu dần được chú trọng và phát triển [1]

Tính đến hiện tại, đã rất nhiều phương pháp xử lý và gia cố nền đất yếu được áp dụng rộng rãi tại nước ta như trụ đất trộn xi măng (CDM), gia tải trước bằng dắp đất, sử dụng bấc thấm kết hợp với bơm hút chân không, cọc vật liệu rời, … Một trong những phương pháp phổ biến đang dần được áp dụng vào nhiều công trình xử lý nền là phương pháp sử dụng bấc thấm (PVD) kết hợp với bơm hút chân không (VCM) và đắp đất gia tải trước để tăng khả năng thoát nước và tăng khả năng chịu tải cho nền đất yếu Phương pháp này có thể khắc phục được nhược điểm của các phương pháp xử lý khác như cường độ của trụ xi măng đất CDM hay thời gian cố kết rất lâu của phương pháp xử lý bằng đắp đất gia tải trước, …

Tuy nhiên, phương pháp tính toán xử lý nền với bấc thấm bằng giải tích vẫn còn chưa được chính xác và hiệu quả, dẫn đến kết quả đánh giá có thể sai lệch thời gian xử lý, gây tốn kém nhiều chi phí cho các đơn vị tham gia Bằng việc phát triển của các phần mềm hỗ trợ tính toán phần tử hữu hạn, các đơn vị thiết kế nghiên cứu có thể tiết kiệm được thời gian tính toán nhưng mang lại hiệu quả có thể hơn các phương pháp giải tích truyền thống và gần sát với kết quả quan trắc khi ứng dụng trong các công trình thực tế Trong các thông số tính toán cho mô hình mô phỏng bấc thấm trong xử lý nền, hệ số thấm của lớp bùn sét yếu trong nền đất cũng ảnh hưởng rất nhiều đến quá trình cố kết nền đất Do đó, cần có thêm nhiều nghiên cứu về giá trị hệ số thấm đề xuất cho các vị trí của vùng xử lý không thể có kết quả thí nghiệm đất

hiện trường để có thể ứng dụng rộng rãi phương pháp hiện đại này trong thực tế Vì

vậy, tác giả chọn và thực hiện đề tài “PHÂN TÍCH GIẢI PHÁP BẤC THẤM KẾT HỢP GIA TẢI TRƯỚC VÀ BƠM HÚT CHÂN KHÔNG CHO NỀN CẢNG KHU VỰC ĐỒNG NAI”

2 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu đánh giá hiệu quả của phương pháp xử lý nền với giải pháp bấc thấm kết hợp gia tải trước và bơm hút chân không cho nền cảng khu vực Đồng Nai phương pháp số mà cụ thể là phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn với phần mềm PLAXIS

3 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của luận văn này là nghiên cứu ứng xử của nền đất yếu khi có giải pháp xử lý nền bằng bấc thấm và bơm hút chân không kết hợp gia tải trước Từ đó, đánh giá được hiệu quả của phương pháp xử lý nền bằng bấc thấm và đề xuất các thông số hệ số thấm và chiều sâu bấc thấm phù hợp cho nền đất yếu nền cảng khu vực Đồng Nai Luận văn bao gồm các mục tiêu:

▪ Dựa theo kết quả quan trắc lún thực tế ở hiện trường để tiến hành mô phỏng lại quá trình xử lý nền bằng phần mềm phần tử hữu hạn PLAXIS, từ đó đánh giá hiệu quả của việc sử dụng phương pháp này trong tính toán dự báo độ lún thông qua giải pháp bấc thấm kết hợp với gia tải trước và bơm hút chân không cho nền đất bùn sét yếu khu vực nền cảng Đồng Nai với mô hình PLAXIS 2D và PLAXIS 3D

▪ Nghiên cứu và đề xuất một tỷ số tương quan quy đổi phù hợp cho hệ số thấm đứng của nền đất bùn sét yếu khu vực nền cảng Đồng Nai trong mô phỏng giữa mô hình PLAXIS 2D và PLAXIS 3D khi tính toán dự báo độ lún thông qua giải pháp bấc thấm kết hợp với gia tải trước và bơm hút chân không ▪ Mô phỏng và đề xuất chiều sâu tối ưu cho chiều dài của bấc thấm với các

chiều sâu cắm bấc thấm khác nhau với căn cứ so sánh với độ lún từ kết quả quan trắc thực tế

