PHƯƠNG PHÁP GIA TẢI TRƯỚC ĐẤT SÉT YẾU BẰNG BẤC THẤM ĐIỆN
PHƯƠNG PHÁP GIA TẢI TRƯỚC ĐẤT SÉT YẾU BẰNG BẤC THẤM ĐIỆN Tóm tắt Nguyên lý điện thấm (EO) đã được sử dụng thành công trong một số lĩnh vực ứng dụng như làm tăng ổn định của lớp sét yếu trong việc cải tạo đất ở ven biển bằng những điện cực lớn làm từ kim loại với giá thành cao. Với sự ra đời của chất dẻo dẫn điện, nó đã được sử dụng để làm những thiết bị thoát nước theo phương đứng tương tự như những bấc thấm thông thường, dùng để gia cố nền đất sét yếu. Bài báo này giới thiệu một số nghiên cứu được tiến hành trong phòng thí nghiệm và cả ở hiện trường về sự thoát nước của đất nền bằng bấc thấm điện thông qua việc cải tạo đất nền ở Singapore. 1. Giới thiệu. Qúa trình trầm tích của lớp sét yếu liên quan đến độ lún và độ ổn định của đất nền. Một phương pháp kỹ thuật thông thường để cải tạo đất nền đó là dùng bấc thấm (prefabricated vertical drains (PVD)) với có hoặc không có phần đất đắp gia tải nhằm triệt tiêu gần như hoàn toàn độ lún cố kết và độ lún sơ cấp của đất nền. Để giảm bớt thời gian do phải đợi cho đất nền cố kết và ít phụ thuộc vào quá trình chất tải, dỡ tải, Trường đại học Quốc gia Singapore đã đề xướng phương pháp bằng EO với kỹ thuật mới đó là cho dòng điện đi qua những thiết bị thoát nước thẳng đứng làm bằng pôlime (bấc thấm điện (EVDs)) để làm tăng tốc độ cố kết của lớp sét. Những hạt sét mang lưới điện tích âm được cân bằng bởi lưới điện tích dương trong nước lỗ rỗng. Trong phương pháp EO, khi các điện cực được đặt trong đất sét yếu sau đó cho dòng điện một chiều đi qua, các ion trong nước lỗ rỗng bị hút tới những điện cực trái dấu và hút chúng về các phần tử nước tự do. Các phần tử nước dịch chuyển về phía cực âm và nếu đặt hệ thống thoát nước, khi đó quá trình cố kết bắt đầu xảy ra ở cực dương. Đối với đất có hàm lượng sét càng nhiều thì sẽ cho hiệu quả thoát nước càng cao và đối với loại sét này thì nguyên lý điện thấm cho hiệu quả thoát nước tốt hơn so với bấc thấm thông thường. Những nghiên cứu ở tầm vĩ mô về nguyên lý điện thấm đã được thí nghiệm trên đất sét yếu với hàm lượng sét cao như ở Canada, Germany, Norway and UK (Casagrande, 1952; Casagrande v.v , 1981; Chappel v.v , 1975; Eggestad Và Foyn, 1983; Fetzer, 1967; Gray Và Mitchell, 1967; Shang, 1998; Wade, 1976) và mới đây ở những nước Đông Nam Á như Thái Lan, Malaysia và Singapore (Bergado v.v , 2000; Boron v.v , 2000; Toh v.v , 2001 và Karunaratne v.v , 2002). Gần đây, có một kiến nghị về vấn đề cố kết đất sét yếu ven biển sử dụng bấc thấm điện (EVDs) đã được tán thành và được tài trợ về tài chính để làm thử nghiệm bởi công ty The Enterprise Challenge Unit ở Singapore. Trong bài báo này tác giả tổng kết một số khảo sát ở phòng thí nghiệm và theo dõi thử nghiệm ngoài hiện trường trên đất sét ở ven biển tại Singapore. Qúa trình thử nghiệm EO được thực hiện trên một lớp sét yếu dày khoảng 8 m nằm trên lớp cát dày 18m. Mặc dù lúc đầu áp lực nước lỗ rỗng thặng dư trong lớp sét rất lớn nhưng qua quá trình xử lý bằng EVDs đã đo được sự thay đổi của áp lực nước lỗ rỗng thặng dư và ghi lại được sự gia tăng đáng kể về sức chống cắt của đất. 2. Những khảo sát ở phòng TN 2.1. Tiến hành trên mẫu nhỏ Mẫu TN là một loại đất sét