Tiểu luận xử lý nền đất yếu ước tính độ lún của nền đắp được gia cố bằng bấc thấm ở sân bay quốc tế băng cốc 2

Qua đó cho thấy rằng kết luận về sự tác động của sự xáo động trong phân tích thoát nước một chiều cải thiện việc một cách đáng kể độ lún được dự đoán tại đường tâm của nền đắp.. Do sự ph

ƯỚC TÍNH ĐỘ LÚN CỦA NỀN ĐẮP ĐƯỢC GIA CỐ BẰNG BẤC THẤM Ở

SÂN BAY QUỐC TẾ BĂNG-CỐC II

B Indraratna & I W Redana

A S Balasubramaniam

1 NỘI DUNG BÀI BÁO

Tóm tắt: Nghiên cứu này mô tả việc ước tính độ lún có kể đến tác động của sự xáo động ở ba

nền đắp thử nghiệm trên nền đất yếu được gia cố bằng bấc thấm tại công trường sân bay quốc

tế Băng-Cốc II Trong quá trình phân tích, lời giải đối xứng trục cố điển cho bài toán cố kết theo phương đứng được quy đổi thành bài toán phân tích biến dạng phẳng 2D tương đương Qua đó cho thấy rằng kết luận về sự tác động của sự xáo động trong phân tích thoát nước một chiều cải thiện việc một cách đáng kể độ lún được dự đoán tại đường tâm của nền đắp

1.1 Giới thiệu

Trong hai thập kỷ qua, cọc cát và bấc thấm được sử dụng rộng rãi nhằm mục đích cải tạo nền đất yếu Lời giải cổ điển về thoát nước theo phương đứng được chứng minh tốt (Barron, 1948; Hansbo, 1981) và được sử dụng phổ biến trong việc dự đoán độ lún có sử dụng biện pháp tiêu thoát nước theo phương đứng Do sự phát triển của phương pháp phân tích phần tử hữu hạn biến dạng phẳng, nhiều mô hình với lời giải về biến dạng phẳng tương đương đã được giới thiệu (Cheung, 1991; Hird et al., 1992), Hird et al., 1992, đã mở rộng lời giải bài toán đối xứng trục thoát nước theo phương đứng có kể đến sự xáo động sang bài toán phân tích biến dạng phẳng 2D Indraratna and Redana (1997), tiếp nối Hird et al (1992) và Hansbo (1981), đã

mở rộng phương pháp phân tích biến dạng phẳng có đề cập một cách rõ ràng đến sự ảnh hưởng của việc xáo động xung quanh giếng cát, bấc thấm

Sự xuất hiện của vùng xáo động là không thể tránh khỏi trong quá trình thi công giếng cát, bấc thấm bằng dùi dẫn Barron (1948), đã đề xuất ý tưởng về việc giảm hệ số thấm tương đương để giảm hệ số cố kết tổng quát Hansbo (1979) đã giới thiệu vùng xáo động với hệ số giảm của hệ số thấm Trong nghiên cứu này, vùng xáo động xung quanh giếng cát, bấc thấm với hệ số chiết giảm về hệ số thấm được xác định cụ thể, chấp nhận phân tích biến dạng phẳng 2D Mô hình phân tích cùng với lý thuyết Cam-Clay được sử dụng để dự đoán độ lún và áp lực nước lỗ rỗng thặng dư dọc đường tâm của nền đắp

1.2 Mô hình biến dạng phẳng

Indraratna and Redana (1997) đã chỉ ra rằng nếu bán kính R của vùng ảnh hưởng của giếng cát, bấc thấm một chiều được lấy tương đương bằng bề rộng B trong biến dạng phẳng (Hình 1), thì tỷ số trong bài toán biến dạng phẳng quy đổi của hệ số thấm ngang trong vùng bị xáo động k'hp và hệ số thấm ngang trong vùng không bị xáo động khp có thể được xác định

bởi:

hp hp

2

'

k

k k

    



