Tóm tắt Luận Án Nghiên cứu phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu để xây dựng công trình

Việc am hiểu, chủ động được công nghệ và xây dựng được mối quan hệ giữa các thông số của nền đất trong quá trình cố kết chân không cho một số loại đất yếu ở Việt Nam mang ý nghĩa thời sự

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI



PHẠM QUANG ĐÔNG

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP CỐ KẾT CHÂN KHÔNG

XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU ĐỂ XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH

Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

Mã số : 62-58-60-01

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – 2015

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

Luận án được bảo vệ trước hội đồng chấm luận án cấp trường họp tại:

Trường Đại học Thủy lợi – 175 Tây Sơn – Đống Đa – Hà Nội

Vào hồi … giờ… ngày… tháng… năm…

Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Quốc gia

hoặc thư viện Đại học Thủy lợi - 175 Tây Sơn - Đống Đa - Hà Nội

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Phương pháp cố kết chân không được ứng dụng thành công trên thế giới

và Việt Nam bước đầu ứng dụng, bởi phương pháp này có những ưu điểm như: Thời gian thi công ngắn, tiết kiệm được vật liệu gia tải, công tác dỡ tải sau xử lý gọn, thi công không gây ô nhiễm môi trường, đặc biệt phù hợp khi xử lý nền trên diện rộng, dài

Việt Nam đã ứng dụng phương pháp này để xử lý nền cho một số công trình, với công nghệ và trang thiết bị do các đơn vị nước ngoài phụ trách Việc am hiểu, chủ động được công nghệ và xây dựng được mối quan hệ giữa các thông số của nền đất trong quá trình cố kết chân không cho một số loại đất yếu ở Việt Nam mang ý nghĩa thời sự và cần thiết Vì vậy đề tài

“Nghiên cứu ứng dụng phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu để xây dựng công trình” có ý nghĩa khoa học và thực tiễn to lớn

3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

- Đất yếu ven sông, ven biển khu Đình Vũ – Hải Phòng, Duyên Hải – Trà Vinh, Nhơn Trạch – Đồng Nai, Nhiệt điện Thái Bình – Thái Bình

- Các loại đất yếu khu vực khác có các chỉ tiêu cơ lý tương đồng

4 Nội dung nghiên cứu

(1) Nghiên cứu tổng quan về các giải pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu trên thế giới và ở Việt Nam Đánh giá tồn tại về kỹ thuật và chỉ ra vấn đề mà luận án tập trung giải quyết (2) Ứng dụng cơ sở lý thuyết, tính toán đưa ra các thông số của quá trình cố kết chân không cho loại đất yếu nghiên cứu để làm cơ sở đối chiếu, so sánh với kết quả thực nghiệm mô hình vật lý (MHVL) và hiện trường (3) Nghiên cứu lắp đặt, vận hành hệ thống, các thiết bị thí nghiệm để chủ động về công nghệ cố kết chân không (4) Nghiên cứu thực nghiệm về quy luật biến thiên áp lực nước lỗ rỗng

(ALNLR) và biến dạng của nền đất trong quá trình cố kết chân không bằng các MHVL Kết quả nghiên cứu được đối chiếu, so sánh với kết quả tính toán từ mô hình số để xem xét sự phù hợp của mô hình số tính toán (5) Để khẳng định sự hợp lý của mô hình số tiến hành tính toán, kiểm tra, so sánh với kết quả thực nghiệm của các công trình thực tế (6) Ứng dụng mô hình

số được chọn tính toán cho một số loại đất yếu, xây dựng mối quan hệ giữa chỉ số dẻo, độ cố kết, chiều dày nền đất yếu xử lý và thời gian cố kết khi xử

lý nền bằng phương pháp cố kết chân không

5 Phương pháp nghiên cứu

(1) Phương pháp tính toán, phân tích lý thuyết: Nghiên cứu bài toán cố kết chân không, nghiên cứu các nội dung liên quan đến việc giải bài toán cố kết chân không (2) Phương pháp thực nghiệm: Thí nghiệm MHVL để xác định quá trình biến thiên ALNLR và biến dạng tại các vị trí và độ sâu nghiên cứu trong quá trình cố kết chân không (3) Phương pháp thống kê:

