Phương pháp rời rạc mới để tính toán cố kết của bấc thấm gia tải kết hợp bơm chân không

Phương pháp rời rạc để Tính tốn cố kết bấc thấm gia tải Kết hợp bơm chân không Nguyễn Trọng Nghĩa 2020 MỤC LỤC GIỚI THIỆU 1.1 1.2 1.3 Yêu cầu cấp thiết nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu TỔNG QUANG NGHIÊN CỨU HIỆN NAY .5 2.1 2.2 Các khái niệm Các phương pháp giải tích thơng dụng PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 29 3.1 Xây dựng phương trình rời rạc 29 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .38 4.1 4.2 4.3 So sánh kết đạt với lời giải giải tích truyền thống 38 So sánh kết phương pháp giải tích biến đổi Laplace Geng cộng (2012) .41 Kiểm tra trường hợp thực tế (real case study) 43 KẾT LUẬN 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 Phương pháp rời rạc đề tính tốn cố kết bấc thấm gia tải kết hợp bơm chân không Trang 53 PHƯƠNG PHÁP RỜI RẠC MỚI ĐỂ TÍNH TỐN CỐ KẾT BẤC THẤM GIA TẢI KẾT HỢP BƠM CHÂN KHÔNG A NEW DISCRETE METHOD FOR SOLUTION TO CONSOLIDATION PROBLEM OF GROUND WITH VERTICAL DRAINS SUBJECTED TO SURCHARGE AND VACUUM LOADINGS Ths Nguyễn Trọng Nghĩa TÓM TẮT Báo cáo trình bày phương pháp rời rạc để dự đoán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư mức độ cố kết đất yếu sử dụng bấc thấm chịu gia tải phụ thuộc theo thời gian điều kiện bơm hút chân không đất gồm nhiều lớp bấc thấm chia nhỏ thành số điểm nút qua áp lực nước lỗ rổng thặng dư tính Phương pháp biến đổi Laplace sử dụng để giải toán giải tích Phương pháp đề xuất kiểm nghiệm với nghiên cứu trước có phần tổng quang Hơn nửa, số liệu đo trường sử dụng để kiểm tra độ xác phương pháp đề xuất case-history xử lý đất biện pháp bấc thấm kết hợp gia tải bơn hút chât không So sánh với nghiên cứu trước, phương pháp rời rạc đơn giản dể ứng dụng vào sheet tính tốn đạt kết yêu cầu với thời gian ngắn cho toán cố kết tương tự Hơn nửa, phương pháp kết hợp toán nhiều lớp đất, toán khó giải biện pháp giải tích thông thường Theo quan điểm cá nhân tác giả, toán rời rạc lần áp dụng cho toán bấc thấm cách sử dụng biến đổi Laplace Từ khóa: Điều kiện biên phức tạp, phương pháp rời rạc, nhiều lớp đất, phụ thuộc thời gian, cố kết chân không, bấc thấm ABSTRACT This research aims to present a new discrete method to predict average excess pore pressure and degree of consolidation for soft ground using prefabricated vertical drains under time-dependent surcharge and/or vacuum loading and multi-soil layers The drain is discretized into a number of mesh points at which the average excess pore pressure is estimated The conventional Laplace technique is used to solve the analytical equations The proposed method is validated with previous findings reported in the literature Moreover, field measurements are used to verify the accuracy of the proposed method with a case history of ground improvement by prefabricated vertical drains using the vacuum consolidation technique In comparison to past studies, this new discrete method is simpler to be implemented in a spreadsheet calculation to achieve a rational solution with less computational time for similar consolidation problems Moreover, the current approach also incorporates a solution for multi-soil layers, which can hardly be derived by analytical solutions According to authors’ knowledge, this is the first-time discrete method by Laplace transform technique is applied for the vertical drain Keywords: Complex boundary conditions, Discrete method, Multi-soil layers, Time-dependent loading, Vacuum consolidation, Vertical drains Phương pháp rời rạc đề tính tốn cố kết bấc thấm gia tải kết hợp bơm chân không Trang 1 GIỚI THIỆU 1.1 Yêu cầu cấp thiết nghiên cứu Bấc thấm sử dụng rộng rãi giới để nhằm xữ lý đất yếu biện pháp cố kết trước Biện pháp giảm chiều dài thấm cách thúc đẩy thấm ngang đất yếu vào bấc thấm từ nước đất bấc thấm rút lên mặt đất để gia tăng cố kết (Hình 2), Gia tải trước cát đắp sử dụng thông thường tải trọng gia tải trước lớn so với tải trọng sử dụng cơng trình Nền đất áp lực gia tải trước nhanh chóng cố kết cách lún xuống nước ngồi thơng qua bấc thấm Kết thúc giai đoạn cố kết giai đoạn dở tải (removal) tải trọng gia tải trước thơng thường cát đắp dời để đất trở với cao độ thiết kế Tiếp theo thi công cơng trình đường bến bãi đất xử lý Ý tưởng việc xử lý cố kết trước nhằm tăng tính chất lý đất giảm độ lún dư cơng trình sau Thơng qua việc cố kết trước giảm rủi ro gây phá hoại cơng trình Bấc thấm sử dụng