 

     

 





(1) với:

2

2

2

1

      

 2 s  2 2

b 1

2

'

hp z

Một nửa bề rộng thoát nước qui đổi bw và một nửa bề rộng của vùng xáo động bs trong

biến dạng phẳng được diễn đạt như sau:

2 w w

r b

2S





và

2 s s

r b 2S





(5) Nếu sự ảnh hưởng của vùng xáo động và sự kháng của giếng cát được bỏ qua, thì tỷ số giữa khp trong bài toán biến dạng phẳng và hệ số thấm xuyên tâm ngang kh trong bài toán đối

xứng trục được biểu diễn như sau:

 

hp

h

Nếu bỏ qua sự ảnh hưởng của sự kháng của giếng cát và bấc thấm và chỉ xét đến sự tác động của sự xáo động thì hệ số thấm trong vùng bị xáo động k'hp được cho như sau (Indraratna and Redana, 1997):

 

' hp

'

k





trong đó:

s

r - bán kính của vùng bị xáo động;

w

r - bán kính của giếng cát, bấc thấm;

s w

s r / r ;

w

n R / r ;

S – khoảng cách của giếng cát, bấc thấm;

B – bề rộng của phần tử đơn vị biến dạng phẳng (B = R);

h

k và '

h

k - hệ số thấm theo phương ngang bên ngoài và bên trong vùng bị xáo động;

Trong trường hợp sử dụng bấc thấm, đường kính thoát nước tương đương được định nghĩa như sau:

a b d

2





(8) trong đó, a – bề rộng bấc thấm và b – bề dày bấc thấm

Hình 1 Chuyển đổi từ phần tử đơn vị đối xứng trục (a) sang biến dạng phẳng (b) (Indraratna

and Redana, 1997)

1.3 Hiện trường thử nghiệm sân bay quốc tế Băng-Cốc II

Ba nền đắp thử nghiệm (TS1, TS2 và TS3) tại công trường sân bay quốc tế Băng-Cốc II cách Băng-Cốc 30 km về hướng đông Các đặc trưng của các lớp đất bao gồm các thông số Cam-Clay và lịch sử ứng suất hiện trường dưới nền đắp được trình bày trong Hình 2 Lớp đất bên trên là lớp đất sét phong hóa (dày 1.5 m) nằm trên lớp đất yếu dày 12 m Bên dưới lớp đất yếu là lớp sét cứng có độ sâu từ 20 ÷ 24 m so với bề mặt đất Trong các mùa ẩm, khu vực thường xuyên bị ngập lụt và nói chung lớp đất có độ ẩm rất cao

Ba nền đắp thử nghiệm TS1, TS2 và TS3 có kích thước mặt bằng là 40 m x 40 m với độ dốc mặt bên là 3:1 được xây dựng và gia cố bằng phương pháp có sử dụng bấc thấm Bấc thấm được cắm vào đất theo kiểu hình vuông với độ sâu là 12 m Có ba loại bấc thấm được sử dụng

đó là Flodrain (FD4-EX), Castle Board (CS1) và Mebra (MD-7007) Loại bấc thấm được sử dụng và khoảng cách bấc thấm được trình bày trong bảng bên dưới Các bấc thấm được cắm bằng dùi dẫn (125 x 45 mm) được ấn liên tục vào đất với tải trọng tĩnh để giảm khả năng xáo động

TS3 Mebra 100 mm x 3 mm 1.0 m

Hình 2 Hồ sơ địa chất, các thông số Cam-Clay và điều kiện ứng suất được sử dụng trong phân

tích số, sân bay quốc tế Băng-Cốc II, Thái Lan (theo Asian Institute of

Technology, 1995) Nền đắp được thi công trong 4 giai đoạn Tốc độ gia tải và lịch sử xây dựng của ba công trình đắp được thể hiện trong Hình 4a Tải trọng giai đoạn 1 tương đương với ứng suất theo phương đứng 18 kPa, sau giai đoạn 2 là 45 kPa, giai đoạn 3 là