Xử lý số liệu thí nghiệm, xử lý thống kê để xác lập các đường quan hệ giữa các yếu tố nghiên cứu (4) Phương pháp phần tử hữu hạn: Lựa chọn, sử dụng mô hình số để tính toán xây dựng mối quan hệ giữa các thông số của quá trình cố kết chân không (5) Phương pháp chuyên gia: Tổ chức hội thảo, báo cáo khoa học nhằm tổng hợp các ý kiến đóng góp của các chuyên gia, các nhà khoa học về lĩnh vực nghiên cứu

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

a) Ý nghĩa khoa học

Các nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cố kết chân không

ở Việt Nam còn ít, vì vậy kết quả nghiên cứu của luận án về quy luật biến đổi ALNLR và biến dạng lún, trong điều kiện đất yếu Việt Nam theo phương pháp này để làm cơ sở đưa ra các dự đoán khi xử lý nền đất yếu cho các công trình thực tế

Hiện nay chưa có phần mềm chuyên dụng nào ứng dụng cho bài toán cố kết chân không, vì vậy việc lựa chọn được phần tử hữu hạn phù hợp có ý nghĩa khoa học

Để có cơ sở đưa ra các dự đoán ban đầu về quá trình cố kết khi xử lý nền bằng phương pháp cố kết chân không, việc xây dựng được mối quan hệ giữa các thông số độ cố kết, thời gian cố kết, chỉ số dẻo và chiều dày nền đất yếu xử lý là cần thiết

3

b) Ý nghĩa thực tiễn

Với kết quả nghiên cứu xác định được quy luật biến thiên các thông số của nền đất, đồng thời xác lập được mối quan hệ của chúng khi xử lý nền đất yếu bằng phương pháp cố kết chân không, giúp cho các cán bộ địa kỹ thuật có được công cụ để đưa ra các dự đoán ban đầu về quá trình cố kết khi xử lý nền đất yếu theo phương pháp này

7 Những đóng góp mới của luận án

(1) Thiết lập và thí nghiệm MHVL cỡ lớn là mô hình đầu tiên ứng dụng phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu cho loại đất yếu ven biển được thực hiện tại phòng thí nghiệm Địa kỹ thuật, trường Đại học Thủy lợi

để nghiên cứu quá trình biến thiên ALNLR và biến dạng của nền đất tại các

vị trí và độ sâu nghiên cứu khác nhau

(2) Lựa chọn được bộ phần mềm phù hợp để tính toán cố kết chân không kết hợp gia tải cho cả bài toán trong phòng và hiện trường

(3) Xây dựng được các biểu đồ về mối quan hệ giữa chỉ số dẻo, độ cố kết, chiều dày nền đất yếu xử lý và thời gian cố kết khi xử lý nền đất yếu bằng phương pháp cố kết chân không

Chương 3: Mô hình tính cho bài toán cố kết chân không

Chương 4: Xây dựng mối quan hệ giữa các thông số của bài toán cố kết chân không

Kết luận và kiến nghị

Danh mục các tài liệu khoa học đã công bố

Danh mục các tài liệu tham khảo

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP CỐ KẾT CHÂN KHÔNG XỬ LÝ NỀN

ĐẤT YẾU VÀ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP

1.1 Nền đất yếu

Có rất nhiều quan niệm khác nhau về nền đất yếu, nhưng có thể tóm lại rằng, nền đất yếu là nền đất không thuận lợi cho việc xây dựng công trình Xây dựng công trình trên nền đất yếu đòi hỏi phải xử lý nền thật tốt để đảm bảo an toàn cho việc xây dựng và vận hành

1.2 Tổng quan về nghiên cứu và ứng dụng phương pháp cố kết chân không

1.2.1 Tình hình ứng dụng phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu trên thế giới

Phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu lần đầu tiên được giới thiệu vào năm 1952 bởi tiến sĩ W Kjellman, năm 1980 cố kết chân không được cải tiến bằng sự kết hợp với gia tải trước và bấc thấm Năm 1989, hãng xây dựng Menard (Pháp) lần đầu tiên áp dụng thành công sự cải tải tiến này, từ đó phương pháp này đã được ứng dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới Từ năm 1997 Công ty xây dựng Cofra của Hà Lan đã cải tiến

bỏ đi lớp màng bảo vệ thi công phức tạp và dễ bị hư hại, tuy nhiên phải đắp thêm gia tải để bù cho sự chênh lệch áp suất khí quyển bị gỡ bỏ đi Thi công theo phương pháp cố kết chân không, cơ bản có thể phân thành 2 loại chính là thi công có màng kín khí và không có màng kín khí