biển ở Singapore (W p = 35; W L = 80). Tiến hành nén cố kết một trục trên 3 mẫu: * Mẫu 1A: nén cố kết một trục kết hợp xử lý EO với điện thế là 2V * Mẫu 1B: nén cố kết một trục kết hợp xử lý EO với điện thế là 3V * Mẫu 1C: chỉ nén cố kết một trục (mẫu đối chứng) Cả 3 mẫu đều có chiều dày là 20mm và được nén cố kết tới 100 kPa để làm cơ sở so sánh. Đối với mẫu A và B sau khi kết thúc quá trình nén cố kết kết hợp với xử lý EO, tải tác dụng sẽ được duy trì thêm 2 ngày để xác định thêm sự thay đổi của hệ số nén thứ cấp. Hình 1 thể hiện mối quan hệ e-logp ’ . Đồ thị biểu diễn theo phương pháp EO thiếu một điểm uốn rõ ràng để xác định áp lực tiền cố kết. Phương pháp EO đã cho thấy sự gia tăng hệ số cố kết C v , sự giảm chỉ số nén C c , và hệ số nén thứ cấp C α ( trong giai đoạn thử nghiệm 2 ngày cuối). Khi chất tải trên 300 Kpa, hệ số C v trở nên ổn định: - Mẫu 1A: C v tăng trung bình khoảng 40% - Mẫu 1B: C v tăng trung bình khoảng 200% Khi áp lực đạt đến mức giới hạn khoảng 800 Kpa, hệ số C α giảm 10%-30%. 2.2. Tiến hành trên mẫu lớn Mẫu thí nghiệm: Sử dụng đất sét ven biển ở Singapore, mẫu hình trụ đường kính 500 mm, dày 150mm. Một khía cạnh đặc biệt của vấn đề nghiên cứu này là chú ý đến hình dạng và khoảng cách bố trí của thiết bị thoát nước… Hình 2 mô tả mặt bằng và cao độ mặt cắt ngang bố trí các thiết bị đo., tại đó 2 điện cực được đưa vào trong đất ở một giới hạn lỏng nhất định. Vị trí của các thiết bị cảm biến điện để đo đạc hiệu điện thế và dòng điện trong đất sét và thiết bị đo áp lực nước lổ rỗng cũng được mô tả. Các mẫu thử sau khi xử lý sẽ được thí nghiệm để xác định các chỉ tiêu cơ lý bằng thí nghiệm nén một trục và thí nghiệm cắt cánh trong phòng. Các chỉ tiêu của đất sét biển ở Singapore được sử dụng là W p =35, W L = 80, IP=45 và hàm lượng cát,bụi, sét là 2%, 46%, 44%. 2.2.1. Trình tự thí nghiệm Có ba thí nghiệm nén có kết EO, được gọi là Test 1, 2 và 3, được kiểm soát trong một bể lớn. Đất sét trong các thí nghiệm được cố kết với các cấp áp lực tương ứng là 31, 52, 30 kPa, mô phỏng theo các điều kiện thường gặp với đất sét yếu ở Singapore. Khi độ cố kết trung bình đạt 90% theo kết quả quan sát lún và áp lực nước lỗ rỗng, áp lực cố kết được dỡ bỏ đi. Đường sức chống cắt không thoát nước thông qua thí nghiệm cắt cánh trong phòng và biểu đồ hàm lượng nước được xác định xuyên qua vị trí của các điện cực. Sau khi thiết lập các thông số ban đầu, đất sét sẽ được cố kết trở lại đến áp lực ban đầu. Trong suốt quá trình cố kết EO tiếp theo, Hiệu điện thể DC ổn định ở mức 20V được cung cấp giữa các điện cực làm bởi các bản kim loại có đục lỗ. Thí nghiệm sẽ kết thúc khi độ lún quan sát và áp lực nước lỗ rỗng đạt giá trị ổn định. 2.2.2. Những kết quả Các biến dạng của sức chống cắt sau quá trình cố kết bằng phương pháp điện thấm (electro-osmotic), được biểu diễn ở hình 3 trong lần thí nghiệm thứ nhất cho 4 độ sâu khác nhau theo thứ tự giảm dần A,B,C,D, qua các điện cực, kết quả tương tự như các báo cáo của Abiera ( 1999) và Bergado ( 2000). Vùng đất gần cực dương (Anode) có sự tăng độ bền chống cắt không thoát nước lớn nhất được suy ra từ vùng đất ở cực âm (Cathode). Sức chống cắt không thoát nước trong vùng giữa có sự gia tăng nhỏ nhất. Hình 3 cũng cho thấy sức chống cắt ban đầu của đất sét đúc lại. Hình 4 cho thấy sự gia tăng tỷ lệ phần trăm về sức chống cắt không thoát nước giữa những điện cực bên trong thí nghiệm 1, 2 và 3. Hình 5 cho thấy rằng các đường tỷ lệ phần trăm của hàm lượng nước. Sự giảm thấp nhất trong khu vực giữa và cao nhất ở gần các điện cực, tương tự như các báo cáo của Abiera et al.