rộng rãi giới Việt Nam bấc thấm sử dụng nhiều cơng trình xây dựng cao tốc Long Thành-Dầu Dây, Đại Lộ Võ Văn Kiệt, Cảng Sài Gòn- Hiệp Phước, Cảng Container SITV, Cảng quốc tế Cái Mép Thị Vải CMIT v.v Xử lý biện pháp gia tải trước trở nên phố biến Việt Nam, nhiên gia tải trước cát đắp (hiện trở nên khan việc khai thác mức) trở nên tốn gây nguy hại đến môi trường Biện pháp thay sử dụng bơm hút chân khơng Biện pháp sử dụng áp lực chân không nhằm thay cho lượng cát đắp định Hơn nửa, Nếu so sánh với biện pháp cố kết thơng thường biện pháp giảm thời gian cố kết nhiều Rất nhiều dự án Việt Nam sử dụng biện pháp biện pháp thay Ý tưởng biện pháp đơn giản: cách sử dụng bơm chân khơng tạo nên áp lực âm đất từ rút nhanh nước đất Biện pháp bơm chân khơng có phương pháp thi cơng: Phương pháp sử dụng màng nhựa (membrane) poly-etylen có mật độ cao-HDPE để tạo nên lớp màng ngăn thất khí, Phương pháp thứ hai khơng sử dụng màng (membraneless) có nghĩa bấc thấm có gắn ống nối nối thơng qua hệ thống ống vào máy bơm chân khơng (Hình 3) Cả hai phương pháp hiệu việc xử lý đất trở nên phổ biến Tính tốn cố kết đất yếu cơng việc quan trọng địi hỏi hiểu biết kỹ thuật xử lý kỹ sư để đảm bảo yêu cầu an toàn tiết kệm cơng trình xây dựng Tuy nhiên việc tính tốn khơng đơn giản toán cố kết phức tạp đặc biệt với tải trọng thay đổi theo thời gian điều kiện biên phức tạp Trong điều kiện áp lực chân không, gây vơ khó khăn phương pháp tính tốn truyền thống khơng tích hợp điều kiện chân không Đối với trường hợp áp lực chân không, phương pháp tính tốn đơn giản giả định áp lực tương đương gia tải lên đất Việc giả định lại vơ tình gây nên thiếu xác việc dự đốn áp lực nước lỗ rỗng mức độ cố kết Kết dẫn đến việc gia tăng độ lún dư cơng trình xử lý q mức cần thiết Các biện pháp hợp lý để tính tốn bao gồm phương pháp giải tích Geng cộng (2012) phương pháp phần tử hữu hạn tảng chương trình ABAQUS Rujikiatkamjorn Indraratna (2008) Tuy nhiên, phương pháp giải tích Geng cộng (2012) lại phức tạp phương pháp phần tử hữu hạn Rujikiatkamjorn Indraratna (2008) lại cần mơ hình kiểm sốt thông số đầu vào thời gian Các phương pháp khó áp dụng thực tế thiết kế cho kỹ sư kỹ sư cần biện pháp hữu hiệu đơn giản để sử dụng Chính nhu cầu cần thiết mà nghiên cứu đề xuất biện pháp rời rạc dể dàng tích hợp vào sheet tính tốn thơng dụng kỹ sư dể dàng dự đốn thay đổi áp lực nước lỗ rỗng mức độ cố kết cơng trình Phương pháp rời rạc đề tính tốn cố kết bấc thấm gia tải kết hợp bơm chân không Trang 1.2 Mục tiêu nghiên cứu Như trình bày phần trên, mục tiêu nghiên cứu nhằm giúp xây dựng biện pháp tính tốn hữu hiệu phương pháp sẳn có trước nhằm giúp hổ trợ tích cực cho cơng tác thiết kế kiểm tra kỹ sư Dựa mục tiêu này, nghiên cứu chia thành mục tiêu nhỏ sau: 1- Đánh giá tổng quát ưu nhược điểm phương pháp tính tốn có sẳn 2- Nghiên cứu phương pháp tính tốn rời rạc cách áp dụng phương pháp sai phân bậc kết hợp biến đổi Laplace 3- Giải tốn tìm cách đơn giản dể dàng ứng dụng 4- Bài toán giải phải đảm bảo ưu việt phương pháp trước đậy độ tin cậy, tốc độ tính tốn giải điều kiện phức tạp tải trọng thay đổi theo thời gian đất bao gồm nhiều lớp 5- Nghiên cứu phải có cơng bố quốc tế với u cầu phải có tạp chí danh mục ISI làm seminar cấp khoa để trao đổi học thuật 6- Báo cáo tổng kết kinh nghiệm học thuật cần tiến hành để tóm tắt thành đạt trình nghiên cứu học kinh nghiệm rút trình thực 1.3 Phạm vi nghiên cứu Dự phần 1.1 yêu cầu cấp thiết nghiên cứu 1.2 mục tiêu nghiên cứu trình bày dể dàng nhận thấy đối tượng phạm vi nghiên cứu sau: 1- Đối tượng nghiên cứu tốn kỹ thuật xữ lý đất có liên quan mật thiết đến cơng trình xây dựng 2- Cụ thể hơn, phương pháp kết hợp giải tích, sai phân biến đổi Laplace kết hợp để tạo thành phương pháp rời rạc 3- Phương pháp rời rạc lại áp dụng vào toán cố kết bấc thấm gia tải có bơm hút chân khơng 4- Ngồi nghiên cứu yêu cầu công bố quốc tế nên phạm vi nghiên cứu khơng dừng tốn nước mà sử dụng cơng bố quốc tế kết sử dụng rộng rãi giới Phương pháp rời rạc đề tính toán cố kết bấc thấm gia tải kết hợp bơm chân khơng Trang Hình Thi cơng bấc thấm Hình Cơ chế làm việc bấc thấm gia tải (a) (b) Hình Cơ chế làm việc bấc thấm cố kết chân không (a) hệ thống với màng, (b) hệ thống không màng Phương pháp rời rạc đề tính tốn cố kết bấc thấm gia tải kết hợp bơm chân không Trang TỔNG QUANG NGHIÊN CỨU HIỆN NAY 2.1 Các khái niệm Để hiểu q trình tính tốn phương pháp giải tích truyền thống cần phải hiểu mơ hình tính thơng dụng cho bấc