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu chính trong luận văn là sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn PLAXIS 2D và PLAXIS 3D để mô phỏng phương pháp xử lý nền bằng bấc thấm kết hợp với bơm hút chân không và đắp đất gia tải trước

5 Tính mới của nghiên cứu

Nghiên cứu tập trung khảo sát và phân tích hiệu quả mô hình phần tử hữu hạn khi dùng để tính toán đánh giá dự báo độ lún của nền khi xử lý bấc thấm bằng bấc thấm kết hợp với bơm hút chân không và đắp đất gia tải trước

Ngoài ra, nghiên cứu còn đề xuất tỷ số tương quan quy đổi cho hệ số thấm đứng phù hợp cho nền đất sét yếu khu vực nền cảng Đồng Nai

Mô phỏng bài toán lặp và đề xuất chiều sâu tối ưu cho chiều dài của bấc thấm với các chiều sâu cắm bấc thấm khác nhau với căn cứ so sánh với độ lún từ kết quả quan trắc thực tế để phù hợp cho nền đất sét yếu khu vực nền cảng Đồng Nai

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Về phương diện khoa học, nghiên cứu này cung cấp thêm hiểu biết về phương pháp xử lý nền bằng bấc thấm và bơm hút chân không kết hợp gia tải trước, tăng hiệu quả nghiên cứu cho việc ứng dụng rộng rãi phương pháp hiện đại này

Về phương diện thực tiễn, nghiên cứu này cung cấp thêm hiểu biết về một phương án xử lý nền có thể cân nhắc cho các công trình trên đất yếu, cung cấp thêm tỷ số tương quan quy đổi hệ số thấm – 1 thông số quan trọng trong bài toán tính lún cố kết nền đất Từ đó, giúp kỹ sư có thêm cơ sở lựa chọn phương án xử lý cho các công trình nằm trong khu vực có nền đất yếu dày

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN BÙN SÉT YẾU BẰNG PHƯƠNG PHÁP CỐ KẾT CHÂN KHÔNG

1 Đặt vấn đề về việc xử lý nền đất yếu 1.1 Khái niệm về đất yếu

Có rất nhiều quan điểm khác nhau về nền đất yếu Nếu nền đất không đủ khả năng chịu tải, không đủ độ bền và có độ biến dạng lớn, cần phải gia cố mới có thể thi công và vận hành thì gọi là đất yếu Đây là một quan điểm mang tính vận dụng cao, được chấp nhận rộng rãi, tuy nhiên quan điểm này lại không hạn định rõ ràng vì đối với một số công trình, một nền cụ thể có thể coi là nền đất yếu

Một quan điểm khác cho rằng đất yếu là đất có khả năng chịu tải nhỏ (vào khoảng (50-100kPa), có tính nén lún lớn, hầu như bảo hòa nước, có hệ số rỗng lớn (e>1), mô đun tổng biến dạng thấp (E<5000kPa)

Đối với xây dựng đường ô tô, theo tiêu chuẩn 22TCN 262-2000, nền đất yếu có

thể là đất sét, sét pha bụi mềm, bùn, than bùn và đất hữu cơ Tất cả các loại đất này được bồi tụ trong nước một cách khác nhau, với đất sét mềm được bồi tụ ở bờ biển hoặc gần biển Ở trạng thái tự nhiên độ ẩm của chúng thường bằng hoặc lớn hơn giới hạn chảy, hệ số rỗng lớn (đất sét mềm e ≥ 1,5; đất sét pha e ≥ 1), cường độ lực dính theo kết quả cắt nhanh không thoát nước nhỏ hơn 15kPa, góc ma sát trong φ < 100, hoặc lực dính từ kết quả cắt cánh hiện trường Cu ≤ 35 kPa Loại có nguồn gốc hữu cơ (than bùn và đất hữu cơ) thường hình thành từ đầm lầy, nơi đọng nước thường xuyên hoặc có mực nước ngầm cao, các loại thực vật phát triển, thối rửa và phân hủy tạo ra các trầm tích hữu cơ lẫn trầm tích khoáng vật, hàm lượng hữu cơ chiếm (20-80%)

Theo quan điểm xây dựng của một số quốc gia, đất yếu được xác định theo tiêu chuẩn về sức kháng cắt không thoát nước Su và chỉ số xuyên tiêu chuẩn N như sau:

