Phân tích Ứng xử cố kết của nền Đất yếu gia cố bằng pvd với lớp cát mỏng trong nền bằng phương pháp số kết hợp lời giải giải tích

DAI HOC CONG NGHIEP THANH PHO HO CHi MINH BAO CAO CHI TIET DE TAI KHOA HOC KET QUA THUC HIEN DE TAI _ NGHIEN CUU KHOA HOC CAP TRUONG Tên đề tài: Phân tích ứng xử cố kết của nền đất yế

DAI HOC CONG NGHIEP THANH PHO HO CHi MINH

BAO CAO CHI TIET DE TAI KHOA HOC

KET QUA THUC HIEN DE TAI _ NGHIEN CUU KHOA HOC CAP TRUONG

Tên đề tài: Phân tích ứng xử cố kết của nền đất yếu gia cô bằng PVD với lớp

cát mỏng trong nền băng phương pháp số kết hợp lời giải giải tích

Mã số đề tài: 22/2XD01

Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Bá Phú

Đơn vị thực hiện: Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại học Công Nghiệp

TP Hô Chí Minh

MUC LUC

Ủ I8 @8 Ủội 1 1

CHUONG 1 GIỚI THIỆPU 2 s s EE*®E£E£E® E2 EEE£ SE cvgE vvvgervci 3

In nh aảa 3

1.2 Động lực nghiên cứu của đề tài -s- - <stsx v9 ve rrgrerevece 4 1.3 Ý nghĩa khoa hỌC . - - + SE EEEk£EEEEEEEEE SE v32 818 111151111111 cEErerkred 5 1.4 Ý nghĩa thực tiễn và sự cần thiết của vẫn đề cần nghiên cứu . 5 ss 5s: 5

1 6 Mục tiêu của đề tài TH TT TS 1g g1 TH án ng Hàng TT rrkg 5

001019) A0990.9000.( 02s 7

2.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu . 2-2 2s zEE£E£E*EE£E+EEEE£EEEEEEEEEEErererrxrkrsere 7

"(Noi 301340) 20v 0 10

CHUONG 3 LOI GIAI GIAI TICH CHO BAI TOAN CO KET CHO NEN DAT YEU

CO XET DEN LOP CAT MONG VA SU GIAM KHA NANG THOAT NUOC HUU HẠN CỦA BẮC THẤM - ©5223 S3EE4EEEE3131511151115151111111515.11 1.11 122.00 13

3.2 Lời giải giải tích của nền đất yêu có lớp cát mỏng gia cố bắc thấm có xét đến sự giảm

khả năng thoát nước theo chiều sâu + 2® + EE+E#EEEE£E£EEEEEESEEEkeEereersrereersred 14

3.2.1 Một số giả thiẾt shchH TT T TH T TT c HT greve 15

3.2.2 Khả năng thoát nước hữu hạn của bắc thắm theo chiều sâu . - 16

3.2.3 Phương trình cố kết đề Xuất ¿- -® + + eEk£Ek+kEEEESE*EEEE E11 11151112 17 3.3 So sánh độ kết khi xét đặc điểm lớp cát mỏng -. 22 2 +s£s+E+E£Ez£rxerzrerrere 18 3.4 Kết quả kiểm chứng lời giải đỀ XuẤt + << +s+E+EECkeEExEEEErkeErrkrkrrererkere 21 3.5 Hạn chế của lời giải đỀ XUẤT - 2 s11 1E cv cv ng ve 25

CHUONG 4 MO HINH SO PHAN TICH UNG XU CO KET NEN DAT YEU CO LOP CAT MONG GIA CO BANG BAC THAM ccssessssssssssseeessseeseesueesseensseesneesees 26

4.1 GIỚI tHIỆU (G1300 911 0.1 Họ Họ ng nh 26

4.2 Mô hình phân tích cố kết nền đất yếu có lớp cát mỏng gia có bằng bắc thắm 26

“VAN (50009620 i0 0n 26 4.2.2 Mô hình đối xứng trục trong phương pháp sỐ + - 2s + s+e+eszzeerszxd 27

4.3 Kết quả phân tích SỐ 2: s9 skEESEEEEES C3 99791 ve gkgrererkrrsred 29

CHƯƠNG 5 KET LUAN oooccicccccccccccccccscssescsscscsscscssessaesecsvsrsecessesavansecavsesevanseseveneseatsessveen 33

