Phân tích xác suất các thông số đất nền để dự báo thời gian cố kết trong xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm

Bài viết trình bày phương pháp phân tích khả năng xác định các thông số đất với mục đích thiết kế cống dọc và kết quả của ứng dụng để điều trị đất yếu tại xử lý khí Cà Mau.

PHÂN TÍCH XÁC SUẤT CÁC TH SỐ ĐẤT NỀN ĐỂ DỰ BÁO THỜI GI N CỐ KẾT TRONG XỬ Ý NỀN ĐẤT YẾU BẰNG BẤC THẤ PHẠM QUANG TÚ* NGUYỄN VĂN TUẤN** Determining soil parameters by probability analysis for vertical drain design Abstract: The paper presents the probability analysis method of determining soil parameters for the purpose of vertical drain design and the results of application for soft soil treatment at Ca Mau Gas Processing Plant The consolidation time from the probability analysis method is greater than from standard method, concretly 1.29 time for the calculated case The parameter the most influent on the prediction results is vertical consolidation coefficient Cv GIỚI THIỆU * Trong công tác xử lý đất yếu việc dự báo xác thời gian cố kết với độ cố kết yêu cầu vô quan trọng Nếu thời gian cố kết thực tế thấp dự báo việc xử lý khơng cần thiết, lãng phí kinh tế, ảnh hƣởng đến tiến độ tổng thể dự án Sẽ có nhiều tình phiền phức nảy sinh thời gian cố kết dự báo thấp thực tế nhƣ thêm biện pháp xử lý để đạt độ cố kết yêu cầu chấp nhận bị phạt không đạt thời gian hoàn thành Do vấn đề đặt tìm cách tính tốn thời gian cố kết sát với với thực tế cần thiết, có ý nghĩa thực tiễn ý nghĩa khoa học Nhiều mơ hình tính tốn đƣợc đƣa (Terzaghi ,1925 13; Barron,1948 10) Sự xác kết tính tốn phụ thuộc vào:  Độ xác độ tin cậy tham số đất thu đƣợc từ thí nghiệm trƣờng phòng;  Sự đắn mơ hình tính tốn;  Hiệu biện pháp xử lý đất * ** 46 Đại học Thủy lợi Hà Nội Email: phamquangtu@wru.vn Đại học Công nghiệp Quảng Ninh Các yếu tố nêu gọi yếu tố không chắn (bất định) Những yếu tố bất định toán địa kỹ thuật đƣợc nhiều tác giả giới đề cập nhƣ Terzaghi(1960); Peck (1969); Casagrande (1965); Whitman, 1984, 2000; Kulhawy, 1992; Paté-Cornell, 1996; Vrijling van Gelder, 1998, 2005; van Gelder, 2000; Vrouwenvelder Calle,2003; Baecher Christian,2005; Fenton Griffiths, 2008; Phoon, 2008; Kanning,2012;) Ở nƣớc ta, lý thuyết thiết kế ngẫu nhiên (các thông số đầu vào bất định) đƣợc nhà khoa học tiếp thu từ nƣớc Liên Xô cũ Đông Âu từ lâu nhƣng dừng lại lý thuyết ứng dụng hẹp số lĩnh vực Khoảng 10 năm gần đây, nhà nghiên cứu thuộc lĩnh vực tài nguyên nƣớc, kỹ thuật biển,…đã phát triển mạnh lý thuyết ứng dụng lĩnh vực sở hợp tác nghiên cứu, đào tạo với nƣớc Tây-Bắc Âu (Hà Lan, Đức, Anh, Na Uy,…) 3, 4 Trong địa kỹ thuật cơng trình