- Đất rất yếu: Su ≤ 12,5 kPa hoặc N ≤ 2; - Đất yếu: Su ≤ 25 kPa hoặc N ≤ 4

1.2 Việc xử lý nền đất yếu

Nền móng của các công trình xây dựng trên nền đất yếu thường đặt ra các vấn đề cần phải giải quyết như sức chịu tải của nền nhỏ, độ rỗng và tính nén lún lớn Ở nước ta, có tầng đất phù sa khá dày và tập trung đất sét yếu đã và đang hình thành và phát triển các thành phố và đô thị quan trọng, thực tế này đòi hỏi phải có công nghệ thích hợp và tiên tiến để xử lý nền đất yếu Mục đích của việc xử lý nền đất yếu là làm tăng sức chịu tải của nền đất, cải thiện một số tính chất cơ lý của đất yếu như giảm hệ số rỗng, giảm tính nén lún, tăng độ chặt, tăng trị số mô đun biến dạng, tăng cường độ chống cắt của đất, giảm tính thấm của đất đảm bảo ổn định cho khối đất đắp

Một số giải pháp xử lý nền đất yếu thông dụng hiện được áp dụng rộng rãi: xử lý nền bằng đệm cát, đầm chặt đất bằng tải trọng động, gia tải trước, xử lý nền bằng cọc cát, giếng cát, kết hợp bấc thấm và bơm hút chân không, gia cố nền đất yếu bằng cọc tre, cừ tràm, cọc xi măng đất,…

Việc xử lý công trình khi xây dựng trên nền đất yếu tùy thuộc vào đặc điểm công trình, đặc điểm nền đất, tùy điều kiện cụ thể mà người thiết kế có thể dùng các biện pháp xử lý về kết cấu công trình, các biện pháp xử lý về móng hay các biện pháp xử lý nền Có nhiều phương pháp xử lý nền, việc chọn phương pháp xử lý thích hợp tùy thuộc vào điều kiện địa chất công trình, địa chất thuỷ văn khu vực xây dựng, loại công trình và điều kiện kinh tế - kỹ thuật thực tế khi tiến hành xử lý

2 Tổng quan về công nghệ bấc thấm kết hợp cố kết chân không

Công nghệ cố kết chân không (Vacuum consolidation method – VCM) xử lý nền đất yếu lần đầu được giới thiệu vào năm 1952 bởi tiến sỹ W Kjellman Đến những năm 1970, phương pháp VCM được mở rộng phát triển ở Nga và Nhật Vào thời điểm này cố kết chân không được bổ sung một lớp tường chống thấm bao quanh khu vực xử lý nhằm hạn chế nước ngầm từ khu vực xung quanh thấm vào, đồng thời hạn chế sự rò rỉ áp lực chân không để gia tăng áp lực chân không Đến những năm 1989 công nghệ này được sử dụng kết hợp với màng kín khí lần đầu tiên xuất hiện do hãng xây dựng Menard (Pháp) dựa trên nghiên cứu và phát minh của giáo sư J.M

Cognon Theo sự cải tiến này tường chống thấm được bỏ đi mà thay vào đó là lớp gia tải bằng đất và sự chênh lệch giữa áp suất khí quyển với áp suất chân không dưới màng kín khí bao phủ bề mặt diện tích xử lý Sau đó, công nghệ này dần được lan rộng và ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới

Công nghệ cố kết chân không kết hợp màng kín khí được áp dụng lần đầu tiên ở Việt Nam tại cụm công trình nhà máy khí điện đạm Cà Mau vào năm 2006 bởi nhà thầu VINCI CSB (Pháp) và năm 2008, công ty Cổ phần Kỹ thuật Nền móng và công trình ngầm FECON là đơn vị đầu tiên của Việt Nam áp dụng thành công công nghệ xử lý nền này tại dự án Nhà máy Nhiệt điện Nhơn Trạch 2 Sau đó thì công nghệ VCM tiếp tục được ứng dụng có hiệu quả với nhiều dự án trọng điểm khác trên toàn quốc

