phương pháp bấc thấm

NGHIấN CU GII PHP X Lí NN T YU BNG THIT B THOT NC THNG NG PGS.TS Nguyn Hng Nam - HTL ThS Nguyn Hng Trng - Vin KHTL Vit Nam Túm tt: Nghiờn cu gii phỏp x lý nn t yu bng thit b thoỏt nc thng ng c thc hin da trờn mụ phng bi toỏn c kt thm theo phng phỏp phn t hu hn theo s bi toỏn phng, ú h s thm tng ng theo phng ng c tớnh t c kt trung bỡnh iu kin c kt mt trc (Chai v nnk, 2001) nh hng ca tham s nh chiu sõu, khong cỏch bc thm, h s thm ngang, xỏo trn v h s thm vựng xỏo trn i vi tc c kt l cú ý ngha ỏp dng i vi cụng trỡnh ng cao tc Cu Gi- Ninh Bỡnh Kt qu mụ phng cho thy tc c kt tng chiu sõu bc thm tng, khong cỏch bc thm gim, h s thm ngang ln, xỏo trn gim, h s thm vựng xỏo trn ln Tuy nhiờn, chiu sõu bc ln hn 15m thỡ nh hng núi trờn khụng ln; nh hng ny rừ nột hn t nn cú h s thm ngang ln so vi h s thm theo phng ng I T VN Khi thi cụng cỏc cụng trỡnh trờn nn t yu cn phi gii quyt bi toỏn c kt Trong khong thi gian hn 20 nm tr li õy, cỏc loi bc thm ch to sn (PVD) thay th gii phỏp ging cỏt ó v ang phỏt trin rng rói bi nhng u im ni tri ca nú nh sn phm ch to sn vi lng ln; cú th thi cụng c gii nhanh; thoỏt nc l rng tt hn; giỏ thnh r hn giỏ thnh ging cỏt Nghiờn cu gii phỏp x lý nn bng thit b thoỏt nc thng ng l phc vỡ hiu qu lm vic ca bc thm ph thuc nhiu tham s cú liờn quan n quỏ trỡnh thit k, thi cụng Tuy nhiờn, nghiờn cu ny cú ý ngha quan trng vỡ cú th la chn c cỏc tham s thit k ti u II KHI QUT V THIT B THOT NC THNG NG Thit b thoỏt nc thng ng, vớ d bc thm, thng cú b rng khong 1020cm, b dy t 35mm (Hỡnh 1) Lừi ca bc thm l mt bng cht cú nhiu rónh nh nc mao dn a lờn cao v v bc c ỏp lc ln V bc thm l lp vi a k thut, lp vi c ch to bng Polyeste khụng dt hay giy vt liu tng hp Nú l hng ro 28 vt lý phõn cỏch lũng dn ca dũng chy vi t bao quanh, v l b lc hn ch cỏt ht mn i vo lừi lm tc thit b ng kớnh tng ng ca bc thm cú dng di bng mng, dw, c xem nh ng kớnh ca bc thm hỡnh trũn cú cựng nng lc thoỏt nc hng tõm lý thuyt nh ca bc thm hỡnh di bng mng cú chiu rng a v chiu dy b (Hỡnh 1) Hỡnh cng cho thy mt s cụng thc tớnh dw bi mt s tỏc gi khỏc Cú th thy rng thi gian c kt l hm s ca bỡnh phng ng kớnh nh hng ca hỡnh tr t c thoỏt nc, De Khi b trớ cỏc bc thm theo mng hỡnh vuụng, De = 1,13S; b trớ theo mng hỡnh tam giỏc u, De = 1,05S, ú S l khong cỏch gia tim cỏc bc thm (Hỡnh 2) Do quỏ trỡnh thi cụng bc thm, vựng t xung quanh bc thm b xỏo trn ng kớnh ca vựng b xỏo trn, ds, c tớnh nh sau: ds = (2,5 3)d m (Jamiolkowski v nnk, 1991) ds = 2dm (Holtz v Holm, 1973; Akagi, 1977) ds = (1,5-3,0)dw (Hansbo, 1981, 1997) Trong ú, dm l ng kớnh ca vũng trũn cú din tớch bng din tớch mt ct ngang ca cn xuyờn cm bc thm Mt ct ngang dng bng Lừi Polypropylene dw=0,5(a+b) Rixner v nnk (1986) dw=0,5a+0,7b Long v