NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Luận văn bao gồm các nội dung sau: Chương 1: Mở đầu Chương 2: Nghiên cứu tổng quan về ứng dụng của tường đất - bentonite Chương 3: Nghiên cứu thí nghiệm xác định ảnh
NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG CỦA TƯỜNG ĐẤT
Cấu trúc của bentonite
Bentonite là một loại đất sét tự nhiên được nghiền thành bột và đóng thành bao Khi trộn với nước tạo thành chất huyền phù THIXOTROPIC, có các thuộc tính của bentonite như: thủy hóa, nở, độ hút nước, độ nhớt, tính xúc biến được ứng dụng nhiều trong các nghành như khuôn đúc, luyện kim, xây dựng dân dụng, công nghiệp khoan, địa kỹ thuật, cải thiện môi trường, nông nghiệp, mỹ phẩm và y tế
Hình 2: Hạt bentonite nhìn dưới kính hiển vi điện tử
(Na,Ca) 0.33 (AI,Mg,Fe) 2 [(Si,AI) 4 O 10 (OH) 2 nH 2 O
Hình 3: Cấu trúc của hạt bentonite
Hình 4: Quá trình trương nở của bentonite khi gặp nước
Các ứng dụng của tường đất – bentonite
Độ thấm là các tham số quan trọng trong việc thiết kế và thực hiện các loại tường chống thấm phục vụ cho công trình thủy lợi, xây dựng và cầu đường Tính thấm của vật liệu đệm và màng ngăn cản độ ẩm là một khía cạnh quan trọng Nhìn chung đất sét là một trong số các vật liệu được xem là phù hợp cho mục đích này Tuy nhiên việc sử dụng đất sét làm nảy sinh các vấn đề về nứt do co ngót trong thời gian khô hạn
Do đó một hỗn hợp của đất sét với đất đang được nghiên cứu và ngày càng trở nên phổ biến thay cho hỗn hợp đất sét tinh khiết Hỗn hợp đất sét – đất không những thể hiện tính kinh tế của vật liệu mà còn làm tăng cường độ của đất trong một số trường hợp nhất định
Hiện nay, việc sử dụng các loại tường chống thấm bằng đất – bentonite đang trở nên ngày càng phổ biến Trong công trình thủy lợi tường hào bentonite có tác dụng như một tường cừ chống thấm, dòng thấm bị hạn chế đáng kể sau khi đi qua hào này
Có thể kể đến một số công trình tiêu biểu như:
Hình 5: Tường hào bentonite chống thấm cho công trình thủy lợi
Các chỉ tiêu về tính chất cơ lý của vật liệu làm tường chống thấm trong thủy lợi phải đảm bảo các yêu cầu sau [16]:
Hệ số thấm của tường: Hệ số thấm tối đa không lớn hơn k –5 cm/s, tối thiểu không nhỏ hơn k –6 cm/s, nếu chọn yêu cầu thấm lớn hơn k –5 cm/s thì đi theo đó các chỉ tiêu về cường độ, gradien thấm cho phép nhỏ, nếu chọn hệ số thấm nhỏ hơn k –6 cm/s thì sẽ rất khó cho công tác thi công
Cường độ chịu nén nở hông tối thiểu được quy định theo độ chênh áp lực nước trước và sau tường, các công trình đã thi công thường quy định >1,5kg/cm 2
Trong công tác xử lý nền đất yếu bằng phương pháp bơm hút chân không kết hợp bấc thấm, tường đất – bentonite cũng được ứng dụng để làm tường kín khí bao quanh phạm vi khu vực bơm hút chân không
Hình 6: Sơ đồ bố trí hệ thống tường đất trộn bentonite
Các chỉ tiêu về tính chất cơ lý của hệ thống tường sét như sau:
Hệ số thấm của tường theo Loan T.K.DAM [9]: Hệ số thấm tối đa không lớn hơn k –5 cm/s
Dung trọng tự nhiên lớn hơn 13 kN/m 3
Hình 7: Mặt bằng bố trí hệ thống tường sét
Phương pháp thi công tường đất – bentonite
Cọc đất Bentonite chỉ được thi công sau khi đã làm bằng phẳng mặt phẳng thi công Mặt bằng sau khi san lấp sẽ phải là bằng phẳng tương đối để đảm bảo dễ dàng cho máy cở sở đứng và định vị nhanh chóng tim và độ thẳng đứng của cọc Trong quá trình thi công nhà thầu nếu cần thiết sẽ sử dụng một máy xúc kèm theo để làm công tác nền cho máy chính
Công tác thoát nước cho thi công cọc chỉ có tác dụng trong mùa mưa Nhà thầu sẽ bố trí các máy đào để khơi dòng chảy thoát nước mặt, tránh nước mưa trực tiếp vào các hố khoan
Công tác dọn dẹp bùn trồi lên trong thi công, nhà thầu sẽ bố trí nhân công, máy đào và xe vận chuyển ra khỏi vị trí khoan, nơi đổ theo sự chỉ định của chủ đầu tư
Chuẩn bị dụng cụ che đậy trời nắng cũng như mưa để đảm bảo chất lượng cũng như tuổi thọ thiết bị
2.3.2 Các bước trong quá trình thi công
Bước 1: Định vị tim cọc Các mốc chính sẽ được xác định bằng công tác trắc đạc
Từ các mốc chính các nhân viên kĩ thuật sẽ định vị tim cọc bằng thước với sai số cho phép Các tim cọc được đánh dấu bằng cách đóng một que sắt hoặc tre gỗ
Bước 2: Di chuyển máy đến vị trí khoan, định vị mũi khoan vào đúng vị trí cắm đánh dấu tim cọc, điều chỉnh phương thẳng đứng của cọc
Bước 3: Nạp Bentonite và nước vào bồn trộn Quá trình này được định lượng bằng đo đạc theo tỉ lệ trộn 4:1
Bước 4: Tiến hành khoan và bơm vữa, quá trình khoan thực hiện 2 chu trình lên xuống Vữa sẽ được bơm bằng áp lực cao lên xuống trong chu trình đầu và xuống trong chu trình kế tiếp, tùy theo địa chất và yêu cầu kĩ thuật của hồ sơ thiết kế để đạt được chất lượng cao nhất có thể
Bước 5: Di chuyển máy khoan sang cọc kế tiếp
2.3.3 Các sự cố khi thi công và biện pháp khắc phục
Khoan trúng đá mồ côi, cổ vật, di vật chiến tranh… tạm dừng thi công và hỏi ý kiến tư vấn giám sát Các hiện tượng này sẽ được ghi vào nhật kí thi công
Trong quá trình khoan, nếu xảy ra hiện tượng tắc mũi khoan (áp lực đồng hồ sẽ tăng cao) có thể khắc phục bằng cách tăng áp suất và cho mũi khoan quay tại chỗ (không đi lên hoặc xuống) cho đến khi đồng hồ áp lực trở lại bình thường Nếu không được phải rút lên xử lý sự cố Các hiện tượng này được ghi vào nhật kí thi công