Màng kín khí là lớp vải địa kỹ thuật PE phủ kín hoàn toàn vùng xử lý và được chôn sâu ở các mép vùng xử lý bên dưới mực nước ngầm, để hạn chế rò chỉ chân không làm mất đi hiệu quả của áp lực từ máy hút chân không Bên dưới màng kín khí, là các hệ thống lưới bấc thấm theo 2 phương ngang và đứng phủ khắp vùng xử lý giúp tăng lượng nước hút ra khỏi nền đất yếu để tăng tốc độ cố kết cho nền đất Quá trình bơm hút chân không có thể kéo dài ít nhất là 6-8 tháng tùy theo công nghệ thi công và chiều sâu vùng xử lý cũng như hệ số thấm của nền đất yếu

Bấc thấm vật liệu địa kỹ thuật dùng để thoát nước, nhằm gia tăng quá trình cố kết của nền móng Có cấu tạo hai lớp: lớp áo lọc gọi là lớp vỏ lọc bằng vải địa kỹ thuật không dệt chế tạo từ sợi PP hoặc PET 100%, có tính tấm cao Bấc thấm ngày nay cấu tạo là một lõi nhựa bên trong hình Hazmonica hoặc hình ziczac có khổ rộng từ 10cm đến 30cm Lớp vải tác dụng lọc các hạt cát nhỏ nhất trong lớp trầm tích của đất xâm nhập vào lõi nhựa, nên lỗ vải phải cực nhỏ, tránh làm tắc đường dẫn của lõi Bấc thấm được ứng dụng rộng rãi như hiện nay phải để đến các tính năng quan trọng như giảm thiểu tối đa sự xáo trộn các lớp đất, dễ dàng thi công, hiệu suất có thể đạt tới 8.000m/ngày, khả năng chống chịu được với vi khuẩn hữu cơ, không bị ăn mòn hay biến chất bởi các loại axit, kiềm hay các loại chất hoà tan có trong đất, khả năng chống mài mòn cực tốt Không chỉ bởi thiết kế của nó giúp tối ưu công tác thoát

nước, sử dụng biện pháp thi công đơn giản, nhanh chóng, tiết kiệm nhân công mà phương pháp xử lý này còn có ưu điểm giá thành thấp

Trong thời gian ngắn, giải pháp này xử lý có thể đạt tới 95% độ ổn định dài hạn, tạo khởi động cho quá trình ổn định tự nhiên ở giai đoạn sau Quá trình gia cố có thể được tăng tốc bằng gia tải trước với đắp đất và kết hợp với công nghệ cố kết bơm hút chân không để tăng tốc độ thoát nước của nền, giảm hệ số rỗng, tăng độ chặt, tăng cường độ sức chống cắt của đất

So sánh với các giải pháp xử lý khác

− Tốc độ thi công nhanh, tốc độ xử lý cố kết nền nhanh

− Giảm được tương đối lớn chi phí các vật liệu khác, công nghệ thi công hiện đại

− Độ cố kết đạt hiệu quả như phương án thiết kế mong đợi, thân thiện với môi trường, không gây phá hoại đến các khu vực khác do khu vực xử lý đã bị cô lập

− Chuyển vị ngang của vùng xử lý dịch chuyển vào phía trung tâm không ảnh hưởng đến các công trình lân cận

So sánh tính khả thi và kinh tế của giải pháp xử lý

− Chi phí thi công thấp, chất lượng thi công có thể kiểm soát chặt chẽ − Thời gian thi công nhanh, tiết kiệm nhiều chi phí cho các đơn vị đầu tư − Yêu cầu đơn vị thi công phải có nhiều kinh nghiệm, quy trình xử lý nền

phải được giám sát chặt chẽ

3 Nguyên lý của giải pháp bấc thấm kết hợp cố kết chân không và gia tải trước

Phương pháp gia tải bằng chân không, một cách đơn giản nhất, gồm có một hệ thống dẫn thoát nước thẳng đứng và một lớp thoát nước nằm phía trên, ngăn cách với khí quyển bằng lớp màng không thấm Các kênh thoát nước ngang được lắp đặt trong lớp thoát nước và nối với bơm hút chân không Để duy trì sự kín khí, lớp màng ngăn được dẫn đến các đường mương bao và lấp đầy bentonite vào đó Áp lực ngược (âm) được tạo ra trong lớp thoát nước bằng máy bơm hút chân không Áp lực âm này kéo theo áp suất nước lỗ rỗng âm, kết quả là làm tăng ứng suất hữu hiệu trong đất nghĩa là làm đất cố kết nhanh [2]

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý của giải pháp xử lý nền bằng bấc thấm kết hợp bơm hút chân không