54 kPa và giai đoạn 4 là 75 kPa Để duy trì sự ổn định của nền đắp TS1, một bờ đất rộng 5m

và cao 1.5 m được bổ sung, khi tải trọng gia tăng từ 45 kPa đến 54 kPa Áp lực nước lỗ rỗng

và độ lún được đo trong vòng hơn một năm Ứng xử của nền đất yếu được theo dõi thông qua bàn lún, nghiêng kế và hàng loạt các áp kế, kể cả các ống đứng mở, các áp kế chạy bằng khí nén và thủy lực kín

Ứng xử về lún của đất sét dưới tải trọng được phân tích bằng phương pháp phần tử hữu hạn, được mở rộng tử CRISP nguyên bản (Britto and Gunn, 1987), cùng với với mô hình Cam-Clay hiệu chỉnh (Roscoe and Burland, 1968) Một phân tích sâu hơn được tiến hành dựa trên nhiều chương trình con được phát triển bởi các tác giả Hình 3b thể hiện mô hình phần tử hữu hạn của nền đắp, được cấu tạo thành từ phần tử tam giác biến dạng tuyến tính có 3 nút áp lực

lỗ rỗng Do tính đối xứng, chỉ cần xét một nửa nền đắp là đủ Hệ số thấm theo phương đứng

v

k đo được của đất không bị xáo động được cho trong Hình 2, và biến dạng phẳng tương đương được chuyển đổi bằng biểu thức (6) và (7) trên mô hình của các tác giả Trong vùng xáo động, hệ số thấm theo phương ngang được lấy bằng hệ số thấm theo phương đứng và bên ngoài vùng xáo động, hệ số thấm theo phương ngang được lấy bằng 1.75 – 2 lần hệ số thấm theo phương đứng (Bergado et al., 1991; Indraratna and Redana 1998a) Bán kính tương đương của bấc thấm và bán kính của dùi dẫn (đối xứng trục) được quy đổi bằng biểu thức (8), lần lượt tương ứng với rw 0.03 m và rm 0.06 m Bán kính của vùng xáo động được lấy bằng 0.3 m, bằng khoảng 5 lần bán kính của dùi dẫn dựa trên các nghiên cứu về cố kết với quy mô lớn Kỹ thuật ước tính của sự mở rộng vùng xáo động được mô tả bởi Indraratna and Redana, (1998a)

Bề rộng vùng biến dạng phẳng tương đương của giếng cát, bấc thấm và vùng bị xáo động được xác định bởi biểu thức (5) Trong phân tích, thông số Cam-Clay λ được lấy gần với giá trị κ trong hai giai đoạn đầu gia tải, khi áp lực tiền cố kết chưa bị vượt qua Lớp đất sét được mô tả đặc điểm bởi điều kiện thoát nước chỉ ở biên trên, do sự hiện diện của lớp sét cứng bên dưới độ sâu 12 m

Kết quả phân tích biến dạng phẳng cùng với độ lún đo được được biểu diễn trong Hình 4 cho tất cả các nền đắp Sự phân tích dựa trên điều kiện thoát nước hoàn hảo (không có sự xáo động, tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng nhanh chóng) cho kết quả dự đoán lớn hơn so với độ lún đo được, nhưng khi kể đến sự xáo động có cải thiện đáng kể đến kết quả dự đoán Riêng đối với TS1 và TS3, sự tương thích tốt hơn khi hệ số thấm trong vùng xáo động k'hp được tăng nhẹ với

hệ số từ 2 đến 3 Kiến nghị rằng trên thực

tế hệ số thấm trong vùng bị xáo động có thể lớn hơn một ít so với giá trị đo được trong phòng thí nghiệm với các thiết bị cố kế tỷ lệ lớn (Indraratna and Redana, 1998a) Áp lực nước lỗ rỗng theo dự đoán và đo được dọc theo đường tim của nền đắp ở độ sâu 8 m bên dưới mặt đất được

