Phân tích ứng xử của nền đất yếu được xử lý bằng bơm hút chân không tại nhà máy điện cà mau

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA oOo TRẦN NGUYỄN HOÀNG UYÊN ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA NỀN ĐẤT YẾU ĐƯC XỬ LÝ BẰNG BƠM HÚT CHÂN KHÔNG TẠI NHÀ MÁY ĐIỆN CÀ MAU CHUYÊN NGÀNH : ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG LUẬN VĂN THẠC SĨ Thành phố Hồ Chí Minh, Tháng 07/2008 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ TÊN ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA NỀN ĐẤT YẾU ĐƯỢC XỬ LÝ BẰNG BƠM HÚT CHÂN KHƠNG TẠI NHÀ MÁY ĐIỆN CÀ MAU TĨM TẮT: Hiện nay, có nhiều phương pháp xử lý đất yếu giới Việt Nam Trong đó, bơm hút chân khơng phương pháp gia tải ứng dụng thành công Việt Nam Trong đề tài nghiên cứu ứng xử đất yếu xử lý bơm hút nhà máy điện Cà Mau Bằng hệ thống quan trắc, sử dụng phương pháp Asaoka phân tích theo suy giảm áp lực nước lỗ rỗng thặng dư xác định hệ số cố kết theo phương ngang Cr so sánh với thí nghiệm trường CPTu thí nghiệm phòng Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mơ tốn gia tải bơm hút chân không.Mô áp lực chân không cách áp điều kiện biên phù hợp phản ánh chế phương pháp gia tải Từ so sánh, đối chiếu với giá trị quan trắc thực tế SUMMARY OF THESIS TITLE: ANALYSIS ON THE BEHAVIOR OF SOFT CLAY BY VACUUM CONSOLIDATION METHOD AT CA MAU COMBINED CIRCLE POWER PLANT ABSTRACT: Today, many methods have been applied for analyzing and treating soft soil This Vacuum Consolidation procedure is a new method to analyze soft soil foundation and treating settlement which already been applied successfully in Viet Nam In this Thesis we studied and analyzed the behavior of soft clay by Vacuum consolidation method at CaMau Combine Circle Power Plant From the data taken from a properly done monitoring and observation system, we analyzed the soil properties using Asaoka analysis and pore pressure decrease analysis procedure This procedure is taking account to determine the radial consolidation ratio (Cr) and compared with CPTu in-situ test and laboratory test We used Finite Element Method (FEM) to imitate settlement analyze by Vacuum Consolidation Imitate Vacuum pressure with applied boundary condition is coherence because this method can reflected structure of Settlement Method and thence we can compare with observational actual value MỤC LỤC NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ LỜI CẢM ƠN TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ MỤC LỤC MỘT SỐ KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN i CHƯƠNG MỞ ĐẦU Đặt vấn đề nghiên cứu Mục tiêu đề tài Phương hướng đề tài .2 Phạm vi đề tài nghiên cứu .2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP GIA TẢI TRƯỚC BẰNG BƠM HÚT CHÂN KHÔNG 1.1 Khái niệm đất yếu khu vực đồng sông Cửu Long .3 1.2 Giới thiệu cải tạo đất phương pháp bơm hút chân không 1.2.1 Khái niệm 1.2.2 Lịch sử hình thành phát triển 1.3 Tình hình ứng dụng phương pháp bơm hút chân không giới VN CHƯƠNG 2: CẤU TẠO VÀ THI CÔNG PHƯƠNG PHÁP GIA TẢI TRƯỚC BẰNG BƠM HÚT CHÂN KHÔNG 2.1 Cấu tạo hệ thống gia tải bơm hút chân không 2.1.1 Hệ thống thoát