Chính sự hút từ nguồn áp lực âm này vào bên trong này sẽ làm giảm độ dịch chuyển đất ra ngoài khi kết hợp với gia tải thường làm giảm thiểu nguy cơ mất ổn định mái dốc trong quá trình thi công nền đắp Bên cạnh đó, thời gian để tạo ra áp lực chân không đạt ổn định 60kPa-70kPa (tương đương 4m nền đắp) chỉ trong 6-8 ngày, nhanh hơn rất nhiều khi phải gia tải để tạo ra áp lực tương đương

Hình 1.2 Sơ đồ dịch chuyển của nền khi sử dụng giải pháp bấc thấm

Đặc tính cơ học của đất được xử lý bằng phương pháp gia tải áp lực chân không và gia tải bằng khối đất đắp là khác nhau

Với phương pháp gia tải bằng khối đất đắp, quá trình cố kết là kết quả của sự thay đổi thể tích trong đất cũng như ứng suất cắt gây ra chuyển vị đất nền, chuyển vị ngang có xu hướng ra ngoài khối đất đắp gây mất ổn định cho nền đất Theo phương pháp gia tải bằng cách đắp đất thì ứng suất cắt bên trong nền sẽ gia tăng ngay lập tức, trong khi đó ứng suất có hiệu cũng như suất chống cắt của nền chỉ gia tăng khi áp lực lỗ rỗng tiêu tán, cho nên quá trình đắp đất phải được tiến hành từng bước để tránh cho nền không bị phá hoại

Trong khi đó, phương pháp hút chân không nền không bị phá hoại do trượt vì ứng suất tổng không gia tăng cho nên ứng suất cắt cũng không gia tăng Phương pháp hút chân không chỉ gây ra sự gia tăng ứng suất đẳng hướng trong nền đất, vì thế nó gây ra độ lún và xu hướng chuyển vị vào bên trong nền đất

Phương pháp kết hợp gia tải đất đắp và áp lực chân không có nhiều ưu điểm vượt trội như:

▪ Gia tăng áp lực cố kết trong nền đất yếu

▪ Gia tăng hệ số an toàn của khối đất đắp trong quá trình thi công ▪ Làm giảm chuyển vị ngang của nền đất

Hình 1.3 Mô hình chuyển vị ngang của nền dưới tác dụng của tải đắp và chân không

“J.-C Chai & S Hayashi - Characteristics of vacuum consolidation, Department of

Civil Engineering, The University of Sydney, NSW 2006, Australia”

Theo kết quả sơ đồ Hình 1.3, tải trọng do khối đất đắp gây ra sự gia tăng ứng suất cắt trong nền đất và gây ra chuyển vị ngang ra ngoài phía đất đắp Trong khi đó, áp lực chân không là áp lực cố kết đẳng hướng, có khuynh hướng gây ra chuyển vị bên trong nền trong suốt quá trình thi công Do đó, để giảm thiểu chuyển vị ngang, ta có thể kết hợp hai phương pháp này lại với nhau để đẩy nhanh quá trình xử lý nền và hạn chế ảnh hưởng đến công trình lân cận [3]

4 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng của phương pháp sử dụng bấc thấm kết hợp với cố kết chân không và gia tải trước trong xử lý nền đất yếu trên thế giới và tại Việt Nam

Trong các nghiên cứu từ kết quả hiện trường và kết quả thí nghiệm trong phòng, có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng ảnh hưởng đến quá trình cố kết chân không như: Áp lực chân không, khoảng cách bấc thấm, hệ số cố kết theo phương đứng và phương ngang, hệ số thấm vùng xáo trộn Các yếu tố ảnh hưởng này được nhiều tác giả nghiên cứu từ các kết quả thực nghiệm trong phòng và công trình của các công trình thực tế

Áp lực chân không hiệu quả dọc theo bấc thấm có bị suy giảm theo chiều sâu hay không, vấn đề này vẫn còn nhiều tranh luận qua các kết quả nghiên cứu Theo Chu et.al (2000), Indraratna et.al (2005) chỉ ra rằng áp lực chân không hiệu quả giảm dần theo chiều sâu bấc thấm Tuy nhiên nhiều nghiên cứu từ các công trình thực tế, Bo et.al lại cho rằng áp lực chân không hiệu quả không suy giảm theo chiều sâu bấc thấm