( 1999) và Bergado et al.( 2000). Đường biểu diễn hàm lượng nước này có mối tương quan tốt với các đường biểu diễn sức chống cắt không thoát nước. Có sự gia tăng sức chống cắt không thoát nước lớn trong thí nghiệm 1, có hàm lượng nước ban đầu cao hơn thí nghiệm 2, đặc biệt ở gần cực âm (cathode). Có thể quan sát được răng tỷ lệ gia tăng hàm lượng nước trong đất sét mềm ở thí nghiệm 1 bằng phương pháp điện thẩm thì lớn hơn thí nghiệm 2 với đất sét chặt ( được nghiên cứu bởi Lo.1991). Điều này có thể chỉ ra một cách rõ ràng là dùng phương pháp điện thấm có hiệu quả đối với đất sét mềm hơn là với đất sét chặt. Hình 6 mô tả sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng trong đất sét giữa các điện cực, sự thay đổi lớn liên quan đến vùng gần cực dương. Sự thay đổi lớn về giá trị áp lực nước lỗ rỗng trong cảm biến điện P5 ở hình 6 có thể là do lỗi thí nghiệm trong vùng điện trường. Shang ( 1998) cũng quan sát sự giảm áp lực nước lỗ rỗng ở tại cực dương. Hiện tượng quan sát khác (1) là đầu tiên là sự gia tăng các điện cực hiện thời , sau đó giữ ổn định và hạ xuống, (2) khí gas bốc lên ở các điện cực. (3) quá trình lún vận tiếp diễn ra theo khuynh hướng thay đổi hiện thời. ( 4) tất cả các mẫu được kéo thẳng đứng giữa 3.3 % và 5.6 %, (5) Độ pH gia tăng ban đầu lên khoảng 14 ở cực âm và giảm bớt tới khoảng 12, (6) năng lượng điện sử dụng được thay đổi từ 14 đến 28 kWh / m3. 2.2.3. Tính nén lún của đất Hình 7 và 8 cho thấy mối quan hệ giữa hệ số rỗng và áp lực cố kết (e-logp) của đất sét biển trước và sau khi dùng phương pháp điện thẩm, tương ứng trong thí nghiệm 1. Có sự thay đổi đáng kể về chỉ số nén lún, Ví dụ: C c giảm từ khoảng 0.67 xuống 0.43, 0.45 và 0.57, chỉ số Cr giảm từ 0.17 xuống 0.13, 0.14 và 0.15 tương ướng cho thí nghiệm 1, 2, 3. Sự gia tăng tỉ lệ phần trăm của áp lực tiền cố kết dựa vào sự giả thiết của một đường cong nén thô sơ với Cc = 0.67 thay đổi từ 21 % đến 173 % cho cùng ba thí nghiệm trên. Do đó, có một xu hướng cho việc dung phương pháp điện thấm để xử lý sét là làm giảm hệ số nén, mà phản xạ lại trong vùng lún quan sát của một đại lượng nhỏ hơn dưới cùng một áp lực. 3. Thí nghiệm hiện trường Một thí nghiệm được giới thiệu vào năm 2001 ở Singapore để khảo sát tính khả thi của phương pháp điện thấm trong việc cố kết đất yếu bằng thoát nước dọc. Việc thử nghiệm bao gồm lắp đặt và cho nhiễm điện hai vùng đất bằng một loại vật liệu chất dẻo, thoát nước dọc, và có khả năng dẫn điện gọi là EVD. Công trường thử nghiệm dưới sự chỉ đạo của công ty JTC ở Tuas, ở phía Tây của đảo Singapore Hiện trường gồm có 18.7 m cát đắp mới được đặt trên lớp sét biển dày 8 m trên lớp sét chặt và lớp đá trầm tích của cấu tạo địa tầng (Jurong). Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư trong lớp sét khoảng 100-180 kPa trong khoảng thời gian thử nghiệm ban đầu. Trong khu vực 50 m x 50 m thoát nước gồm cực dương và cực âm, tất cả các tấm lọc, được đặt trên một vùng lưới có diện tích 1.2 m 2 sử dụng PVD tiêu chuẩn chỉ với các thiết bị thăm dò mà không có các thiết bị đặc biệt hoặc sự cải biến nào. Hình 9 minh họa cho việc lắp đặt EVD trên nền đất. Có bốn vùng đất để khảo sát các hình dạng lắp đặt khác nhau của EVD, được mô tả trong hình 10 1. Khu vực X gồm EVD thông thường và hai dây thép không rỉ cách nhau 1.2 m. Đồng thời nó chứa các sợi dây đồng EVDs có diện tích 6 mm 2 buộc chặt phía ngoài của rãnh lọc, những sợi dây đồng được cách ly hoàn toàn với lớp cát ở bên trên nhưng lại nằm hoàn toàn trong lớp sét biển.Chúng bố trí với khoảng cách 1,2 m vì vậy khoảng cách thoát nước hiệu quả là 0.6m. Việc bao bọc những sợi dây đồng được thiết kế để chỉ ra sức mạnh lớn nhất về khả năng hoạt động bên trong của mỗi rãnh thoát nước cho dù những sợi dây đồng ở cực dương có thể không kéo dài hơn một ngày vì sự ăn mòn điện hóa học. (khu vực X bố trí EVD cách nhau 1,2m) 2. Khu vực Y có cùng cấu trúc với khu vực X, ngoại trừ các sợi dây có diện tích tiết diện 4 mm 2 trong vùng là những sợi dây đồng trần, xuyên suốt toàn bộ chiều sâu của lớp cát và lớp sét biển mềm. Cái này cũng có thể không kéo dài nhưng giữa khu vực X và Y, sự mất mát năng lượng trong lớp cát có thể được tính tới. 3. Khu vực 2A, dải thoát nước EVD có cấu tạo gồm 2 sợi dây đồng và 3 sợi dây đồng thay cho 2 sợi dây thép ở bên trong lõi. Chúng được lắp đặt trong hình 10 ( khu vực 2A). 4. Khu vực 2B đại diện cho khu vực còn lại gồm 2 sợi dây thép được sử dụng với khoảng cách là 1.2 m. Tất cả EVD đã được cách ly điện bằng những bản neo bằng kim loại để ngăn chặn bất cứ khả năng dòng điện ngắn đi qua lớp sét chặt dẫn điện hơn ở dưới lớp sét mềm. [...]...Mỗi vùng đất có một ống đo áp và một thiết bị đo lún định vị xấp xỉ ở vùng trung tâm Sau khi xử lý bằng phương pháp điện thấm, thí nghiệm cắt cánh hiện trường được tiến hành trong lớp sét mềm Các thiết bị cảm biến và điện áp được lắp đặt để lấy số liệu điện áp tại các điểm độ sâu thiết kế trong mỗi khu vực 3.1 Sự quan sát và thao tác công trường 1 Khu vực Y được cho nhiễm điện trước tiên và điều... được thể hiện ở đường nét đứt trên hình 20 Sức chống cắt trước và sau khi xử lý bằng EO theo biến Cu được thể hiện bằng đường cong liên tục, hình thành trong 13 ngày Thời gian mà nền xử lý bằng PVD cần thiết để đạt được cường độ sức chống cắt tương đương là 130 ngày, dài gấp 10 lần so với thời gian cần thiết cho biện pháp xử lý bằng EO trong đất sét mềm gần biển Cần chú ý là việc kết hợp cả hiệu quả... không được xử lý bằng điện năng, do đó nó chỉ thể hiện độ lún do xử lý bằng PVD Độ lún ở vùng trung tâm của vùng xử lý bằng PVD tiếp theo sau việc xử lý bằng EVD không bị ảnh hưởng gì bởi việc xử lý bằng PVD vốn kéo dài khoảng 14 ngày 3.1.3 Yêu cầu năng lượng Phân vùng 2A tiêu thụ tổng năng lượng là 6223kWh suốt 315 giờ và khoảng một nữa đi vào đất sét mềm gần biển Lấy khối lượng đất sét là 1728m 3 năng... hơn so với xử lý thông thường bằng PVD Sự gia tăng sức chống cắt không thoát nước của đất sét mềm gần biển với việc cố kết cho đất sét gần biển Singapore tuân theo tỉ lệ Cu/Po’ từ 0.26-0.28 (follows a Cu/Po’ of 0.26-0.28) Nếu như EVD được