Mô phỏng bài toán giếng cát xử lý nền đất yếu bằng bài toán phẳng tương đương

Mô phỏng bài toán giếng cát xử lý nền đất yếu bằng bài toán phẳng tương đương

MÔ PHỏNG BàI TOáN GIếNG CáT Xử Lý NềN ĐấT YếU THEO SƠ Đồ BàI TOáN PHẳNG TƯƠNG ĐƯƠNG

NGUYễN THị BíCH HạNH*NGUYễN HồNG NAM**

Simulation of sand drain problemfor soft soilimprovement/ treatment by usingthe equivalent plane model.

Abstract: Simulation of field sand problem by using equivalent plane sketchedmodel has been applied to a practical work by Hir and others,1992; Indraratnaand Redana 1997 Simulation result showed that using this method could saveoperation time, reduced stable land subsidence and residual pore water pressure.Studies on the parameters indicated that the deeper the sand drain the less stablethe subsidence and residual pore water pressure as well Also the distance betweenthe sand drains increased making increasing in stable subsidence and the impactof the drain's diameter is not reemarkable Also increasing in smear zone couldmake the pore water pressure go up( kx =10ky).

1 ĐặT VấN Đề

Khi xây dựng các công trình thuỷ lợi, giao thông cókích thước lớn như: cống, trạm bơm, đường, sân bay trênnền đất yếu thì việc xử lý nền móng là hết sức cần thiết.Trong những trường hợp như vậy, yêu cầu đặt ra khi thicông công trình là phải rút ngắn thời gian lún của nền đểsau khi hoàn thành việc xây dựng và đưa công trình vào sửdụng thì độ lún gây ra tiếp đó không vượt quá giới hạn cho

phép theo quy phạm thiết kế.

Giếng cát là một phương pháp đơn giản xử lý nềnnhưng đạt hiệu qủa về mặt kỹ thuật và kinh tế.

Đối với bài toán thiết kế giếng cát, hầu hết cácphương pháp tính hiện nay đều dựa vào lời giải bàitoán cố kết thấm của giếng đơn, nhờ các công thứckinh nghiệm (Barron, 1948; Hansbo, 1981) Tuynhiên, lời giải bài toán giếng đơn có hạn chế khixem xét một số vấn đề, ví dụ ảnh hưởng của chiềusâu giếng.

Để giải bài toán thực tế, phương pháp phần tử hữuhạn đang được sử dụng rộng rãi giải bài toán cố kếtthấm ghép đôi Tuy nhiên, lời giải bài toán hệ thốnggiếng không gian còn rất hạn chế, chủ yếu do thờigian tính toán dài Cách phân tích phổ biến hiện naytrên thế giới là chuyển bài toán không gian về bàitoán phẳng tương đương (Hird và nnk, 1992;

* Bộ môn Kỹ thuật công trình, Trường đại họcLâm nghiệp

Xuân Mai – Chương Mỹ - Hà Nội

Điện thoại: 0913533282

Email: hanh_dhln@yahoo.com.vn

** Bộ môn Địa kỹ thuật, Trường Đại học Thủy lợi

Indraratna và Redana, 1997) Tại Việt Nam, phântích bài toán giếng cát theo mô hình bài toán phẳngtương đương còn rất hạn chế (Trịnh Minh Thụ vànnk, 2006).

Mục đích của bài báo này chủ yếu đề cập đến việcmô phỏng bài toán giếng cát không gian theo sơ đồbài toán phẳng tương đương nói trên Ngoài ra, ảnhhưởng tham số như đường kính giếng, khoảng cáchgiếng, chiều sâu giếng, độ xáo trộn do quá trình thicông cũng được khảo sát chi tiết

2 BàI TOáN PHẳNG TƯƠNG ĐƯƠNG

Để giải bài toán thực tế, người ta thường chuyểnbài toán không gian đối xứng trục về bài toán phẳngtương đương, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn.Hird và nnk (1992), Indraratna và Redana (1997) đãphân tích bài toán biến dạng phẳng tương đương chogiếng đơn dựa trên lý thuyết của Hansbo (1981).