Hầu hết các nghiên cứu đều quan tâm đến vấn đề biến dạng và biến đổi ALNLR trong quá trình cố kết chân không của nền Rujikiatkamjorn et.al (2006), Indraratna et.al (2006), Mohamedelhassan et.al, kết quả của các nghiên cứu này cũng đã chỉ ra rằng tùy thuộc vào loại đất, cấp áp lực, loại bấc thấm, khoảng cách bấc thấm, … ảnh hưởng đến độ cố kết của nền

Phương pháp cố kết chân không bước đầu được ứng dụng ở Việt Nam, công trình đầu tiên ứng dụng thành công là nhà máy khí điện đạm Cà Mau 90 ha, ngoài ra còn có các công trình khác như: Nhà máy sợi Polyester Đình Vũ, Nhà máy điện chu trình hỗn hợp Nhơn Trạch 2 - Đồng Nai, Cảng Đình Vũ - Hải Phòng, đường cao tốc Long Thành - Dầu Giây, công trình bể chứa ven sông Sài Gòn, nhà máy Nhiệt điện Long Phú 1 (Sóc Trăng), nhà máy Nhiệt điện Duyên Hải 1 (Trà Vinh), nhà máy Nhiệt điện Thái Bình 2, khu liên hợp thép Formosa Hà Tĩnh đã dùng công nghệ cố kết chân không theo phương pháp có màng kín khí để cố kết nền đất rất nhanh chỉ trong thời gian rất ngắn Trên cơ sở của những kết quả ứng dụng ban đầu cho thấy đây là một phương pháp mới, hiệu quả

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỐ KẾT CHÂN KHÔNG

1 Cơ chế của phương pháp cố kết chân không

Nguyên lý và cơ chế của phương pháp cố kết chân không được diễn giải đầy đủ và rõ ràng trong các bài viết của Kjellman (1952), Bergado et.al (1998), Chu et.al (2000), Indraratna et.al (2005)

Quá trình cố kết của đất dưới sự gia tải đã được nghiên cứu và dùng mô hình lò

xo để mô tả như trong Hình 2.1 Mô hình lò xo cho quá trình cố kết-a Để tiện lợi trong việc giải thích vấn đề này, áp suất trong bấc thấm là một giá trị tuyệt đối và pa

là áp suất khí quyển Như trong Hình 2.1-a, trường hợp khi gia tải p, áp lực nước lỗ rỗng thặng dư chịu tải đó Vì thế, với đất bão hòa, áp lực nước lỗ rỗng thặng dư ban đầu u0 bằng với tải p Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tiêu tán dần dần và tải trọng gia tải chuyển từ nước sang lò xo (lò xo như là cốt của đất) trong mô hình trong Hình 2.1-a Lượng gia tăng ứng suất hữu hiệu sẽ bằng với lượng áp lực nước lỗ rỗng tiêu tán  − pu Hình 2.1-a Khi kết thúc quá trình cố kết thì  =u 0 và tổng lượng gia tăng của ứng suất hữu hiệu bằng với tải p Hình 2.1-a Nên chú ý rằng quá trình trên không bị ảnh hưởng bởi áp suất khí quyển pa

Cơ cấu của gia tải chân không có thể được mô tả bằng cách tương tự là dùng lò xo như trong Hình 2.1-b Khi tải chân không được đặt vào hệ thống như trong Hình 2.1-b, áp lực nước lỗ rỗng trong đất giảm xuống Ứng suất tổng không đổi, ứng suất hữu hiệu tăng lên Khi gia tải chân không,−u, áp lực nước lỗ rỗng trong đất vẫn là pa Áp lực nước lỗ rỗng dần tiêu tán và lò xo bắt đầu bị nén lại, ứng suất hữu hiệu trong đất bắt đầu gia tăng Lượng gia tăng ứng suất hữu hiệu bằng với lượng áp lực nước lỗ rỗng giảm đi u, nhưng không vượt quá áp suất khí quyển pa (trong thực tế thường là 70-80kPa)

Hình 2.1 Mô hình lò xo cho quá trình cố kết (a) Gia tải đất đắp, (b) Gia tải chân không

Có thể hiểu rằng khi hút tạo áp lực chân không, thông qua hệ thống lõi thấm đứng, áp lực nước lỗ rỗng của Figure 1các điểm trong nền đất sẽ chịu lực hút chân không Nước trong đất sẽ thấm ra ngoài theo hệ thống lõi thấm đứng và các ống dẫn để thoát ra khỏi nền Khi đó nền đất sẽ được cố kết