1.2.2 Tình hình nghiên cứu phương pháp cố kết chân không

Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng ảnh hưởng đến quá trình cố kết chân không, các yếu tố ảnh hưởng này được nhiều tác giả nghiên cứu từ các kết quả thực nghiệm trong phòng và hiện trường của các công trình thực tế Kết quả của các nghiên cứu này cũng đã chỉ ra rằng tùy thuộc vào loại đất, cấp

áp lực, loại bấc thấm, khoảng cách bấc thấm ảnh hưởng đến độ cố kết của nền Tuy nhiên ngoài các điều kiện trên tạo ra sự khác biệt của các kết quả nghiên cứu, hệ số cố kết theo phương ngang và mức độ xáo trộn quanh vùng bấc thấm là nhân tố chính ảnh hưởng đến quá trình cố kết dẫn đến sự khác biệt này

1.2.3 Tình hình nghiên cứu ứng dụng phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu ở Việt Nam

5 Phương pháp xử lý nền bằng cố kết chân không bước đầu được ứng dụng cho một số công trình ở Việt Nam Trên cơ sở của những kết quả ứng dụng cho thấy đây là một phương pháp mới, hiệu quả Tuy nhiên, đến nay việc thiết kế và thi công theo phương pháp này chủ yếu do các đơn vị nước ngoài nắm giữ, vì vậy cần có các nghiên cứu về bản chất của quá trình cố kết và nắm bắt được công nghệ thi công phù hợp với điều kiện địa chất và thực tiễn để có thể ứng dụng rộng rãi trong xử lý nền các công trình xây dựng ở Việt Nam

Các nghiên cứu về phương pháp cố kết chân không ở Việt Nam còn ít, các công trình nghiên cứu chủ yếu từ kết quả của các công trình xử lý hiện trường, chưa có các mô hình thực nghiệm trong phòng để nghiên cứu thông

số biến đổi ALNLR và biến dạng lún của nền, chưa có các mô hình số phù hợp để kiểm tra so sánh

1.3 Lý thuyết phương pháp cố kết chân không

1.3.1 Bài toán cố kết thấm

Bản chất của quá trình cố kết thấm là sự giảm hệ số rỗng của đất nền do nước trong đất được ép thoát ra ngoài bằng hiện tượng thấm, nhờ đó các hạt đất tì chặt trực tiếp lên nhau, gia cố được sự liên kết của cấu trúc đất

Nếu nguyên lý của phương pháp đầm nén cơ học bình thường sử dụng lực tác dụng của tải trọng để gia tăng ứng suất tổng từ đó tăng ứng suất hiệu quả, thì bản chất của cố kết chân không là giảm ứng suất dư trong lỗ rỗng,

từ đó tăng ứng suất hiệu quả mà không thay đổi ứng suất tổng (hình 1.12)

øng suÊt khi b¬m hót

øng suÊt hiÖu qu¶ khi kh«ng b¬m hót

øng suÊt tæng øng suÊt hiÖu qu¶ khi b¬m hót øng suÊt d- tr-íc khi b¬m hót

Khi kÕt hîp hót ch©n kh«ng

~100 kPa

Hình 1.12 Nguyên lý cố kết chân không

1.3.2 Phương trình vi phân cơ bản

Terzaghi cho rằng phương trình vi phân cơ bản của hiện tượng cố kết thấm có dạng:

2 2

z

u C t

u C z

u C t

u

r v

1

2 2 2

2

(1-2)

phương bán kính; u – áp lực nước lỗ rỗng dư

1.3.3 Các phương pháp giải bài toán cố kết thấm

Để giải bài toán cố kết thấm có phương pháp cố kết nén lún tương đương và phương pháp Barron – Terzaghi Các nhà khoa học đã giải lại bài toán của Barron – Terzaghi áp dụng cho bài toán cố kết chân không, trong

số đó có lời giải của đại học Wollongong

Giá trị trung bình ALNLR tại thời điểm t xác định bằng công thức 1-33:

 

2 2

m m

1 2 exp 1 2

1.4 Phương pháp dự báo lún

1.4.1 Phương pháp Asaoka

Theo phương pháp này, độ lún cuối cùng được dự báo dựa vào số liệu quan trắc thực tế Số liệu này có thể mô hình hóa gần đúng thành đường thẳng (hình 1.20)

