Luận văn thạc sĩ Địa kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu chuyển vị ngang đất nền trong điều kiện gia tải đất đắp kết hợp chân không

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG Chương 1: Tổng quan về xử lý đất yếu dưới nền bằng phương pháp cố kết chân không Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 3: Phân tích chuyển vị ngang của đất trong điều ki

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

ĐÀO NGUYỄN HUY TÒNG

NGHIÊN CỨU CHUYỂN VỊ NGANG ĐẤT NỀN TRONG ĐIỀU KIỆN GIA TẢI ĐẤT ĐẮP KẾT HỢP

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CHUYỂN VỊ NGANG ĐẤT NỀN TRONG ĐIỀU KIỆN GIA TẢI ĐẤT ĐẮP KẾT HỢP CHÂN KHÔNG

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

Chương 1: Tổng quan về xử lý đất yếu dưới nền bằng phương pháp cố kết chân không Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Phân tích chuyển vị ngang của đất trong điều kiện gia tải trước bằng đất đắp

và áp lực chân không Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo Phụ lục

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 19/01/2015 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 14/06/2015 V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS Nguyễn Minh Tâm

Tp HCM, ngày tháng năm 2015

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

TS NGUYỄN MINH TÂM TS LÊ BÁ VINH

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

(Họ tên và chữ ký)

TS NGUYỄN MINH TÂM

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin gửi lời cám ơn đến Ban Giám Hiệu, Phòng Đào Tạo Sau Đại Học của trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh đã tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi để có thể hoàn thành được khóa học này

Tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy TS Nguyễn Minh Tâm người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo tôi trong suốt thời gian qua Thầy đã truyền đạt những kiến thức bổ ích và quý báu giúp tôi tiếp cận và làm quen với việc nghiên cứu khoa học để có thể hoàn thành được luận văn Thạc sĩ không những vậy những lời khuyên những lời động viên kịp thời của Thầy đã giúp tôi vượt qua được các khó khăn không chỉ trong nghiên cứu học tập mà cả trong cuộc sống giúp tôi có thể hoàn thiện mình hơn Thầy đã để lại trong tôi những hình ảnh rất đẹp về một người Thầy luôn cống hiến tận tụy và đáng kính

Tôi xin gửi lời cám ơn đến quý Thầy Cô khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, các Thầy Cô của Bộ môn Địa Cơ Nền Móng và các Thầy Cô đã trực tiếp giảng dạy, hướng dẫn và truyền đạt những kiến thức cho tôi trong suốt khóa học

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các anh chị em học viên Cao Học đã hướng dẫn giúp đỡ và động viên trong khóa học vừa qua

Sau cùng tôi xin gửi lời cám ơn chân thành đến với gia đình, đến cha mẹ đã tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi để tôi có thể hoàn thành được chương trình học tập trong suốt thời gian qua

Trong quá trình nghiên cứu bản thân tôi mặc dù đã có cố gắng trau dồi và cập nhật kiến thức tuy nhiên vẫn không thể không có những thiếu sót nhất định Kính mong quý Thầy Cô chỉ dẫn thêm để Luận văn của tôi được hoàn thiện hơn

Tp HCM, ngày 14 tháng 06 năm 2015

Đào Nguyễn Huy Tòng

TÓM TẮT

Gia tải trước lên đất yếu bằng tải đất đắp và/hoặc áp lực chân không kết hợp PVD là phương pháp gia cường đất yếu thường được sử dụng Tuy nhiên, gia tải trước bằng tải đất đắp sẽ gây ra độ lún và chuyển vị ngang hướng ra (khỏi tâm khối đắp), trong khi áp lực chân không sẽ gây ra độ lún và chuyển vị ngang hướng vào (tâm khối đắp) Về mặt lý tưởng, khi kết hợp tải đất đắp và áp lực chân không có thể ngăn chặn hoặc giảm thiểu được chuyển vị ngang đất nền Khi thi công trong môi trường đô thị, việc kiểm soát hoặc giảm thiểu chuyển vị ngang của đất là rất quan trọng Luận văn này, xét đến những yếu tố ảnh hưởng chủ yếu lên chuyển vị ngang gây ra bởi tải đất đắp kết hợp chân không Để dự đoán chuyển vị ngang của đất trong điều kiện kết hợp gia tải đất đắp và áp lực chân không, một thông số không thứ nguyên DR được giới thiệu để khảo sát xu hướng chuyển vị của đất nền

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) với sự hỗ trợ của phần mềm Geostudio/Sigma để mô phỏng và phân tích yếu tố ảnh hưởng chính lên chuyển vị ngang của đất cho công trình thực tế tại nhà máy chế biến gỗ MDF Kiên Giang Kết quả cho thấy cho thấy được xu hướng chuyển vị chung của đất nền khi áp dụng gia tải đất đắp kết hợp chân không và các yếu tố ảnh hường lên nó

ABSTRACT

Preloading soft clayey deposit with a surcharge load and/or vacuum pressure with combination of prefabricated vertical drain (PVD) improvement is a commonly utilized soft ground improvement method However, preloading by the surcharge load results insettlements as well as an immediate outward lateral displacement of the ground While, preloading by vacuum pressure results in settlements and an inward lateral displacement of the ground Ideally, combination of surcharge load and vacuum pressure can reduce or minimize the lateral displacement In an urban environment, controlling or minimizing the geotechnical engineering activity induced lateral displacement of the ground is important In this study, consider the main influencing factors and the trend of on lateral displacement induced by the combination of vacuum pressure and surcharge load, a dimensionless parameter, DR is introduced

Finite element method (FEM) supported by Geostudio/Sigma software were used to invaluate the factors influencing the lateral dispalcement of subsoil for actual project MDF Kien Giang For the conditions investigated, the results indicate the general trend of displacement under surcharge load combined vacuum pressure

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan luận văn thạc sỹ này là trung thực, được thực hiện trên cơ sở tổng hợp các lý thuyết, kết hợp phân tích phần tử hữu hạn dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Nguyễn Minh Tâm

Các số liệu dùng để mô hình tính toán và phân tích đều được chú thích và trích dẫn đầy đủ nguồn gốc tài liệu một cách khách quan và chính xác

Một lần nữa tôi xin khẳng định sự trung thực của đề tài và hoàn toàn chịu trách nhiệm với những lời cam kết ở trên

KÝ HIỆU

Chữ viết tắt

RL Tỷ số áp lực (Ratio of Load) FEM Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method) LR Tốc độ gia tải đất đắp ( Loading Rate)