Hình 2.2 minh họa dưới dạng biểu đồ so sánh ứng suất thẳng đứng giữa điều kiện đất có tải chân không (đạt 100% hiệu suất) với điều kiện ban đầu và điều kiện gia tải đơn thuần

, w

  -khối lượng riêng của đất và nước h- chiều sâu lớp đất

a)

b) c)

Hình 2.2 a) trạng thái ban đầu; b) gia tải đất đắp; c) gia tải chân không

Hình 2.2-b khi gia tải bằng đất đắp làm tăng ứng suất tổng từ đó tăng ứng suất hữu hiệu trong đất Hình 2.2-c khi gia tải bằng chân không làm giảm áp lực nước lỗ rỗng từ đó tăng ứng suất hữu hiệu mà không tăng ứng suất tổng

2 Lộ trình ứng suất cho trường hợp cố kết chân không và gia tải đất đắp

Trong quá trình gia tải trước trong nền đất, lộ trình ứng suất của một điểm trong nền được biểu diễn trên biểu đồ (p’,q’) như trên Hình 2.3

Với ứng suất hữu hiệu p’

Trong đó '1

 , 3' là các ứng suất chính

Hình 2.3 Lộ trình ứng suất trên mặt p’-q

Trong trường hợp gia tải trước bằng đất đắp, tải trọng sẽ làm phát sinh áp lực nước lỗ rỗng thặng dư trong đất, lộ trình AB tiến gần đến đường phá hoại Kf, ta phải chờ đến khi áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tiêu tán thì ứng suất có hiệu trong đất sẽ gia tăng theo đường BC Lộ trình ứng suất có hiệu (ABC) của một phân tố đất chịu tác

dụng của gia tải như Hình 2.3 Trong trường hợp cố kết chân không, ứng suất tổng

không gia tăng mà phát sinh áp lực nước lỗ rỗng âm trong đất Lộ trình ứng suất có hiệu trong trường hợp này là đường AE

So sánh 2 lộ trình ứng suất ABC và AE ứng với 2 trường hợp trên ta thấy đường AE có ưu điểm hơn vì ngày càng xa đường phá hoại Kf, còn lộ trình theo đường ABC ở giai đoạn đắp đất, đường con AB có khuynh hướng tiến vào đường Kf nên sẽ hạn chế về tải trọng để tránh phá hoại Biện pháp khắc phục là phải phân nhỏ lớp đất đắp thành nhiều lớp, vừa đắp vừa chờ đất cố kết theo đường BC

Kỹ thuật hút chân không phù hợp nhất cho các loại đất yếu có mực nước ngầm cao và dễ mất ổn định cũng như tốt độ thi công bị hạn chế Vì phương pháp này tạo được sự cố kết đẳng hướng cho nên tránh được rủi ro do phá hoại trượt Điều nay cho phép gia tải gần như tức thời lên đất yếu mà nền vẫn ổn định Kinh nghiệm cho thấy

chỉ cần sau vài ngày hút chân không là có thể cho chất tải Cố kết chân không thường được kết hợp với phương pháp gia tải trước bằng đất đắp trong trường hợp áp lực gia tải cần thiết vượt quá áp lực chân không có thể tạo ra

3 Thông số kỹ thuật của bấc thấm

3.1 Đường kính tương đương của bấc thấm

Trong lý thuyết cố kết thấm theo phương ngang của giếng thấm có hình trụ tròn, trong khi đó bấc thấm có tiết diện hình chữ nhật, do đó chúng ta cần phải quy đổi thành tiết diện tròn với đường kính tương đương sao cho khả năng thoát nước bằng nhau [4]

Theo Hansbo (1979) đề nghị đường kính tương đương của bấc thấm có thể xác định theo công thức sau:

Một nghiên cứu khác của Long và Covo (1994) tìm ra cách xác định dw có thể tính toán bằng công thức: dw = 0,5a + 0,7b (3) với a là bề rộng của bấc thấm; b là bề dày của bấc thấm

