Luận văn thạc sĩ Địa kỹ thuật xây dựng: 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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA _

Cán 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:

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

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)

KỸ THUẬT XÂY DỰNG

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

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

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 toán 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;

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

2 Nội dung

Chương 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 toán 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 toán 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 toán 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

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

PGS TS LÊ ANH TUẤN

LỜI 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

Xin trân trọng cảm ơn!

Trong 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 công 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 quá trình cố kết Áp dụng gia tải chân không 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 quá trình thi công dựa trên mô hình phẳng của Indraratna (2000) Các thông số của bài toán mô phỏng được tính toán áp dụng dựa trên các nghiên cứu gần đây nhằm đưa ra mô hình phù hợp để kiểm chứng với kết quả thực tế

Kết quả của các bài toán giải tích, mô 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

Từ khóa: Xử lý đất yếu, Cố kết, bấc thấm, gia tải đắp, gia tải chân không, Plaxis

ABSTRACT

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

Keywords: Soft Soil Improvement, Consolidation, PVD, Prefabricated Vertical Drain, Embankment, Vacuum preloading, Plaxis

Tôi xin cam đoan đây là công việc do chính tôi 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 công việc thực hiện của mình

Tp HCM, ngày12 tháng 6 năm 2023

TRỊNH VƯƠNG QUỐC

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ i

LỜI CẢM ƠN iii

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

Tính chất của bấc thấm 6

GIA TẢI BẰNG HÚT CHÂN KHÔNG TRONG CẢI TẠO NỀN 11

Giới thiệu về gia tải hút chân không 11

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 MÔ PHỎNG BÀI TOÁN SCM+VCM 33

Mô hình nền phẳng 33

Giới Thiệu Plaxis 2D 35

Mô Hình Đàn Hồi Tuyến Tính (LE) 35

Mô Hình Mohr-Coulomb (MC) 36

Mô Hình Hardening Soil (HS) 38

Mô Hình Soft Soil (SS) 41

Ứng xử hút chân không của mô hình Plaxis 42

Thông Số Của Mô Hình 43

NHẬN XÉT CHƯƠNG 2 46

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 47

ÁP 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 TOÁN 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

Hình 1.1 Nguyên lý của giếng thấm 5

Hình 1.9 Lắp đặt hệ thống thoát nước ngang và màng kín khí 12

Hình 1.10 Sơ đồ phương pháp hút chân không có màng (Indraratna, 2005) 13

Hình 1.11 Gia tải chân không không có màng kín khí (Indraratna, 2005) 14

Hình 1.12 Các bước thi công gia tải chân không 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 2.7 Cần khoan và vùng ảnh hưởng (Rixner et al 1986) 25

Hình 2.8 Nguyên lý cố kết chân không (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

Hình 2.13: Biểu đồ hệ số phân bố ứng suất cho tải đắp (Osterberg, 1957) 32

Hình 2.14 Ứng xử chuyển vị ngang của nền (Manh Duc Nguyen, 2017) 32

Hình 2.15 Biến đổi từ mô hình đối xứng trục sang mô hình phẳng 34

Hình 2.16 Quan hệ ứng suất - biến dạng của mô hình LE 36

Hình 2.17 Quan hệ ứng suất - biến dạng mô hình MC 36

Hình 2.18 Trạng thái phá hoại M-C (Craig, 2004) 37

Hình 2.19 Mặt dẻo mô hình M-C (Plaxis Manual) 38

Hình 2.20 Thông số độ cứng theo thí nghiệm ba trục thoát nước (Plaxis Manual) 40Hình 2.21 Mặt dẻo của mô 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 mô hình Soft Soil (Plaxis Manual) 41

Hình 2.24 Thông số mô 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 Mô hình phần mềm Plaxis 44