DR Hệ số chuyển vị (Displacement Ratio) PVD Bấc thấm chế tạo trước

4.Phương pháp nghiên cứu 2

5.Ý nghĩa thực tiễn của đề tài 2

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ĐẤT YẾU DƯỚI NỀN BẰNG PHƯƠNG PHÁP CỐ KẾT CHÂN KHÔNG 4

1.1 Giới thiệu chung 4

1.2 Gia tải trước bằng đất đắp 4

1.3 Giếng thấm 5

1.4 Gia tải trước bằng phương pháp cố kết chân không 7

1.4.1 Đặc điểm phương pháp cố kết chân không 7

1.4.2 Nguyên tắc hoạt động của phương pháp cố kết chân không 10

1.4.3 Ưu khuyết điểm của phương pháp cố kết chân không 10

1.4.4 Tình hình ứng dụng của phương pháp cố kết chân không 11

1.5 Một số nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến nội dung đề tài 11

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 13

2.1 Cơ chế của phương pháp cố kết chân không 13

2.2 Lộ trình ứng suất cho trường hợp cố kết chân không và gia tải đất đắp 15

2.3 Chuyển vị ngang của đất nền trong điều kiện kết hợp gia tải đất đắp và áp lực chân không 16

2.3.1 Hệ số chuyển vị 17

2.3.2 Khảo sát những yếu tố ảnh hưởng lên chuyển vị ngang đất nền 18

2.4 Lý thuyết cố kết cho nền đất được gia cường bằng PVD thâm nhập hoàn toàn 19

2.4.1 Cố kết phương đứng 19

2.4.2 Cố kết xuyên tâm 20

2.7 Thông số kỹ thuật của giếng thấm 27

2.6.1 Đường kính tương đương 27

2.6.2 Khả năng thoát nước 27

2.6.3 Vùng ảnh hưởng của giếng thấm 27

2.6.4 Vùng xáo trộn 28

2.8 Phương pháp mô phỏng mô hình bấc thấm 29

2.7.1 Phương pháp khối đất tương đương 29

2.7.2 Phương pháp bài toán đối xứng trục 29

2.7.3 Phương pháp quy đổi tương đương sang bài toán phẳng 30

2.9 Điều kiện biên trong phương pháp phần tử hữu hạn 31

2.10 Mô phỏng áp suất chân không do máy bơm 31

CHƯƠNG III: PHÂN TÍCH CHUYỂN VỊ NGANG CỦA ĐẤT TRONG ĐIỀU KIỆN GIA TẢI TRƯỚC BẰNG ĐẤT ĐẮP VÀ ÁP LỰC CHÂN KHÔNG 32

3.1 Giới thiệu công trình nghiên cứu thực tế - công trình nhà máy chế biến gỗ MDF VRG Kiên Giang 32

3.5 Kiểm chứng mô hình dùng để phân tích 38

3.5.1 Thông số đầu vào cho mô hình bài toán 38

3.5.2 Trình tự thi công 39

3.5.3 Các bước mô hình bài toán 40

3.6 So sánh kết quả mô phỏng và dữ liệu quan trắc thực tế 45

3.7 Phân tích ảnh hưởng của tỷ số áp lực RL và tốc độ gia tải LR lên chuyển vị ngang đất nển 47

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Gia tải trước bằng đất đắp trên nền đất yếu 5

Hình 1.2: Gia tải trước kết hợp giếng thấm 6

Hình 1.3: Phương pháp cố kết chân không của Thụy Điển (Kjellman, 1952) 7

Hình 1.4: Sơ đồ kỹ thuật cố kết chân không thông thường 8

Hình 1.4-a: Hệ thống gia tải chân không trong thực tế 8

Hình 1.5: Sơ đồ kỹ thuật cố kết chân không CPVD 9

Hình 1.5-a: Hệ thống gia tải chân không trong thực tế 9

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: Biến dạng của đất gây ra bởi đất đắp và chân không 16

Hình 2.5: Những trường hợp chuyển vị ngang có thể xảy ra trong điều kiện kết hợp gia tải đất đắp và áp lực chân không 17

Hình 2.11: Vùng đất bị xáo trộn xung quanh ống mandrel 28

Hình 3.1: Vị trí hạng mục bãi chứa gỗ trong dự án 32

Hình 3.2: Mặt bằng công trình 33

Hình 3.3: Mặt bằng bố trí các khu vực xử lý chân không 33

Hình 3.4: Mặt cắt địa chất đi qua khu vực 6 34

Hình 3.5: Mặt bằng bố trí thiết bị quan trắc 35

Hình 3.6: Bố trí các thiết bị quan trắc 36

Hình 3.7: Biểu đồ quan trắc áp lực gia tải và độ lún theo thời gian 36

Hình 3.8: Biểu đồ quan trắc áp lực nước lỗ rỗng theo thời gian 37

Hình 3.9: Biểu đồ quan trắc chuyển vị ngang theo chiều sâu 37

Hình 3.10: Các đặc trưng vật liệu cần thiết dùng trong mô phỏng 38

Hình 3.11: Qúa trình gia tải cho khu 6 40

Hình 3.12: Thiết lập trạng thái ban đầu của đất nền 41

Hình 3.13: Áp chân không vào nền thông qua hệ thống bấc thấm 41

Hình 3.14: Gia tải lần 1 42

Hình 3.15: Gia tải lần 2 42

Hình 3.16: Gia tải lần 3 43

Hình 3.17: Gia tải lần 4 43

Hình 3.18: Giải bài toán 44

Hình 3.19: Xuất kết quả bài toán 44

Hình 3.20: Biểu đồ kết quả độ lún theo thời gian của mô phỏng và quan trắc 45

Hình 3.21: Biểu đồ kết quả áp lực nước lỗ rỗng theo thời gian của mô phỏng và quan trắc 45

Hình 3.22: Biểu đồ kết quả chuyển vị ngang theo thời gian của mô phỏng và quan trắc 46

Hình 3.23: Biểu đồ kết quả chuyển vị phương ngang LR= 2,5kPa/ngày 48

Hình 3.24: Biểu đồ kết quả chuyển vị phương ngang LR= 5,0kPa/ngày 49

Hình 3.25: Biểu đồ kết quả chuyển vị phương ngang LR= 7,5kPa/ngày 50

Hình 3.26: Biểu đồ kết quả chuyển vị phương ngang LR= 10kPa/ngày 51

Hình 3.27: Biểu đồ mối quan hệ DR và av cho tất cả các trường hợp 53

Hình 3.28: Biểu đồ mối quan hệ DR và RL cho tất cả các trường hợp 54

Hình 3.29: Biểu đồ mối quan hệ DR và LR cho tất cả các trường hợp 55

Hình 3.30: Chuyển vị ngang đất nền khi kết thúc gia tải đất đắp cho công trình thực tế MDF Kiên Giang 56