Hình 2.5 Đường kính tương đương của bấc thấm

3.2 Khả năng thoát nước của bấc thấm

Mục đích của việc sử dụng bấc thấm là làm tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng và thoát nước lỗ rỗng ở trong nền đất yếu ra ngoài Vì vậy, khả năng thoát nước của bấc thấm càng cao thì hiệu quả của việc dùng bấc thấm càng lớn Mà việc thoát nước của bấc thấm phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Áp lực ngang của đất, sự uống cong – gập chồng bấc thấm, sự tắt đường thoát nước, thời gian …

3.3 Đường kính vùng ảnh hưởng

Thời gian để đạt được độ cố kết là hàm số phụ thuộc vào bình phương đường kính có hiệu De của giếng thấm Thông số này có thể được khống chế theo ý muốn vì nó phụ thuộc vào khoảng cách giữa các giếng thấm và cách bố trí giếng thấm Giếng thấm thường được bố trí theo lưới hình vuông hoặc lưới tam giác đều (Hình 2.8) Đường kính có hiệu được xác định như sau:

a: Sơ đồ hình vuông b: Sơ đồ tam giác đều

Hình 2.8 Sơ đồ bố trí bấc thấm

Đường kính có hiệu De và khoảng cách S được xác định như sau: ▪ De = 1,13S (Lưới hình vuông)

▪ De = 1,05S (Lưới tam giác)

Bố trí giếng thấm theo lưới hình vuông thì thuận tiện cho việc thi công và thường được chọn, tuy nhiên lưới tam giác cho sự cố kết thấm giữa các giếng đồng đều hơn

3.4 Độ cản thấm

Ở tại hiện trường, phương pháp giếng thấm có hiệu quả hay không phụ thuộc chủ yếu vào khả năng thoát nước của giếng thấm, cho nên trong thiết kế cần phải ghi rõ yêu cầu về độ cản thấm của giếng thấm Nếu giếng thấm thoát nước kém thì quá trình cố kết diễn ra rất chậm, đặc biệt trong trường hợp giếng thấm sâu Về lý thuyết tính toán, lời giải của Hansbo (1979, 1981) đã xét đến ảnh hưởng của cản thấm lên

độ cố kết bằng cách đưa hệ số thấm hữu hạn vào phương trình liên tục của dòng thấm ở trong giếng Hansbo cũng giả thiết rằng tốc độ thấm tại bất kỳ mặt cắt nào của giếng thấm cũng bằng với tốc độ lớn nhất của dòng thấm ở trong giếng

Khả năng thoát nước của bấc thấm phụ thuộc đáng kể vào loại bấc thấm và giảm khi áp lực ngang của đất gia tăng

Áp lực ngang của đất làm cho lớp vải bọc ép sát vào lõi nhựa của bấc thấm khiến cho tiết diện ngang của các rãnh thoát nước trong phần lõi bị giảm Đối với loại bấc thấm không có lớp vải bọc thì các rãnh bị bóp ép vào nhau Trường hợp nền bị biến dạng ngang lớn cũng có thể gây cho bấc thấm bị gấp khúc, trong những trường hợp này các rãnh bị giảm đi và hậu quả là giảm khả năng thoát nước của giếng, ngoài ra các hạt mịn có thể bám vào rãnh cũng làm giảm đi khả năng thoát nước

Hình 2.9 Sự thay đổi độ cố kết theo độ sâu khi kể đến độ cản thấm của giếng (Jamiolkowski et al 1983)

Độ cản thấm ảnh hưởng đến độ cố kết cho nên Uh thay đổi theo độ sâu (Hình 2.9) Khi xét đến độ cản thấm thì độ cố kết theo phương ngang không những phụ thuộc vào hệ số cố kết Ch và đường kính có hiệu De mà còn phụ thuộc vào tỷ số qw/kh

(Hình 2.10) Tỷ số này giữ vai trò quan trọng khi chiều dài bấc thấm lớn và giá trị của nó nhỏ hơn 500m2 Lúc đó thời gian hoàn tất việc cố kết kéo dài rất lâu (Jamiolkowski, 1983)

Hình 2.10 Ảnh hưởng của lưu lượng thấm của bấc thấm lên độ cố kết (Jamiolkowski et al 1983)

Độ cản thấm ảnh hưởng càng nhiều khi chiều dài bấc thấm càng lớn, tính chất này được minh họa trong hình với loại bấc thấm điển hình (qw/kh = 400 m2)

Hình 2.11 Ảnh hưởng của chiều dài giếng thấm lên độ cố kết (Jamiolkowski et al 1983)