ỨNG DỤNG PLAXIS 2d TRONG PHÂN TÍCH ỨNG xử cố kết của nền đất yếu được GIA cố BẰNG TRỤ đất XI MĂNG dưới tải TRỌNG đất đắp (tt)

TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC MỞ TP.HCM – SỐ 55 (4) 2017 ỨNG DỤNG PLAXIS 2D TRONG PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỐ KẾT CỦA NỀN ĐẤT YẾU ĐƯỢC GIA CỐ BẰNG TRỤ ĐẤT-XI MĂNG DƯỚI TẢI TRỌNG ĐẤT ĐẮP TRẦN HỮU THIỆN Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc Gia TP.HCM - ththien.tayninh@gmail.com LÊ BÁ VINH Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc Gia TP.HCM - lebavinh@hcmut.edu.vn (Ngày nhận: 09/09/2016; Ngày nhận lại: 01/12/2016; Ngày duyệt đăng: 06/12/2016) TĨM TẮT Có nhiều nghiên cứu ứng xử đất yếu gia cố trụ đất-xi măng phương pháp gia cố phổ biến cho đất yếu Bài báo tiến hành khảo sát ứng xử cố kết đất yếu gia cố phương pháp tải trọng đất đắp thơng qua trường hợp mơ chương trình PLAXIS Kết cho thấy tăng tiết diện chiều dài trụ độ lún giảm tốc độ cố kết tăng nhanh tăng lên hệ số cố kết Chiều dày phần đất yếu khơng gia cố giảm độ lún giảm tốc độ cố kết tăng Từ đó, rút kết luận rằng, tiết diện trụ chiều dài trụ hai thông số quan trọng thiết kế đất đắp đất yếu gia cố trụ đất-xi măng việc điều chỉnh thời gian cố kết theo mong muốn Từ khóa: Độ cố kết; gia cố đất yếu; trụ đất-xi măng; tỷ số gia cố chiều sâu; tỷ số gia cố diện tích Application of 2D PLAXIS program in analyzing consolidation behavior of soil– cement column improved soft ground under embankment load ABSTRACT There have been much research on consolidation behavior of soil–cement column improved soft ground, a fairly popular soft soil improvement technique This article investigate the consolidation behavior of the composite ground under embankment load using simulated cases with PLAXIS program The results showed that when increasing the cross section as well as the length of the column, the settlement will decrease and the consolidation rate will speed up because of the increase in consolidation coefficient The more the thickness of unreinforced weak soil reduces, the more the settlement falls and the consolidation rate increases Thus, it can be concluded that the cross-section area and the length of the column are two key parameters in design of embankment on the soil–cement column improved soft ground for adjusting consolidation time as expected Keywords: Degree of consolidation; soft soil improvement; soil-cement column; depth improvement ratio; area improvement ratio Giới thiệu Phương pháp trộn bột hồ xi măng vào đất yếu để tạo trụ đất-xi măng sử dụng phổ biến để cải tạo đất yếu Đề tài thu hút nhiều quan tâm nhà nghiên cứu nhằm mục đích dự đốn ứng xử đất yếu gia cố trụ đất-xi măng Có hai vấn đề lớn liên quan đến đối tượng này, sức chịu tải biến dạng sau gia cố Nhiều nghiên cứu tiến hành khảo sát cường độ độ cứng tổng thể trụ đất-xi măng (Muntohar cộng sự, 2013; Harianto cộng sự, 2013; Horpibulsuk cộng sự, 2011; Miura cộng sự, 2011) Ngoài số kết nghiên cứu ứng xử cố kết KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ đất yếu gia cố trụ đất-xi măng công bố (Chai cộng sự, 2009; Chai cộng sự, 2010; Horpibulsuk cộng sự, 2012) Tuy nhiên, nghiên cứu ứng xử cố kết đất gia cố trụ đất-xi măng giới hạn, tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tốn thực tế Điều đóng vai trò quan trọng định đến tốc độ cố kết nền, qua ảnh hưởng đến thời gian kết thúc