nước theo phương thẳng đứng 2.1.2 Hệ thống thu nước ngang 2.1.3 Đệm cát thoát nước .10 2.1.4 Màng địa kỹ thuật .10 2.1.5 Rãnh chèn màng địa kỹ thuật 10 2.1.6 Hệ thống máy bơm hút chân không 10 2.2 Phương pháp thi công gia tải bơm hút chân không 11 2.2.1 Phương pháp thi công 11 2.2.3 Một số hình ảnh thi cơng 12 CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP GIẢI TÍCH ĐỂ TÍNH TỐN GIA TẢI BẰNG BƠM HÚT CHÂN KHƠNG 3.1 Cơ sở tính tốn tốn cố kết thấm .17 3.1.1 Các giả thiết toán cố kết 17 3.1.2 Lời giải giải tích cho tốn cố kết thấm 18 3.2 Lý thuyết tính tốn bấc thấm 19 3.2.1 Lý thuyết lực đứng cân (Barron ,1948) .19 3.2.2 Lý thuyết lực đứng cân thích hợp (Hansbo, 1981) 20 3.3 Ngun tắc tính tốn gia tải chân không .21 3.3.1 Phân bố ứng suất đất gia tải chân không .21 3.3.2 Độ lún đất .22 3.3.3 Lún tức thời .23 3.3.4 Lún cố kết 23 3.3.5 Lún thứ cấp 23 3.3.6 Dự tính độ tăng sức chống cắt đất 24 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN ĐỂ PHÂN TÍCH BÀI TỐN GIA TẢI TRƯỚC BẰNG BƠM HÚT CHÂN KHÔNG 4.1 Giới thiệu sơ lược phương pháp phần tử hữu hạn 25 4.2 Mơ hình Cam – Clay 26 4.2.1 Những lập luận mơ hình Cam – Clay .26 4.2.2 Các đặc điểm mơ hình Cam – Clay 27 4.3 Mô bấc thấm phương pháp PTHH 30 4.4 Điều kiện biên phương pháp PTHH .32 4.5 Mô áp lực chân không máy bơm 33 CHƯƠNG 5: TÍNH TỐN, PHÂN TÍCH XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU Ở CƠNG TRÌNH NHÀ MÁY ĐIỆN CÀ MAU BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 5.1 Mô tả đặc điểm cơng trình .38 5.2 Mô tả địa chất cơng trình .39 5.3 Tính tốn thiết kế cơng trình 40 5.4 Tính tốn cơng trình sử dụng chương trình máy tính SAGE CRISP 40 5.4.1 Giai đoạn thi công gia tải 40 5.4.2 Mô toán xử lý gia tải kết hợp với bấc thấm .41 5.4.3 Các kết tính tốn 43 5.5 Phân tích, xử lý số liệu quan trắc 48 5.5.1 Thiết bị quan trắc 48 5.5.2 Phân tích theo phương pháp Asaoka 49 5.5.3 Phân tích theo suy giảm áp lực nước lỗ rỗng 57 5.5.4 Tính tốn kết thí nghiệm CPTu xác định hệ số cố kết ngang 62 a.Nguyên tắc phương pháp phân tích 62 b.Kết tính tốn 63 5.5.5 Nhận xét so sánh kết hệ số Cr 68 5.5.6 So sánh kết lún .69 5.6 Kết tính tốn thay đổi khoảng cách bấc thấm 74 5.7 Phân tích ảnh hưởng q trình bơm hút chân khơng đến q trình gia tải đất đắp 5.8 Nghiên cứu, so sánh tốc độ lún có đất đắp bơm hút chân khơng kết hợp với đất đắp 80 CHƯƠNG 6: NHẬN XÉT, KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 6.1 Kết luận 84 6.2 Kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO 86 MỘT SỐ KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN a : Hệ số nén a0 : Hệ số nén tương đối c : Lực dính c’ : Lực dính nước Cc : Hệ số nén Cs : Hệ số nở Cv : Hế số cố kết theo phương đứng Ch , Cr : Hệ số cố kết theo phương ngang e0 : Hệ số rỗng tự nhiên đất E0 : Module biến dạng đất G : Module đàn hồi biến dạng cắt đất Ip : Chỉ số dẻo IL : Độ sệt K : Module biến dạng thể tích K0 : Hệ số áp lực đất dính Kv : Hệ số thấm theo phương đứng Kh : Hệ số thấm theo phương ngang mv : Hệ số nén thể tích n : Độ rỗng đất OCR : Hệ số cố kết LL : Độ ẩm giới hạn chảy PL : Độ ẩm giới hạn dẻo pa : Áp lực khí p’c : Áp lực tiền cố kết qu : Sức