Covo (1994) Vi lc a k thut dw=2(a+b)/ Hansbo (1979) Li ng dũng gi thit Pradhan v nnk (1993) Mt ct ngang trũn tung ng De Hỡnh ng kớnh tng ng ca bc thm ( Indraratna v nnk, 2005) III BI TON C KT BC THM i vi bc thm n, thoỏt nc hon ton, c kt trung bỡnh U l s kt hp ca c kt theo phng ngang, U h v c kt theo phng ng, U v (Carrillo, 1942): (1) U =1- (1- U h )(1- U v ) Barron (1948) v Hansbo (1981) ó xột nh hng ca xỏo trn v sc cn ca bc thm n li gii bi toỏn c kt ca bc n (Hỡnh 3), c kt theo phng ngang c tớnh nh sau: 8Th (2) U h exp Trong ú Th l nhõn t thi gian: C t Th = h ; De Ch l h s c kt theo phng ngang; D k d 2 k h ln e h ln s l qw d w ks dw Trong ú, kv, kh v ks ln lt l h s thm ca t nn theo phng ng, phng ngang v vựng b xỏo trn; qw l lu lng n v thoỏt nc ca bc thm (khi gradient bng 1) l l chiu di tớnh toỏn ca bc thm Cỏch xỏc nh chiu di tớnh toỏn l c th hin Hỡnh di õy Trong thc t, gim lng tớnh toỏn, ngi ta thng phõn tớch bi toỏn c kt ca nn c x lý bng bc thm theo s bi toỏn phng Khi ỏp dng bi toỏn phng, t c s tng ng v c kt trung bỡnh ca nn theo s phng vi s khụng gian, cn thay i cỏc iu kin hỡnh hc, vớ d thay i khong cỏch bc thm nhng gi nguyờn h s thm; hoc thay i e e De=1.05S De=1.13S Hỡnh ng kớnh nh hng ca bc thm theo cỏch b trớ li bc thm hỡnh tam giỏc u v hỡnh vuụng e e vt thoỏt nc mt bng Hỡnh S bi toỏn bc thm n (Hansbo, 2005) 29 H s thm nhng gi nguyờn khong cỏch bc thm; hoc thay i c hai (Hird v nnk, 1992; Indraratna v Redana, 1997) Hỡnh Xỏc nh chiu di tớnh toỏn bc thm cỏc iu kin thoỏt nc Mt cỏch n gin khỏc mụ phng s lm vic ca bc thm c xut bi Chai v nnk (2001) Theo ú, vỡ bc thm lm tng tớnh thm ca t theo phng ng nờn s hp lý nu xut mt giỏ tr h s thm theo phng ng m nú cú th xp x cho c hai nh hng thoỏt nc theo phng ng v thoỏt nc ngang ca t nn v phớa bc thm Cú th tớnh c h s thm tng ng theo phng ng (kve) t giỏ tr c kt trung bỡnh tng ng iu kin c kt hng 2,5l k h (3) k ve k v De2 k v IV Mễ PHNG BI TON X Lí NN BNG BC THM CHO CễNG TRèNH THC T 4.1 Gii thiu cụng trỡnh ng cao tc Cu Gi - Ninh Bỡnh cú chiu di 56 km Mt ct ngang cho ln xe, b rng mt ng 22m, ng cú di phõn cỏch gia, di dng xe khn cp, di an ton v l ng trng c Nghiờn cu mụ phng bi toỏn c kt nn ng uc tin hnh i vi on Km232+00238+00, ú nn ng p trờn lp t sột yu (lp 2), trng thỏi n chy 30 4.2 Mụ phng bi toỏn Mt ct tớnh toỏn c th hin Hỡnh Vỡ bi toỏn i xng nờn xột mt na bi toỏn vi na chiu rng nh 14m, chiu cao 4m, h s mỏi p m=2.0 t p bng cỏt v t nn c mụ phng theo mụ hỡnh Mohr-Coulomb vi cỏc giỏ tr thụng s mụ hỡnh c th hin Bng Chỳ ý rng vỡ khụng cú s liu thớ nghim h s thm ca cỏc lp t nn theo phng ngang kh nờn gi thit kh =2kv, ú kv l h s thm ca t nn theo phng ng Chỳ ý rng phm vi cm bc thm (lp s 2), h s thm ca t nn theo phng ng c tớnh i theo cụng