Độ cố kết trung bình theo phương ngang tại chiềusâu z trong trường hợp biến dạng phẳng được tínhnhư sau:

Trong đó:

điểm tính toán t;0

điểm ban đầu;

Thp: nhân tố thời gian đối với sự thoát nướcngang trong trường hợp biến dạng phẳng;

n  ;

rrs 

R là bán kính ảnh hưởng của giếng cát rw: bán kính giếng cát

rs: bán kính vùng xáo trộns: độ xáo trộn

qw: lưu lượng riêng của giếng;

z: độ sâu xem xét

H: chiều sâu giếng cát;

kh: hệ số thấm theo phương ngang của đất nền

ks: hệ số thấm của đất theo phương ngang trongvùng xáo trộn

mv: hệ số nén thể tích.

(w: trọng lượng riêng của nước.

Theo sơ đồ bài toán phẳng tương đương (Hình 1),có thể giả thiết tại cùng một thời điểm với cùng mộttải trọng tác dụng thì độ cố kết trung bình của đất

U =Uhp

Nếu bán kính ảnh hưởng của mỗi giếng cát (R)trong sơ đồ đối xứng trục bằng độ rộng (B) trong sơđồ biến dạng phẳng (Hình 1) ta có:

bw = rw; bs = rs.

giÕng c¸t

a, Sơ đồ đối xứng trục b, Sơ đồ biến dạng phẳng

Hình 1 Sơ đồ bài toán phẳng tương đương

(Indraratna và Redana, 1997)

Trong đó, bw là nửa chiều rộng của giếng cát; bs lànửa chiều rộng của vùng đất bị xáo trộn xung quanhgiếng Trường hợp nếu không xét sức cản của giếng,hệ số thấm trong vùng xáo trộn của đất xung quanhgiếng có thể được tính theo biểu thức sau (Hird vànnk, 1992):

(5)

Trường hợp không xét sức cản của giếng và sựxáo trộn của đất xung quanh giếng ta có côngthức đơn giản dưới đây (Hird và nnk, 1992)

Để tăng nhanh tốc độ cố kết của đất nền, phương ánxử lý nền bằng giếng cát đã được đề xuất và so sánh lựachọn Các giếng cát được bố trí theo sơ đồ lưới tam giácđều Các thông số thiết kế giếng cát được cho trong Bảng1

Bảng 1 Các thông số thiết kế giếng cát

6 Hệ số cố kết thấm theo phương ngang Cr = 2Cv = 0.016274 (cm2/s)

3.2 Mụ phỏng bài toỏn

Bài toỏn cố kết giếng cỏt xử lý nền đờ QuỏnTrường được mụ phỏng theo sơ đồ bài toỏn phẳngtương đương (Hird và nnk, 1992).

Hai trường hợp mụ phỏng được xem xột là: cụngtrỡnh đắp trờn nền đất chưa được xử lý và đắp trờnnền được xử lý bằng hệ thống giếng cỏt

Đối với trường hợp cụng trỡnh đắp trờn nền đượcxử lý bằng hệ thống giếng cỏt, sự xỏo trộn của giếngdo quỏ trỡnh thi cụng gõy ra cũng được xem xột

Chỳ ý rằng sức cản của giếng khụng được xemxột trong nghiờn cứu này.

Quỏ trỡnh đắp đờ được thực hiện theo từng giaiđoạn (Hỡnh 2, 3) Chiều cao đắp 3.5m, bề rộngmặt đường 10m và số lớp đất đắp là 4 lớp.

0100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 12000,0

Gđ 7Gđ 6

Gđ 5Gđ 4Gđ 3Gđ 2Gđ 1

Các giai đoạn thi côngNền đắp ch a đ ợc xử lý

Thời gian đắp (ngày)

Hỡnh 2 Sơ đồ cỏc giai đoạn thi cụng đờ

Gđ 7Gđ 8Gđ 6

Gđ 5Gđ 4

Gđ 3Gđ 2

Thời gian đắp (ngày)

Hỡnh 3 Sơ đồ cỏc giai đoạn thi cụng đờ

(trường hợp nền được xử lý bằng giếng cỏt)

Mụ hỡnh vật liệu Mohr-Coulomb được ỏp dụng đốivới đất nền, đất đắp và giếng cỏt Cỏc thụng số mụ hỡnhđối với đất nền và đất đắp được thể hiện trong Bảng 2(nền tự nhiờn) và Bảng 3 (nền được xử lý bằng giếngcỏt).