Hình 2.27 Các cấp gia tải thực tế và mô hình Plaxis 46

Hình 3.1 Phân bố áp lực chân không trong bấc thấm 48

Hình 3.2 Các cấp gia tải theo thời gian 48

Hình 3.3 Tính toán độ lún khi xét đến gia tải theo thời gian 49

Hình 3.4 Lưới biến dạng của nền dưới tải chân không 50

Hình 3.11 Biểu đồ Độ lún theo thời gian 56

Hình 3.12 Dự báo độ lún theo Asaoka 57

Hình 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 mô 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 không 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

Hình P.4: Phổ chuyển vị ngang gia tải đất đắp 72

DANH 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 Thông số mô hình MC 38

Bảng 2.3 Thông số cơ bản mô hình HS 39

Bảng 2.4 Thông số cơ bản mô hình Soft Soil 42

Bảng 2.5 Thông số đầu vào mô hình Plaxis 44

Bảng 3.1 Thông 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 toán 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

Bảng P.7 Chuyển vị ngang Plaxis 78

av : 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

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

VCM : Gia tải bằng chân không

MỞ 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 không) để thúc đẩy quá 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 không 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 không 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 không có màng kín khí trong xây dựng các công trình giao thông – thi công và nghiệm thu), tuy nhiên, các tài liệu để phục vụ cho công tác thiết kế là còn hạn chế

Nghiên cứu này tổng hợp các nghiên cứu gần đây ở trong và ngoài nước về ứng xử của nền đất yếu dưới tác động của gia tải đắp và hút chân không, kiểm chứng với số liệu quan trắc thực tế từ dự án cao tốc Tp HCM – Long Thành – Dầu Giây, nhằm đưa ra những tham khảo hữu ích cho việc tính toán và áp dụng phương án bấc thấm kết hợp gia tải và hút chân không trong các dự án sau này

Nghiên 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 toán 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 không; 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

 Phương pháp thống kê

Thu thập, phân tích, tổng hợp, kế thừa các nghiên cứu đã có

Cải tạo nền đất yếu bằng phương án bấc thấm và gia tải đắp đã có các nghiên cứu đầy đủ qua các công 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 mô hình phân tích ứng xử của đất nền trong phương pháp này trở thảnh chủ để được quan tâm nghiên cứu qua các công 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) mô phỏng quá trình thi công, so sánh kết quả mô phỏng với kết quả tính toán 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 không

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 toán dự báo lún khi xử lý đất yếu có gia tải hút chân không

Có thể tham khảo nghiên cứu để dự báo ứng xử của đất nền khi xử lý đất yếu có gia tải hút chân không trong công 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 không Giới thiệu toàn 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

Tổng hợp các mô hình lý thuyết và công trình nghiên cứu đã được thực hiện Bài toán cố kết thấm một chiều, cố kết hướng trục được xem xét trước Tiếp đó là lịch sử

cứu 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 toán giải tích, kết quả mô 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

Nghiên cứu này chưa xem xét đến sự thay đổi hệ số thấm, phân tích hệ số thấm của vùng xáo trộn, cũng như sự gia tăng sức chống cắt của nền khi gia tải

TỔNG 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 ngoài 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 thoát ra khỏi đất (quá 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 thoát 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

Một số thí nghiệm về hệ thống giếng thấm đầu tiên được thực hiện đầu tiên vào năm 1934 và đặt nền móng cho sự phát triển của phương pháp này

được 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 ngoài 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 tông xuống độ sâu 14m cũng được phát triển (Hình 1.3)

Tính chất của bấc thấm

Sau 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)

Với 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 công bấc thấm

Hình 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

Hình 1.6 Phương pháp khoan bấc thấm

Hình 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 toán

Ở những vị trí lớp đất nền có sức chống cắt không 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 quá trình lắp đặt bấc thấm có thể kéo theo sự sụt giảm sức chống cắt không thoát 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 không tương đương trong màng kín khí và bấc thấm Phương pháp này sẽ được trình bày trong phần tiếp theo