thc (3), h s thm ngang c gi thit khụng i Mt lp vi a k thut gia cng c b trớ phớa trờn lp cỏt san nn tng n nh tng th cho mỏi p (Hỡnh 5) Bc thm x lý nn c b trớ theo mng li tam giỏc u vi khong cỏch S=1,2m, chiu sõu H=15m Kớch thc bc thm: a=10cm, b=0,4cm, dw=(a+b)/2=0,052m, De=1,05S=1,26m, n=De/dw=24,23 Phõn tớch bi toỏn c kt thm c thc hin theo phng phỏp phn t hu hn, s bi toỏn phng, s dng phn mm Plaxis, Version 8.2 (Brinkgreve, 2002) Li phn t hu hn bao gm cỏc phn t tam giỏc 15 im nỳt Bc thm c mụ phng bi cỏc phn t Drain thoỏt nc t Vi a k thut c mụ phng bi phn t Geogrid cú EA=2500 kN/m Mc nc ngm c ly ngang cao trỡnh mt t t nhiờn nh hng sc cn ca bc thm khụng c xem xột nghiờn cu ny Hai bi toỏn c phõn tớch l thi cụng ng p trờn nn thiờn nhiờn (khụng c x lý) v nn c x lý bng bc thm Hỡnh mụ t chi tit cỏc giai on p i vi hai bi toỏn núi trờn Chỳ ý rng i vi trng hp p trờn nn thiờn nhiờn, thi gian ch c kt phi mt khỏ di 730 ngy trc p t cao trỡnh +3,0m lờn n nh (+4,0m) Hỡnh Mụ phng bi toỏn cho trng hp: ng p trờn nn khụng x lý v nn x lý PVD Bng Cỏc giỏ tr thụng s mụ hỡnh Mohr-Coulomb i vi t p v t nn Lp t t p Lp Lp 6a Lp 6b w bh (kN/m3) (kN/m3) 17,0 19,5 17,5 17,61 18,0 19,25 16,5 19,0 kh (m/ngy) 1,0 4.10-4 4,49.10-2 0,173 kv (m/ngy) 1,0 2.10-4 2,24.10-2 0,086 4.3 Kt qu tớnh toỏn Kt qu tớnh toỏn ti giai on p cui cựng (G7, p t chiu cao 4m) c th hin cỏc Hỡnh n 11 Ti giai on ny, lỳn tớnh toỏn t giỏ tr ln nht l 1,28m (Hỡnh 7) v ỏp lc nc l rng d t giỏ tr 5,77 kN/m2 (Hỡnh 8) So sỏnh cỏc kt qu tớnh ỏp lc nc l rng d v tớnh lỳn trng hp khụng x lý nn v x lý nn bng bc thm c th hin ln lt cỏc Hỡnh v 10 Hỡnh cho thy giỏ tr ỏp lc nc l rng d ln nht nn PPmax ti cỏc giai on p khỏc Cú th thy rng nh hng ca bc thm m ỏp lc nc l rng d b tiờu E (kN/m2) 10000,0 1526,2 1951,0 7000,0 c (kN/m2) 1,0 6,4 6,9 1,0 () () 30,0 0,30 7,95 0,35 13,45 0,25 27,0 0,30 tan ỏng k Hỡnh 10 so sỏnh cỏc kt qu tớnh lỳn ti hai im trờn ng tim ng hai trng hp núi trờn, ú l im B (0, 45) ti b mt lp t yu s v im C (0,33,75) ti gia lp t yu s (xem Hỡnh 5) Hỡnh v 10 cho thy bc thm ó rỳt ngn ỏng k thi gian c kt v tiờu tỏn nhanh ỏp lc nc l rng d nn Hỡnh 11 cho thy h s an ton n nh trt mỏi p, c tớnh theo phng phỏp gim cng chng ct, tng lờn ỏng k trng hp x lý nn bng bc thm kt hp s dng lp vi a k thut phớa trờn gia c mỏi p 31 Hỡnh S cỏc giai on thi cụng p ng trờn nn thiờn nhiờn v nn c x lý bc thm Hỡnh ng ng chuyn v ng p n cao trỡnh thit k (Trng hp x lý nn) nn t yu ph thuc nhiu yu t nh: s b trớ (tam giỏc, hỡnh vuụng), chiu sõu, khong cỏch cm bc Cỏc yu t ny nh hng trc tip n c kt ca t nn, lỳn n nh ca nn, thi gian thi cụng Nghiờn cu tham s giỳp la chn cỏc thụng s thit k bc thm hiu qa, t ú cú th a phng ỏn thit k ti u c bit, vic nghiờn cu tham s cũn cú ý ngha