nghiên cứu tác giả Trịnh Minh Thụ, Phạm Quang Tú, 20105 Phạm Quang Tú, 20146 ứng dụng lý thuyết để giải số toán cụ thể Tuy nhiên việc nghiên cứu ứng dụng địa kỹ ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016 thuật chƣa nhiều Trong báo này, tác giả tập trung so sánh ƣu điểm thiết kế theo lý thuyết ngẫu nhiên truyền thống (phƣơng pháp tất định) thông qua toán dự báo thời gian cố kết xử lý đất yếu bấc thấm, đồng thời tham số có ảnh hƣởng lớn tới kết tính tốn LÝ THUYẾT CỐ KẾT THẤM 2.1 Lý thuyết cố kết thấm hƣớng Terzaghi Lý thuyết cố kết thấm hƣớng Terzaghi, 1925 13 lý thuyết toán cố kết đƣợc áp dụng rộng rãi để tính toán tốc độ nén đất tốc độ tiêu tán áp lực nƣớc lỗ rỗng cho loại đất có hệ số thấm nhỏ Phƣơng trình cố kết thấm hƣớng Terzaghi: Trong đó: Cv – hệ số cố kết theo phƣơng đứng đất yếu (m2/ngày) kv – hệ số thấm theo phƣơng đứng đất yếu (m/ngày) a – hệ số nén lún đất yếu (m2/kN) 0 – hệ số rỗng tự nhiên n – trọng lƣợng riêng nƣớc (10kN/m3) Lời giải phƣơng trình (1) viết thơng qua độ cố kết trung bình thẳng đứng U v lớp đất là: Cv – hệ số cố kết theo phƣơng đứng đất yếu (m2/ngày) t – thời gian (ngày) Hdr – chiều dài đƣờng thoát nƣớc lớn (m) Tv – nhân tố thời gian, khơng thứ ngun Tính tốn độ cố kết trung bình theo phƣơng thẳng đứng lớp đất với thời gian t theo công thức (3) Để tiện lợi tính tốn Casagrande,1938 Taylor,1948 cung cấp cách tính tốn gần sau đây: a) Khi Uv 60% 22 ý ế cố kế ấm n an (x ên âm) Ba on (1948) Để rút ngắn thời gian cố kết, số biện pháp xử lý đƣợc áp dụng nhƣ xử lý bấc thấm, cọc cát,…Trong đó, hệ thống thoát nƣớc thẳng đứng đƣợc tạo với nguyên lý rút ngắn chiều dài đƣờng thoát nƣớc lỗ rỗng lớp đất có hệ số thấm nhỏ tới bề mặt tự (Hình 1) Trong đó: C m – hệ số không thứ nguyên ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016 Hình1 Vật nư c thẳng đứng đường nư c ngang 47 Barron, 1948 10 nghiên cứu tốn cố kết trƣờng hợp có vật nƣớc thẳng đứng Ơng giả thiết có nƣớc ngang phƣơng trình vi phân cố kết là: u u 2 u t r r2 Trong đó: Ch – hệ số cố kết theo phƣơng ngang đất yếu (m2/ngày) u – áp lực nƣớc lỗ rỗng trung bình điểm với thời gian t (kN) t – thời gian sau gia tăng tức thời ứng suất tổng thẳng đứng (ngày) r – bán kính khoảng cách từ điểm xét tới trung tâm trụ đất thoát nƣớc (m) Độ cố kết trung bình theo phƣơng ngang lớp đất với thời gian t đƣợc tính theo cơng thức sau (TCVN 9355, 2013) 2: Trong đó: Th - nhân tố thời gian theo phƣơng ngang F(n) – nhân tố xét tới ảnh hƣởng khoảng cách bố trí bấc thấm Fs – nhân tố xét đến ảnh hƣởng xáo động Fr – nhân tố xét đến sức cản bấc thấm Nhân tố thời gian theo phƣơng ngang theo công thức sau: Trong đó: D – đƣờng kính ảnh hƣởng bấc thấm (m) Nếu bố trí bấc thấm theo kiểu vng, D = 1,13L Nếu bố trí bấc thấm theo kiểu tam giác, D = 1,05L L khoảng cách tim bấc thấm (m) Nhân tố xét đến ảnh hƣởng khoảng cách bố trí bấc thấm xác định theo công thức sau: 48 Ở đây: dw – đƣờng kính tƣơng đƣơng bấc thấm (m) a, b – tƣơng ứng chiều dày chiều rộng bấc thấm (m) Nhân tố xét đến ảnh hƣởng xáo động đất đóng bấc thấm xác định theo cơng thức sau: Trong đó: kh – hệ số thấm theo phƣơng ngang đất yếu chƣa đóng bấc thấm (m/ngày) ks – hệ số thấm theo phƣơng ngang đất yếu sau đóng bấc thấm (m/ngày) ds – đƣờng kính tƣơng đƣơng vùng đất bị xáo động xung quanh bấc thấm (m) Thực tế thƣờng dùng: Nhân tố xét đến sức cản bấc thấm tính tốn qua cơng thức sau: Trong đó: H – chiều dài tính tốn bấc thấm (m) Nếu có mặt nƣớc phía H chiều sâu đóng bấc thấm, có hai mặt nƣớc (cả dƣới) lấy H nửa chiều sâu đóng bấc thấm kh – hệ số thấm đất theo phƣơng ngang đất yếu chƣa đóng bấc thấm (m/s) qw – khả thoát nƣớc bấc thấm tƣơng đƣơng với gradient thủy lực 1, lấy ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016 theo chứng xuất xƣởng bấc thấm, tính m3/s Thực tế tính tốn lấy tỉ số kh/qw: kh/qw = 0,000 01  0,001m-2 đất yếu loại sét sét pha kh/qw = 0,001  0,01m-2 than bùn kh/qw = 0,01  0,1m-2 bùn cát 2.3 Phƣơng pháp Barron – Tezaghi Carillo, 1942 11 phát triển phƣơng pháp kết hợp độ cố kết theo phƣơng ngang thẳng đứng để thu đƣợc độ cố kết tổng: đó: U – độ cố kết tổng trung bình lớp đất yếu sau thời gian xử lý t Uv - độ cố kết trung bình theo phƣơng đứng lớp đất yếu sau thời gian xử lý t Uv - độ cố kết trung bình theo phƣơng ngang lớp đất yếu sau thời gian xử lý t Tổng quan Nhà máy xử lý Khí Cà Mau 3.1 Điều kiện địa chất Mặt cắt địa chất điển hình khu vực đƣợc thể hình Hình2 Mặt cắt địa chất điển hình khu vực nghiên cứu ([7] ) Theo báo cáo khảo sát địa chất cho giai đoạn thiết kế sở (BB.G -VSP-PVE-SV-60PLREP-001) [7] Báo cáo khảo sát địa hình địa chất dự án nhà máy xử lý Khí Cà Mau Tổng Cơng ty tƣ vấn thiết kế dầu khí thực vào tháng 12/2014 giai đoạn thiết kế kỹ thuật [8], khu vực có mặt tầng đất yếu sét hữu dẻo cao, đôi chỗ xen kẹp cát, màu xám nâu, xám xanh, xám đen, trạng thái dẻo chảy phân bố tới độ sâu từ 17-18m tính từ mặt đất tự nhiên, trạng thái cố kết thƣờng Yê cầ kỹ ậ côn ác xử lý Bảng Yêu cầu kỹ thuật công tác xử lý (theo [9]) STT Thông số Tiến độ xử lý (ngày) Độ cố kết dƣới tải Khu vực bồn bể khu vực kỹ Khu vực đƣờng Các khu vực phụ thuật trạm xử lý khí nội trợ 180 180 180 > 90% > 90% > 90% trọng khai thác ( ) 3.3 Khoảng cách chiều sâu bấc thấm Khoảng cách bấc thấm đƣợc thiết kế 1,0mx1,0 m bố trí theo lƣới hình