thấm Mơ hình trụ đơn vị (Unit cell) Các phần giới thiệu cụ thể mơ hình Hơn nửa số đặc tính quy đổi tương đương cho mơ hình đề cập đường kính tương đương tính tốn ( De ), đường kính tương đương bấc thấm ( d w ) bấc thấm hình dạng chữ nhật nên để đơn giản tính tốn cần quy đổi hình trịn với bán kính tương đương, đương kính tương đương vùng xáo động ( d s ) thi cơng gây nên vùng xáo động vị trí tiếp giáp với bấc thấm Ngồi số khái niệm khác tỷ số thấm vùng xáo động giới thiệu bước để tiếp cận mơ hình tính tốn Trong phần trình bày số kết nghiên cứu đạt dể xác định đặc trưng biện pháp tính tốn cố kết bấc thấm Bao gồm kết nghiên cứu Barron (1948), Rixner cộng (1986), Hansbo (1987), Holtz Holms (1973), Akagi (1979), Indraratna Renada (1998), Bergado (1992) Để tính tốn bấc thấm số biện pháp sơ khởi đề xuất Barron (1948) biện pháp nhằm giải phương trình cố kết trụ đơn vị (unit cell) Hình cho thấy khái niệm trụ đơn vị Barron (1948) đề xuất với bán kính ảnh hưởng tùy theo cách bố trí giếng thấm theo lưới vuông hay tam giác Ý tưởng sử dụng Rixner cộng (1986) tái sử dụng cho bấc thấm Trụ unit cell Barron (1948) Rixner (1986) mô bao gồm phần bấc thấm (drain), vùng xáo động (smeared zone hay zone of soil disturbance) vùng không bị xáo động (undisturbed zone) (Hình 5) Hình Bán kính tương đương trụ đơn vị (a) bố trí theo lưới vng, (b) bố trí theo lưới tam giác Phương pháp rời rạc đề tính tốn cố kết bấc thấm gia tải kết hợp bơm chân không Trang Hình Các vùng ảnh hưởng đơn vị trụ để tính bấc thấm (Rixner 1986) Đối với bấc thấm phương pháp quy đổi tương đương hình dáng mặt cắt bấc sang hình trịn với đường kính tương đương Rixner et al (1986) dw  ( a  b)  (1) Trong đó: a chiều dài bấc, b chiều rộng bấc ( Hình 6) Đối với vùng xáo động, kích thước vùng xáo động số nghiên cứu đề xuất Rixner et al (1986) ds  (5 to 6) dm (2) Trong đó: d s đường kính vùng xáo động, d m đường kính ống thi công bấc d m   wl (3) Trong đó: w l chiều rộng chiểu dài ống thi cơng bấc (Hình 6) Hansbo (1987) đề xuất dựa phương trình Holtz Holms (1973) Akagi(1979) kích thước vùng xáo động sau: d s  2d m (4) Phương pháp rời rạc đề tính tốn cố kết bấc thấm gia tải kết hợp bơm chân không Trang Hình Qui đổi đường kính bấc thấm tương đương Hình Ảnh hưởng vùng xáo động “smear effect” đến tỷ số kh/kv dọc theo đường kính (Indraratna Renada 1998) Trong đó, đường kính tương đương trụ đơn vị thấm Barron (1948) đề xuất cho bố trí dạng lưới vng với khoảng cách bấc S : De  1.13S (5) Cho trường hợp bố trí dạng lưới tam giác Phương pháp rời rạc đề tính tốn cố kết bấc thấm gia tải kết hợp bơm chân không Trang De  1.05S (6) Vùng xáo động có đặc trưng hệ số thấm bị giảm nhanh Hình cho thấy tỷ số thấm k h kv giảm tiến vào gần với vùng xáo động (theo nghiên cứu thí nghiệm phịng Indraratna Renada 1998) Trong k h hệ số thấm theo phương ngang, k v hệ số thấm theo phương đứng Tỷ số thấm với giả định vùng xáo động có hệ số thấm k s số tỷ số phân tích ngược lại đập thử nghiệm sân bay quốc tế Bangkok Begardo cộng (1992) đề xuất mối quan hệ kh k s   10 2.2 (7) Các phương pháp giải tích thơng dụng Các phương pháp giải tích sử dụng rộng rãi thiết kế xử lý Trong phương pháp tính tốn phương pháp giải tích cho cố kết đứng Terzaghi (1943), Phương pháp giải tích cho cố kết theo phương đối xứng trục phương dứng Barron (1948), Phương pháp cố kết đối xứng trục đơn giản Hansbo (1979), lời giải lý thuyết kết hợp thấm đứng thấm đối xứng trục Carrillo (1942) lời giải bấc thấm xuyên phần với đầu mũi không thấm Nghia cộng (2018a) hai lời giải sau Hansbo (1979) Carrilo (1942) sử dụng nhiều tính đơn giản hiệu Tuy nhiên lời giải nêu với tải trọng tức thời Hầu hết biện pháp thi công xử lý thường diễn nhiều bước tải trọng cát gia tải tăng dần theo thời gian Với trường hợp gia tải theo thời gian, người sử dụng điều chỉnh số phương pháp thay đổi khoảng thời gian bắc đầu cố kết có lời giải sẳn có Lấy ví dụ, thời gian bắt đầu cố kết giả sử lúc kết thúc chất đầy tải lúc nửa thời gian chất tải Tuy nhiên, tất điểu chỉnh khơng phải phương pháp hồn hảo Để nhằm giải vấn đề số nghiên cứu khác có kể đến trường hợp gia tải theo thời gian Tang Onitsuka (2000), Phương pháp biến đồi Laplace Geng cộng (2012), Phương pháp thấm phần Nghia (2018b) Tuy nhiên phương pháp Cố kết theo phương đứng giải lời giải giải tích Terzaghi (1943) với phương trình vi phân cố kết thấm: u  2u  Cv t z Trong (8) u áp lực nước lỗ rỗng gia tăng theo thời gian độ sâu Cv hệ số cố kết theo phương