rt ln cỏc s liu thớ nghim khụng y Di õy s xem xột nh hng ca cỏc tham s nh chiu sõu bc thm, khong cỏch bc thm, h s thm ngang, xỏo trn, h s thm vựng xỏo trn n lỳn v ỏp lc nc l rng 45 Không xử lý PPmax=41.393 kPa 40 35 PPmax (kPa) 30 25 20 15 Hỡnh ng ng ỏp lc nc l rng d p n cao trỡnh thit k (Trng hp x lý nn) 10 0 V NGHIấN CU THAM S Thit k ti u mt h thng bc thm x lý 32 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Thời gian (ngày) 5.1 nh hng ca chiu sõu bc thm Phõn tớch nh hng ca chiu sõu bc thm i vi c kt, lỳn ca nn c thc hin bng cỏch xột s thay i chiu sõu bc thm, H=5, 7, 10, 15, 20, 25m cỏc thụng s khỏc khụng thay i (dw=0,052m, kh/ks=5, kh/kv=2, ds/dw=2) Hỡnh 12 cho thy lỳn ca nn tng chiu sõu bc thm tng Hỡnh 13 cho thy ỏp lc nc l rng d ln nht nn gim chiu sõu bc thm tng 12 Xử lý PPmax=11.393 kPa 10 PPmax (kPa) 0 50 100 150 200 250 300 Thời gian (ngày) 0.0 Hỡnh So sỏnh ỏp lc nc l rng d ln nht trng hp khụng x lý v cú x lý nn -0.2 -0.3 0.0 Chưa xử lý Xử lý B (0,45) C(0,3.75) Độ lún (m) -0.2 B(0,45) C(0,33.75) -0.4 Độ lún (m) Độ lún điểm C (0,33.75) dw=0.052m, kh/ks=5, kh/kv=2, S=1.2m -0.1 Chú ý: Điểm B đỉnh lớp đất yếu số Điểm C lớp đất yếu số -0.6 H=5m H=7m H=10m H=15m H=20m H=25m -0.4 -0.5 -0.6 -0.7 -0.8 -0.8 -1.0 -0.9 -1.2 -1.0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 -1.4 Thời gian (ngày) -1.6 2000 4000 6000 8000 Hỡnh 12 nh hng ca chiu sõu bc thm i vi lỳn ca nn Thời gian (ngày) Hỡnh 10 So sỏnh lỳn theo thi gian trng hp khụng x lý v cú x lý nn 30 1.5 dw=0.052m, kh/ks=5, kh/kv=2, 25 ds/dw=2, S=1.2m PPmax (kPa) Hệ số an toàn ổn định FS FS=1.45 1.4 Không xử lý Có xử lý gia cường mái đắp 1.3 20 H=5m H=7m H=10m H=15m H=20m H=25m 15 10 1.2 1.1 FS=1.12 1.0 5000 10000 15000 20000 100 200 300 400 500 Thời gian (ngày) U (m) Hỡnh 11 So sỏnh h s n nh mỏi trng hp khụng x lý v cú x lý nn Hỡnh 13 nh hng ca chiu sõu bc thm i vi ỏp lc nc l rng d ln nht 33 0.0 Độ lún điẻm C (0,33.75) dw=0.052m, kh/ks=5, kh/kv=2, ds/dw=2, H=15m -0.1 -0.2 S=1.0m S=1.5m S=2.0m Độ lún (m) -0.3 -0.4 thay i giỏ tr h s thm ngang, kh=2kv, 5kv, v 10kv gi nguyờn cỏc thụng s khỏc Kt qu mụ phng cho thy t nn cú h s thm ngang ln thỡ ỏp lc nc l rng d nn tiờu tỏn nhanh (Hỡnh 16) 5.4 nh hng ca xỏo trn 12 dw=0.052m, k h/ks=5, ds/dw=2, H=15m, S=1.2m 10 kh=2kv PPmax (kPa) 5.2 nh hng ca khong cỏch bc thm nh hng ca khong cỏch bc thm i vi lỳn ca nn c phõn tớch bng cỏch thay i khong cỏch bc thm, S=1; 1,5; 2m gi nguyờn cỏc thụng s khỏc (dw=0,052m, kh/ks=5, kh/kv=2, ds/dw=2) Kt qu tớnh toỏn trờn Hỡnh 14 v 15 ln lt cho thy khong cỏch bc thm gim thỡ lỳn nn tng khụng ỏng k, nhiờn, ỏp lc nc l rng d tiờu tỏn nhanh -0.5 kh=5kv kh=10k v -0.6 -0.7 50 -0.8 100 150 200 250 300 Thời gian (ngày) -0.9 -1.0 50 100 150 200 