Hình 3.31: Biểu đồ quan hệ DR -RL cho công trình thực tế MDF Kiên Giang 56

Hình 3.32: Chuyển vị ngang đất nền khi kết thúc gia tải đất đắp cho công trình thực tế MDF Kiên Giang sau khi điều chỉnh 57

Hình 3.33: Biểu đồ mối quan hệ DR - RL cho công trình MDF Kiên Giang sau khi điều chỉnh 58

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Đặt trưng vật liệu trong mô hình Mohr-Coulumb 24

Bảng 2.2: Tóm tắt các đặc trưng vật liệu cần thiết trong mô hình Cam-clay 26

Bảng 3.1: Thông số địa chất khu vực 6 35

Bảng 3.2:Hệ số thấm chuyển đổi 39

Bảng 3.3: Thông số mô hình 39

Bảng 3.4: Những trường hợp khảo sát 47

Bảng 3.5: Kết quả tính toán cho những trường hợp khảo sát 52

Bảng 3.6: Kết quả tính toán cho công trình MDF Kiên Giang 55

Bảng 3.7: Kết quả điều chỉnh cho công trình MDF Kiên Giang 57

Hiện nay, các biện pháp xử lý nền đất yếu tiên tiến trên thế giới đã được áp dụng vào các công trình trong nước và mang lại nhiều thành công về hiệu quả và thời gian Một trong những phương pháp xử lý nền đất yếu mang lại hiệu quả cao đó là phương pháp cố kết chân không, có hiệu quả nhanh hơn các phương pháp gia tải đơn thuần khác, với áp lực chân không thông thường 80kPa được giữ không đổi trong suốt quá trình xử lý nền Hiện nay, phương pháp này được kết hợp với nhiều phương pháp xử lý nền khác, như kết hợp với phương pháp gia tải đất đắp, được áp dụng vào một số công trình tại nước ta như: Công trình Nhà máy khí điện đạm Cà Mau; Nhà máy điện Nhơn Trạch 2….với các nhà thầu trong và ngoài nước tham gia thiết kế và thi công Bản thân phương pháp hút chân không cũng đã được cải tiến với nhiều hình thức khác nhau, ứng với các trường hợp cụ thể nhằm tăng hiệu quả cho việc xử lý nền đất yếu, như kết hợp với hệ thống phân tách khí-nước tại Công trình đường cao tốc Maizuru-Wakasa dài 162km đặt tại quận Fukui, Nhật Bản và còn nhiều hình thức ứng dụng phương pháp hút chân không sẽ được đề cập trong luận văn

Phương pháp cố kết chân không cho thấy rất nhiều ưu điểm về tiến độ, kinh tế và thực sự là một trong các phương pháp xử lý nền đất yếu hiệu quả sẽ được áp dụng phổ biến trong tương lai Gia tải chân không thường gây ra chuyển vị ngang hướng vào trong nền công trình, trong khi tải trọng của khối đắp thường gây ra chuyển vị ngang hướng ra khỏi nền công trình Do đó, về mặt khái niệm thì ta có thể kết hợp gia tải chân không và khối đắp để giảm thiểu chuyển vị ngang tổng thể của công trình, đặc biệt là khi khu vực cần xử lý nằm tiếp giáp với công trình hay kết cấu hiện có Đó là lý do

tác giả chọn và thực hiện đề tài “Nghiên cứu chuyển vị ngang của đất nền trong

điều kiện gia tải đất đắp kết hợp áp lực chân không”

2 Mục tiêu nghiên cứu đặt ra đối với đề tài là

Đề tài nghiên cứu những nội dung cụ thể sau:

 Phân tích các dữ liệu quan trắc thực tế nhằm minh họa mô hình của phương pháp cố kết chân không kết hợp gia tải trước bằng khối đắp và bấc thấm trên phần mềm phần tử hữu hạn

 Nghiên cứu những yếu tố ảnh hưởng lên chuyển vị ngang của đất nền khi ứng dụng phương pháp gia tải chân không kết hợp đất đắp

 Nghiên cứu phương pháp có thể xác định xu hướng chuyển vị ngang của đất nền khi ứng dụng phương pháp gia tải chân không kết hợp đất đắp

4 Phương pháp nghiên cứu

 Trên cơ sở tổng hợp, phân tích những nghiên cứu khoa học về các phương pháp cố kết chân không ở nước ta và trên thế giới Từ đó,ứng dụng những đề xuất hợp lý vào nghiên cứu này

 Tổng hợp các tài liệu liên quan về phương pháp cố kết chân không tại công trình xây dựng cảng Nhà máy chế biến gỗ MDF VRG Kiên Giang từ đó nghiên cứu lý thuyết tính toán, đưa ra mô hình tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn bằng phần mềm Geostudio

 So sánh kết quả tính lý thuyết theo mô hình và kết quả quan trắc thực tế của công trình từ đó đưa ra kết luận về tính chính xác của mô hình và lý thuyết tính toán

5 Ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tài

Ưu điểm của phương pháp xử lý nền bằng cố kết chân không là thi công nhanh, giảm khả năng mất ổn đỉnh nền đất trong thời gian xử lý nền, giảm khối lượng cát gia tải

bằng cát đắp truyền thống Nếu tiếp tục nghiên cứu để làm chủ công nghệ thì đây là phương pháp phù hợp, có thể áp dụng phổ biến trong tương lai, thay thế cho phương pháp gia tải truyền thống

Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng lên chuyển vị ngang của đất nền khi ứng dụng phương pháp gia tải chân không kết hợp đất đắp, từ đó rút ra phương pháp giảm thiểu chuyển vị ngang đất nền

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ĐẤT YẾU DƯỚI NỀN BẰNG

PHƯƠNG PHÁP CỐ KẾT CHÂN KHÔNG 1.1 Giới thiệu chung

Hiện nay, có rất nhiều phương pháp xử lý và cải tạo nền đất yếu khác nhau được sử dụng với mục đích làm tăng sức chịu tải và giảm tính nén lún của nền đất Việc lựa chọn phương pháp nào để xử lý nền đất là phụ thuộc vào cấu tạo địa chất, các đặc tính của đất, chi phí xử lý, điều kiện sẵn có của vật liệu cần thiết và kinh nghiệm xử lý nền trước đây Nhìn chung có thể chia các phương pháp xử lý nền thành hai loại:

 Loại thứ nhất bao gồm các phương pháp xử lý mà trong đó người ta sử dụng vật liệu rời bên ngoài để gia cố nền như: cột đá, cột đất trộn với các tác nhân hóa học, phụt vữa xi măng… nhằm làm cho các vật liêu này cùng tham gia chịu lực với đất nền Nguyên lý chính là tận dụng độ cứng lớn của các vật liệu được đưa vào nền để phân phối lại tải trọng bên trên theo độ cứng, nhờ vậy nền đất yếu sẽ phải chịu tải trọng nhỏ hơn tương ứng với sức chịu tải của nó Ngoài ra, các phương pháp này cũng góp phần làm tăng các chỉ tiêu cơ lý của đất nền tùy theo loại đất, phương pháp xử lý và thi công

 Loại thứ hai bao gồm các phương pháp xử lý làm cho đất nền cố kết do tác dụng thoát nước như: bấc thấm, giếng cát kết hợp gia tải trước, bơm hút chân không hoặc bơm hút chân không kết hợp gia tải trước… mục đích đẩy nhanh tốc độ thoát nước và rút ngằn thời gian cố kết của nền đất

Trong chương này tác giả lần lượt giới thiệu về các phương pháp xử lý nền có liên quan đến phương pháp bơm hút chân không

1.2 Gia tải trước bằng đất đắp

Một trong những phương pháp nhằm cải tạo các tính chất của đất là phương pháp gia tải trước Một cách tổng quan, gia tải trước là quá trình nén đất bằng ứng suất thẳng đứng do con người tạo ra trước khi thi công công trình Việc gia tải trước ảnh hưởng đến các yếu tố như độ lún cố kết sơ cấp, thứ cấp và sức chống cắt không thoát nước của đất Tải trọng dùng để gia tải trước có các dạng như đất đắp, bể chứa nước, hút chân không và thường được sử dụng kết hợp với phương pháp giếng thấm

Phương pháp gia tải trước đơn giản nhất là phương pháp sử dụng đất (đá, cát…) đắp lên bề mặt đất cần gia cố để tạo áp lực tác dụng Khi tải trọng đặt trên nền đất yếu thì

lúc đầu nước lỗ rỗng sẽ gánh chịu Áp lực nước lỗ rỗng sẽ giảm dần khi nước lỗ rỗng thấm theo phương đứng ra khỏi nền đất, làm cho nền đất cố kết Để không gây ra sự mất ổn định cho đất nền thì tải trọng phải được thi công thành hai hay nhiều giai đoạn Đôi khi việc chất tải theo phương pháp này không khả thi do chiều cao phải chất tải quá lớn, đất nền quá yếu hoặc nguồn vật liệu dùng để gia tải ở cách xa vị trí thi công

Hình 1.1: Gia tải trước bằng đất đắp trên nền đất yếu

1.3 Giếng thấm

Lún cố kết luôn gây ra nhiều vấn đề đố với nền móng công trình, hệ số thấm của sét yếu rất nhỏ cho nên độ lún cố kết chỉ kết thúc sau một thời gian khá lâu Để rút ngắn thời gian cố kết người ta dùng kỹ thuật giếng thấm kết hợp với các phương pháp gia tải trước Dưới tác dụng của gia tải, gradient thủy lực của nước trong lỗ rỗng gia tăng làm cho nước thấm theo phương ngang vào các giếng thấm và sau đó nước sẽ thấm tự do một cách nhanh chóng theo giếng thấm lên trên bề mặt Như vậy dùng giếng thấm sẽ rút ngắn được chiều dài đường thấm cho nên thời gian cố kết cũng rút ngắn được đáng kể Giếng thấm có hai chức năng rõ rệt là rút ngắn thời gian cố kết và tăng nhanh sức chống cắt để nền công trình ổn định hơn Giếng thấm có các loại như giếng cát, giếng thấm chế tạo sẵn v v…

Trong những năm 1930, ứng dụng đầu tiên của giếng thấm cát được thực hiện tại California Tại Thụy Điển, trong cùng thập kỷ này, Kjellman giới thiệu nguyên mẫu đầu tiên của bấc thấm chế tạo trước (PVD) làm từ bìa cứng các-tông (Jamiolkowski et al., 1983) Từ đó, nó tiếp tục được phát triển và bây giờ đã có hơn trăm loại bấc thấm

khác nhau xuất hiện Như trong hình 1.2, lắp đặt PVD trong đất tạo ra những đường

thoát nước nhân tạo Hơn nữa, gia tải trước bởi tải phụ tải, áp lực chân không hay kết

hợp cả hai sẽ tác động đến độ dốc thủy lực, cho phép nước lỗ rỗng chảy nhanh hơn theo phương ngang hướng đến PVD Sau đó, nước lỗ rỗng có thể chảy tự do dọc theo PVD hướng đến lớp đất có tính thấm Việc này đẩy nhanh quá trình cố kết của đất sét trầm tích yếu, làm gia tăng cường độ của đất cũng như giảm đi tính nén lún và tính thấm của đất

Hình 1.2: Gia tải trước kết hợp giếng thấm

Giếng thấm chế tạo sẵn được cấu tạo bởi hai bộ phận là lõi bằng nhựa dẻo ở giữa và lớp vải tổng hợp bọc xung quanh lõi, đồng thời làm đường dẫn nước cho giếng thấm và lớp vải tổng hợp bọc xung quanh lõi có chức năng tách biệt đường thấm với đất xung quanh giếng thấm, đồng thời ngăn các hạt mịn xâm nhập vào lõi Thường có bề rộng 100mm, dày 3 – 5mm Với kỹ thuật sản xuất bấc thấm hiện nay, lưu lượng tháo nước của bấc thấm có thể đạt tới 80m3 – 140m3/năm, cao hơn rất nhiều so với độ thấm của đất yếu

Một số ưu điểm của bấc thấm :

 Giảm thiểu tối đa sự xáo trộn của các lớp đất,

 Khả năng tương thích cao của lõi và vỏ bấc thấm với nhiều loại đất,

 Thi công dễ dàng, thời gian thi công nhanh,

 Bấc thấm có thể lắp đặt đến độ sâu 40m,

 Giảm được chi phí vận chuyển và thi công,

 Có thể kết hợp với các phương pháp xử lý nền khác

1.4 Gia tải trước bằng phương pháp cố kết chân không

Khi yêu cầu gia tải trước cao hơn khả năng của máy bơm chân không, gia tải trước bằng phụ tải (như khối đất đắp) có thể được dùng kết hợp với áp lực chân không

Những lợi điểm của sự kết hợp này là gia tăng tải phụ tải hữu hiệu và giảm thời gian thi công trong trường hợp thi công đường (Chai 2006)

1.4.1 Đặc điểm phương pháp cố kết chân không

Hình 1.3: Phương pháp cố kết chân không của Thụy Điển (Kjellman, 1952)