vng Bấc thấm đƣợc thiết kế cắm hết lớp 1, chiều ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016 sâu từ mặt đất tự nhiên trung bình xấp xỉ 17,0 m, từ mặt đất sau san lấp 19,0 m 34 ả ọn n oán on a đoạn xử lý 49 Bảng Bảng tải trọng tính tốn giai đoạn xử lý (theo [9]) Số hiệu (5) (6) (7) (8) (9) Loại tải trọng Tải trọng cát san lấp Tải trọng bù lún q trình thi cơng san lấp Tải trọng lớp đệm cát Áp lực gia tải chân không Tổng tải trọng gia cố CÁC PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ 4.1 Phƣơng pháp thiết kế truyền thống (theo tiêu chuẩn) Theo tiêu chuẩn thiết kế bấc thấm hành TCVN 9355, 2013 2, 22TCN 262, 2000 1, việc tính tốn đƣợc tiến hành theo cơng thức từ (1) tới (17) nhƣ nêu mục 2, với thông số đầu vào đất yếu bấc thấm (nền đất yếu: Cv, Ch, Hdr, kh, kv, ks; bấc thấm: L, a, b, H, q w, kiểu bố trí) Các thơng số đƣợc xem số (deterministic), gọi phƣơng pháp thiết kế theo tiêu chuẩn phƣơng pháp tất định 4.2 Phƣơng pháp thiết kế ngẫu nhiên (bất định) Là phƣơng pháp mà thông số đầu vào đại lƣợng biến đổi ngẫu nhiên Trình tự tính tốn thời gian cố kết theo phƣơng pháp thiết kế ngẫu nhiên nhƣ sau:  Bước 1: Xác định hàm phân phối tham số đất xử lý Phần mềm BestFit đƣợc sử dụng để tìm hàm phân phối phù hợp cho thông số bất định đất Cv, kh/ks, Ch/Cv,  Cv (200kPa) Hàm phân phối phù hợp cho tham số Cv hàm lognormal có giá trị trung bình 2.51e-3 m2/ngày; độ lệch chuẩn  = 1.28e-3 m2/ngày (Hình 3) 50 Chiều dày (m) 1.77 0.3785 0.5 Dung trọng riêng  (T/m3) 1,7 1,7 1,7 = (5)+(6)+(7)+(8) Tải trọng (T/m2) 3,01 0,64 0,85 7,0 11,50 Hình Hàm phân phối Cv cấp áp lực 200kPa  Tỉ số kh/ks kh – hệ số thấm theo phƣơng ngang đất yếu chƣa đóng bấc thấm (m/ngày) ks – hệ số thấm theo phƣơng ngang đất yếu sau đóng bấc thấm (m/ngày) Theo Holtz ,199112 tỉ số kh/ks biến đổi từ 1,5 đến Giả thiết hệ số kh/ks tuân theo luật phân phối lognormal với giá trị trung bình 2,0 độ lệch chuẩn  = 0,5 Vậy kh/ks có hàm phân phối Lognormal(2.0, 0.5) (Hình 4) Hình Phân ph i tỉ s kh/ks ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016  Tỉ số A = Ch/Cv Thông thƣờng hệ số cố kết theo phƣơng ngang Ch không đƣợc xác định trực tiếp thí nghiệm mà đƣợc xác định thơng qua tỉ số A(Ch = A* Cv) Tỉ số A đƣợc giả thiết tuân theo luật phân phối Lognormal(3.0, 0.5) (Hình 5) Hình Phân ph i tỉ s A = Ch/Cv  Bước 2: Xác định tham số tất định  D - Đƣờng kính ảnh hƣởng bấc thấm D = 1,13*L = 1,13*1 = 1,13m  dw – đƣờng kính tƣơng đƣơng bấc thấm Với a = 4mm = 0,004m; b = 10cm = 0,1m nên dw = 0,06624 m  ds/dw =  kh/qw = 0,000 01m-2  Bư c 3: Tính toán thời gian c kết v i thời gian để đạt độ c kết U>90% Sử dụng phần mềm VaP để