cố kết Do đó, báo nhằm mục đích khảo sát chế tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư độ lún cố kết sơ cấp ổn định đất yếu gia cố trụ đất-xi măng Để đạt mục tiêu này, trường hợp giả định đặt phân tích phương pháp phần tử hữu hạn, cụ thể chương trình PLAXIS Qua đó, đánh giá ảnh hưởng tỷ số gia cố diện tích as (as tỷ số diện tích tiết diện trụ đất-xi măng diện tích vùng gia cố trụ đó) tỷ số gia cố chiều sâu bs (bs tỷ số chiều dài trụ chiều sâu lớp đất yếu gia cố) đến độ lún ổn định tốc độ cố kết Ngoài ra, góp phần làm rõ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư đất yếu gia cố Các phân tích số chương trình Plaxis Hình Mơ hình tốn Ứng xử hỗn hợp (trước trụ bị phá hoại) khảo chương trình PLAXIS 2D thơng qua toán giả định Từ kết mô phỏng, loạt đối chiếu thực nhằm rút vai trò tỷ số gia cố diện tích (as) tỷ số gia cố chiều sâu (bs) đến ứng xử cố kết Đối với phần tử lưới toán, phần tử tam giác nút sử dụng cho phân tích tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng phần tử tam giác 15 nút dùng để phân tích ứng suất – biến dạng Mơ hình tốn gồm phần đất đắp (đất cát) có chiều cao 3.5 m, chiều rộng mặt 15.0 m, chiều rộng đáy 30.0 m; ngồi ra, có đệm cát dày 0.5 m, chiều dày lớp đất sét yếu 15.0 m, biên giả định thoát nước Thời gian thi công đất đắp 40 ngày Do toán đối xứng nên khảo sát phần bên phải tốn với mơ hình tốn biến dạng phẳng (Plane Strain Model) (xem Hình 1) Các trụ đất - xi măng mô vùng (clusters) với thông số đặc trưng riêng trụ Bề rộng b vùng (clusters) quy đổi theo nguyên tắc tương đương diện tích tiết diện theo biểu thức b   d /  4s  , với d s thông số Bảng TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC MỞ TP.HCM – SỐ 55 (4) 2017 Bảng Các thông số trụ đất - xi măng d L (m) (m) 0.5 4.0 0.05 0.27 2.00 1.0 4.0 0.20 0.27 2.00 1.0 10.0 0.20 0.67 2.00 1.0 15.0 0.20 1.00 2.00 Trường hợp as bs s (m) Bảng Thông số vật liệu Vật liệu Trụ đất-xi măng Đất cát Đất sét yếu Mơ hình Mohr-Coulomb Mohr-Coulomb Soft Soil Loại ứng xử Undrained Drained Undrained γunsat 14.00 17.00 16.00 kN/m3 γsat 14.00 20.00 18.00 kN/m3 kh 5.00E-06 3.43E-04 1.00E-07 m/min kv 5.00E-06 3.43E-04 1.00E-07 m/min E' 120,000 13,000 - kN/m2 λ* - - 0.0950 - κ * - - 0.0095 - ν 0.30 0.30 0.30 - c' 600.00 1.00 1.00 kN/m2 φ' 25.00 37.00 21.00 ° Có bốn trường hợp khảo sát Bảng 1, d đường kính trụ, L chiều dài trụ, s khoảng cách từ tâm đến tâm trụ Các trường hợp để khảo sát ảnh hưởng tỷ số gia cố diện tích as, trường hợp lại để kiểm tra tác động tỷ số gia cố chiều sâu bs Các thông số vật liệu liệt kê Bảng Mơ hình Soft Soil sử dụng cho đất sét yếu, mô hình Mohr-Coulomb sử dụng cho đất cát Do trụ đất-xi măng Đơn vị loại vật liệu có cường độ chịu nén vượt xa độ bền chịu kéo, nên mơ hình đàn hồi – dẻo lý tưởng Mohr-Coulomb sử dụng cho vật liệu Vì tính thấm đất yếu trụ đất-xi măng nên mơ với ứng xử khơng nước (undrained), đất cát mơ với ứng xử nước (drained) Hệ số thấm theo phương đứng ngang giả thiết Ngoài ra, tương tác trụ đất xung quanh trụ xem hồn tồn nên khơng cần sử dụng KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ phần tử tiếp xúc dọc theo trụ phân tích a Phân tích độ lún cố kết sơ cấp ổn định Một cách tổng quát, xem khối đất yếu bên đất đắp gồm hai phần: phần gia cố phần không gia cố Trụ đất-xi măng đất yếu làm tăng độ cứng tổng thể phần gia cố Khi thay đổi tiết diện trụ chiều dài trụ mơ-đun