đứng Nghiệm phương trình vi phân cho trường hợp biên thoát nước biên khơng nước dựa phương pháp xấp xỉ chuổi Fourier sau:  Uv    (  M Tv ) e M2 (9) Phương pháp rời rạc đề tính tốn cố kết bấc thấm gia tải kết hợp bơm chân không Trang KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1 So sánh kết đạt với lời giải giải tích truyền thống Các phương pháp giải tích truyền thống ứng dụng rộng rãi kiểm chứng đầy đủ bao gồm phương pháp giải tích nêu phần Ở việc kiểm chứng phương pháp để xuất cần tiến hành với phương pháp giải tích truyền thống trường hợp tải trọng tức thời (instantaneous loadings) theo Carrillo (1942) Hansbo (1987) trường hợp tải trọng thay đổi theo thời gian Tang Onitsuka (2000) Lu cộng (2011) Sự phù hợp hiệu phương pháp rời rạc đề xuất với phương pháp giải tích truyền thống tiền đề quan trọng cho việc ứng dụng sau Đi kèm với kiểm chứng, yêu cầu cần thiết nghiên cứu cân chỉnh thông số cho phù hợp Trong phần trình bày so sánh phương pháp rời rạc đề xuất với số lượng điểm nút khác Từ có khuyến cáo cần thiết đến với người sử dụng Trong trường hợp tải trọng tức thời (instantaneous loading), Sử dụng phương pháp rời rạc với biến đổi Laplace đạt kết so sánh với kết lời giải lý thuyết đạt từ phương trình Carrillo (1942) Hansbo (1987) trình bày hình 17 18 Phương pháp rời rạc tiến hành với số điểm nút sau 3, 5, 10 20 điểm Với nhiều số điểm nút áp lực nước lỗ rỗng mức độ cố kết giống với lời giải lý thuyết 20 điểm nút kết trùng lắp với lời giải lý thuyết đó, với điểm nút sai sót lớn nhiều lên đến 1015% thời điểm ban đầu Nhìn chung kết từ lời giải phương pháp rời rạc phụ thuộc nhiều vào số lượng điểm nút chia Càng nhiều điểm nút kết sát với kết lời giải lý thuyết Điều chứng tỏ phương pháp rời rạc phù hợp với lý thuyết trước hoàn toàn đủ khả sử dụng cho toán thực tế Trong trường hợp tải trọng thay đổi theo thời gian (time-dependent loading), Phương pháp rời rạc sử dụng để so sánh với phương pháp giải tích Tang Onitsuka (2000) Lu cộng (2011) Sơ đồ chất tải theo thời gian bao gồm cấp tải với cấp gia tăng khoảng 50% lượng tải cực hạn 100 kPa (Hình 19) Các thơng số đầu vào cho Hình 19 Ba dạng thấm ngang số điểm nút 10 điểm sử dụng phương trình rời rạc so sánh với kết giải tích trước cho hình 20 21 Có thể nhìn thấy cách rõ ràng Phương pháp rời rạc đề tính tốn cố kết bấc thấm gia tải kết hợp bơm chân khơng Trang 38 hình 20 21 kết đạt từ lời giải phương pháp rời rạc hoàn toàn phù hợp với kết từ lời giải giải tích Tang Onitsuka (2000) Lu cộng (2011) cho trường hợp tải trọng thay đổi theo thời gian cho dạng thấm khác Điều mang đến khẳn định chắn tính xác phù hợp phương pháp đề xuất Tóm lại, phần kiểm chứng với kết giải tích truyền thống cho thấy phù hợp phương pháp rời rạc sử dụng hiệu tương tự phương pháp truyền thống cho toán tải trọng tức thời toán tải trọng thay đổi theo thời gian Một vấn đề qua trọng cần lưu ý số lượng điểm nút nhiều kết lời giải phương pháp rời rạc đề xuất phù hợp với kết phương pháp truyền thống Hình 17 So sánh áp lực nước lỗ rỗng phân phối đất trường hợp (a) thấm phương (b) thấm phương Phương pháp rời rạc đề tính tốn cố kết bấc thấm gia tải kết hợp bơm chân khơng Trang 39 Hình 18 So sánh mức độ cố kết trường hợp (a) thấm phương (b) thấm phương Hình 19 Gia tải theo thời gian Phương pháp rời rạc đề tính tốn cố kết bấc thấm gia tải kết hợp bơm chân khơng Trang 40 Hình 20 So sánh áp lực nước lỗ rỗng tiêu tán theo thời gian phương pháp khác Hình 21 So sánh mức độ cố kết theo thời gian phương pháp khác 4.2 So sánh kết phương pháp giải tích biến đổi Laplace Geng cộng (2012) Khi so sánh kết áp lực nước lỗ rỗng phương pháp đề xuất phương pháp Geng cộng (2012) cho hình 22 kết phương pháp đề xuất trùng lắp với kết từ phương pháp giải tích Tang Onitsuka (2000) Phương pháp rời rạc đề tính tốn cố kết bấc thấm gia tải kết hợp bơm chân khơng Trang 41 kết theo lời giải Geng cộng (2012) cho thấy biến động tùy theo số lần lặp (number of terms) Cần lưu ý phương pháp biến đổi Laplace Geng cộng (2012) cần biến đổi ngược Laplace Tuy nhiên suốt trình giải, phương trình trở nên phức tạp khơng thể biến đổi ngược thành phương trình đại số cụ thể Do đó, Geng sử dụng phương pháp số Durbin (1975) phương pháp gần để giải phương trình biến đổi ngược Phương pháp số Durbin (1975) phương pháp đơn giản độ xác lại phụ thuộc hồn tồn vào mức độ phức tạp phương trình cần biến đổi số lần lặp yêu cầu Càng nhiều số lần lặp chương trình chạy chậm ngược lại độ sai số nhỏ Trong