tính tốn 4.2 Kết tính tốn Việc tính tốn thời gian cố kết đƣợc tiến hành theo công thức từ (1) tới (17) nhƣ nêu mục Phƣơng pháp thiết kế truyền thống sử dụng tham số hoàn toàn xác định Phƣơng pháp thiết kế ngẫu nhiên sử dụng vài tham số biến ngẫu nhiên với phân phối tƣơng ứng nhƣ mục 4.2 Các kịch khác đƣợc áp dụng phƣơng pháp thiết kế ngẫu nhiên để tìm đƣợc tham số đất có ảnh hƣởng lớn tới kết tính tốn Bảng Bảng kết tính tốn theo phƣơng pháp thiết kế tất định ngẫu nhiên Trƣờng hợp tính tốn TH1: Các tham số tất định (Phƣơng pháp thiết kế truyền thống) Tham số D (m) dw (m) ds/dw kh/qw (m-2) H (m) Hdr (m) kh/ks Cv (m2/ngày) A TH2: Chỉ cho D (m) kh/ks biến đổi dw (m) ds/dw kh/qw (m-2) H (m) Hdr (m) kh/ks Cv (m2/ngày) A TH3: Chỉ cho A D (m) biến đổi dw (m) ds/dw kh/qw (m-2) ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016 Hàm Tất định Tất định Lognormal Tất định Gía trị 1,13 0.06624 0,000 01 19 17 2,51E-3 1,13 0,06624 0,000 01 19 17 (2.0; 0.5) 2.51E-3 1,13 0.06624 0,000 01 Thời gian cố kết (ngày) 137 Độ cố kết(%) 90,4 137 90,4 141 90, 51 Trƣờng hợp tính tốn Tham số H (m) Hdr (m) kh/ks Cv (m2/ngày) A TH4: Cho A D (m) kh/ks biến đổi dw (m) ds/dw kh/qw (m-2) H (m) Hdr (m) kh/ks Cv (m2/ngày) A TH5: Chỉ cho D (m) Cv biến đổi dw (m) ds/dw kh/qw (m-2) H (m) Hdr (m) kh/ks Cv (m2/ngày) Hàm Tất định Lognormal Tất định Lognormal Lognormal Lognormal Tất định Lognormal A TH6: Cho Cv D (m) kh/ks biến đổi dw (m) ds/dw kh/qw (m-2) H (m) Hdr (m) kh/ks Cv (m2/ngày) Tất định A TH7: Cho Cv D (m) A biến đổi dw (m) ds/dw kh/qw (m-2) H (m) Hdr (m) kh/ks Cv (m2/ngày) Tất định A TH8: Cho Cv, D (m) kh/ks A biến dw (m) đổi ds/dw kh/qw (m-2) H (m) Lognormal 52 Tất định Lognormal Lognormal Tất định Lognormal Tất định Gía trị 19 17 2,51E-3 (3.0; 0.5) 1,13 0,06624 0,000 01 19 17 (2,0; 0,5) 2,51E-3 (3,0; 0,5) 1,13 0,06624 0,000 01 19 17 (2.51e-3; 1.28e3) 1,13 0,06624 0,000 01 19 17 (2,0; 0,5) (2.51e-3; 1.28e3) 1,13 0,06624 0,000 01 19 17 (2,51e-3; 1.28e3) (3,0; 0,5) 1,13 0,06624 0,000 01 19 Thời gian cố kết (ngày) Độ cố kết(%) 141 90, 173 90, 44 173 90,44 177 90,5 177 90,5 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016 Trƣờng hợp tính tốn Tham số Hàm Hdr (m) kh/ks Cv (m2/ngày) A Lognormal Lognormal Lognormal THẢO LUẬN Từ kết tính tốn bảng ta có nhận xét sau:  Tính tốn theo phƣơng pháp truyền thống ngẫu nhiên có kết chênh lệch nhiều (137 ngày 177 ngày) Thời gian cố kết theo phƣơng pháp ngẫu nhiên gấp1,29 lần thời gian cố kết theo phƣơng pháp tất định  Từ kịch khác (TH2 đến TH8) cho thấy tham số có ảnh hƣởng đến kết tính tốn hệ số cố kết theo phƣơng thẳng đứng Cv, nguyên nhân gây sai lệch phƣơng pháp