Khi thi công, nếu xảy ra bất cứ sự cố nào làm gián đoạn quá trình khoan (máy móc hỏng hóc…) thì nhà thầu sẽ xác định chiều sâu dừng khoan cọc, nếu sự cố được khắc phục và máy khoan sẽ tiếp tục khoan xuống tới vị trí dừng sự cố nói trên để phun vữa xi măng bổ sung sau đó mới thi công bình thường Nếu không thể tiếp tục thi công thì phải khoan bù cọc Sự cố này cũng được ghi vào nhật kí thi công
Khi các cọc thi công không đạt yêu cầu về sai số thi công như khối lượng vữa phun, lượng vữa trên một đơn vị chiều dài không đủ thì nhà thầu sẽ có biện pháp trộn lại và phun bổ sung vữa xi măng cho đủ yêu cầu Nếu cọc nghiệm thu không đạt yêu cầu nhà thầu sẽ bố trí biện pháp khoan bổ sung
Trời mưa không ảnh hưởng đến quá trình thi công cũng như chất lượng cọc nên nhà thầu sẽ tiếp tục thi công trong trường hợp có mưa (kể cả mưa lớn) Nếu trời mưa kéo dài (mùa mưa) có thể xem xét việc ngưng thi công
Các cọc thi công trong điều kiện thời tiết mưa sẽ được đánh dấu để có thể sẽ kiểm tra cường độ đánh giá chất lượng của các cọc này
Các sự cố như gãy mũi khoan, rơi tuột mũi khoan (nếu có) đều phải ngưng thi công và chờ ý kiến của giám sát viên
1: Bentonite được nạp vào bồn trộn, quá trình này được định lượng bằng đo đạc theo tỉ lệ N/Ben 4:1 được trộn đều trước khi chuyển sang bồn chứa 2: Lấy ngẫu nhiên mẫu vữa đã trộn và kiểm tra tỉ trọng
3: Bentonite chuyển sang bồn chứa vẫn tiếp tục trộn để tránh lắng đọng
1': Dùng máy trắc đạc xác định các mốc chính, từ các mốc chính sẽ định vị tim cọc bằng thước
2': Di chuyển máy khoan vào tim
3': Cân chỉnh độ nghiêng bằng quả rọi trên máy, kiểm tra sai số tim cọc trước khi khoan
4: Tiến hành khoan Khi khoan các thông số như:
Lưu lượng vữa, áp lực bơm, độ sâu, số hiệu cọc, thời gian khoan sẽ được lưu lại trên giấy khi kết thúc quá trình khoan mỗi cọc
5: Kết thúc khoan.Ghi số liệu cọc ra và bắt đầu lại quy trình cho một cọc mới
Kết thúc Khoan và bơm vữa
QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ THI CÔNG CỌC ĐẤT TRỘN BENTONITE THEO PHƯƠNG PHÁP TRỘN ƯỚT
Nạp Bentonite và nước vào bồn trộn
Kiểm tra tỉ trọng vữa trộn Bồn chứa Định vị tim cọc Di chuyển máy khoan vào vị trí
Kiểm tra sai số nghiêng và tim
2.3.4 Yêu cầu kĩ thuật sau thi công
Sau khi thi công, trong vòng 07 ngày không cho bất cứ phương tiện nào (ngoại trừ máy thi công chính) chạy trên đầu cọc để đảm bảo cho quá trình hình thành cường độ diễn ra tự nhiên và không bị ngoại lực tác động
NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG BENTONITE ĐẾN TÍNH THẤM CỦA ĐẤT TRỘN BENTONITE 14 3.1 Cơ sở lý thuyết về tính thấm của đất
Định luật Darcy
Xét dòng thấm chảy qua khối đất như trường hợp sau
Hình 8: Minh họa định luật thấm Darcy
Theo định luật Bernoulli, tổng cột áp của dòng chảy tại bất kỳ mặt cắt nào trong khối đất được xác định theo công thức:
Tổng cột áp = cao độ cao trình + áp lực thủy tĩnh + cột áp do vận tốc
Cột áp do vận tốc trong đất rất nhỏ nên có thể bỏ qua trong tính toán Tổng áp suất tại A và B được xác định như sau:
Tổng cột áp tại A = zA + hA
Trong đó: z A và z B là cao độ cao trình tại điểm A và B h A và h B là chiều cao cột nước tại A và B Gọi h là tổn thất cột áp giữa mặt cắt A và mặt cắt B, ta có:
h = (z A + h A ) – (z B + h B ) Gradien thủy lực (i) được xác định bằng công thức sau: i h L
Với L là khoảng cách giữa mặt cắt A và mặt cắt B
Năm 1856 Darcy [4] đưa ra một công thức đơn giản hơn xác định quan hệ giữa vận tốc dòng thấm và gradien thủy lực như sau: v = ki Trong đó: v: vận tốc dòng thấm i: Gradien thủy lực k: hệ số thấm
Do đó lưu lượng nước thấm qua mặt cắt có thể xác định bằng công thức: q = kiA Với A là diện tích tiết diện vuông góc hướng dòng thấm Đơn vị của hệ số thấm k lấy theo đơn vị của vận tốc dòng thấm, chẳng hạn như là cm/s hoặc mm/s hệ số thấm k đặc trưng cho khả năng cản trở dòng chảy của đất hệ số thấm k có thể xác định bằng quan hệ sau:
K: diện tích thấm tuyệt đối (cm 2 ) : khối lượng riêng của đất (g/cm 3 ) g: gia tốc trọng trường (cm/s 2 ) à: độ nhớt tuyệt đối của chất lỏng (g/cm.s)
Thực tế nước chỉ thấm qua các lỗ rỗng của đất đá, nên vận tốc thấm thực tế là: s v v
Với n là độ rỗng của đất
Hệ số thấm của đất được xác định bằng thí nghiệm ở 20 o C Nếu kết quả thí nghiệm lấy ở các nhiệt độ khác thì quy đổi như sau:
Trong đó: kT, k20: hệ số thấm của đất ở nhiệt độ T và 20 o C
T , 20 : Khối lượng thể tích của chất lỏng ở nhiệt độ T và 20 o C
T , 20 : độ nhớt của chất lỏng ở nhiệt độ T và 20 o C
Hệ số thấm của một số loại đất: hệ tuyến tính với nhau Hanbo (1956) dạng v pháp sau Đ ệ tuyến tính với nhau Hanbo (1956) ạng v
Theo nghiên c và Đ pháp sau Định luật thấm Darcy chỉ ra rằng vận tốc d ệ tuyến tính với nhau Hanbo (1956) ạng và có k
Theo nghiên c và Để xác định hệ số thấm của đất trong ph pháp sau ịnh luật thấm Darcy chỉ ra rằng vận tốc d ệ tuyến tính với nhau Hanbo (1956) à có k
3.1.2. ể xác định hệ số thấm của đất trong ph pháp sau [4]
ịnh luật thấm Darcy chỉ ra rằng vận tốc d ệ tuyến tính với nhau Hanbo (1956) à có k
3.1.2. ể xác định hệ số thấm của đất trong ph
Phương pháp gián ti ịnh luật thấm Darcy chỉ ra rằng vận tốc d ệ tuyến tính với nhau Hanbo (1956) à có kết quả đ
Các phương pháp xác định hệ số thấm trong phòng thí nghiệm
ể xác định hệ số thấm của đất trong ph
Phương pháp gián ti ịnh luật thấm Darcy chỉ ra rằng vận tốc d ệ tuyến tính với nhau Hanbo (1956) ết quả đ
Các phương pháp xác đ ể xác định hệ số thấm của đất trong ph
Phương pháp gián ti ịnh luật thấm Darcy chỉ ra rằng vận tốc d ệ tuyến tính với nhau Hanbo (1956) ết quả đ