5.1 Kt ludnn Chung oe eecececececscsesecsececsesecsesesecsesscsvscsscassesavsnsesassesevsnseeavsesacaesnsseetseansnsavaen 33 5.2 Hướng nghiên cứu tiẾp theo eecesescssessesesssscsesscssscssssesesessesessesessesesesatstsasenseatsteseaee 33

Pu 0, nh aA 33 I0) 0i) 04: 0 34

CHUONG 1 GIOI THIEU

1.1 Giới thiệu

Trong thực tế, lớp cát mỏng trong lớp đất yếu có thể hình thành tự nhiên hoặc nhân tạo Thực tế, trong một số trường hợp lớp cát mỏng phân bố trong nên tự nhiên giữa các lớp sét

có chiều dày lớn (ví dụ như sét ở khu vự Busan, như Hình 1) Chiều dày và hệ số số thấm

của các lớp cát mỏng này cũng khác nhau theo địa tầng Sự nhận diện cát lớp cát mỏng này được thực hiện nhờ vào thí nghiệm xuyên tĩnh có kết hợp đo nước lỗ rỗng (CPTU) Tuy

nhiên quá trình dự báo lún và phân tích sự tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thường bỏ qua lớp

cát mỏng này đo sự phức tạp trong một số lời giải giải tích

Noksan

New harbor New harbor Shinho Hwajeon Mang Jangyu Yangsan

+10 | w | Si | wins 6 fb ; _f có

ee Silty sand EE”

10 _7NR ae —tớp cát mỏ ng

Upper silty Sand _ —_

40L - Tế _ _—

Se T77 ae -

50 ~ Lower silty Le ‘ NS

cla y ⁄ Sand & gravel 2 a

A se TR A

TORS ng KÍÑ os or

HTS TS

2

80” Ì

Hình 1: Sự phân bố các lớp cát mỏng trong phạm vi lớp đất sét yếu có bề dày lớn (Kim

2008)

Nhiều nghiên cứu gần đây quan tâm nhiều đến việc sử dụng vật liệu bùn nạo vét để san lấp các khu vực cần xây dựng Khi đó các lớp đất bùn san lắp này cũng cần phải xử lý

và cho cô kết trước khi tiến hành thi công công trình bên trên Để tăng nhanh quá trình cố kết cho lớp đất bùn yếu này, lớp cát mỏng thường được bố trí xen kẽ trong lớp đất bùn sét,

sau đó tiến hành cắm bắc thấm kết hợp với gia tải trước cho nền (Hình 2) Mặc dù lý thuyết

cố kết theo phương đứng và phương ngang được nghiên cứu khá nhiều, nhưng ứng xử cố kết cho trường hợp nên có các lớp cát mỏng chưa được quan tâm

be dia ky thuat

90 93444904414499441411911191094411999939191913913910 t2 l1 04444 4040449040440404039342421) 1919934191040 eee eee eee eee

POOP O OEE OOO REE E RENEE HEEL OHO ERE TREE EERO HORE EE REO EEE PHOT H EEE AHE EEF EP EOE EO ERE EE EEE ROHR OE EO HEE REO RHEE

POPPER EMRE EEE OREO HEHEHE TORE E HEHEHE HEHEHE ATH E HERE HH EME he HEHE EHOEEEE HEHEHE EEEE EERE EEE HEAR EEE HEHE ROTH EE EE

POORER EHR TE ROAD OEE EH HEHE HEHEHE HEHEHE EE NEO HEE HEFT PPE HO HEHEHE REET HHH ESHERE RESET E HEGRE RES H eee eee eae

POPP OOTEEEO HERE EOE HERE H EEE HEED EEE HEHEHE DOR Hee EE HER ESHER ERE EEEE OE EH LEE EERE HHH HOHE H EEE REESE OE

\93%®%491441

Hình 2: Minh họa việc sử dụng các lớp cát mỏng trong công tác san lấp (Tan và cộng sự

1992)

Đề tài này tiễn hành thực hiện một số nhiệm vụ chính như sau:

(1) Thực hiện một số mô phỏng số sẽ được tiễn hành đề phân tích ảnh hưởng của đặc