phạm vi nghiên cứu này, số lần lặp khác 50, 100 200 lần sử dụng cho phương pháp biến đổi ngược Durbin (1975) lời giải Geng cộng (2012) Hình 22 cho thấy rõ ràng cần đến 200 lần lặp kết toán tải trọng cấp tải đơn giản đạt kết gần với phương pháp giải tích Trong phương pháp rời rạc đề xuất cần 10 điểm nút đạc kết gần trùng với đường áp lực dự đốn phương pháp giải tích Tang Onitsuka (2000) Hơn nửa sửa dụng với 50 100 lần lặp đường áp lực nước lỗ rỗng dự đoán theo lời giải Geng cộng (2012) biến động theo thời gian khơng thể dự đốn tốt kết áp lực Với 200 lần lặp cho toán đơn giản từ lời giải Geng cộng sự, chi phí để tính tốn trở nên q cao đáp ứng yêu cầu thực tế thiết kế kỹ sư cho toán xử lý bấc thấm Tóm lại, so sánh phương pháp rời rạc đề xuất với phương pháp biến đổi Laplace Geng cộng (2012) phương pháp đề xuất có độ xác tốt tiết kiệm nhiều thời gian tính tốn Do đó, phương pháp đề xuất đáp ứng hiệu yêu cầu thiết kế kỹ sư Phương pháp rời rạc đề tính tốn cố kết bấc thấm gia tải kết hợp bơm chân khơng Trang 42 Hình 22 So sánh áp lực nước lỗ rỗng tiêu tán đạt với kết Geng cộng (2012) 4.3 Kiểm tra trường hợp thực tế (real case study) Phương pháp đề xuất kiểm tra cơng trình thực tế dự án xữ lý đường vào cảng Tianjin Đường vào cảng Tianjin xử lý biện pháp bấc thấm gia tải kết hợp với bơm hút chân không Dự án nhiều nghiên cứu tập trung như: báo cáo kết xử lý Yan Chu (2003), Phân tích biến dạng cố kết chương trình phần tử hữu hạn 3D Rujikiatkamjorn cộng (2008), phân tích phương pháp Geng cộng (2012) Do cơng trình tinh cậy so sánh lại phương pháp đề xuất Hình 23 Vị trí dự án thiết bị monitoring lắp đặt (theo Yan Chu 2003) Phương pháp rời rạc đề tính tốn cố kết bấc thấm gia tải kết hợp bơm chân không Trang 43 Hai khu vực xử lý tuyến đường cho hình 23 với thiết bị lắp đặt để giám sát trình xử lý Địa chất khu vực phức tạp với lớp đất xem kẽ tóm tắt theo nghiên cứu Rujikiatkamjorn cộng (2008) trình bày theo bảng Có thể thấy ba lớp đất đến độ sâu 16 m đất yếu yếu Các lớp đất gây lún dư lớn đến cơng trình sau thi cơng cần xử lý để gia tăng tính chất lý Phương pháp rời rạc đề xuất có khả mơ tốn với nhiều lớp đất toán thực tế lớp đất tính hợp vào tốn rời rạc Tổng số điểm nút chia 40 nút cho lớp đất Bảng 1: Hồ sơ địa chất (theo Rujikiatkamjorn cộng (2008)) Độ sâu (m) Ghi Es Hệ số thấm (kPa) kv (10-10 m/s) kh (10-10 m/s) 0.0-3.5 Silty clay (taken from sea bed) 1200 6.67 20 3.5-8.5 Muddy clay 1700 13.30 40 8.5-16.0 Soft silty clay 1500 6.67 20 16.0-20.0 Stiff silty clay 4600 1.67 Hình 24 Sơ đồ chất tải bơm chân không Sơ đồ chất tải bơm chân không cho hình 24 Phương pháp bơm chân khơng sử dụng màng kính Như hình 24, áp lực chân không tiến hành nhanh để đạt áp lực chân không cực tiểu -80 kPa Quá trình bơm Phương pháp rời rạc đề tính tốn cố kết bấc thấm gia tải kết hợp bơm chân không Trang 44 chân không thông thường tiến hành sớm để đảm bảo khơng bị thất khí màng kính xảy đồng thời đảm bảo đất cố kết đẳng hướng áp lực chân không Điều giúp đất ổn định trình chất tải Trong suốt trình bơm thử tải kỹ thuật viên công nhân kiểm tra dọc theo màng đo đạt số liệu xem liệu màng có kính chưa có xảy thất điểm Nếu có thất xảy cần xử lý cách vá lại màng biện pháp cần thiết Đến ngày 45 áp lực chân khơng hồn tồn ổn định tiến hành gia tải Quá trình gia tải hình 24 trình bao gồm nhiều giai đoạn (multi-stages) đạt tải trọng lớn 60 kPa thời điểm ngày 145 Tổng thời gian xử lý 200 ngày áp lực chân không giữ suốt từ 200 gia tải bắc đầu từ ngày 45 đến ngày 145 đầy tải Quá trình gia tải phức tạp thêm vào áp lực chân không biện pháp cố kết chân khơng gây khó khăn cho tốn giải tích phương pháp phần tử hữu hạn Hiện có vài phương pháp lời giải Geng cộng (2012) phương pháp phần tử hữu hạn 3D Rujikiatkamjorn cộng (2008) giải tốn cố kết chân khơng tải trọng phụ thuộc theo thời gian Phương pháp rời rạc đề xuất giải pháp hữu hiệu cho loại toán Các thông số đầu vào cho phương pháp đề xuất cho hình 24 lấy từ nghiên cứu Rujikiatkamjorn cộng (2008) Kết áp lực nước lỗ rỗng theo độ sâu giải phương pháp đề xuất ngày thứ 36 thể hình 25 Kết cho thấy phương pháp đề xuất thể rõ thay đổi áp lực nước lỗ rỗng lớp đất áp lực nước lỗ rỗng hoàn toàn phù hợp với kết đo đạt thực tế trường Tại vị trí gần mặt đất có kết đo chênh lệt chút thể rõ thay đổi Áp lực lỗ rỗng vị trí sâu chênh lệch Phương pháp rời rạc đề tính tốn cố kết bấc thấm gia tải kết hợp bơm chân không Trang 45 Hình 25 So sánh áp lực lỗ rỗng phương pháp rời rạc kết đo