Theo nghiên cứu của Hanbo th
Các phương pháp xác đ ể xác định hệ số thấm của đất trong ph
Phương pháp gián ti ịnh luật thấm Darcy chỉ ra rằng vận tốc d ệ tuyến tính với nhau Hanbo (1956) ết quả được biểu diễn theo đồ thị nh
Các phương pháp xác đ ể xác định hệ số thấm của đất trong ph
Phương pháp gián ti ịnh luật thấm Darcy chỉ ra rằng vận tốc d ệ tuyến tính với nhau Hanbo (1956) ợc biểu diễn theo đồ thị nh
: Sự thay đổi vận tốc d ứu của Hanbo th
Các phương pháp xác đ ể xác định hệ số thấm của đất trong ph
Phương pháp gián ti ịnh luật thấm Darcy chỉ ra rằng vận tốc d ệ tuyến tính với nhau Hanbo (1956) ợc biểu diễn theo đồ thị nh ự thay đổi vận tốc d ứu của Hanbo th
Các phương pháp xác đ ể xác định hệ số thấm của đất trong ph
Phương pháp gián ti ịnh luật thấm Darcy chỉ ra rằng vận tốc d ệ tuyến tính với nhau Hanbo (1956) ợc biểu diễn theo đồ thị nh ự thay đổi vận tốc d ứu của Hanbo th vk i i v ki
Các phương pháp xác đ ể xác định hệ số thấm của đất trong ph ột nư ột nư Phương pháp gián ti ịnh luật thấm Darcy chỉ ra rằng vận tốc d ệ tuyến tính với nhau Hanbo (1956) ợc biểu diễn theo đồ thị nh ự thay đổi vận tốc d ứu của Hanbo th vk i i v ki
Các phương pháp xác đ ể xác định hệ số thấm của đất trong ph ước không đổi ước giảm dần Phương pháp gián tiếp thông qua thí nghiệm nén cố kết ịnh luật thấm Darcy chỉ ra rằng vận tốc d ệ tuyến tính với nhau Hanbo (1956) ợc biểu diễn theo đồ thị nh ự thay đổi vận tốc d ứu của Hanbo thì
Các phương pháp xác đ ể xác định hệ số thấm của đất trong ph ớc không đổi ớc giảm dần ếp thông qua thí nghiệm nén cố kết ịnh luật thấm Darcy chỉ ra rằng vận tốc d ệ tuyến tính với nhau Hanbo (1956) ợc biểu diễn theo đồ thị nh ự thay đổi vận tốc d ì vk i i ' v ki n
Các phương pháp xác đ ể xác định hệ số thấm của đất trong ph ớc không đổi ớc giảm dần ếp thông qua thí nghiệm nén cố kết ịnh luật thấm Darcy chỉ ra rằng vận tốc d ệ tuyến tính với nhau Hanbo (1956) [4] ợc biểu diễn theo đồ thị nh ự thay đổi vận tốc d
Các phương pháp xác định hệ số ể xác định hệ số thấm của đất trong ph ớc không đổi ớc giảm dần ếp thông qua thí nghiệm nén cố kết ịnh luật thấm Darcy chỉ ra rằng vận tốc d
[4] đ ợc biểu diễn theo đồ thị nh ự thay đổi vận tốc d v k i i ịnh hệ số ể xác định hệ số thấm của đất trong ph ớc không đổi ớc giảm dần ếp thông qua thí nghiệm nén cố kết ịnh luật thấm Darcy chỉ ra rằng vận tốc d đã làm thí nghi ợc biểu diễn theo đồ thị nh ự thay đổi vận tốc dòng th ịnh hệ số ể xác định hệ số thấm của đất trong ph ớc không đổi ếp thông qua thí nghiệm nén cố kết ịnh luật thấm Darcy chỉ ra rằng vận tốc d ã làm thí nghi ợc biểu diễn theo đồ thị nh òng th ịnh hệ số ể xác định hệ số thấm của đất trong phòng thí nghi ếp thông qua thí nghiệm nén cố kết ịnh luật thấm Darcy chỉ ra rằng vận tốc dòng th ã làm thí nghi ợc biểu diễn theo đồ thị như sau: òng thấm theo gradien thủy lực i i i ịnh hệ số th òng thí nghi ếp thông qua thí nghiệm nén cố kết òng th ã làm thí nghi ư sau: ấm theo gradien thủy lực i i i ' thấm trong ph òng thí nghi ếp thông qua thí nghiệm nén cố kết òng thấm v ã làm thí nghi ư sau: ấm theo gradien thủy lực i i i ' ấm trong ph òng thí nghi ếp thông qua thí nghiệm nén cố kết ấm v ã làm thí nghiệm với 4 mẫu đất sét nguy ấm theo gradien thủy lực i i i ấm trong ph òng thí nghi ếp thông qua thí nghiệm nén cố kết ấm và gradien th ệm với 4 mẫu đất sét nguy ấm theo gradien thủy lực i i i ấm trong ph òng thí nghiệm, th ếp thông qua thí nghiệm nén cố kết à gradien th ệm với 4 mẫu đất sét nguy ấm theo gradien thủy lực i i i ' ấm trong ph ệm, th ếp thông qua thí nghiệm nén cố kết à gradien th ệm với 4 mẫu đất sét nguy ấm theo gradien thủy lực i i i ' ấm trong phòng thí nghi ệm, thư ếp thông qua thí nghiệm nén cố kết à gradien th ệm với 4 mẫu đất sét nguy ấm theo gradien thủy lực i i i òng thí nghi ường d à gradien th ệm với 4 mẫu đất sét nguy ấm theo gradien thủy lực i òng thí nghi ờng d à gradien thủy lực có quan ệm với 4 mẫu đất sét nguy ấm theo gradien thủy lực i òng thí nghi ờng dùng 3 phương ủy lực có quan ệm với 4 mẫu đất sét nguy ấm theo gradien thủy lực i òng thí nghi ùng 3 phương ủy lực có quan ệm với 4 mẫu đất sét nguy ấm theo gradien thủy lực i òng thí nghiệm ùng 3 phương ủy lực có quan ệm với 4 mẫu đất sét nguy ệm ùng 3 phương ủy lực có quan ệm với 4 mẫu đất sét nguy ùng 3 phương ủy lực có quan ệm với 4 mẫu đất sét nguyên ùng 3 phương ủy lực có quan ên ùng 3 phương
- 18 - a) Phương pháp cột nước không đổi:
Hình 10: Thí nghiệm hệ số thấm theo phương pháp cột nước không đổi
Phương pháp cột nước không đổi thích hợp cho các loại đất rời Dụng cụ thí nghiệm được bố trí như hình vẽ, mẫu đất được đặt trong khuôn hình trụ, độ chênh cột áp h luôn được giữ ổn định nhờ hệ thống cấp nước thường xuyên Lượng nước thấm qua mẫu được thu hồi và đo lại nhờ ống đo, quá trình đo được ghi chép lại cẩn thận Theo định luật Darcy, thể tích nước Q thu nhận được trong thời gian t là:
Với A là diện tích tiết diện ngang của mẫu
Mặt khác i = h/L với L là chiều dài mẫu, do đó
Các thông số ở vế phải của phương trình hoàn toàn xác định được, từ đó tính được hệ số thấm k b) Phương pháp cột nước giảm dần:
Phương pháp cột nước giảm dần áp dụng thích hợp cho các loại đất hạt mịn Dụng cụ thí nghiệm được bố trí như hình vẽ
Hình 11: Thí nghiệm hệ số thấm theo phương pháp cột nước giảm dần