so sánh trong Hình 5 Xu hướng diễn biến của sự gia tăng áp lực nước lỗ rỗng được dự đoán tốt trong giai đoạn 1 và 2, nhưng sau khi gia tải ở giai đoạn 3, kết quả dự đoán về áp lực nước

lỗ rỗng khá lớn so với kết quả đo được Một lần nữa khẳng định rằng điều kiện về sự xáo động của các phần tử cho sự dự đoán tốt hơn trong giai đoạn 4, khi hệ số thấm trong vùng bị xáo động được tăng nhẹ Như dự đoán, với điều kiện thoát nước hoàn hảo cho kết quả áp lực nước

lỗ rỗng thấp hơn so với thực tế Trong mô hình phần tử hữu hạn, việc tăng đột ngột áp lực nước lỗ rỗng tương ứng với đỉnh của giai đoạn gia tải không phải lúc nào cũng phản ánh bởi giá trị đo được Lý do là vì trong thực tế, tải áp vào chậm hơn và thỉnh thoảng không đều, do

đó áp lực nước lỗ rỗng tăng đột biến (như mô phỏng trong phân tích số) thường ít biểu hiện hơn

1.4 Kết luận

Trong bài nghiên cứu này, các đặc trưng của ba nền đắp thử nghiệm được gia cố theo phương pháp thoát nước theo phương đứng được khảo sát với phương pháp phân tích biến dạng phẳng Qua đó cho thấy rằng việc mô hình chi tiết với các ảnh hưởng của sự xáo động ở vùng lân cận của giếng cát, bấc thấm cải thiện kể cả độ lún và áp lực nước lỗ rỗng dự đoán trước một cách đáng kể Mô hình với điều kiện thoát nước hoàn hảo cho kết quả dự đoán lớn hơn so với độ lún quan trắc…

Hình 3 (a) Nền đắp điển hình với sự thoát nước theo chiều thẳng đứng; (b) Chia lưới của mô

hình phần tử hữu hạn trong vùng lân cận của bấc thấm

(Indraratna and Redana, 1998)

Hình 4 (a) Lịch sử gia tải; (b), (c) và (d) lần lượt là độ lún bề mặt tại đường tâm nền đắp

(TS1), (TS2) và (TS3), SBIA (Indraratna and Redana, 1998b)

2 ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT BÀI BÁO

2.1 Những đóng góp của bài báo

- Bài báo đưa ra được phương pháp chuyển đổi từ bài toán đối xứng trục sang bài toán biến dạng phẳng để từ đó có thể mô phỏng đầy đủ bài toán cần xét

- Cho thấy sự ảnh hưởng của vùng xáo động xung quanh giếng cát, bấc thấm mà cụ thể

đó là sự thay đổi hệ số thấm trong vùng bị xáo động, đến kết quả dự đoán về độ lún và áp lực nước lỗ rỗng

- Đưa ra kiến nghị về giải pháp khi xét tới sự xáo động đó là tăng hệ số thấm trong vùng

bị xáo động lên (2 – 3 lần) so với kết quả thí nghiệm trong phòng

2.2 Những điều cần bổ sung

- Nêu các thành phần trong các biểu thức chưa đầy đủ, cụ thể trong biểu thức (1) chưa nêu rõ ý nghĩa của các thông số như q , z và .w

- Chưa đề cập đến việc lấy bán kính của vùng bị xáo động khoảng 5 lần so với bán kính dùi dẫn

- Chưa đánh giá được về hiệu quả khi sử dụng các loại bấc thấm có tiết diện khác nhau cho 3 nền đắp thử nghiệm về phương diện độ lún và áp lực nước lỗ rỗng

MỤC LỤC

1.3 Hiện trường thử nghiệm sân bay quốc tế Băng-Cốc II 4