biểu diễn như một PVD thoát nước, cắm vào trong đất với khoảng cách đều là 1.2m, sức chống cắt không thoát nước sẽ gia tăng với thời gian được thể hiện ở đường nét... 1.8kWh/m3 4 Kết luận Việc thử nghiệm ngoài hiện trường đã chỉ ra rằng đất sét yếu, dưới 18m đất đắp, có thể đạt hiệu quả bởi EVD với những điều kiện: - EVD cấm vào đất phải đảm bảo chất lượng cao - Cách li hiệu quả đế kim loại - Cung cấp được việc đảo điện cực Việc tiến triển của sức chống cắt có thể được thấy rõ ràng trong đất sét xử lý bằng EO, điều này cũng được chỉ ra bởi việc quan sát sự thay đổi của... bùn sét trạng thái gần cứng đến cứng và có hàm lượng nước thấp (which has lower water content) Thêm vào đó, một khối lượng lớn tải trọng bên trên từ 18.7m của lớp cát đã cải tạo (tái chế - reclamation sand) đắp bên trên lớp sét mềm có thể có chút ít “hiệu quả theo chiều sâu” (“depth effect”) như đã được đề nghị bởi Lo et al (1991) Sự khác biệt thực chất giữa nền đất sét được xử lý bằng EO và nền đất sét. .. không được xử lý bắt nguồn từ việc cải tạo bằng PVD và đường VS-C-3 trong phân vùng X Kết quả ở đây dường như đã chỉ ra rằng việc xử lý bằng điện trong vùng X không ảnh hưởng đến tất cả Vùng X cũng đã thể hiện được là trong suốt cả hai biện pháp xử lý, áp lực nước lỗ rỗng giảm rõ ràng Vì việc phân cực không được áp dụng trong khu vực này, cải tạo nền theo phương pháp EVD được mong đợi sẽ đạt tối đa tại... năng lượng điện tối đa yêu cầu Cũng trong suốt quá trình đảo cực dự kiến, các sợi dây đồng nối ngoài cả cực dương và cực âm đều bị mất đi dưới sự ăn mòn điện hoá Một điện áp đưa vào ban đầu chỉ là 5V bởi vì một dòng điện khá cao sẽ đạt được nhờ vào tính dẫn điện cao của các sợi đồng và những thất thoát lớn trong các lớp cát bảo hoà muối, được trình bày trên sơ đồ 11, kết thúc quá trình xử lý bằng cách... dụng điện Tuy nhiên hướng di chuyển của nước lỗ rỗng không thể được suy ra từ ống đo cột thuỷ áp đơn lẻ Hơn nữa, áp lực lỗ rỗng không thấp hơn như mong muốn trong phương pháp EO, thay vì tăng lên Sự tăng áp lực lỗ rỗng được mong muốn trong giai đoạn đầu của EO 3.1.1 Kiểm tra sức chống cắt hiện trường Tất cả việc xử lý theo các phân vùng xử lý khác nhau như đã được mô tả ở trên kết thúc bằng việc gia. .. 2A, có hiện tượng đảo ngược điện cực, thì điều này hoàn toàn không phải là vấn đề Hình 10 chỉ ra vị trí mà thí nghiệm cắt cánh hiện trường được kiểm soát Các kết quả của việc kiểm tra sức chống cắt hiện trường và phần trăm thay đổi của sức chống cắt không thoát nước (hình 19) thể hiện sự gia tăng đáng kể sức chống cắt, đặc biệt trong nửa trên của lớp đất sét ỏ khu vực 2A Việc gia tăng sức chống cắt ở . PHƯƠNG PHÁP GIA TẢI TRƯỚC ĐẤT SÉT YẾU BẰNG BẤC THẤM ĐIỆN Tóm tắt Nguyên lý điện thấm (EO) đã được sử dụng thành công trong một số lĩnh vực ứng dụng như làm tăng ổn định của lớp sét yếu trong. làm bằng pôlime (bấc thấm điện (EVDs)) để làm tăng tốc độ cố kết của lớp sét. Những hạt sét mang lưới điện tích âm được cân bằng bởi lưới điện tích dương trong nước lỗ rỗng. Trong phương pháp. trong đất sét mềm ở thí nghiệm 1 bằng phương pháp điện thẩm thì lớn hơn thí nghiệm 2 với đất sét chặt ( được nghiên cứu bởi Lo.1991). Điều này có thể chỉ ra một cách rõ ràng là dùng phương pháp điện thấm