chịu nén đơn S0 : Độ lún ban đầu Sc : Độ lún cố kết S : Độ lún ổn định cuối Sr : Độ bảo hòa ban đầu u : Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư u0 : Áp lực nước lỗ rỗng ban đầu U : Mức độ cố kết W0 : Độ ẩm tự nhiên ϕ : Góc ma sát đất ϕ’ : Góc ma sát trong điều kiện nước γw : Trọng lượng riêng ướt γd : Trọng lượng riêng khô γ’ : Trọng lượng riêng đẩy σvz : Ứng suất trọng lượng thân đất σz : Ứng suất tải trọng gây τ : Sức chống cắt đất υ : Hệ số poisson đất εv : Biến dạng đất MỞ ĐẦU ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU: Trong năm gần đây, với phát triển kinh tế gắn liền với phát triển nhanh chóng sở hạ tầng Vì địi hỏi cấp thiết đặt cho ngành xây dựng phải cải tiến phát triển kỹ thuật lẫn công nghệ để đáp ứng chất lượng, thời gian mà nhu cầu xã hội đặt Cơng trình xây dựng khơng phát triển nhiều thành phố Hồ Chí Minh mà có hướng mở rộng vùng đồng sông Cửu Long Đây khu vực đất yếu địi hịi phải có biện pháp hợp lý việc xử lý thiết kế móng cơng trình Thơng thường cơng trình q trình thi công khai thác xảy độ lún lớn kéo dài Vì vấn đề đặt phải có giải pháp xử lý nhằm làm tăng độ ổn định đắp đất yếu, tăng nhanh độ lún cố kết rút ngắn trình thi cơng, giảm độ lún q trình khai thác Có nhiều giải pháp xử lý đất yếu giới Việt Nam Trong bơm hút chân khơng phương pháp gia tải , ứng dụng Việt Nam Phương pháp cố kết chân không áp dụng thành công số nước thiếu vật liệu gia tải trước Trung Quốc nước tiến hành thử nghiệm Tuy nhiên việc ứng dụng thực tế sở hiểu biết đủ chế, pha khí giữ liên tục để hút chân không thực giáo sư J.M Cognon Trong đề tài này, việc phân tích ứng xử đất yếu bơm hút chân không thực nhà máy điện đạm Cà Mau nằm cực nam Việt Nam Đây cơng trình ứng dụng thành cơng phương pháp cố kết chân không 2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI: Mơ tốn phần mềm SAGE CRISP Dùng phương pháp Asaoka xử lý số liệu đo lún để so sánh độ lún thực tế với độ lún lý thuyết xác định thông số cố kết Cr đất Phân tích tác dụng q trình bơm hút chân khơng đến việc xử lý đất yếu PHƯƠNG HƯỚNG CỦA ĐỀ TÀI: Nghiên cứu cấu tạo nguyên lý hoạt động phương pháp gia tải chân không Bằng hệ thống quan trắc , theo dõi cho phép đánh giá độ lún cố kết phân tích ngược có sử dụng phương pháp ASAOKA (số liệu quan trắc lún theo thời gian) phân tích theo suy giảm áp lực nước lỗ rỗng, thí nghiệm CPTu tính hệ số cố kết Cr Dùng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phương pháp gia tải chân khơng tốn phẳng Từ đối chiếu, so sánh với số liệu quan trắc thực tế để kiểm chứng So sánh kết tính tốn phần mềm với số liệu quan trắc thực tế PHẠM VI CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU: Nền đất yếu khu vực đồng sông Cửu Long cụ thể Cà Mau Chỉ sử dụng mô phương pháp phần tử hữu hạn với phần tử chiều 74 5.6 Kết tính tốn thay đổi khoảng cách cắm bấc thấm : Ta xem xét thay đổi khoảng cách bấc thấm độ thấm đứng tương đương Kve thay đổi làm tốc độ lún tổng áp lực nước lỗ rỗng thay đổi theo D (m) Kve(m/ngày) 0.6 0.9 1.2 1.5 5.65E-2 2.36E-2 1.28E-2 7.93E-3 Hình 5.29 Phân bố áp lực nước lỗ rỗng sau cố kết 187 ngày (D =0.6m) 75 Hình 5.30 Phân bố áp lực nước lỗ rỗng