Hình 4 Lưới phần tử hữu hạn

(trường hợp nền tự nhiên)

Hình 5 Lưới phần tử hữu hạn

(trường hợp nền được xử lý bằng giếng cát)

Chú ý rằng vì không có số liệu thí nghiệm hệ sốthấm theo phương ngang kx nên có thể giả thiếtkx=2.5ky, trong đó ky là hệ số thấm theo phươngđứng Giả thiết góc nở ( = 0, hệ số Poisson ( = 0.35đối với đất nền và đất đắp.

Bảng 2.Chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất trong trường hợp chưa xử lý nền

((độ)

2 Đất nền 17.10 17.18 9.991x10-4 5.443x10-4 1033 6.8 7.17 0 0.35

Trong Bảng 3, hệ số thấm ngang kx (=khp)của lớp đất nền được xác định theo công thức (6)

3.3 Kết quả mô phỏng

So sánh kết quả tính toán độ lún ổn định, áplực nước lỗ rỗng lớn nhất và thời gian cố kết giữatrường hợp không xử lý nền và xử lý nền bằnggiếng cát được thể hiện trong Bảng 4.

Bảng 4 So sánh kết quả tính toán giữa 2 trường hợp (giaiđoạn đắp đến cao trình +3.5m)

Kết quả tính toán tại giai đoạn đắp đ ến caotrình +3.5m cho thấy: Trong trường hợp chưaxử lý nền, áp lực nước lỗ rỗng dư đạt giá trị lớnnhất 25.16 kPa tại điểm nằm ngay dưới đáycông trình (Hình 6) áp lực nước lỗ rỗng dư lớncó thể gây ảnh hưởng bất lợi đến sự ổn địnhcủa công trình Trong trường hợp nền đã đượcxử lý bằng giếng cát, giá trị áp lực nước lỗrỗng dư giảm xuống còn 15.84 kPa và vị trí củanó đã nằm xa đáy công trình nên sẽ ảnh hưởng

không nhiều đến sự ổn định của công trình(Hình 7) Mặt khác, Bảng 4 cho thấy so vớitrường hợp chưa xử lý nền, với Uy = 78 cm,t90 = 270 ngày thì rõ ràng phương án xử lý n ềnbằng giếng cát đã tiết kiệm thời gian thi côngcông trình rất nhiều Phương án xử lý nền bằnggiếng cát đã mang lại hiệu quả cao cho côngtrình.

Hình 6 Đường đẳng áp lực nước lỗ rỗng dư

(giai đoạn đắp đến cao trình +3.5m, trường hợpchưa xử lý nền)

Hình 7 Đường đẳng áp lực nước lỗ rỗng dư

(giai đoạn đắp đến cao trình +3.5m, trường hợp xửlý nền bằng giếng cát)

3.4 Nghiên cứu tham số

Lời giải bài toán giếng cát phụ thuộc rất lớn cácyếu tố như: sơ đồ bố trí giếng cát, kích thước giếngcát, đặc tính đất nền

Việc nghiên cứu tham số giúp lựa chọn các thông sốthiết kế giếng cát hiệu quả Từ đó có thể tìm đượcphương án thiết kế tối ưu, đặc biệt, khi số liệu thínghiệm thực tế không đầy đủ.

ảnh hưởng của các tham số như chiều sâu giếng,khoảng cách giếng và đường kính giếng đến độ lúncủa công trình được phân tích

ở đây giếng cát được bố trí theo sơ đồ lưới tamgiác đều, bỏ qua ảnh hưởng của sự xáo trộn và sứccản của giếng

3.4.1 ảnh hưởng của chiều sâu giếng

ảnh hưởng của chiều sâu giếng cát đối với độ lún củacông trình được phân tích bằng cách thay đổi chiều sâugiếng H = 5, 7, 10, 15m, trong khi không thay đổi các thôngsố khác (dw = 0.3m, L = 1.5m)

Kết quả phân tích cho thấy chiều sâu giếng tănglàm giảm độ lún, giảm thời gian cố kết của nền công

trình (Hình 8) và giảm sự gia tăng áp lực nước lỗrỗng (Nguyễn Thị Bích Hạnh, 2008) Các điểmnghiên cứu tính lún có toạ độ (0,-3.6m).