trường ngày 36 Khi tiến hành so sánh áp lực nước lỗ rỗng theo thời gian phương pháp đề xuất phương pháp khác Geng cộng (2012) Rujikiatkamjorn cộng (2008) (Hình 26 27) phương pháp đề xuất cho kết gần với phương pháp phần tử hữu hạn 3D gần với số liệu đo trường Có thể nhận thấy điểm khác biệt thời điểm gần cuối cố kết, với phương pháp rời rạc áp lực nước lỗ rỗng tăng mạnh đồng thời sau giảm mạnh so với phương pháp khác Điều phản ảnh thực tế gia tải giai đoạn tăng đến 30 kPa kèm với áp lực nước lỗ rỗng tăng lên Kết tính toán phản ảnh thực tế đầu vào kết gia tải Như phương pháp rời rạc phải ảnh lại kết gia tải Trong kết theo lời giải Geng cộng (2012) lại cho thấy trì hoản gần không tăng áp lực nước lỗ rỗng suốt giai đoạn Có thể dễ dàng hiễu phương pháp Geng cộng (2012) lấy số lượng lần lặp tương đối nhỏ để giải sai số trì hoản gia tải xảy lớn Phương pháp phần tử hữu hạn 3D Rujikiatkamjorn cộng (2008) cho thấy tăng nhẹ áp lực nước lỗ rỗng giai đoạn sau Lý biến dạng đất gia tăng số thông số q trình tính phương pháp phần tử hữu hạn 3D gây nên Phương pháp rời rạc đề tính tốn cố kết bấc thấm gia tải kết hợp bơm chân khơng Trang 46 tượng Tóm lại, bản, phương pháp rời rạc đề xuất có kết áp lực nước lỗ rỗng gần với số liệu đo đạc thực tế phù hợp với kết nghiên cứu trước Hình 26 So sánh áp lực nước lỗ rỗng theo thời gian vị trí 11.0 m sâu Hình 27 So sánh áp lực nước lỗ rỗng vị trí 14.5 m sâu Mức độ cố kết trung bình phương pháp đề xuất so sánh với kết đo đạc trường cho hình 28 Có thể nhận thấy mức độ cố kết phương pháp đề xuất hoàn toàn phù hợp với kết đo đạc thực tế Điều chứng tỏ hiệu phương pháp đề xuất việc giải toán bấc thấm gia tải kết hợp bơm hút chân không điều kiện đất nhiều lớp tải trọng thay đổi theo thời gian Phương pháp rời rạc đề tính tốn cố kết bấc thấm gia tải kết hợp bơm chân khơng Trang 47 Hình 28 So sánh mức độ cố kết Phương pháp rời rạc đề tính tốn cố kết bấc thấm gia tải kết hợp bơm chân không Trang 48 KẾT LUẬN Từ kết thảo luận rút số kết luận sau nghiên cứu phương pháp rời rạc để tính tốn cố kết bấc thấm gia tải chân khơng 1- Nghiên cứu đánh giá tổng quát ưu nhược điểm phương pháp tính tốn có sẳn 2- Nghiên cứu phương pháp tính tốn rời rạc cách áp dụng phương pháp sai phân bậc kết hợp biến đổi Laplace 3- Giải toán tìm cách đơn giản dể dàng ứng dụng 4- Bài toán giải đảm bảo ưu việt phương pháp trước đậy độ tin cậy, tốc độ tính tốn giải điều kiện phức tạp tải trọng thay đổi theo thời gian đất bao gồm nhiều lớp 5- Nghiên cứu cơng bố quốc tế với u cầu phải có tạp chí danh mục ISI làm seminar cấp khoa để trao đổi học thuật 6- Báo cáo tổng kết kinh nghiệm học thuật tóm tắt thành đạt trình nghiên cứu học kinh nghiệm rút trình thực Phương pháp rời rạc đề tính toán cố kết bấc thấm gia tải kết hợp bơm chân không Trang 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Barron, R.A., 1948 Consolidation of fine-grained soils by drain wells Transactions of the ASCE 113 (2346), 718–742 Carrillo, N., 1942 Simple two- and three-dimensional cases in the theory of consolidation of soils Journal of Mathematical Physics 21 (1), 1–5 Geng, X., Indraratna, B., Rujikiatkamjorn, C., 2012 Analytical solutions for single vertical drain with vacuum and time-dependent surcharge preloading in membrane and membraneless systems Journal of Geotechnical Engineering, ASCE 12 (1), 27–42 Hansbo, S., 1981 Consolidation of fine-grained soils by prefabricated drains Proceedings of the 10th International Conference on Soil Mechanics, Vol.3, Stockholm, 677 – 682 Lu, M M., Xie, K H., Wang, S Y., 2011 Consolidation of vertical drain with depth‐varying stress induced by multi‐stage loading Computers and Geotechnics 38 (8), 1096-1101 Rujikiatkamjorn, C., Indraratna, B., 2008 2D and 3D numerical modeling of combined surcharge and vacuum preloading with vertical drains Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, 8, 144-156 Singiresu, S.Rao., 1980 Mechanical vibrations Addison-Wesley Tang, X.W., Onitsuka, K., 2000.Consolidation by vertical drains under timedependent loading International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, 24, 739-751 Terzaghi, K., 1943 Theoretical Soil Mechanics Wiley, New York Wang, G C 2009 Consolidation of soft clay foundations reinforced by stone columns under time-dependent loadings Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, 135 (12), 1922–1931 Xie, K.H., Lu, M.M., Liu, G B., 2009 Equal strain consolidation for stonecolumn