Trong đó:

β - độ dốc của đường thẳng hồi quy mô phỏng chính xác nhất;

A - giao điểm kéo dài của đường thẳng mô phỏng với trục tung;

7

Sau khi xác định được đường

thẳng hồi quy mô phỏng, giá trị độ

lún cuối theo Asaoka tính bằng:

1.4.2 Phương pháp điểm uốn

Hệ số điểm uốn lý thuyết và thực nghiệm được xác định theo phương trình:

T d

Chương 2 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM PHƯƠNG PHÁP CỐ KẾT CHÂN KHÔNG XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ

2.1 Mục đích nghiên cứu

Mục đích của nghiên cứu thực nghiệm trong phòng là xác định quy luật biến thiên độ lún và ALNLR cho loại đất nghiên cứu tại các vị trí và độ sâu khác nhau trong quá trình cố kết chân không

2.2 Mụ hỡnh nghiờn cứu

2.2.1 Giới thiệu mụ hỡnh

Mụ hỡnh thớ nghiệm là MHVL được xõy dựng tại phũng thớ nghiệm Địa

kỹ thuật Trường Đại học Thủy lợi - Hà Nội Mụ hỡnh gồm khối hộp hỡnh chữ nhật cú kớch thước (2,0x1,0x1,2) m và cỏc thiết bị quan trắc ALNLR, biến dạng lỳn, hệ thống bơm chõn khụng…Sơ họa mụ hỡnh thớ nghiệm ở hỡnh 2.1

1

1 2 3 4 5

7

Máy bơm chân không

Đồng hồ đo lún Giá đỡ thiết bị Màng kín khí

8 9

10 4

Hỡnh 2.1 Sơ họa mụ hỡnh thớ nghiệm

MHVL mụ phỏng một khối đất của loại đất yếu nghiờn cứu Trong đú, bấc thấm loại CT-D910 cú kớch thước (100x4) mm được bố trớ với khoảng cỏch hiệu quả (1,0x1,0) m, cú chiều dài xuyờn suốt khối đất Cỏc Piezometer (PIE) quan trắc ALNLR được bố trớ ở cỏc độ sõu nghiờn cứu tại vị trớ cạnh bấc thấm và giữa hai bấc thấm, cỏc Tenxomet (TEN) quan trắc lỳn được bố trớ ở ngay trờn mặt tại vị trớ cạnh bấc thấm và giữa hai bấc thấm Lớp cỏt dày 0,2 m trờn mặt khối đất vừa cú nhiệm vụ tiờu thoỏt nước, vừa cú nhiệm vụ gia tải

Cỏc MHVL được xõy dựng cho trường hợp cú bấc thấm (MHVL1, MHVL2) và khụng cú bấc thấm (MHVL3) Sơ đồ bố trớ cỏc thiết bị quan trắc lỳn và ALNLR tại cỏc vị trớ nghiờn cứu ở cỏc MHVL thể hiện ở hỡnh 2.2, 2.3

và 2.4

Vải địa

Bấc thấm Bấc thấm

TEN 1-1 TEN 1-2

ống thu n-ớc

Màng kín khí Vải địa ống thu n-ớc

PIE 2-3

Màng kín khí Vải địa ống thu n-ớc

TEN 2-1 TEN 2-2

Màng kín khí Vải địa ống thu n-ớc Thiết bị đo lún

Màng kín khí Vải địa ống thu n-ớc

Màng kín khí Vải địa ống thu n-ớc Thiết bị đo lún

Hỡnh 2.4 Sơ đồ bố trớ thiết bị MHVL3

2.2.2 Mẫu đất thớ nghiệm

Đất thớ nghiệm được lấy tại khu ven biển Pvtex Đỡnh Vũ - Hải Phũng, mẫu đất thớ nghiệm được chế bị từ loại đất này, cú cỏc chỉ tiờu cơ lý tương đồng với loại đất cần nghiờn cứu là bựn sột pha nhẹ Để đỏnh giỏ hiệu quả của phương phỏp, trước khi thớ nghiệm lấy mẫu xỏc định cỏc chỉ tiờu cơ lý của đất

Sức chống cắt khụng thoỏt nước của đất theo độ sõu trước khi thớ nghiệm thể hiện ở hỡnh 2.7