Mẫu đất được đặt trong một ống hình trụ, phía trên mẫu đất có gắn một ống nhỏ để dẫn nước vào mẫu đất Tại thời điểm ban đầu t = 0, chênh lệch cột nước là h 1 được ghi lại Cho nước thấm qua mẫu đất, tại thời điểm cuối t = t, chênh lệch cột áp ghi nhận được là h 2
Lưu lượng nước thấm qua mẫu đất là: h dh q kiA k A a
Với: h: chệnh lệch cột nước tại thời điểm t
A: tiết diện ngang của mẫu đất a: tiết diện ngang của ống
Từ công thức trên ta có:
Các thông số ở vế phải hoàn toàn xác định được từ thí nghiệm, từ đó xác định được hệ số thấm k c) Phương pháp gián tiếp từ thí nghiệm nén cố kết:
Theo lý thuyết cố kết thấm thì nhân tố thời gian được xác định như sau:
H: chiều dài đường thấm trung bình t: thời gian thí nghiệm
Hệ số cố kết xác định theo công thức sau: w v v
Trong đó: γ w : dung trọng riêng của nước m v : hệ số biến dạng thể tích
e: sự thay đổi hệ số rỗng do gia tăng tải trọng
: Áp lực gia tăng e: hệ số rỗng ban đầu
Tổng hợp lại ta có:
Xác định hệ số thấm của đất trộn bentonite từ thí nghiệm cột áp giảm dần
3.2.1 Phương pháp thí nghiệm: Đối với đất cát ở khu vực Hiệp Phước, trong nghiên cứu thí nghiệm này, tác giả lựa chọn phương pháp trộn ướt để điều chế mẫu đất trộn bentonite với các hàm lượng khác nhau, sau đó tiến hành thí nghiệm thấm theo phương pháp cột áp giảm dần để xác định hệ số thấm
Trong thí nghiệm này, tác giả thực hiện các công việc như sau:
Lấy mẫu đất tại hiện trường trong vùng nghiên cứu
Tạo mẫu đất trộn bentonite bằng phương pháp trộn ướt, với các hàm lượng bentonite khác nhau
Trên cơ sở tham khảo các nghiên cứu trước [11], tác giả đề xuất tạo tổng cộng 35 mẫu đất trộn bentonte với các hàm lượng bentonite như sau: 2%; 4%; 6%; 8%; 10%;
Mỗi hàm lượng bentonite (2%, 4%, 6%, 8%, 10%) sẽ lấy 3 mẫu làm thí nghiệm thấm (theo thí nghiệm thấm cột áp giảm dần) để xác định hệ số thấm của các mẫu này Và mỗi hàm lượng sẽ lấy 3 mẫu làm thí nghiệm nén đơn để xác định q u Mỗi hàm lượng sẽ lấy 1 mẫu để thí nghiệm thấm trong buồng nén ba trục để xác định hệ số thấm đối chiếu với kết quả của thí nghiệm thấm theo cột áp giảm dần
Trên cơ sở kết quả thí nghiệm, tác giả tiến hành khảo sát sự thay đổi hệ số thấm của đất với các hàm lượng khác nhau của bentonite, từ đó đề xuất lựa chọn hàm lượng bentonite tối ưu trộn vào đất
Các tiêu chuẩn thí nghiệm tham khảo trong đề tài dựa trên:
TCXDVN 385:2006 - Gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng [22]
Tiêu chuẩn Anh BS 1377 : Part 5,6:1990 - Các thí nghiệm nén, thấm và bền [3]
Tiêu chuẩn ASTM D5084 - Standard Test Method for Measurement of Hydraulic Conductivity of Saturated Porous Materials Using a Flexible Wall Permeameter [2]
Tiêu chuẩn ASTM D2166-00 - Standard Test Method for Unconfined Compressive Strength of Cohesive Soil [1]
Máy trộn mẫu bao gồm: cối trộn, cánh khuấy; động cơ khuấy
Hình 12: Máy trộn mẫu thí nghiệm
Dụng cụ tạo mẫu đất – bentonite: khuôn tạo mẫu sử dụng cối Proctor tiêu chuẩn có kích thước đường kính D = 101.6mm; chiều cao H = 116.43mm
Hình 13: Cối Proctor tiêu chuẩn
Hộp thử thấm Nam Kinh
Hình 15: Bố trí thiết bị thí nghiệm thấm cột áp giảm dần
Dao vòng tạo mẫu chiều cao 62.8x40 mm
Dụng cụ gọt mẫu, có thể dụng dây cắt đối với mẫu đất sét mềm
Đồng hồ bấm giây, cân, lò sấy,…
Thiết bị thí nghiệm thấm bằng buồng ba trục FLOWTRAC của hãng Geocomp
3.2.3 Vật liệu thí nghiệm a) Cát:
Cát làm thí nghiệm được lấy trong khu vực Hiệp Phước, Quận 7, Tp Hồ Chí Minh có các chỉ tiêu cơ lý như sau:
- Hệ số rỗng max e max : 1,222
- Hệ số rỗng min e min : 0,472
Bảng thành phần hạt của cát
Mô đun độ lớn của cát tính được như sau:
Theo TCVN 1772-2: 2005, với M dl =0.91 < 1 đây là cát hạt mịn b) Bentonite:
Chất lượng Bentonite phải đáp ứng được các yêu cầu kĩ thuật sau đây:
STT Chỉ tiêu thí nghiệm Đơn vị Kết quả
1 Trọng lượng riêng – Density g/cm3 1.05 1.05 ÷ 1.15
3 Hàm lượng hạt cát – Sand content % 0.0 < 6
4 Tỷ lệ keo – YP/VP ratio % 99.0 > 95
5 Độ ổn định – Stability g/cm3 0.01 < 0.03
6 Độ thoát nước – Fill rate cc/30 phút 15.4 < 30
7 Chiều dày vỏ sét – Cake thickness mm/30phút 2.0 1 ÷ 3
8 Trị số PH – PH value 8.0 7 ÷ 9
9 Ứng suất lực cắt tĩnh 1 phút mg/cm2 28.8 20 – 30
Dùng nước sạch cấp cho sinh hoạt để thí nghiệm trộn mẫu
Lắp ráp khuôn, lau chùi sạch, bôi lớp chất dóc khuôn vào mặt trong của khuôn;
Cát được sấy khô hoàn toàn trong tủ sấy đến khi khối lượng không đổi
Khối lượng cát khô một lần thí nghiệm lấy khoảng 1600 g đến 1800g
Hình 17: Cân xác định khối lượng cát cho 1 mẫu thí nghiệm
Cân đong trọng lượng cát khô, bentonite và nước với các tỷ lệ xác định như sau:
Lượng bentonite có thể tính theo công thức:
Hình 18: Cân xác định khối lượng Bentonite cho 1 mẫu thí nghiệm
Lượng nước trộn có thể tính theo công thức:
W0 - trọng lượng đất phơi khô (g)
a0 – hàm lượng của đất khô hoàn toàn
Trộn đều đất khô và bentonite trong thùng trộn, đổ nước và trộn tiếp thật đều, đổ hết nước và trộn tiếp 10 phút, tính từ lúc đổ nước, hoặc đổ dần nước vào trộn trong 1 phút ( tính từ lúc đổ hết nước)
Hình 19: Trộn mẫu cát – bentonite
Hình 20: Hỗn hợp cát – bentonite sau khi trộn
Mẫu được bảo dưỡng trong điều kiện gần tương tự nhiệt độ trong đất cần xử lý, khoảng 20 0 C, với thời gian bảo dưỡng là 24 tiếng
3.2.5 Các bước thí nghiệm đầm nén Proctor tiêu chuẩn
Tiến hành thí nghiệm Proctor tiêu chuẩn để tạo các mẫu cát trộn bentonite tương ứng với từng hàm lượng bentonite khác nhau thay đổi từ 2%, 4%, 6%, 8%, 10%