biến dạng khối gia cố Ecomp thay đổi theo Hình trình bày so sánh độ lún cố kết sơ cấp trường hợp Đối chiếu chi tiết trường hợp sau: Các trường hợp có chiều dài trụ đường kính trụ trường hợp lớn trường hợp 1, tức tỷ số gia cố diện tích as trường hợp lớn trường hợp Kết cho thấy rằng, trường hợp có độ lún bé với trường hợp Do đó, giá trị as tăng độ lún giảm Đối với trường hợp 2, có đường kính trụ chiều dài trụ khác Kết cho thấy ảnh hưởng tỷ số gia cố chiều sâu bs tương tự tỷ số gia cố diện tích as Ngồi cho thấy rằng, độ lún phần không gia cố bên trụ chủ yếu mơ-đun biến dạng nhỏ nhiều so với phần Điều thể rõ trường hợp so sánh với trường hợp lại Cụ thể, đất trụ xuyên qua toàn lớp đất yếu độ lún giảm nhiều so với trường hợp trụ treo Hình So sánh đường lún cố kết theo thời gian trường hợp TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC MỞ TP.HCM – SỐ 55 (4) 2017 b Phân tích tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư Hình Vị trí điểm khảo sát Sự tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư khía cạnh quan trọng vấn đề cố kết cơng tác gia cố đất qua đó, định đến tiến độ thi cơng dự án Để nhận thấy rõ ràng hơn, xét điểm đất yếu xung quanh cọc gần với trục đối xứng toán Trong đó, A, B, C D điểm gần đầu trụ, trụ, mũi trụ bên trụ (xem Hình 3), riêng trường hợp khơng có điểm D trường hợp mơ hình tốn đặt với trụ xuyên qua toàn chiều dày lớp đất yếu Từ Hình đến Hình 7, so sánh tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư điểm khảo sát cho trường hợp Khi từ A đến D tốc độ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư giảm dần, nghĩa tiêu tán diễn nhanh A, chậm B, C chậm D Kết rút cụ thể sau: Đối với trường hợp 2, tốc độ tiêu tán đẩy nhanh tăng giá trị tỷ số gia cố diện tích as Đối với trường hợp 2, 4, tốc độ tiêu tán đẩy nhanh tăng giá trị tỷ số gia cố diện tích bs Hơn nữa, tương tự xét độ lún cố kết sơ cấp ổn định, tốc độ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư nền, hay nói khác tốc độ cố kết, diễn biến nhanh hay chậm định chủ yếu phần không gia cố Tốc độ cố kết phụ thuộc vào hệ số cố kết cv Giá trị cv lớn tốc độ cố kết tăng Trong đó, cv tăng mô-đun biến dạng tăng lên KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ ( cv  kE /  w ) Như nói trên, phần gia cố có mơ-đun biến dạng lớn nhiều so với phần không gia cố Cho nên, tốc độ cố kết lớn nhiều so với phần khơng gia cố Điều thấy rõ từ Hình đến Hình 11, ghi nhận lại trạng thái áp lực nước lỗ rỗng thặng dư cuối giai đoạn cố kết Theo đó, áp lực nước lỗ rỗng thặng dư phần gia cố gần tiêu tán hồn tồn, phần khơng gia cố, q trình chưa kết thúc Qua cho thấy, tốc độ cố kết gia cố đẩy mạnh gia tăng hệ số cố kết cv , hệ số thấm trụ xấp xỉ chí bé nhiều lần so với đất yếu Kết trùng khớp với kết Chai (Chai cộng sự, 2015) Tóm lại, tốn này, chiều dày phần khơng gia cố nhỏ tốc độ cố kết nhanh Hình Sự tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư trường hợp Hình Sự tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư trường hợp TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC MỞ TP.HCM – SỐ 55 (4) 2017 Hình Sự tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư trường hợp Hình Sự tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư trường hợp Hình Trạng thái áp lực nước lỗ rỗng thặng dư cuối giai đoạn cố kết trường hợp 10 KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ Hình Trạng thái áp