Phương pháp bơm hút chân không hay cố kết chân không được kiến nghị đầu tiên bởi Kjellman (1952) và được nghiên cứu tiếp bởi Viện địa kỹ thuật Hoàng gia Thụy Điển như một phương pháp gia cường cho đất hạt mịn Phương pháp này dựa trên ý tưởng hút chân không nhằm giảm áp suất khí quyển trong khối đất được cách ly, theo đó giảm được áp lực nước lỗ rỗng trong đất và tăng ứng suất hữu hiệu mà không làm thay đổi ứng suất tổng

Một số tác giả cũng đã công bố các nghiên cứu về phương pháp này như : Bergado và các công sự (1998), Chu và các công sự (2000), Indraratna và các công sự (2005) Những nghiên cứu đã mở rộng hơn các lĩnh vực có thể áp dụng kỹ thuật này, như đẩy nhanh sự thoát nước và cố kết trong vật liệu có tính chất lưu Bên cạnh đó, những cải tiến trong kỹ thuật thi công và phát triển các phương pháp phân tích trong thiết kế đã tạo điều kiện cho phương pháp cố kết chân không trở thành một phương pháp hữu dụng và kinh tế trong công tác gia cường nền đất yếu và khả năng ấy sử dụng trong nhiều trường hợp khác nhau

Ngoài ra, phương pháp gia tải chân không cũng thường được kết hợp với phương pháp gia tải bằng đất đắp hay các loại bấc thấm khi cần đẩy nhanh hơn tốc độ cố kết cho nền đất Kỹ thuật gia tải chân không chủ yếu sử dụng hai loại hệ thống PVD Đó là 1) PVD thông thường; 2) Capped – PVD (CPVD) bấc thấm có mũ chụp Các chi tiết có liên quan của mỗi hệ thống được giới thiệu ở phần sau

 Hệ thống PVD thông thường (có sử dụng màng kín khí)

Hình 1.4: Sơ đồ kỹ thuật cố kết chân không thông thường

Sơ đồ của kỹ thuật gia tải chân không thông thường với PVD được cho trong hình 1.4

Bao gồm một lớp đệm cát làm việc như một lớp thoát nước, với PVD thâm nhập vào trong đất Một hệ thống bấc thấm ngang được đặt trong lớp đệm để thu nước, và bấc thấm ngang liên kết đến máy bơm chân không để tạo chân không trong nền đất

Hình 1.4-a: Hệ thống gia tải chân không trong thực tế

Trong hệ thống này, áp lực chân không được áp tại bề mặt đất Để tránh việc rò rĩ khí, một lớp màng kín khí được lắp đặt sao cho bao phủ vùng xử lý và chêm vào các rãnh

chứa đầy bentonite, nước hoặc bùn sét (hình 1.4-a) Điều quan trọng là vùng xử lý

được hoàn toàn kín khí và cách ly với bất kỳ loại đất thấm nào ở xung quanh để tránh hao hụt chân không Một tường chắn khí hay nước có thể được thi công nếu có đất thấm liền kề với vùng xử lý Để duy trì áp lực chân không cao trong vùng xử lý cần phải tránh sự rò rĩ từ màng kín Do đó, nếu vật liệu đắp được đặt trên màng không nên

là các loại đá hoặc vật liệu sắc nhọn Vì một lỗ kim hay khe hở trong màng kín rất khó để xác định và sửa chữa nên màng kín nên được kiểm tra kỹ càng trước khi chúng được lắp đặt

 Hệ thống CPVD (PVD có mũ chụp, không dùng màng kín khí)

Hình 1.5:Sơ đồ kỹ thuật cố kết chân không CPVD

Gần đây, một kỹ thuật chân không mới không sử dụng màng kín khí được giới thiệu

Như trong hình 1.5, một PVD đặc biệt với mũ chụp và ống thoát nước trên đỉnh mũ

được thiết kế (CPVD) (Fujii 2002; Chai 2008) Các ống của CPVD được kết nối với nhau bởi các khớp nối nhựa, và sau đó là kết nối vào hệ thống tạo chân không Áp lực chân không được áp tại vị trí mũ Kỹ thuật này dùng một lớp đất bề mặt như là lớp kín khí và không cần lắp đặt màng kín khí trên bề mặt đất Do đó, không cần lo lắng về các sự cố (lỗ kim hoặc khe hở) ở màng kín khí và sự rò rĩ khí qua nó

Hình 1.5-a: Hệ thống gia tải chân không trong thực tế

1.4.2 Nguyên tắc hoạt động của phương pháp cố kết chân không

Các nguyên tắc hoạt động của phương pháp cố kết chân không:

 Loại bỏ áp lực không khí trong nền đất, từ một môi trường đóng kín (bao gồm phía trên là màng kín khí, xung quanh là môi trường đất có độ thấm nhỏ bảo hòa nước)

 Duy trì hệ thống thoát nước hiệu quả dưới màng kín khí để tháo nước và không khí ra khỏi đất trong suốt thời gian xử lý

 Giữ cho môi trường không bảo hòa nước bên dưới màng kín khí

 Duy trì áp suất chân không liên tục trong suốt quá trình xử lý

 Đảm bảo các hệ thống ở chu vi ngoại biên của vùng xử lý được bịt kín

 Kết quả cuối cùng nước sẽ được tháo ra khỏi nền và đất nền sẽ cố kết lại

1.4.3 Ưu khuyết điểm của phương pháp gia tải trước bằng cố kết chân không

Ưu điểm của phương pháp gia tải chân không

 Không cần vật liệu đắp từ bên ngoài (hiện đang khan hiếm, nhất là khu vực thành thị) làm giảm được giá thành

 Thời gian thi công thường ngắn hơn vì việc hút chân không tạo ra áp lực gia tải lớn (tối ra đến 80kPa) và gần như tức thời

 Không có tác nhân hóa học được đưa vào nền đất do đó nó được xem là phương pháp xử lý thân thiện với môi trường

 Áp lực chân không là đẳng hướng nên không phát sinh lực cắt trượt, không gây chuyển vị ngang ra ngoài vùng xử lý nên an toàn với công trình lân cận

 Nếu kết hợp gia tải thông thường với hút chân không, do tính chất bù trừ áp lực nở hông, do hút chân không (co đất) và áp lực do gia tải thông thường (nở đất), nên áp lực gia tải tổng cộng đạt được lớn hơn rất nhiều so với gia tải thông thường