3.4.2 ảnh hưởng của khoảng cách giếng

ảnh hưởng của khoảng cách giếng cát đối với độ lúncủa nền được phân tích bằng cách thay đổi khoảng cáchgiữa các tim giếng L = 1.2, 2.0, 2.5m, trong khi khôngthay đổi các thông số khác (dw = 0.3m, H = 7m)

Kết quả phân tích cho thấy khi khoảng cách giếng cáttăng sẽ làm tăng độ lún ổn định của nền công trình Tuynhiên, chênh lệch độ lún giữa phương án L=1.2 m vàL=2.0m không đáng kể (Hình 9) Các điểm nghiên cứutính lún đối với các phương án L=1.2, 2.0 và 2.5m nằmtrên đường tim đê, có độ sâu tương ứng Z=-3.29, -3.57 và-3.01m.

H = 5m H = 7m H = 10m H = 15m

L = 1.2m L = 2.0m L = 2.5m

3.4.3 ảnh hưởng của đường kính giếng

ảnh hưởng của đường kính giếng cát đối với độ lúncủa nền được phân tích bằng cách thay đổi giá trị đườngkính giếng dw = 0.2, 0.3, 0.5m, trong khi không thay đổicác thông số khác (L = 1.5m, H = 7m) Các điểm nghiêncứu tính lún đối với các phương án dw=0.2, 0.3 và 0.5mnằm trên đường tim đê, có độ sâu tương ứng Z=-3.57, -3.01 và -3.29m Hình 10 cho thấy, nhìn chung sự thayđổi đường kính giếng ảnh hưởng không đáng kể đến độlún ổn định công trình.

3.5 Nghiên cứu ảnh hưởng xáo trộn của giếngdo quá trình thi công

Nghiên cứu ảnh hưởng xáo trộn của giếng đối vớiđộ lún của nền và sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng dưđược xét trong bài toán phẳng tương đương, áp dụngđối với công trình xử lý nền đê Quán Trường Chỉtiêu cơ lý của các lớp đất được lấy theo Bảng 3 Hệsố thấm trong vùng xáo trộn của đất xung quanhgiếng được tính theo công thức (5), bỏ qua sức cảncủa giếng.

Các thông số mô phỏng như sau:

L = 2.5m, H = 15m; dw = 0.3m; De = 1.05L =2.625m; n = De/dw = 8.75

Chú ý rằng vì không có số liệu thí nghiệm hệ sốthấm theo phương ngang nên ta giả thiết hai trường

hợp: kx=2.5ky= 1.361x10-3 (m/ngày) và kx=10ky=5.443x10-3 (m/ngày), trong đó ky là hệ số thấm theophương đứng (ky= 5.443x10-4 (m/ngày)

Để xét ảnh hưởng xáo trộn của giếng, ta thay đổigiá trị độ xáo trộn từ s = 1 (không xáo trộn) cho đếns= 4, 5, 6 trong khi giữ nguyên các thông số khác (L= 2.5m, H = 15m, dw = 0.3m)

Kết quả phân tích cho thấy khi kx=2.5ky, ảnhhưởng xáo trộn đối với sự gia tăng áp lực nước lỗrỗng là nhỏ (Hình 11) Tuy nhiên, khi kx = 10ky, độxáo trộn tăng làm tăng đáng kể áp lực nước lỗ rỗng(Hình 12), có thể gây bất lợi đến sự ổn định và thờigian thi công công trình

Kết quả phân tích sự xáo trộn của giếng nói trênphù hợp với kết quả của Redana & nnk (2000).

Mặt khác, ảnh hưởng của sự xáo trộn đến độ lúnổn định không lớn (Nguyễn Thị Bích Hạnh, 2008).