truyền thống tất định  Hệ số cố kết theo phƣơng thẳng đứng Cv có độ lệch chuẩn cao sai khác lớn Kiến nghị:  Nên dùng phƣơng pháp thiết kế ngẫu nhiên thay cho phƣơng pháp truyền thống với phƣơng pháp thiết kế ngẫu nhiên, thông số đầu vào đại lƣợng biến đổi ngẫu nhiên, phản ánh chất biến thiên tham số đầu vào từ đất  Lấy mẫu thí nghiệm tiêu Cv cần lƣu ý tránh sai sót TÀI LIỆU THAM KHẢO Bộ Giao thông vận tải (2000), Tiêu chuẩn thiết kế đường ô tô 22TCN 263:2000 Bộ Khoa học Công nghệ (2013), Gia c đất yếu bấc thấm – thiết kế, thi công nghiệm thu TCVN 9355:2013 Mai Văn Công (2006), Thiết kế cơng trình theo lý thuyết ngẫu nhiên phân tích độ tin Gía trị Thời gian cố kết (ngày) Độ cố kết(%) 17 (2,0; 0,5) (2,51e-3; 1,28e-3) (3,0; 0,5) cậy, Trƣờng Đại học Thủy lợi Nguyễn Văn Mạo, Nguyễn Hữu Bảo, Nguyễn Lan Hƣơng (2014), Cơ sở tính độ tin cậy an tồn đập, Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội Phạm Quang Tú, Trịnh Minh Thụ, P.H.A.M.J van Gelder, Ứng dụng lý thuyết độ tin cậy phân tích ổn định sườn d c, Tạp chí KHKT Thủy lợi &Môi trường Phạm Quang Tú (2014), Reliability analysis of the Red River Dike system in Viet Nam (PhD Thesis), TU Delft, Delft Tổng Công ty tƣ vấn thiết kế dầu khí – CTCP (2014), Báo cáo khảo sát địa chất cho giai đoạn thiết kế sở (BB G-VSP-PVE-SV-60PL-REP-001) Tổng Công ty tƣ vấn thiết kế dầu khí – CTCP (2014), Báo cáo khảo sát địa hình địa chất dự án nhà máy xử lý khí Cà Mau Tổng Cơng ty tƣ vấn thiết kế dầu khí – CTCP (2015), Thuyết minh thiết kế xử lý (304119-PVE-FD-CI-RP-201) 10 Barron R.A.,Consolidation of finegrained soils by drain wells, Trans., ASCE 2346, 1948 11 Carillo N., Simple two-and three dimensional cases in the theory of consolidation of soils, Journal of Math Phys.,21, 1942 12 Holtz R.D et al, Prefabricated Vertical Drains, design and performance, Butterworth Heinemann, ISBN 07506 10166, 1991 13 Terzaghi, K., Erdbaumechanik, Franz Deuticke, Vienna, 1925 Người phản biện: PGS.TS ĐÀO VĂN TOẠI ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2016 53 ... đồng thời tham số có ảnh hƣởng lớn tới kết tính tốn LÝ THUYẾT CỐ KẾT THẤM 2.1 Lý thuyết cố kết thấm hƣớng Terzaghi Lý thuyết cố kết thấm hƣớng Terzaghi, 1925 13 lý thuyết toán cố kết đƣợc áp dụng... kết hợp độ cố kết theo phƣơng ngang thẳng đứng để thu đƣợc độ cố kết tổng: đó: U – độ cố kết tổng trung bình lớp đất yếu sau thời gian xử lý t Uv - độ cố kết trung bình theo phƣơng đứng lớp đất. .. nhiều Trong báo này, tác giả tập trung so sánh ƣu điểm thiết kế theo lý thuyết ngẫu nhiên truyền thống (phƣơng pháp tất định) thơng qua tốn dự báo thời gian cố kết xử lý đất yếu bấc thấm, đồng thời