250 Thời gian (ngày) Hỡnh 16 nh hng ca h s thm ngang i vi ỏp lc nc l rng d ln nht Hỡnh 14 nh hng ca khong cỏch bc thm i vi lỳn ca nn 14 dw=0.052m, kh/ks=5, kh/kv=2, H=15m, S=1.2m 12 14 12 ds/dw=2, H=15m PPmax(kPa) 10 S=1m S=1.5m S=2m ds=dw ds=2dw ds=3dw ds=5dw ds=7dw ds=10dw 10 PPmax (kPa) dw=0.052m, kh/ks=5, kh/kv=2, 4 50 100 150 200 250 300 Thời gian (ngày) 0 50 100 150 200 250 300 350 Thời gian (ngày) Hỡnh 15 nh hng ca khong cỏch bc thm i vi ỏp lc nc l rng d ln nht 5.3 nh hng ca h s thm ngang nh hng ca h s thm ngang kh i vi lỳn ca nn c phõn tớch bng cỏch 34 Hỡnh 17 nh hng ca xỏo trn thi cụng i vi ỏp lc nc l rng d ln nht nh hng xỏo trn thi cụng bc thm i vi lỳn ca nn v ỏp lc nc l rng d c xột vi cỏc giỏ tr xỏo trn ds/dw=2; 3; 5; 7; 10 gi khụng i cỏc giỏ tr khỏc, v so sỏnh vi trng hp khụng xỏo trn 5.5 nh hng ca h s thm vựng xỏo trn nh hng ca h s thm vựng xỏo trn i vi lỳn ca nn v ỏp lc nc l rng d c xột vi cỏc giỏ tr kh/ks=2; 3; 5; 7; 10 khụng thay i cỏc thụng s khỏc Hỡnh 18 cho thy kh/ks ln, tc l h s thm vựng xỏo trn nh thỡ ỏp lc nc l rng d nn ln VI KT LUN Phng phỏp x lý nn bng thit b thoỏt nc thng ng kt hp vi a k thut gia c mỏi p cú th lm tng tc lỳn, tng n nh tng th v y nhanh tin xõy dng Nghiờn cu bi toỏn thc t x lý nn t yu bng bc thm ti cụng trỡnh ng cao tc Cu Gi-Ninh Bỡnh, on Km232+00238+00, bng phng phỏp phn t hu hn cho thy nh hng rừ rt ca bc thm n tc c kt ca nn (Nguyn Hng Trng, 2010) Nghiờn cu nh hng riờng r ca cỏc tham s nh chiu sõu bc thm (H=5; 7; 10; 15; 20; 25m), khong cỏch bc thm (S=1; 1,2; 1,5; 2m), h s thm ngang (kh=2kv; 5kv; v 10kv), xỏo trn (ds/dw=2; 3; 5; 7; 10) v h s thm vựng xỏo trn (kh/ks=2; 3; 5; 7; 10) i vi cụng trỡnh núi trờn cho thy: Khi chiu sõu bc thm tng, tc c kt tng Tuy nhiờn, chiu sõu bc ln hn 15m thỡ tc c kt tng khụng ln Khi chiu sõu bc thm nh hn 15m, nh hng ca vic gim khong cỏch bc thm n tng tc c kt nn l ỏng k t nn cú h s thm ngang ln thỡ tc c kt nhanh xỏo trn vic thi cụng bc thm lm tng ỏp lc nc l rng d nn H s thm vựng xỏo trn ln lm tiờu tỏn nhanh ỏp lc nc l rng d nn nh hng ny rừ nột hn t nn cú h s thm ngang ln so vi h s thm ng Cỏc kt qu mụ phng nghiờn cu hin ti cn c so sỏnh vi cỏc kt qu o c hin trng kim chng tớnh chớnh xỏc ca ca kt qu phõn tớch 14 dw=0.052m, ds/dw=2, kh/kv=2, H=15m, S=1.2m 12 kh=2ks 10 PPmax (kPa) (ds/dw=1) Hỡnh 17 cho thy xỏo trn nh thỡ ỏp lc nc l rng nn cú tr s nh v tiờu tỏn nhanh hn Cỏc kt qu tớnh ỏp lc nc l rng d trng hp xỏo trn u cho thy giỏ tr ln hn giỏ tr tng ng trng hp khụng xỏo trn kh=3ks kh=5ks kh=7ks kh=10ks 0 50 100 150 200 250 300 Thời gian (ngày) Hỡnh 18 nh hng ca h s thm vựng xỏo trn i vi ỏp lc nc l rng d ln nht TI LIU THAM KHO 1) Barron, R.A (1948) Consolidation of fine-grained soils by drain wells Trans