Với mỗi mẫu thí nghiệm, tiến hành thí nghiệm Proctor như sau:
Xác định khối lượng cối, ký hiệu là M (g) Lắp cối và đai cối chặt khít với đế cối
Đầm lớp thứ nhất: đặt cối tại vị trí có mặt phẳng chắc chắn, không chuyển vị trong quá trình đầm Cho một phần mẫu có khối lượng phù hợp vào cối, dàn đều mẫu và làm chặt sơ bộ bằng cách lấy chầy đầm hoặc dụng cụ nào đó có đường kính khoảng 50 mm đầm rất nhẹ đều khắp mặt mẫu cho đến khi vật liệu không còn rời rạc và mặt mẫu phẳng Khi đầm, phải để cho chầy đầm rơi tự do và dịch chuyển chầy sau mỗi lần đầm để phân bố các cú đầm đều khắp mặt mẫu
Hình 21: Đầm mẫu Proctor tiêu chuẩn
Sau khi đầm xong với số chầy là 25 chày/ 1 lớp, nếu có phần vật liệu bám trên thành cối hoặc nhô lên trên bề mặt mẫu thì phải lấy dao cạo đi và rải đều trên mặt mẫu
Đầm các lớp tiếp theo: lặp lại quá trình như trên (đầm tổng cộng 3 lớp)
Sau khi đầm xong, tháo đai cối ra và làm phẳng mặt mẫu bằng thanh thép gạt sao cho bề mặt mẫu cao ngang với mặt trên của cối Xác định khối lượng của mẫu và cối, ký hiệu là M1 (g)
Hình 22: Cân khối lượng mẫu và cối sau khi đầm xong
Hình 23: Lẫy mẫu trộn ra khỏi cối Proctor
Lấy mẫu xác định độ ẩm: đẩy mẫu ra khỏi cối và lấy một lượng vật liệu đại diện, cho vào hộp giữ ẩm, sấy khô để xác định độ ẩm, ký hiệu là W (%) Độ ẩm của mẫu được xác định theo công thức sau:
W là độ ẩm của mẫu, %;
A là khối lượng của mẫu ướt và hộp giữ ẩm, g
B là khối lượng của mẫu khô và hộp giữ ẩm, sau khi sấy tại nhiệt độ 110
5 o C đến khi khối lượng không đổi, g
C là khối lượng của hộp giữ ẩm, g
Khối lượng thể tích ướt của mẫu được tính theo công thức sau:
w là khối lượng thể tích ướt của mẫu, g/cm 3 ;
M 1 là khối lượng của mẫu và cối, g;
M là khối lượng của cối, g;
V là thể tích của cối, cm 3
Khối lượng thể tích khô của mẫu được tính theo công thức sau:
k là khối lượng thể tích khô của mẫu, g/cm 3 ;
w là khối lượng thể tích ướt của mẫu; g/cm 3 ;
W là độ ẩm của mẫu, %
Tiến hành tổng cộng 35 thí nghiệm Proctor tiêu chuẩn cho 5 hàm lượng cát trộn bentonite khác nhau (mỗi hàm lượng sẽ trộn 7 mẫu)
3.2.6 Thí nghiệm thấm theo phương pháp cột áp giảm dần a) Lấy mẫu thí nghiệm:
Mẫu thí nghiệm được lấy bằng cách dùng cưa dây đàn hoặc dao gọt vào khối đất để có được mẫu đất đường kính 6.28cm và cao 4cm
Dùng cưa dây đàn hoặc dao để gọt bằng mặt trên và dưới mẫu đất
Sử dụng 2 tấm giấy thấm có kích thước bằng đường kính trong của dao vòng đặt ở mặt trên và mặt dưới mẫu đất
Hình 24: Cho mẫu vào dao vòng của hộp thấm
Đặt mẫu đá thấm vào phía đáy của hộp thấm Sau đó đặt dao vòng và mẫu đất vào trong khuôn của hộp thấm
Đặt cẩn thận vòng cao su, đá thấm lên trên dao vòng và vặn khóa cố định hộp thấm
Hình 26: Chỉnh sửa, cố định hộp thấm b) Tiến hành thí nghiệm:
Sau khi đã lắp đặt và cố định dao vòng, hộp thấm ta mở van cho nước chảy từ trên ống xuống mẫu đất cần thí nghiệm
Quan sát cho đ được b Đọc trị số chiề Đọc trị số chiều cao cột n
Mỗi mẫu thí nghiệm quả thí nghiệm sẽ l c) Ghi nh
Quan sát cho đ ợc b ọc trị số chiề ọc trị số chiều cao cột n ỗi mẫu thí nghiệm ả thí nghiệm sẽ l
Ghi nh đồ thí nghiệm:
Quan sát cho đ ợc bão hòa n ọc trị số chiề ọc trị số chiều cao cột n ỗi mẫu thí nghiệm ả thí nghiệm sẽ l
Quan sát cho đ ão hòa n ọc trị số chiề ọc trị số chiều cao cột n ỗi mẫu thí nghiệm ả thí nghiệm sẽ l
Quan sát cho đ ão hòa n ọc trị số chiề ọc trị số chiều cao cột n ỗi mẫu thí nghiệm ả thí nghiệm sẽ l ận v ồ thí nghiệm:
Quan sát cho đến khi n ão hòa nư ọc trị số chiều cao c ọc trị số chiều cao cột n ỗi mẫu thí nghiệm ả thí nghiệm sẽ l ận và tính toán k ồ thí nghiệm: ến khi n ước ho u cao c ọc trị số chiều cao cột n ỗi mẫu thí nghiệm ả thí nghiệm sẽ là tr à tính toán k ồ thí nghiệm: ến khi n ớc ho u cao c ọc trị số chiều cao cột n ỗi mẫu thí nghiệm ghi nh à tr à tính toán k
Hình ến khi nư ớc hoàn toàn ta b u cao cột n ọc trị số chiều cao cột n ghi nh à trị số trung b à tính toán k
Hình ước ở trong v àn toàn ta b ột nư ọc trị số chiều cao cột nư ghi nh ị số trung b à tính toán k
Hình ớc ở trong v àn toàn ta b ước tại thời điểm t ước tại thời điểm t ghi nhận số liệu ít nhất l ị số trung b à tính toán kết
Hình 27 ớc ở trong v àn toàn ta b ớc tại thời điểm t ớc tại thời điểm t ận số liệu ít nhất l ị số trung b ết qu
27: Sơ đ ớc ở trong v àn toàn ta bắt đầu ghi nhận kết quả để tính toán. ớc tại thời điểm t ớc tại thời điểm t ận số liệu ít nhất l ị số trung bình c quả:
: Sơ đ ớc ở trong v ắt đầu ghi nhận kết quả để tính toán. ớc tại thời điểm t ớc tại thời điểm t ận số liệu ít nhất l ình c ả:
: Sơ đồ tính toán ớc ở trong vòi b ắt đầu ghi nhận kết quả để tính toán. ớc tại thời điểm t ớc tại thời điểm t ận số liệu ít nhất l ình của 3 giá trị n ồ tính toán òi bắt đầu thoát ra lúc n ắt đầu ghi nhận kết quả để tính toán. ớc tại thời điểm t ớc tại thời điểm t ận số liệu ít nhất l ủa 3 giá trị n ồ tính toán ắt đầu thoát ra lúc n ắt đầu ghi nhận kết quả để tính toán. ớc tại thời điểm t1 ớc tại thời điểm t 2 ận số liệu ít nhất l ủa 3 giá trị n ồ tính toán ắt đầu thoát ra lúc n ắt đầu ghi nhận kết quả để tính toán. là h
2 là h ận số liệu ít nhất là ở 3 thời điểm khác nhau, kết ủa 3 giá trị n ồ tính toán ắt đầu thoát ra lúc n ắt đầu ghi nhận kết quả để tính toán. là h1. là h 2 ở 3 thời điểm khác nhau, kết ủa 3 giá trị n ồ tính toán ắt đầu thoát ra lúc n ắt đầu ghi nhận kết quả để tính toán.