reinforced foundation International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics 33(15),1721–1735 Yan, S W., and Chu, J., 2003 Soil improvement for a road using a vacuum preloading method Ground Improvement , 7(4), 165–172 Bergado, D.T., Asakami, H., Alfaro, M.C., and Balasubramaniam, A.S (1991), Smear effects of vertical drains on soft Bangkok clay, Journal Geotech Eng'g Div., ASCE, Vol 117, No 10, pp 1509-1530 Bergado, D T., Sampaco, C L., and Balasubramaniam, A S., (1992) Inverse analysis of geotechnical parameters on improved soft Bangkok Clay, Journal of the Geotechnical Engineering Division, ASCE, Vol.118, No 7, pp 1012-1030 Bergado, D T., Chai, J C., Alfaro, M C., and Balasubramaniam, A S., (1992) Improvement techniques of soft ground in subsiding and lowland environment, Asian Institute of Technology, Bangkok, Thailand 53 Bergado, D T., Alfaro, M C., and Chan, E H C., (1992) Filtration and drainage characteristics of vertical drain, Proceeding of Symposium on International Lowland Technology, pp 181-188 Bo, M.W., Arulrajah, A., Horpibulsuk, S., Leong, M (2015) Quality management of prefabricated vertical materials in mega land reclamation project: a case study Soils Found 55: 895-905 Carillo, N., (1942) Simple two and three dimensional cases in the theory of consolidation of soils, J Math Phys., Vol 21, No 1: 1-5 Chai, J.C and Miura, N (1999), Investigation of factors affecting vertical drain behavior, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol.125, No 3, March, 1999, ASCE ISSN Phương pháp rời rạc đề tính tốn cố kết bấc thấm gia tải kết hợp bơm chân không Trang 50 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 Chai, J.C., Shen, S.L., Miura, N., Bergado, D.T (2001) Simple method of modeling PVD improved subsoil J Geotech Eng 127 (11), 965-972 Durbin, F (1974) Numerical inversion of Laplace transform: An efficient improvement to Dubner and Abita’ss method The Computer Journal, 17(9): 371– 376 Geng, X., Indraratna, B., Rujikiatkamjorn, C (2011) Effectiveness of Partially penetrating vertical drains under a combined surcharge and vacuum preloading Can Geotech J 48, 970-983 Geng, X., Indraratna, B., Rujikiatkamjorn, C., 2012 Analytical solutions for single vertical drain with vacuum and time-dependent surcharge preloading in membrane and membraneless systems Journal of Geotechnical Engineering, ASCE 12 (1), 27–42 Hansbo, S., 1979 Consolidation of prefabricated drains, Proceeding, 10th, International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, 667-681 Hansbo, S., 1987 Design aspects of vertical drains and limit column installation, Proceeding, 9th, South East Asian Geptechnical Conference, Bangkok, Thailand Hansbo, S (1979), Consolidation of clay by band shaped prefabricated drains, Ground Engineering, Vol 12, No 5, pp 16-25 Hansbo, S (1981), Consolidation of fined grained soils by prefabricated drains, Proc Of the Tenth Int Conf on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Stuckholm, Sweden, Vol 3, pp 677-682 Holtz, R D., 1975 Preloading by vacuum: Current prospects, Transportation Research Record, No 548: 26-29 Holtz, R.D., Jamiolkoski, M., Lancellotta, R., and Pedroni, S (1989), Behavior of bent prefabricated vertical drains, Proc of the Twelfth Int Conf on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Rio De Janeiro, Vol 3, pp 1657- 1660 Holtz, R D., Lancellotta, R., Jamiolkowski, M., and Pedronni, 1991 Laboratory testing of prefabricated wick drains, Proceeding of the International Conference on Geotechnical Engineering for Coastal Development - Theory and Practice on Soft Ground, Vol 1: 311-316 Holtz, R.D., Jamiolkowski, M.B., Lancellotta, R., and Pedroni, R 1991 Prefabricated vertical drains: design and performance.CIRIA Report,ButterworthHeinemann, London, UK 131 pp Hoitz, R a Holm, G (1973): Excavation and sampling around some sand drains at Ska-Edeby, Sweden, Proc Nordic Geot, Meeting in Trondheim, Aug 24-28, 1972, Norw Geot Inst., Oslo Kjellman, W., 1948 Accelerating consolidation of fine-grained soils by means of cardboard wicks, Proceeding, 2nd, International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Vol 2: 302-305.57 Kjellman, W., 1952 Consolidation of clay soil by means of atmospheric pressure, Proceeding of the Conference on Soil Stabilization, Massachusetts Institute of Technology: 258-263 Lam, L.G., Bergado, D.T., Hino, T (2015) PVD improvement of soft Bangkok Clay with