ASCE, 113 (Paper 2346), pp 718-742 2) Brinkgreve, R B J (2002) Plaxis 2D-Version Manual, Balkema 3) Carrillo, N (1942) Simple two and three dimensional cases in the theory of consolidation of soils J Math and Phys., Vol 21, No.1, pp.1-5 4) Chai J-C., Shen S-L., Miura N and Bergado, D.T (2001) Simple Method of Modeling PVD- Improved Subsoil, J Geot and geoenvir eng., Vol 127, No.11, pp 965-972 35 5) Hansbo S (2005) Experience of Consolidation Process from Test Areas with and without Vertical Drains, In Ground improvement case histories, ed by Indraratna B and Chu J., Elsevier 6) Hansbo S (1981) Consolidation of fine-gianed soils by prefabricated drains Proc 10th Int Conf Soil Mech., Stockholm, Vol 3, Paper 12/22 pp 677-682 7) Hird, C.C., Pyrah, I.C., Russell, D (1992) Finite element modeling of vertical drains beneath embankments on soft ground Geotechnique, Vol 42 No.3, pp 499511 8) Indraratna B et al (2005) Theoretical and Numerical Prespectives and Field Observations for the Design and Performance Evaluation of Embankments Contructed on Soft Marine Clay, In Ground improvement case histories, ed by Indraratna B and Chu J., Elsevier 9) Indraratna, B., and Redana, I W (1997) Plane strain modeling of smear effects associated with vertical drains J Geotech Eng., ASCE, 123(5), pp.474 - 478 Nguyn Hng Trng (2010) Nghiờn cu gii phỏp x lý nn t yu bng thit b thoỏt nc thng ng, Lun thc s k thut, i hc Thy li Abstract: STUDY ON THE TREATMENT METHOD OF SOFT SOIL GROUND BY PREFABRICATED VERTICAL DRAIN Assoc Prof Dr Nguyen Hong Nam, Water Resources University Me Nguyen Hong Truong, Vietnam Academy for Water Resources Study on the treatment method for soft soil ground by prefabricated vertical drain (PVD) was implemented based on the modeling of consolidating problems by finite element method with plane strain analysis, in which the equivalent value of vertical hydraulic conductivity was derived based on the equal average degree of consolidation under the 1D condition (Chai et al., 2001) Effects of parameters such as PVD's depth, distance, horizontal hydraulic conductivity of soils, smear, and hydraulic conductivity of the smeared soil were found significant when applicable for a case study of Cau Gie-Ninh Binh highway project The simulation results showed that the degree of consolidation increased when the PVD depth increased, PVD distance decreased, horizontal hydraulic conductivity increased, the smear reduced, and the hydraulic conductivity of the smeared soil decreased However, when the PVD depth was greater than 15m, the effect was found not significant The effect was more obvious when the value of horizontal hydraulic conductivity was greater than that of the vertical one 36