2.2.3 Thiết bị thí nghiệm

Thiết bị thí nghiệm mô hình (hình

2.1) gồm: Hệ thống bơm tạo chân

không, đầu đo ALNLR (Piezometer),

đầu đọc số liệu (Datalogger), thiết bị đo

biến dạng, màng làm kín khí, bấc thấm,

hệ thống thu nước đấu nối với bấc thấm

và máy bơm Hầu hết các thiết bị này là

thiết bị được sử dụng cho các công trình

khi xử lý tại hiện trường

0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0

2.3 Quy trình thí nghiệm

(1) Chuẩn bị máng thí nghiệm hình hộp và chế bị mẫu (2) Xác định các chỉ tiêu cơ lý của đất trước khi thí nghiệm (3) Cắm bấc thấm (4) Lắp đặt thiết bị quan trắc ALNLR (5) Tạo lớp mặt thoát nước và lắp đặt hệ thống thu nước (6) Làm kín mô hình thí nghiệm (7) Lắp đặt các đồng hồ đo lún

và áp lực chân không (8) Kết nối và kích hoạt các đầu đo ALNLR (9) Kết nối hệ thống máy bơm và hoạt động mô hình

11

2.4 Kết quả thực nghiệm các MHVL

2.4.1 Kết quả thực nghiệm của MHVL1

Quan hệ giữa độ lún và thời gian của MHVL1 trong quá trình cố kết chân không thể hiện ở hình 2.21 Do điều kiện trang thiết bị nên trong MHVL1 chỉ tạo được áp lực chân không trong nền tối đa khoảng 36 kPa

Thêi gian (ngµy)

Hình 2.21 Quan hệ giữa độ lún thực nghiệm và thời gian của MHVL1

Kết quả từ hình 2.21 cho thấy, lún mặt phát triển khá nhanh trong ngày đầu gia tải Sau đó tốc độ lún giảm dần và gần như ổn định từ 16 ngày sau khi gia tải Độ lún tại vị trí giữa 2 bấc thấm nhỏ hơn so với độ lún cạnh bấc thấm, tuy nhiên sự chênh lệch này rất nhỏ

Để dự báo độ lún cuối cùng dựa trên số liệu thực nghiệm của MHVL1,

sử dụng phương pháp dự báo Asaoka Kết quả dự báo cho thấy sự phù hợp của phương pháp với sai số khá bé giữa độ lún dự báo và thực nghiệm tại vị trí cạnh bấc thấm và giữa 2 bấc thấm lần lượt là 0,9% và 0,7%

Quan hệ giữa ALNLR và thời gian của MHVL1 trong quá trình cố kết chân không thể hiện ở hình 2.24

Thêi gian (ngµy)

Từ hình 2.24 cho thấy, ALNLR ở các độ sâu nghiên cứu trong nền trước khi gia tải là ALNLR tĩnh ALNLR dư suy giảm khá nhanh trong ngày đầu gia tải, sau đó giảm dần và gần như ổn định sau 16 ngày sau khi gia tải Giá trị ALNLR dư tại vị trí cạnh bấc thấm lớn hơn vị trí giữa 2 bấc thấm trong ngày đầu gia tải, sau đó sự chênh lệch này nhỏ dần và có xu hướng tiệm cận nhau Càng gần mặt đất hơn thì ALNLR dư suy giảm nhiều hơn

Thêi gian (ngµy)

Hình 2.25 Quan hệ giữa độ lún thực nghiệm và thời gian của MHVL2

Hình 2.25 cho thấy, độ lún phát triển rất nhanh trong ngày đầu gia tải Sau đó tốc độ lún giảm dần và gần như ổn định sau 20 ngày gia tải Độ lún tại vị trí cạnh bấc thấm lớn hơn vị trí giữa 2 bấc thấm, tuy nhiên sự chênh lệch này rất bé

Kết quả sử dụng phương pháp Asaoka để dự báo độ lún cuối cùng đã cho thấy sự phù hợp của phương pháp này với sai số 10,3% và 11,6% tương ứng cho vị trí cạnh bấc thấm và giữa 2 bấc thấm

Quan hệ giữa ALNLR thực nghiệm và thời gian của MHVL2 trong quá trình cố kết chân không thể hiện ở hình 2.28

Thêi gian (ngµy)