Khuyết điểm của phương pháp gia tải chân không

 Yêu cầu máy móc và kỹ thuật thi công cao, làm tăng giá thành

 Giới hạn về áp lực chân không và chiều sâu gia cố, hiệu quả thấp khi nền đất có các lớp cát với hệ số thấm cao nằm xen giữa

 Rất khó làm kín khí nên gây hao hụt áp lực hút chân không Tuy nhiên với kỹ thuật-công nghệ ngày càng phát triển và hoàn thiện, công nghệ hút chân không đã và đang trở nên phổ biến trên thế giới

1.4.4 Tình hình ứng dụng phương pháp cố kết chân không

Phương pháp bơm hút chân không được giới thiệu đầu tiên vào năm 1952 tại Thụy Điển bởi Kjellman, sau đó là ở Trung Quốc và sau nhiều nỗ lực thực hiện phương pháp này thì nó đã mở ra một kỹ thuật xử lý nền đáng tin cậy Một trong những ứng dụng đầu tiên của kỹ thuật này là vào năm 1957, được sử dụng trong dự án mở rộng đường băng sân bay quốc tế Philadelphia tại Mỹ Sau đó nhiều dự án cải tạo nền tại Pháp và nhiều nước khác đã ứng dụng thành công phương pháp này

Dự án Nhà máy khí điện-đạm Cà Mau là dự án đầu tiên áp dụng phương pháp cố kết chân không ở Việt Nam Tiếp nối thành công đó nhiều dự án khác như đường cao tốc Long Thành - Dầu Giây; Nhiệt điện Nhơn Trạch - Đồng Nai; Nhà máy sản xuất tơ sợi Polyester Đình Vũ đều áp dụng phương pháp này

Phương pháp bơm hút chân không còn có thể kết hợp với nhiều phương pháp xử lý nền khác để tăng hiệu quả xử lý và đẩy nhanh tiến độ thi công như kết hợp với phương pháp gia tải trước bằng đất đắp, cọc đất trộn sâu v.v

1.5 Một số nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến nội dung đề tài

Phương pháp cố kết chân không đã được ứng dụng và nghiên cứu rộng rãi từ lâu trên thế giới Năm 2005 - 2009, các tác giả B.Indraratna, C.Rujikiatkamjorn, I.Sathananthan đã đưa ra những nghiên cứu cho bấc thấm đứng trong điều kiện gia tải chân không và đất đắp Cũng trong những năm này các tác giả J.C.Chai, N.Miura, D.T.Bergado cũng báo cáo những nghiên cứu về biến dạng của đất khi ứng dụng phương pháp chân không C.Rujikiatkamjorn, B.Indraratna,và J.Chu năm 2008 cũng đã đưa ra những mô hình thí nghiệm 2D và 3D cho bấc thấm đứng kết hợp gia tải chân không và đất đắp Năm 2011, C.Y.Ong, J.C.Chai đã thiết lập mô hình thí nghiệm tỷ lệ lớn để nghiên cứu chuyển vị ngang của đất nền trong điều kiện gia tải đất đắp và chân không

Ở Việt Nam, sau khi dự án Nhà máy khí điện – đạm Cà Mau ứng dụng thành công phương pháp bơm hút chân không, đã có nhiều công trình nghiên cứu về nó được thực hiện Một số nghiên cứu nổi bậc như các nghiên cứu Những yếu tố ảnh hưởng đến cố kết của nền đất yếu khi ứng dụng chân không (Nguyễn Vũ Anh Khoa, 2008), phát triển lời giải cố kết thấm trong điều kiện hút chân không (Mai Trọng Mẫn, 2010), nghiên cứu phương pháp tính toán, mô phỏng cho một lăng trụ đối xứng trục trong điều kiện hút chân không (Võ Thành ,2013), nghiên cứu tính toán quá trình cố kết của

nền đất yếu khi ứng dụng hút chân không (Nguyễn Công Trí, 2013) và hàng loạt các nghiên cứu khác về phương pháp cố kết chân không đã và đang được thực hiện

Các công trình nghiên cứu này đã góp phần củng cố và phát triển phương pháp cố kết chân không cả trong lý thuyết và ứng dụng thực tế tại Việt Nam

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1.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 và cộng sự (1998), Chu và các công sự (2000), Indraratna và các cộng sự (2005)

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

không

Quá trình cố kết của đất dưới sự gia tải đất đắp đã được tìm hiểu kỹ càng và dùng mô

hình lò xo để mô tả như trong hình 2.1-a Để thuận tiện trong việc giải thích vấn đề này, áp suất trong hình 2.1 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 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 Khi kết thúc quá trình cố kết thì  u 0 và tổng lượng gia tăng của ứng suất hữu hiệu bằng với tải p 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 80kPa)

Có thể hiểu rằng khi hút tạo áp lực chân không, thông qua hệ thống lõi thấm đứng, áp lực nước lỗ rỗng của các 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

a)

b) c)

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

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 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

' uPahPawh

       (2.1) Trong đó: '- ứng suất hữu hiệu thẳng đứng

 - ứng suất tổng thẳng đứng u - áp lực nước lỗ rỗng

Total vertical stress: Ứng suất tổng

Pa - áp suất khí quyển

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

2.2 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 trong hình 2.3

Với ứng suất hữu hiệu p’

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 cong 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 tốc 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

2.3 Chuyển vị ngang của đất nền trong điều kiện kết hợp gia tải đất đắp và bơm hút chân không

Hình 2.4: Biến dạng của đất gây ra bởi a) Tải đất đắp; b)Áp lực chân không

Tải đất đắp không chỉ gây ra áp lực cố kết cho đất sét yếu mà còn gây ra ứng suất cắt trong đất Ứng suất cắt sẽ gây ra chuyển vị ngang hướng ra tức thời trong đất như

trong hình 2.4-a Chuyển vị ngang hướng vào do cố kết chân không diễn ra trong suốt quá trình cố kết với giá trị lớn nhất tại mặt đất như trong hình 2.4-b Vì cơ cấu của

chuyển vị ngang hướng ra và hướng vào là khác nhau nên sự kết hợp của áp lực chân không và tải đất đắp có thể làm giảm chuyển vị ngang của đất nhưng có thể không duy trì điều kiện chuyển vị ngang bằng 0 theo toàn bộ chiều sâu của nền đất

Trong hình 2.5, kết hợp tải đất đắp gây ra chuyển vị ngang hướng ra như “ đường ”

với áp lực chân không gây chuyển vị ngang hướng vào như “đường ” có thể cho ra một đường cong chuyển vị như đường nét liền  trong hình Tuy nhiên, với đất nền yếu, biến dạng phần nhiều là dẻo và đường cong chuyển vị ở đây không giống hoàn toàn như đường nét liền  Tải đất đắp gây ra chuyển vị ngang là tức thời và thường xảy ra sớm hơn cố kết chân không gây ra chuyển vị ngang Như kết quả, “đường cong thực tế ” có thể nằm bên phải của đường nét liền 