ở 3 thời điểm khác nhau, kết ủa 3 giá trị này. ắt đầu thoát ra lúc n ắt đầu ghi nhận kết quả để tính toán. ở 3 thời điểm khác nhau, kết ày ắt đầu thoát ra lúc n ắt đầu ghi nhận kết quả để tính toán. ở 3 thời điểm khác nhau, kết ắt đầu thoát ra lúc n ắt đầu ghi nhận kết quả để tính toán. ở 3 thời điểm khác nhau, kết ắt đầu thoát ra lúc này là m ắt đầu ghi nhận kết quả để tính toán. ở 3 thời điểm khác nhau, kết ày là m ắt đầu ghi nhận kết quả để tính toán. ở 3 thời điểm khác nhau, kết ày là m ắt đầu ghi nhận kết quả để tính toán. ở 3 thời điểm khác nhau, kết ày là mẫu đ ắt đầu ghi nhận kết quả để tính toán ở 3 thời điểm khác nhau, kết ẫu đ ở 3 thời điểm khác nhau, kết ẫu đã ở 3 thời điểm khác nhau, kết ã ở 3 thời điểm khác nhau, kết
A: tiết diện ngang của mẫu đất (cm 2 ) a: tiết diện ngang của ống (cm 2 )
L: chiều cao mẫu đất (cm)
H 1 : chiều cao cột nước tại thời điểm t 1 (cm)
H 0 : chiều cao cột nước tại thời điểm t 0 (cm) t = t1 – t0
Kết quả thí nghiệm sau khi tính toán được hiệu chỉnh về giá trị ở nhiệt độ 20 0 C theo công thức sau:
R T : Hệ số điều chỉnh nhiệt độ đối với độ nhớt của nước (tham khảo tiêu chuẩn ASTM D5084)
Kết quả thí nghiệm cho mẫu cát trộn bentonite với hàm lượng 2% như sau:
Sau khi thí nghiệm 15 mẫu cát trộn bentonite với các hàm lượng từ 2 đến 10%, kết quả hệ số thấm như sau (chi tiết kết quả thí nghiệm trong phụ lục đính kèm):
Với hàm lượng bentonite 2% hệ số thấm của mẫu xác định được:
Với hàm lượng bentonite 4% hệ số thấm của mẫu xác định được:
Với hàm lượng bentonite 6% hệ số thấm của mẫu xác định được:
Với hàm lượng bentonite 8% hệ số thấm của mẫu xác định được:
Với hàm lượng bentonite 10% hệ số thấm của mẫu xác định được:
Hệ số thấm của cát tự nhiên:
Kết quả thí nghiệm được tổng hợp trong bảng sau:
Quan hệ giữa hàm lượng bentonite và hệ số thấm của cát được biểu diễn qua đồ thị sau:
Hình 28: Quan hệ giữa hàm lượng bentonite và hệ số thấm của đất trộn bentonite theo thí nghiệm thấm cột áp giảm dần Nhận xét:
Theo kết quả thí nghiệm ta thấy rằng ảnh hưởng của bentonite tới tính thấm của cát hạt mịn là rất đáng kể Khi tăng hàm lượng bentonite thì hệ số thấm của cát giảm đi Với hàm lượng bentonite là 10% thì hệ số thấm của cát đã giảm đi từ 1.42x10 -4 cm/s xuống còn 9.3x10 -8 cm/s
Thí nghiệm xác định hệ số thấm bằng buồng nén ba trục
Quá trình thí nghiệm thấm bằng buồng nén ba trục được thực hiện tự động nhờ hệ thống máy FLOWTRAC kết nối với máy tính cùng với phần mềm hỗ trợ Lưu lượng nước thoát ra theo thời gian sẽ được ghi lại tự động thành file Hệ số thấm k được xác định dựa vào định luật Darcy
Hình 29: Thiết bị thí nghiệm thấm bằng buồng ba trục
Mẫu thí nghiệm được lấy bằng cách dùng cưa dây đàn hoặc dao gọt vào khối đất để có được mẫu đất đường kính 38 mm và cao 76 mm
Dùng cưa dây đàn hoặc dao để gọt bằng mặt trên và dưới mẫu đất
Hình 30: Mẫu đất thí nghiệm thấm trong buồng nén ba trục b) Tiến hành thí nghiệm:
Mẫu đất sau khi được lắp đặt vào buồng nén 3 trục được làm bão hòa để đảm bảo tất cả các lỗ hổng được lấp đầy nước
Sau khi mẫu bão hòa hoàn toàn tiến hành cố kết mẫu để đạt tới ứng suất hữu hiệu như trạng thái chịu lực thực tế ở hiện trường
Cố kết mẫu cho tới khi 90% áp lực nước lỗ rỗng dư bị tiêu tán thì chuyển sang giai đoạn thí nghiệm thấm
Hình 31: Lắp đặt mẫu vào thiết bị thấm bằng buồng nén ba trục
Hình 32: Sơ đồ thí nghiệm thấm bằng buồng nén 3 trục
Hệ số thấm theo phương thẳng đứng k v (m/s) tính theo phương trình: v
A: tiết diện ngang của mẫu đất (m 2 ) Q: lưu lượng trung bình của nước qua mẫu đất trong thời gian t (m 3 ) L: chiều dài mẫu đất (m)
t: khoảng thời gian tương ứng với lưu lượng nước Q thoát ra (s) h: tổn thất áp lực dọc theo chiều dài mẫu (m)
F ro m c e ll pr e s s u re s ys te rm
T o b ac k pressur e s ys ter m Fro m ba c k pr ess ure s ys te rm
V ol um e chan ge g au s e
Với mẫu cát trộn bentonite:
Kết quả thí nghiệm cho mẫu cát trộn 4% bentonite như sau:
Sau khi tiến hành thí nghiệm cho 5 mẫu có hàm lượng bentonite từ 2%; 4%; 6%; 8%; 10% (kết quả chi tiết trong phụ lục 2 đính kèm) ta có kết quả hệ số thấm tương ứng với các hàm lượng như sau:
Quan hệ giữa hàm lượng bentonite và hệ số thấm của hỗn hợp cát trộn bentonite trong thí nghiệm thấm ba trục được thể hiện qua biểu đồ sau:
Hình 33: Quan hệ giữa hàm lượng bentonite và hệ số thấm theo thí nghiệm thấm trong buồng nén ba trục
Với hàm lượng bentonite 2.9%, hệ số thấm của hỗn hợp cát trộn bentonite tính được: k = 3.10 -5 e -0.64x = 3.10 -5 e -0.64x2.9 = 4.69x10 -6 cm/s
So với kết quả tính toán từ thí nghiệm thấm theo cột áp giảm dần, hệ số thấm theo buồng nén ba trục nhỏ hơn 2 lần
Ta nhận thấy rằng hệ số thấm thí nghiệm theo buồng nén ba trục và theo phương pháp cột áp giảm dần có kết quả gần nhau Theo thí nghiệm buồng nén ba trục, giá trị y = 3E-05e -0.64x