điểm lớp cát mỏng đến quá trình lún cố kết của nên;

(2) Đề xuất lời giải giải tích cho nền gia có bắc thấm có xét đến cát lớp cát mỏng Từ

đó đánh giá ứng xử cố kết trong nền đất có xuất hiện lớp cát mỏng

1.2 Động lực nghiên cứu của đề tài

Như đề cập bên trên (Mục 1.1), những nghiên cứu trước đây chưa đề cập đến lời giải giải tích có xét đến lớp cát mỏng và khả năng thoát nước hữu hạn của bắc thấm Ngoài ra, hiện nay trong một số tiêu chuẩn tính toán xử lý nền đất yếu (22TCN262-2000) chưa đề cập đến phương pháp tính toán ứng xử lún cố kết nền không đồng nhất Thực tế có nhiều trường hợp xảy ra trong nền tự nhiên có chứa cát lớp cát mỏng hoặc có một số trường hợp san lấp bằng bùn có gia có một số lớp cát mỏng để tăng quá trình cố kết và sức chịu tải của đất nền Việc đánh giá sự ảnh hưởng của nó đến ứng xử cố kết cho các trường hợp này vẫn chưa được

quan tâm nhiều Một số lời giải giải tích hiện tại có xem xét đến hệ thống thoát nước ngang

khá phức tạp, rất khó có thể áp dụng trong tính toán kỹ thuật và chỉ phù hợp trong nghiên

cứu Do đó đề tài tiến hành phát triển một lời giải giải tích đơn giản và mô hình số để đánh

giá ứng xử cố kết đối với trường hợp nên có lớp cát mỏng là cần thiết Sự ảnh hưởng của các thông số như hệ số thấm, chiều dày và độ cứng của lớp cát mỏng đến ứng xử của nên là cần thiết trong việc thiết kế xử lý nền đất yếu

1.3 Y nghia khoa hoc

Đề tài thiết lập một lời giải giải tích và mô hình số nhằm đánh giá mức độ ảnh hưởng của lớp cát mỏng đến ứng xử lún cô kết nền đất yếu Nghiên cứu nhằm làm tiền đề để phát triển

các lý thuyết tính toán xử lý nền liên quan đến phương pháp xử lý nền bằng hệ thống thoát nước thắng đứng và thoát nước ngang Đề tài còn xác định sự ảnh hưởng của lớp cát mỏng đối với quá trình lún cố kết trong nền (như làm cho nước thoát trong đất thoát ra ngoài

nhanh hơn), tuy nhiên còn phụ thuộc các đặc điểm khác của các lớp cát mỏng này Trong kỹ

thuật có thể tận dụng các yếu tố này để tính toán xử lý nên đất yếu

1.4 Y nghĩa thực tiên và sự cần thiệt của vần đề cần nghiên cứu

Kết quả đề tài giúp cho kỹ sư thiết kế địa kỹ thuật có thêm lựa chọn trong những giải pháp

xử lý đất yếu cho lớp đất bùn san lấp Ngoài ra có thể xem xét lựa chọn vật liệu làm lớp thoát nước đề có thê tối ưu hiệu quả sử dụng Đề tài đóng góp lý thuyết tính toán ứng xử cố kêt của nên đât yêu tự nhiên chứa lớp cát mỏng

1.5 Tính mới của đề tài

Trong các nghiên cứu trước, tốc độ có kết và độ lún sau cùng thường được đánh giá qua các lớp đất đồng nhất Đối với nghiên cứu ảnh hưởng của lớp cát mỏng đối với ứng xử lún cố

kết nền đất yêu, đề tài này tiến hành phát triển mô hình số và lời giải giải tích cho mô hình

lớp đất không đồng nhất và sự có mặt của lớp cát mỏng và thoát nước theo phương ngang

và phương đứng trong đất (chiều đứng đối với thoát nước trong nền sét, chiều ngang theo lớp cát mỏng) Trong trường hợp nên gia cỗ bắc thấm (Prefabricated vertical drain, PVD),

độ cản thắm (khả năng thoát nước hữu hạn theo phương đứng của PVD) được xét đến trong lời giải giải tích