Hình 2.5: Những trường hợp chuyển vị ngang có thể xảy ra trong điều kiện kết

hợp gia tải đất đắp và áp lực chân không

2.3.1 Hệ số chuyển vị

Với sự kết hợp của tải đất đắp và áp lực chân không, có 3 loại hình chuyển vị ngang có thể xảy ra (1) Hướng ra, (2) Hướng vào và (3) Hướng vào tại bề mặt đấtvà hướng

ra bên dưới như trong hình 2.5 Chắn chắn rằng, thông qua chuyển vị ngang hướng ra

hoặc hướng vào cực đại thì không thể đưa ra được một cái nhìn toàn diện cho trường hợp (3) Do đó, một thông số chuyển vị ngang trung bình, δav, được Ong và Chai (2011) kiến nghị dùng để khảo sát chuyển vị ngang nền đất và được xác định như sau:

A1 và A2 được xác định là diện tích vùng bao phủ bởi trục ngang và trục dọc qua chân của khối đắp và đường cong của chuyển vị ngang dưới chân khối đắp Giá trị âm được xem là chuyển vị hướng vào

HL là bề dày của vùng gia cường từ bề mặt đất đến vị trí kết thúc PVD

Sau đó, Ong và Chai (2011) đã đưa ra một hệ số chuyển vị, DR (Displacement Ratio), được đề xuất dùng để khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển vị ngang và có thể xác định như sau:

avf

2.3.2 Khảo sát những yếu tố ảnh hưởng lên chuyển vị ngang đất nền

Theo báo cáo của Ong và Chai (2011) những yếu tố ảnh hưởng đến chuyển vị ngang gây ra bởi tải đất đắp là (1) Độ lớn và tốc độ gia tải đất đắp, (2) Sức chống cắt không thoát nước của đất nền, (3) Những đặc trưng cố kết và biến dạng của đất nền Những yếu tố ảnh hưởng đến chuyển vị ngang gây ra bởi áp lực chân không là (1) Độ lớn của

áp lực chân không, (2) Các đặc trưng cố kết và biến dạng của nền đất Tất cả những yếu tố trên sẽ ảnh hưởng đến biến dạng ngang của đất dưới sự kết hợp của tải đất đắp và áp lực chân không, và để dự đoán biến dạng ngang, tất cả các yếu tố trên sẽ được xem xét trực tiếp hoặc gián tiếp

Ong và Chai (2011) đã đề xuất những thông số: Hệ số chuyển vị, DR, tỷ số tải trọng giữa tải đất đắp và áp lực chân không, RL (Ratio of Load), và tốc độ gia tải đất đắp, LR (Loading Rate) để khảo sát mối quan hệ giữa các yếu tố để cập bên trên

2.4 Lý thuyết cố kết cho nền đất được gia cường bằng PVD thâm nhập hoàn toàn

Với trầm tích thoát nước một chiều, PVD thường được cho thâm nhập hoàn toàn vào trầm tích để rút ngắn thời gian gia tải trước Với trầm tích có PVD thâm nhập hoàn toàn, ta thường chấp nhận rằng độ cố kết tổng là kết hợp của cố kết đứng và ngang (hướng tâm) Do đó, lý thuyết có kết phương đứng được trình bày và theo sau đó là lý thuyết cố kết phương ngang Cuối cùng, lý thuyết cố kết xét đến sự ảnh hường kết hợp của thoát nước phương đứng và ngang được trình bày

2.4.1 Cố kết phương đứng

Lý thuyết cố kết một chiều (1D) của Terzaghi được sử dụng rộng rãi để tính toán độ cố kết trung bình theo phương đứng, Uv Lý thuyết cố kết Terzaghi có những giã định như sau:

 Đất đồng nhất

 Đất hoàn toàn bão hòa (lỗ rỗng bằng 0)

 Nước và các hạt đất không thể nén được

 Lý thuyết biến dạng nhỏ và định luật Darcy được chấp nhận

 Hệ số thấm và hệ số nén thể tích không thay đổi trong suốt quá trình cố kết

 Mối quan hệ đặc thù, độc lập với thời gian, giữa tỷ số rỗng và ứng suất hữu hiệu

Dựa vào các giả định đó, Uv có thể tính toán như sau:

220,1,2,

2

m

M Tv

Tv là nhân tố thời gian cho thoát nước đứng và có thể tính như sau:

2

vv

d

c tT

H

Trong đó cv là tỷ số cố kết của sét trầm tích theo phương đứng; t là thời gian; Hd là khoảng cách đường thấm đứng, Hd= H với trầm tích chứa sét thoát nước một chiều và Hd= H/2 cho thoát nước 2 chiều

2.4.2 Cố kết xuyên tâm

Dựa trên lý thuyết cố kết một chiều của Terzaghi, Barron (1948) ần đầu tiên giới thiệu lời giải cho vấn đề cố kết của một trụ đất bao quanh một giếng thấm cát ở trung tâm Lời giải của Barron có các giả định sau:

 Đất bão hòa và tất cả tải trọng thẳng đứng được chịu bởi áp lực nước lỗ rỗng thặng dư ban đầu

 Tải trọng được áp được giả định là phân bố đồng dạng và toàn bộ các biến dạng xảy ra theo phương thẳng đứng

 Vùng ảnh hưởng của bấc thấm được giả định có hình trụ tròn và đối xứng trục

 Độ thấm của bấc lớn hơn rất nhiều so với đất

 Định luật Darcy được chấp nhận Barron (1948) đã nghiên cứu 2 trường hợp đặc biệt, có tên là biến dạng tự do thẳng đứng và biến dạng cân bằng thẳng đứng Cả hai trường hợp trên cho thấy rằng cố kết trung bình gần như bằng nhau, nhưng lời giải thu được từ trường hợp thứ 2 là đơn giản hơn Do đó, ta thường dùng biến dạng cân bằng thẳng đứng trong hầu hết các phân tích cố kết-thấm hướng tâm Sau đó, độ cố kết trung bình theo phương ngang, Uhdưới điều kiện lý tưởng (không có vùng xáo trộn và sức cản thấm) có thể được tính như sau:

F n

Trong đó: Th là nhân tố thời gian thấm theo phương ngang,

F(n) là yếu tố xét đến ảnh hưởng của khoảng cách bấc thấm và có thể được tính như sau:

hh

e

c tT

Hansbo (1981) đã hiệu chỉnh lời giải phát triển bởi Barron (1948) cho ứng dụng PVD có xét đến đặc trưng kích thước và thông số của PVD, và ảnh hưởng của xáo trộntrong khi lắp đặt PVD Sơ đồ PVD cùng với sức cản thấm và sự xáo trộn đất được cho

trong hình 2.7 Lời giải của Hansbo (1981) như sau:

8

h

TU

e

c tT

D

223

Trong đó: ds là đường kính vùng xáo trộn,

kh và ks là hệ số thấm thủy lực phương ngang của vùng đất tự nhiên và xáo trộn,

H là bề dày lớp đất gia cường PVD, qw là khả năng thoát nước của PVD

2.4.3 Cố kết thẳng đứng và xuyên tâm kết hợp

Với PVD, độ cố kết tổng, Uav, của nền đất là sự kết hợp ảnh hưởng của thoát nước hướng tâm (phương ngang) và phương đứng Carrillo (1942) đề xuất một phương trình tính toán Uav cho trầm tích sét với PVD thâm nhập toàn phần, xét đến cả thoát nước hướng tâm và thẳng đứng như sau:

Hình 2.7 Sơ đồ hoạt động của PVD

Theo P.V.Long và D.T.Bergado (2012) với vùng nền có PVD thì độ cố kết phương đứng Uv có thể bỏ qua

2.5 Lý thuyết cố kết cho nền đất được gia cường bằng PVD thâm nhập không hoàn toàn

Trong nhiều trường hợp (tải phụ tải quá nhỏ để lắp đặt PVD thâm nhập toàn bộ lớp đất yếu, có lớp cát nằm dưới lớp đất yếu), xét đến những khó khăn khi thiết kế và kinh tế, bấc thấm đứng thâm nhập một phần được chấp nhận

Hart và công sự (1958) đề xuất lời giải gần đúng để tính toán độ cố kết trung bình (Uav) của nền đất gia cường PVD thâm nhập một phần Tuy nhiên, nó không xét đến ảnh hưởng của sức cảng thấm và vùng xáo trộn Để hiệu chỉnh cho việc xét đến ành hưởng của sức cảng thấm và vùng xáo trộn, Zeng và Xie (1989) đề xuất một lời giải như sau:

28

Với: vh v h ;

21

.4

vv

cH

  ;

28 h

he

vv







vvh



kn

Trong đó s= ds/dw; kw độ thấm thủy lực của PVD;

Hd là chiều dài bấc thấm đứng; Hd=H cho thoát nước một chiều và Hd= H/2 cho thoát nước hai chiều

Tang và Onitsuka (1998) đề xuất một lời giản bán phân tích (semi-analytical solution) để đánh giá giá trị Uav của nền đất gia cường PVD thâm nhập một phần Trong lời giải này, hệ thống đất cùng với PVD thâm nhập một phần được chia thành hai lớp; lớp đất nằm trên với PVD được xét như một lớp đất đơn lẽ có PVD thâm nhập toàn bộ và lớp đất bên dưới không có PVD được xét như một lớp đất riêng lẽ khác Ảnh hưởng của sức cảng thấm, vùng xáo trộn và phần thâm nhập (tỷ số chiều dài PVD và tổng bề dày lớp đất yếu) được xét đến Độ cố kết trung bình cho lớp đất có PVD (U1) có thể tính như sau:

Chi tiết hơn về các mục này có thể tìm thấy trong nghiên cứu của tác giả Tang và Onitsuka (1998)

2.6 Cơ sở lý thuyết của các mô hình nền 2.6.1 Mô hình Mohr-Coulumb (MC)

Mô hình Mohr-Coulomb là mô hình đàn-dẻo bao gồm 5 thông số đầu vào: E’ và υ’ thể hiện tính đàn hồi của đất; φ’ và c’ cho tính dẻo của đất và ψ như là góc trương nở của đất Mô hình Mohr-Coulomb đại diện gần đúng ứng xử của đất và đá Đối với mỗi lớp đất được ước lượng độ cứng trung bình không đổi Do độ cứng này không đổi, nên tính toán có xu hướng tương đối nhanh và có được một hình ảnh đầu tiên của biến dạng Bên cạnh 5 thông số mô hình đã nói trên, điều kiện địa chất ban đầu cũng đóng vai trò thiết yếu trong vấn đề biến dạng của đất Ứng suất ngang của đất phải được chọn đúng giá trị K0

Hàm giới hạn dẻo : f({σ} = ''''

3131

.sin ' cos '2   2   c  Tính dẻo là sự phát triển của biến dạng không hồi phục Để xác định trong quá trình tính toán có xảy ra biến dạng dẻo hay không người ta đưa ra hàm giới hạn

dẻo f đây là hàm ứng suất và biến dạng Một hàm giới hạn dẻo thường được biểu

diễn trên mặt phẳng trong không gian ứng suất chính Mô hình dẻo thuần túy là một mô hình được tạo thành bởi một mặt cong giới hạn cố định, được xác định đầy đủ bằng các thông số của mô hình và không bị ảnh hưởng bởi biến dạng dẻo Đối với các trạng thái ứng suất được biểu diễn bằng những điểm nằm trong mặt cong giới hạn thì ứng xử của những điểm đó là đàn hồi và tất cả những biến dạng đó đều có thể phục hồi được

Bảng 2.1: Đặc trƣng vật liệu đất trong mô hình Mohr – Coulumb

2.6.2 Mô hình Cam-Clay

Mặt giới hạn miền hoạt động của đất hoặc các vật liệu rời gồm: mặt Hvorslev, mặt Roscoe và mặt 1/3

Phương trình cơ bản có thể viết dưới dạng

Lấy vi phân phương trình (2.23), rồi chia cho thể tích riêng v, có được biến dạng thể tích

v

vv

pk

Từ quan hệ:

'

pv

ps

qM

p





Có thể tính ra biến dạng dẻo do cắt (biến hình):

''

ps

pvp MM



 Thông số đất nền cho mô hình Cam-clay trong Geostudio

Bảng 2.2: Bảng tóm tắt các đặc trƣng vật liệu cần thiết trong mô hình Cam-clay

Mô hình Cam-clay dùng các thông số M, , ,  Các đặc trưng vật liệu có thể thu được từ một số các thông số phổ biến như ' và hệ số nén lún Cc Phần này sẽ trình bày một số mối quan hệ hữu ích khi bạn đang làm việc với mô hình Cam-clay

Độ dốc của đường trạng thái tới hạn, M, thu được từ thí nghiệm nén ba trục có mối liên hệ với góc ma sát trong ' như sau:

6sin '3 sin '