and without vacuum preloading using analytical and numerical analyses Geotext Geomembr 43, 547-557 Lin, D.G, and Chang, K.T (2009) Three-dimensional numerical modelling of soft ground improved by prefabricated vertical drains Geosynthetics International, 2009, 16, No Lei, G.H., Fu, C.W., Ng, C.W.W., 2016 Vertical-drain consolidation using stone columns: An analytical solution with an impeded drainage boundary under multiramp loading Geotextiles and Geomembranes 44, 122-131 Nghia, N.T., Lam, G.L, Shukla, S.K (2018a) A new approach to solution for Phương pháp rời rạc đề tính tốn cố kết bấc thấm gia tải kết hợp bơm chân không Trang 51 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 partially penetrated prefabricated vertical drain International journal of geosymthetic and ground engineering 2,1-30 Nguyen Trong Nghia (2018b) Predicting pore pressure estimation in vertical drains (1D problem), Tạp chí Khoa học Đại học Mở Thành phố Hồ Chí Minh, 61(4), 2132 Indraratna, B and Redana, I.W (1998), Laboratory determination of smear zone due to vertical drain installation, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol 124, No 2, pp 180-184 Indraratna, B., Redana, I (2000) Numerical modeling of vertical drains with smear and well resistance installed in soft clay Can Geotech J 37:132–45 Indraratna, B., Rujikiatkamjorn, C., Sathananthan, I (2005) Analytical and numerical solutions for a single vertical drain including the effects of vacuum preloading Can Geotech J 42:994–1014 Indraratna, B., Aljorany A., Rujikiatkamjorn, C (2008) Analytical and numerical modeling of consolidation by vertical drain beneath a circular embankment J Geotech Eng 8:199–206 Indraratna, B, and Rujikiatkamjorn, C (2008) Effects of partially penetrating prefabricated vertical drains and loading patterns on vacuum consolidation In Proceedings of GeoCongress 2008: Geosustainability and Geohazard Mitigation, New Orleans, La., 9–12 March 2008 GSP 178 Edited by K.R Reddy, M.V Khire, and A.N Alshawabkeh American Society of Civil Engineers, Reston, V.a 596603 Ong, C.Y., Chai, J.C., Hino, T (2012) Degree of consolidation of clayey deposit with partially penetrating vertical drains Geotext Geomembr 34, 19-27 Onoue, A., 1988 Consolidation by vertical drains taking well resistance and smear into consideration Soils and Foundations 28 (4), 65–174 Rixner, J.J., Kremer, S.R., and Smith, A.D (1986), Prefabricated vertical drains, Engineering Guidelines, FWHA/RD-86/186, Vol.1; Federal Highway Administration, Washington, D.C Terzaghi, K., 1943 Theoretical Soil Mechanics Wiley, New York Tang, X.W and Onitsuka, K (1998) Consolidation of ground with partially penetrated vertical drains Geotechnical Engineering Journal, 29(2): 209-231 Tang, X.W., Onitsuka, K., (2000) Consolidation by vertical drains under timedependent loading International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, 24, 739-751 Tang, X.W and Onitsuka, K (2001) Consolidation of double-layered ground with vertical drains International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, 25(14), 1449-1465 Weeks, W.T (1966) Numerical inversion of Laplace transforms using Laguerre functions J ACM 13:419-426 Voottipruex, P., Bergado, D.T., Lam, L.G., Hino, T (2014) Back-analyses of flow parameters of PVD improved soft Bangkok clay with and without vacuum preloading from settlement data and numerical simulations Geotext Geomembr 42 (5), 457-467 Yoshikuni, H., Nakanodo, H., 1974 Consolidation of soils by vertical drain wells with finite permeability Soils and Foundations 14 (2), 35–46 Zhu, G., Yin, J.-H., 2004 Consolidation analysis of soil with vertical and horizontal drainage under ramp loading consideringsmear effects Geotextiles and Geomembranes 22, 67–74 Phương pháp rời rạc đề tính tốn cố kết bấc thấm gia tải kết hợp bơm chân không Trang 52 ... 50 Phương pháp rời rạc đề tính tốn cố kết bấc thấm gia tải kết hợp bơm chân không Trang 53 PHƯƠNG PHÁP RỜI RẠC MỚI ĐỂ TÍNH TỐN CỐ KẾT BẤC THẤM GIA TẢI KẾT HỢP BƠM CHÂN KHÔNG A NEW DISCRETE... độ cố kết Phương pháp rời rạc đề tính tốn cố kết bấc thấm gia tải kết hợp bơm chân không Trang 48 KẾT LUẬN Từ kết thảo luận rút số kết luận sau nghiên cứu phương pháp rời rạc để tính tốn cố kết. .. trường hợp (a) thấm phương (b) thấm phương Phương pháp rời rạc đề tính toán cố kết bấc thấm gia tải kết hợp bơm chân khơng Trang 39 Hình 18 So sánh mức độ cố kết trường hợp (a) thấm phương (b) thấm