Hàm lượng bentonite (%) hệ số thấm nhỏ hơn khoảng 2 lần, điều này có thể giải thích do theo thí nghiệm thấm trong buồng nén ba trục mẫu đất trước khi làm thí nghiệm đã được cố kết về gần với áp lực ngoài thực tế mẫu đất phải chịu nên hệ số thấm gần với thực tế hơn
Với mẫu sét trộn bentonite:
Kết quả thí nghiệm thấm trong buồng nén 3 trục cho mẫu sét trộn bentonite (của lõi khoan ở hiện trường) với hàm lượng bentonite 5.6 % như sau: (số liệu thí nghiệm chi tiết trong phục lục 4)
So sánh kết quả thí nghiệm hệ số thấm theo phương pháp cột áp giảm dần và trong buồng nén ba trục
Kết quả thí nghiệm hệ số thấm theo 2 phương pháp: cột áp giảm dần và thí nghiệm thấm trong buồng nén ba trục được biểu diễn qua biểu đồ sau:
Hình 34: So sánh hệ số thấm theo 2 phương pháp cột áp giảm dần và thấm trong buồng nén ba trục Nhận xét:
Kết quả thí nghiệm cho thấy hệ số thấm theo phương pháp thấm trong buồng nén
3 trục cho kết quả nhỏ hơn và chênh lệch kết quả của 2 phương pháp thí nghiệm trung bình khoảng 2 lần Như vậy thí nghiệm theo phương pháp cột áp giảm dần cho các loại đất hạt mịn có hệ số thấm nhỏ cho kết quả cũng tương đối tin cậy
Tuy nhiên, những trường hợp mẫu đất ở các độ sâu khá lớn, lúc này áp lực cố kết của mẫu tương đối lớn thì kết quả thí nghiệm theo phương pháp thấm trong buồng nén
3 trục sẽ cho kết quả chính xác hơn Vì sơ đồ thí nghiệm thấm trong buồng nén 3 trục gần với điều kiện làm việc thực tế của đất hơn. y = 8E-05e -0.71x y = 3E-05e -0.64x
TN cột áp giảm dần
Thí nghiệm nén nở hông để xác định cường độ nén nở hông q u của mẫu đất trộn bentonite
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: TRẦN VĂN PHÚC MSHV: 10090336
Ngày, tháng, năm sinh: 05-03-1984 Nơi sinh: HÀ TĨNH
Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG Mã ngành: 60.58.60
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG BENTONITE ĐẾN TÍNH THẤM CỦA TƯỜNG ĐẤT – BENTONITE TRONG XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU
II NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Luận văn bao gồm các nội dung sau:
Chương 2: Nghiên cứu tổng quan về ứng dụng của tường đất - bentonite
Chương 3: Nghiên cứu thí nghiệm xác định ảnh hưởng hàm lượng bentonite đến tính thấm của đất trộn bentonite
PHÂN TÍCH, TÍNH TOÁN ẢNH HƯỞNG CỦA TƯỜNG ĐẤT
Công trình thực tế
4.1.1 Mô tả đặc điểm công trình
Cảng Sài Gòn Hiệp Phước được xây dựng trên diện tích khu đất khoảng 39.12ha, được phân chia thành 2 khu vực:
- Khu vực 1: có diện tích khoảng 15.1ha được đầu tư xây dựng từ 2009 đến năm
2010 Khu vực này nằm ở phía hạ lưu sông Soài Rạp, bao gồm bãi hàng, nhà kho, trạm điện, trạm nước, nhà điều hành, cổng cảng, đường… Trong đó khu vực bãi hàng, nhà kho tải trọng khai thác là 40kPa và khu vực còn lại là 20kPa
- Khu vực 2: có diện tích khoảng 24.02ha được đầu tư xây dựng trong giai đoạn từ năm 2011 đến 2013 Bao gồm bãi container, kho CFS, xưởng sửa chữa, nhà bảo vệ, cổng phụ, đường… Trong đó khu vực bãi container tải trọng khai thác là 60kPa và khu vực còn lại là 20kPa
Hình 45: Mặt bằng khu vực xử lý nền
4.1.2 Mô tả địa chất công trình:
Tổng hợp các thông số cơ lý của đất nền
Tính chất cơ lý Đơn vị 1a 1b
Dung trọng tự nhiên,γ w kN/m3 15.1 15.8
Chỉ số nén lại, Cr 0.081 0.069
Hệ số nén thứ cấp, Cα 1.42E-02 1.03E-02
Hệ số cố kết đứng, Cv m2/năm 1.25 1.66
Hệ số cố kết ngang, C h m2/năm 2.60 2.40
Hệ số thấm ngang, K x m/ngày 5.00E-4 2.50E-4
Hệ số thấm ngang, K y m/ngày 2.50E-4 1.250E-4
Bấc thấm được bố trí theo lưới hình vuông với mật độ lưới hình vuông 1mx1m
Áp lực hút chân không -70 kPa
Thời gian gia tải 12 tháng
Tường sét có chiều dày 1.2m, bao quanh khu vực xử lý chân không, chiều dài tường 10m Tường được thi công theo phương pháp trộn đất và bentonite với hàm lượng bentonite là 50 (kg/m 3 ) Tường được bố trí như sau:
Hình 46: Mặt cắt ngang bố trí tường đất trộn bentonite
Hình 47: Mặt bằng bố trí tường đất trộn bentonite
Phương pháp mô phỏng tính toán bằng phần tử hữu hạn
Hiện nay có 2 phương hướng chủ yếu để mô phỏng bấc thấm trong các chương trình tính toán bằng phần tử hữu hạn
Các PVD được cắm vào trong đất làm tăng nhanh quá trình cố kết thoát nước trong nền đất nên có thể xem vùng có PVD là vùng tương đương Đây là phương pháp mô phỏng vẫn thường được dùng từ trước cho đến nay và phổ biến rộng rãi Nhiều
- 68 - công trình nghiên cứu cũng như nhiều đề tài thạc sĩ vẫn sử dụng phương pháp này làm phương tiện để nghiên cứu
Vùng tương đương này là vùng đất có các chỉ tiêu cơ lý như bình thường nhưng có hệ số thấm đứng tương đương k ve rất lớn so với hệ số thấm đứng của đất bình thường Theo “ PVD improvement of soft Bangkok clay with combined vacuum and reduced sand embankment preloading” của tác giả J.C Chai và các đồng sự
k h là hệ số thấm ngang