lực nước lỗ rỗng thặng dư cuối giai đoạn cố kết trường hợp Hình 10 Trạng thái áp lực nước lỗ rỗng thặng dư cuối giai đoạn cố kết trường hợp Hình 11 Trạng thái áp lực nước lỗ rỗng thặng dư cuối giai đoạn cố kết trường hợp TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC MỞ TP.HCM – SỐ 55 (4) 2017 Kết luận Bài báo trình bày mơ ứng xử cố kết đất yếu gia cố trụ đất-xi măng Qua phân tích, kết luận rút sau: Về độ lún cố kết sơ cấp ổn định, trụ đất-xi măng làm tăng cường độ cứng qua làm giảm độ lún cố kết sơ cấp Trong đó, độ lún phần khơng gia cố chủ yếu mơ-đun biến dạng phần không gia cố nhỏ nhiều so với phần gia cố Về tốc độ cố kết nền, hệ số cố kết phần gia cố tăng lên nhiều mô-đun biến dạng phần gia cố tăng cường trụ đất-xi măng Do đó, tốc độ 11 tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư phần gia cố nhanh nhiều so với phần không gia cố Dẫn đến tốc độ cố kết đất yếu định chủ yếu phần không gia cố Sự gia tăng tốc độ cố kết gia tăng hệ số cố kết cv , hệ số thấm trụ xấp xỉ chí bé nhiều lần so với hệ số thấm đất yếu Một cách đạt điều điều chỉnh hai thơng số: tỷ số gia cố diện tích as tỷ số gia cố chiều sâu bs Khi tăng hai thông số làm tăng độ cứng hỗn hợp qua làm tăng hệ số cố kết nền Tài liệu tham khảo Chai, J.C & Pongsivasathit, S (2010) A method for predicting consolidation settlements of floating column improved clayey subsoil Frontiers of Architecture and Civil Engineering in China, 4(2), 241–251 Chai, J.C., Miura, N., Kirekawa, T & Hino, T (2009) Settlement prediction for soft ground improved by columns Proceedings of Institute of Civil Engineers, 163(2), UK , 109–119 Chai, J.C., Shrestha, S., Hino, T., Ding, W.D., Kamo, Y & Carter, J (2015) 2D and 3D analyses of an embankment on clay improved by soil–cement columns Computers and Geotechnics, 68, 28–37 Harianto, T., Samang, L., Suprapti, A & Walenna, M.A (2013) Study of Compressive Strength Characteristics of Grouted Soil-Cement Column to Reinforce Road Embankment from Lateral Deformation 18th Southeast Asian Geotechnical & Inaugural AGSSEA Conference, Singapore Horpibulsuk, S., Chinkulkijniwat, A., Cholphatsorn, A., Suebsuk, J & Liu, M.D (2012) Consolidation behavior of soil–cement column improved ground Computers and Geotechnics, 43, 37–50 Horpibulsuk, S., Rachan, R., & Suddeepong, A (2011) Assessment of strength development in blended cement admixed Bangkok clay Construction and Building Materials, 25(4), 1521–1531 Miura, N., Horpibulsuk, S & Nagaraj, T.S (2011) Engineering behavior of cement stabilized clay at high water content Soils and Foundations, 41(5), 33–45 Muntohar, A.S., Rahman, M.E., Hashim, R & Islam, M.S (2013) A Numerical Study of Ground Improvement Technique Using Group of Soil-Column on Peat Science & Technology, 21(2), 625–634  ... ứng xử cố kết đất yếu gia cố trụ đất- xi măng Qua phân tích, kết luận rút sau: Về độ lún cố kết sơ cấp ổn định, trụ đất- xi măng làm tăng cường độ cứng qua làm giảm độ lún cố kết sơ cấp Trong đó,... đất yếu bên đất đắp gồm hai phần: phần gia cố phần không gia cố Trụ đất- xi măng đất yếu làm tăng độ cứng tổng thể phần gia cố Khi thay đổi tiết diện trụ chiều dài trụ mơ-đun biến dạng khối gia cố. .. THUẬT – CÔNG NGHỆ đất yếu gia cố trụ đất- xi măng công bố (Chai cộng sự, 2009; Chai cộng sự, 2010; Horpibulsuk cộng sự, 2012) Tuy nhiên, nghiên cứu ứng xử cố kết đất gia cố trụ đất- xi măng giới hạn,