Hình10 So sánh độ lún ổn định giữa các phương ánđường kính giếng khác nhau

s = 1 s = 4 s = 5 s = 6

Thêi gian (ngµy)

Hình 11 So sánh biến thiên áp lực nước lỗ rỗng lớnnhất tại các giai đoạn đắp khi độ xáo trộn s =1, 4,

5, 6 (Trường hợp kx=2.5ky)

s = 1 s = 4 s = 5 s = 6

Thêi gian (ngµy)

Hình 12 So sánh biến thiên áp lực nước lỗ rỗng lớnnhất tại các giai đoạn đắp khi độ xáo trộn s =1, 4,

5, 6 (Trường hợp kx=10ky)

4 KếT LUậN

Mô phỏng bài toán giếng cát theo sơ đồ bài toánphẳng tương đương (Hird và nnk, 1992) được thựchiện đối với công trình thực tế xử lý nền đê QuánTrường Kết quả mô phỏng cho thấy: giải phápgiếng cát có thể rút ngắn thời gian thi công, giảm độlún ổn định, giảm sự gia tăng áp lực nước lỗ rỗng dưso với trường hợp công trình được đắp trên nềnkhông được gia cố.

Ngoài ra, nghiên cứu tham số về ảnh hưởng củachiều sâu, khoảng cách và đường kính giếng đến độlún của nền công trình, theo sơ đồ bài toán phẳngtương đương nói trên, cho thấy:

- Chiều sâu giếng cát tăng có thể làm giảm độ lúnổn định của nền, giảm sự gia tăng áp lực nước lỗrỗng và giảm thời gian thi công công trình;

- Khoảng cách giếng cát tăng có thể làm tăng độlún ổn định của nền; tuy nhiên, chênh lệch độ lúngiữa các phương án nghiên cứu là nhỏ;

- Đường kính giếng cát ảnh hưởng không lớn đếnđộ lún ổn định của nền công trình.

Nghiên cứu ảnh hưởng xáo trộn của giếng do quátrình thi công cho thấy: độ xáo trộn của giếng ảnhhưởng rõ rệt đến trị số áp lực nước lỗ rỗng khikx=10ky Khi có xáo trộn, áp lực nước lỗ rỗng tăngđáng kể, ảnh hưởng bất lợi đến sự ổn định công trìnhvà thời gian thi công công trình

TàI LIệU THAM KHảO

1 Công ty tư vấn và chuyển giao công nghệ thuỷlợi (2005) Hồ sơ thiết kế công trình chỉnh trị hạ lưusông Tắc-Quán Trường.

2 Nguyễn Thị Bích Hạnh (2008) Nghiên cứubiện pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc cát, Luận vănThạc sĩ kỹ thuật, Khoa Công trình, Trường Đại họcThuỷ lợi.

3 Trịnh Minh Thụ, Nguyễn Công Mẫn, HoàngViệt Hùng, Nguyễn Hồng Nam, Phạm Huy Dũng,Nguyễn Quang Tuấn (2006), Nghiên cứu thiết kế, đềxuất giải pháp thi công cọc cát xử lý nền đất yếu cáccông trình thủy lợi, Thuyết minh Đề tài nghiên cứukhoa học và phát triển công nghệ, Trường Đại họcThủy lợi Hà Nội.

4 Barron, R A (1948) Consolidation of grained soils by drain wells Proc ASCE, Paper No.2346, pp 718-742.

fine-5 Brinkgreve, R B J (2002) Plaxis 2D-Version8 Manual, Balkema.

6 Hansbo, S (1981) Consolidation of grained soils by prefabricated drains Proc 10th Int.Conf Soil Mech., Stockholm, Vol 3, Paper 12/22.pp 677-682.

fine-7 Hird, C C., Pyrah, I C., Russell, D (1992).Finite element modeling of vertical drains beneathembankments on soft ground Geotechnique, 42 (3),pp 499–511.

8 Indraratna, B., and Redana, I W (1997).Plane strain modeling of smear effects associatedwith vertical drains J Geotech Eng., ASCE, 123(5),pp.474 - 478.

9 Redana, I W., Indraratna, B., Salim, W.,Balasubramaniam, A S (2000) Modeling of thebehaviour of sand drains installed at a NavalDockyard, Thailand, Proceedings of CoastalGeotechnical Engineering in Practice, Nakase &Tsuchida (eds), Balkema, Rotterdam, pp 357 – 362.

Người phản biện: PGS.TS Nguyễn Hữu Thái