k v là hệ số thấm đứng
l là chiều dài đường thoát nước
d e là bán kính vùng ảnh hưởng bấc thấm
Hình 48: Mô hình tính toán của bấc thấm
F = Fn + Fs + Fr, Trong đó:
k h là hệ số thấm ngang của đất trong vùng chưa bị xáo động
ks là hệ số thấm của đất trong vùng bị xáo động trong quá trình cắm PVD
d s là đường kính tương đương của vùng phá hoại xung quanh PVD
dw là đường kính tương đương của PVD
Hình 49: Các công thức tính d w
Quan hệ giữa d s với kích thước tiết diện ngang của trụ dùng khi thiết kế được xác định như sau:
+ Theo Hansbo (1981) d s = 2d m d m là đường kích của trụ xuyên + Theo Indraratna và Redana (1997) d s (3 4) d w
Z là khoảng cách từ chỗ kết thúc thiết bị tiêu nước
L là chiều dài thiết bị tiêu nước khi tiêu nước một phía và bằng một nữa thiết bị nếu tiêu nước hai phía
q w là khả năng tiêu nước của thiết bị tiêu nước
Mô phỏng PVD như là những phần tử với vật liệu thoát nước, có hệ số thấm theo phương thẳng đứng giống như hệ số thấm của bấc thấm.
Tính toán công trình sử dụng chương trình SIGMA/W
Bộ chương trình GeoStudio có thể được ứng dụng để mô hình hầu hết các bài toán địa kỹ thuật bao gồm các mô đun sau:
SLOPE/W là phần mềm sử dụng thuyết cân bằng giới hạn để tính toán độ ổn định của mái đất và đá
SEEP/W là một chương trình phần tử hữu hạn được sử dụng để phân tích các bài toán thấm và tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng từ sự thay đổi các điều kiện ứng suất
SIGMA/W là một phần mềm phần tử hữu hạn được sử dụng để biểu diễn các thông số về ứng suất và biến dạng của kết cấu đất
TEMP/W là một phần mềm phần tử hữu hạn có thể được sử dụng để mô hình sự thay đổi nhiệt độ trong đất do sự thay đổi của môi trường, hoặc do sự thay đổi cơ sở hạ tầng như là các toà nhà cao tầng hay các hệ thống ống dẫn
QUAKE/W là một phần tử hữu hạn địa kỹ thuật được sử dụng trong việc phân tích động lực của cấu trúc địa chất, chiụ sự rung địa chấn và tải trọng đột ngột
CTRAN/W là một phần mềm phần tử hữu hạn được sử dụng để mô hình sụ dịch chuyển các chất gây ô nhiễmqua lỗ rỗng các vật liệu như đất và đá
VADOSE/W là một phần tử hữu hạn được sử dụng để xác định tình trạng cân bằng độ ẩm và nhiệt trên bề mặt trái đất
AIR/W là mô hình có thể chạy bên cạnh chương trình Seep/W, nó có thể giải quết các vấn đề áp suất không khí và dóng chảy trong điều kiển áp suất biên hay trong điều kiện thay đổi áp lực nước
Trong phạm vi của đề tài, tác giả sẽ sử dụng mô đun SIGMA/W để mô phỏng nền đất yếu được xử lý bằng phương pháp bơm hút chân không kết hợp bấc thấm
4.3.1 Điều kiện biên trong phương pháp phần tử hữu hạn
Trong phương pháp phần tử hữu hạn, các điều kiện biên sử dụng cho bài toán xử lý nền bằng bơm hút chân không kết hợp bấc thấm như sau:
Điều kiện biên chuyển vị nút của phần tử
Điều kiện mực nước ngầm
Điều kiện biên áp lực nước lỗ rỗng âm
Ta tiến hành phân tích cho bài toán có xử lý bấc thấm kết hợp bơm hút chân không theo bài toán phẳng (plane strain) Toàn bộ nền đất sẽ được mô phỏng giống như trong tự nhiên, bấc thấm sẽ được mô phỏng như là một phần tử thoát nước tuyệt đối (xem như là không có tổn thất cột áp trong suốt chiều sâu của bấc)
Theo Iyathurai Sathananthan (2005) [7], hệ số thấm của nền trong hệ phẳng sẽ được tính theo hệ số thấm trong hệ đối xứng trục theo công thức: a) Hệ đối xứng trục b) Hệ phẳng
Hình 50: Sơ đồ quy đổi hệ số thấm trong hệ đối xứng trục về hệ phẳng
Với kh, kv là hệ số thấm trong hệ đối xứng trục; kvp, khp là hệ số thấm trong hệ phẳng
Bấc thấm cắm theo sơ đồ hình vuông với ô lưới 1x1m, nên hệ số n tính như sau: w
Xét ảnh hưởng của vùng xáo trộn:
Với các dòng thấm chảy qua các lớp khác nhau, lớp có hệ số thấm nhỏ hơn sẽ làm tổn thất cột áp xảy ra nhanh hơn, do đó làm dòng thấm thay đổi tính chất Để đơn giản hóa trong mô hình tính toán, theo Jinchun Chai [8] ta có thể thay thế hệ số thấm của vùng đất tự nhiên và hệ số thấm của vùng xáo trộn xung quanh bấc thấm bằng một lớp đất có hệ số thấm tương đương như sau: w s w
Sau đây là các thông số về hệ số thấm của các lớp đất khai báo trong mô hình:
Thấu kính cát 1.00E+00 2.78E-01 2.22E-02 4.35E-02 Áp lực nước lỗ rỗng âm trong bấc thấm được mô tả thông qua điều kiên biên về chiều cao cột áp trong các phần tử w
H: chiều cao cột áp tại vị trí đang xét (m)
u: áp lực nước lỗ rỗng tại vị trí đang xét (kN/m 2 )
y: cao độ tại vị trí đang xét (m)
γ w : dung trọng riêng của nước (kN/m 3 ) Để đơn giản cho quá trình tính toán so sánh kết quả, bài toán được mô hình chủ yếu trong giai đoạn bơm hút chân không (72 ngày) dựa trên thực tế thi công của công trình
Bài toán mô phỏng được thực hiện trong hệ toạ độ phẳng (plane strain), do tính đối xứng của mô hình nên ta chỉ tiến hành mô phỏng cho 1/2 mô hình với chiều sâu là toàn bộ lớp đất yếu 1a và 1b (chiều sâu là 75m).