1 6 Mục tiêu của đề tài

a) Mục tiêu tổng quát

Đề tài đề xuất lời giải giải tích và xây dựng mô hình số nhằm phân tích ứng xử cô kết nền

gia cố PVD với sự hiện diện của lớp cát mỏng trong tự nhiên hoặc nhân tạo Các thông sỐ ảnh hưởng đên ứng xử của nên liên quan đên đặc điêm của lớp cát mỏng được khảo sát

Giới hạn phạm vỉ nghiên cứu: Các mô hình toán trong lời giải giải tích và mô phỏng số

không xét đến biến đạng ngang của nền đất mà chỉ xét đến biến dạng một chiều trong nên

b) Mục tiêu cụ thé

— Phát triển lời giải giải tích nhằm phân tích ứng xử cố kết của nền đất yếu với hệ

thống thoát nước ngang (lớp cát mỏng) và đứng (bắc thắm PVD);

— Xây dựng mô hình số phân tích ứng xử cố kết của nên và đánh giá các đặc điểm của lớp cát mỏng đến ứng xử của nên;

— Đánh giá khả năng thoát nước hữu hạn trong trường hợp nên có hệ thống thoát nước

ngang.

CHUONG 2 CO SO LY THUYET

2.1 Téng quan tình hình nghiên cứu

Trong thực tế, lớp cát mỏng có thê hình thành tự nhiên trong lớp đất sét có bề dày lớn, khi

đó sẽ ảnh hưởng đáng kế đến quá trình cố kết trong nền (Kim 2008) Để nhận diện và xác

định đặc điểm các lớp cát mỏng này, Yoon và cộng sự (2010) tiến hành thí nghiệm xuyên tĩnh có kết hợp đo nước lỗ rỗng đi qua chiều sâu các lớp cát mỏng Kết quả cho thấy rằng tại

các vị trí có sự hiện điện các lớp cát mỏng, sức kháng mũi tăng trong khi áp lực nước lỗ

rỗng giảm đáng kê Từ thí nghiệm CPTU có thể đánh giá phạm vi phân bố các lớp cát mỏng

này Hình 3 thể hiện một kết quả của thí nghiệm xuyên tĩnh nhằm khảo sát đặc điểm các lớp cát mỏng trong lớp đất sét, kết quả này thu được từ thí nghiệm của Yoon và cộng sự (2010)

Sức kháng mũi cone (kPa)

85 95 105

0

50

clay

=e 100

sand c

2

d

«O 2

200

clay

clay

300

Hình 3: Sự phân bố sức kháng xuyên đầu mũi trong lớp đất sét có sự hiện điện các lớp cát

mỏng (Yoon và cộng sự 2010)

Từ các kết quả thí nghiệm, Hình 4 trình bày sự nhận diện lớp cát mỏng trong nền sét

tự nhiên từ thí nghiệm CP'Tu

Suc khang mii cone (MPa) Ma sát thành bên (Mpa)

Áp lực nước lỗ rỗng (Mpa)

0 3 6 000 0.05 0.10 0.00 0.50 1.00

—— CRP —— CRP

4 `

E

2

oO

4 Ti 3

Hình 4: Một số kết quả của thí nghiệm CPTu nhằm nhận diện sự hiện diện lớp cắt mỏng

(Yoon và cộng sự 2010) Trong kỹ thuật xử lý nền, Các nghiên cứu trước đây (Watari 1984; Lee và cộng sự 1987; Karunarathe và cộng sự 1990; Nogami và L¡ 2003) cho thấy lớp cát mỏng thường được sử dụng cho sự thoát nước ngang cho một số dự án san lấp với đất sét Lớp cát mỏng này có nhiệm vụ như thu nước từ lớp sét xung quanh và thoát ra các lớp cát thắng đứng và

đi ra ngoài Nếu nên có gia cô bắc thấm, nước sẽ theo bắc thắm và thoát ra ngoài Hình 2 minh họa việc sử dụng các lớp cát mỏng phân bồ trong phạm vi chiều dày lớp sét nhằm tăng nhanh tốc độ có kết trong lớp đất đắp (Tan và cộng sự 1994) Trong nghiên cứu này, Tan và cộng sự sử dụng kết hợp lớp cát mỏng kết hợp với vải địa kỹ thuật để tăng sức chịu tải và

tăng sức chịu tải của nên

Việc phân tích ứng xử cố kết cho đất nền không đồng nhất luôn gặp nhiều khó khăn

Lý thuyết cô kết cơ bản luôn giả sử rằng lớp đất sét là đồng nhất (Gray 1945; Schiffman and