Quá trình thi công bấc thấm được tóm tắt theo lưu đồ như sau

GIA 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

chí kĩ thuậtGia tải

đường ống chân không thẳng đứng hay nằm ngang được lắp đặt trong đất Hệ thống này được kết nối với một máy bơm chân không 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

Quá 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 ngoài

Kết quả của quá 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 không áp dụng trung thực tế: loại có màng kín khí và loại công có màng

 Gia tải hút chân không 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 thoát 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 rò rỉ không khí ngoại vi

Quá trinh gia tải bằng đất đắp được thự hiện tương tự phương pháp gia tải thông thường

Lợi 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 toàn 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 không có màng (Indraratna, 2005)  Gia tải hút chân không không 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 rò rỉ không khí nào cũng có thể ảnh hưởng đến tất cả các VPD, trong hệ thống này, mỗi nhánh PVD hoạt động độc lập

Tuy nhiên, việc lắp đặt đường ống cho số lượng lớn PVD sẽ làm tăng thời gian và chi phí lắp đặt Ngoài ra, điều này khiến hệ thống bị tổn hao áp suất chân không Các thí nghiệm trong phòng và đo tại hiện trường cho thấy rằng, tổn thất áp suất chân không là tương đối đáng kể dọc theo chiều dài PVD (Indraratna et al 2005) [2]

Hình 1.11 Gia tải chân không không có màng kín khí (Indraratna, 2005) Quá trình thi công gia tải chân không được thể hiện trong lưu đồ bên dưới

Hình 1.12 Các bước thi công gia tải chân không

Lịch 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 hoàn thiện thông 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

Địa chất đoạn cao tốc được xử lý nền thuộc trầm tích sông ngòi Một trăm chín mươi chín (199) lỗ khoan đã được khoan qua lớp đất yếu xuống độ sâu 20m đến 35m để xác định điều kiện địa chất bên dưới Bốn mươi tám (48) thí nghiệm cắt cánh hiện trường đã được tiến hành dọc theo tuyến đường để xác định sức chống cắt không thoát nước Các thí nghiệm trong phòng đã được tiến hành cho mục đích phân loại đất cũng như để xác định lịch sử ứng suất của đất thông qua thí nghiệm cố kết

loại 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 không thoát 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 không 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 không 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

Ứng dụng thực tiễn của phương pháp hút chân không đã có nhiều và nghiên cứu về ứng xử nền đất yếu khi hút chân không vẫn là chủ để đang được quan tâm của các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước Tuy nhiên, các tài liệu để thiết kế và phương pháp mô phỏng số cho biện pháp này là chưa phổ biến

Nghiên cứu này sẽ làm sáng tỏ ứng xử của nền đất yếu dưới tác dụng của gia tải đắp đất, kết hợp bấc thấm và hút chân không, bằng phương pháp giải tích, mô phỏng số, và kiểm chứng với số liệu quan trắc

PHƯƠNG 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

Thể tích thay đổi của khối đất dưới tác dụng của áp lực hữu hiệu như sau: ∆V=V0-V1=HA-(H-Sc )A= Sc A (2.1)

Thay đổi thể tích khối đất bằng bằng với thay đổi thể tích lỗ rỗng, do đó:

Hình 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 Mô hình cố kêt thấm một chiều

Thay đổi thể tích của đất bằng thay đổi của thể tích nước thoát đi, cũng như thay đổi thể tích lỗ rỗng trong khối đất

= = + 𝑉 + 𝑒 (2.8)Với 𝑉 : Thể tích đất và 𝑉 : Thể tích lỗ rỗng

Với điều kiện biên: z=0, u=0; z= 2H, u=0; t=0, u=u0

Nghiệm của phương trình (2.5)

2( , )



Phương trình vi phân cố kết (xuyên tâm và thẳng đứng) có dạng như sau:

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

Hình 2.5 Hai phương án phổ biến bố trí PVD: a) Hình vuông 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 vuông dễ thi công 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]

Vùng xáo trộn này có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả của PVD