Stein 1970) Horne (1964) phát triển lời giải giải tích cho trường hợp nền không đồng nhất

với lớp cát và lớp sét, trong đó nền hỗn hợp được quy đối về nền đồng nhất có hệ số thắm

tương đương Abid và Pyrah (1991) xây dựng mô hình nền hỗn hợp có lớp cát mỏng bằng

8

phương pháp phần tử hữu hạn, trong đó lớp cát mỏng được mô phỏng như lớp vật liệu có hệ

số thấm lớn Nogami và L¡ (2003) đề xuất lời giải giải tích đề phân tích lún cô kết nền hỗn

hợp bao gồm lớp cát mỏng theo phương ngang và hệ thống giếng thắm thắng đứng Mặc dầu các lời giải giải tích được phát triển và được so sánh tốt với số liệu quan trắc, tuy nhiên các lời giải này khó áp dụng trong tính toán thiết kế do phải giải các phương trình toán Trong lời giải của Nogami và Li (2003), kết quả cho thấy rằng tốc độ cố kết trong nền chịu

ảnh hưởng bởi hệ số thắm và bề dày của lớp cát mỏng Tuy nhiên giá trị giới hạn để đạt hiệu

quả nhất trong phương pháp gia cố nền của các thông số này chưa được làm rõ Asaoka (1978) bỏ qua ảnh hưởng độ cứng của các cát lớp cát mỏng trong việc đề xuất phương pháp

dự báo lún cho nền đất đưới tải trọng công trình Do đó việc khảo sát đặc điểm của các lớp cát mỏng đên ứng xử biên dạng và cô kêt của đât nên là cân thiệt

Việc phân tích các ứng xử của nên đất (đặc điểm biến dạng, tốc độ có kết) là rất cần thiết trong các công tác địa kỹ thuật Gần đây Nguyễn Bá Phú và Nguyễn Thị Phương Linh

(2022) tiến hành phát triển một lời giải giải tích để phân tích ứng xử cố kết theo phương

ngang cho lớp đất sét được gia cố bởi bắc thấm và chịu áp lực từ đưới lên của tầng chứa

nước hạn chế Nguyễn Bá Phú và Nguyễn Quang Dũng (2021) tiến hành phân tích ổn định

của nền đắp trên lớp đất yếu có xét đến các tầng chứa nước áp lực (áp lực artesian) Mặc đủ các nghiên cứu này có xét đến lớp cát phía đưới lớp đất yếu, tuy nhiên chưa xét lớp cát mỏng nằm trong phạm vi lớp đất sét Hơn thế nữa trong trường hợp nên có lớp cát mỏng, ảnh hưởng độ cản thấm (hay khả năng thoát nước hữu hạn của bắc thắm) có thể giảm, qua

đó làm tăng tốc độ cô kết trong nền Yếu tố này cũng cần được làm sáng tỏ trong các nghiên cứu tiếp theo Cho đến nay, mặc đù có rất nhiều công trình nghiên cứu về ứng xử cố kết

trong nền đất yếu ở Việt Nam (Nguyễn Hồng Trường và Nguyễn Hữu Thái, 2017; Nguyễn

Hồng Nam và Nguyễn Hồng Trường 2018; Nguyễn Bá Phú 2020), các nghiên cứu này chỉ

được tiến hành với giá thiết rằng đất là vật liệu đồng nhất, chưa xét đến ảnh hưởng đến sự

phân bố lớp cát mỏng trong điều kiện Việt Nam

Như đã phân tích bên trên, trong những nghiên cứu trước đây ở trong và ngoài nước chi tập trung đánh giá sự ảnh hưởng của lớp cát mỏng đến ứng xử cố kết của nền đất yếu mà

chưa xét đến các đặc điểm của nó (như bề dày, độ cứng, hệ số thấm của lớp cát mỏng) Các

nghiên cứu trong nước thường phân tích lún cỗ kết của nền đất thông qua các các phương án gia tải trước cũng như sử dụng giếng thấm (cọc cát, bắc thấm) Một số nghiên cứu trong

9