sau cố kết 187 ngày (D =0.9m) Hình 5.31 Phân bố áp lực nước lỗ rỗng sau cố kết 187 ngày (D =1.2m) 76 Hình 5.32 Phân bố áp lực nước lỗ rỗng sau cố kết 187 ngày ( D =1.5m) 0,0 0,4 Độ lún (m) 0,8 1,2 1,6 2,0 D=0,6m D=0,9m 2,4 d=1,2m D=1,5m 2,8 0,00 15,00 30,00 45,00 60,00 75,00 90,00 105,00 120,00 135,00 150,00 165,00 180,00 Thời gian (ngày) Hình 5.33 Biểu đồ so sánh độ lún thay đổi khoảng cách bấc thấm 195,00 77 Thời gian (ngày) D=0,6m D=0,9m D=1,2m D=1,5m 10 15 20 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 160 165 170 175 180 185 187 0,00 0,03 0,04 0,20 0,47 0,72 0,94 1,10 1,28 1,42 1,53 1,66 1,76 1,89 2,03 2,15 2,23 2,29 2,34 2,39 2,41 2,44 2,46 2,47 2,49 2,50 2,51 2,53 2,54 2,54 2,55 2,56 2,57 2,57 2,58 2,58 2,59 0,00 0,03 0,03 0,14 0,33 0,51 0,68 0,81 0,96 1,09 1,20 1,32 1,42 1,55 1,70 1,82 1,91 1,99 2,06 2,12 2,17 2,22 2,24 2,28 2,32 2,34 2,36 2,39 2,41 2,43 2,45 2,47 2,48 2,49 2,50 2,52 2,52 0,00 0,02 0,03 0,10 0,23 0,35 0,47 0,58 0,71 0,82 0,91 1,02 1,11 1,23 1,37 1,49 1,57 1,65 1,72 1,79 1,85 1,91 1,93 1,98 2,02 2,05 2,09 2,13 2,16 2,18 2,21 2,23 2,25 2,28 2,30 2,32 2,32 0,00 0,02 0,02 0,08 0,17 0,26 0,35 0,43 0,53 0,63 0,71 0,80 0,88 0,98 1,10 1,21 1,29 1,36 1,43 1,50 1,55 1,61 1,63 1,67 1,72 1,75 1,78 1,82 1,86 1,88 1,91 1,94 1,96 1,99 2,01 2,04 2,04 78 Nhận xét: Dựa vào hình 5.29,5.30,5.31,5.32 ta nhận thấy mức độ ảnh hưởng áp lực hút chân không đất giảm dần tăng khoảng cách bấc thấm Độ lún cơng trình chịu ảnh hưởng nhiều thay đổi khoảng cách bấc thấm, khoảng cách bấc thấm giảm thời gian để đạt độ cố kết nhanh Vì tính toán bấc thấm cần phải định khoảng cách hợp lý sử dụng bấc thấm cho phù hợp với độ lún thiết kế, thời gian thi công giá thành việc thi công bấc thấm 5.7 Phân tích ảnh hưởng q trình bơm hút chân khơng đến q trình gia tải đất đắp: Trong trường hợp giải với đất 187 ngày sử dụng gia tải đất đắp, không bơm hút chân khơng Hình 5.34 Biến dạng lưới phần tử sau 187 ngày 79 Hình 5.35 Phân bố áp l ực nước lỗ rỗng thặng dư sau 187 ngày Hình 5.36 Chuyển vị bề mặt trung tâm cơng trình theo thời gian 80 Hình 5.37 Chuyển vị mép cơng trình theo thời gian Nhận xét: Dựa vào hình 5.36, 5.37 ta nhận thấy độ lún trường hợp gia tải đất đắp bé 1.2m so với 2.5m có sử dụng bơm hút chân không thời gian 187 ngày Trong trường hợp bơm hút chân khơng khu vực phía ngồi vùng bơm hút lún xuống cịn với gia tải đất đắp chuyển vị vùng trồi lên 5.8 Nghiên cứu, so sánh tốc độ lún có đất đắp bơm hút chân không kết hợp với đất đắp: g) Khi có đất đắp: Tìm thời gian đến đất đạt độ lún ổn định, giai đoạn thi công đất đắp thực sử dụng giai đoạn thi cơng đất đắp Cà Mau phân tích đến thời gian kết thúc trình lún cố kết 81 Chiều cao đắp (m) 4 3 2 1 16 41 71 86 101 Thời gian (ngày) Hình 5.38 Các giai đoạn thi cơng đắp đất Hình 5.40 Phân bố áp lực nước lỗ rỗng thặng dư đạt độ lún ổn định 82 Hình 5.39 Chuyển vị theo thời gian đến đạt độ lún ổn định Nhận xét: Dựa vào hình phải thời gian 6900 ngày (19 năm) đạt độ lún cuối Sf = 2.1m Ta nhận thấy thời gian lún lâu, từ lúc kết thúc giai đoạn thi cơng đến hết lún cịn lún thêm 0.9m • Khi có đất đắp kết hợp bơm hút chân không: Chiều cao đắp (m) 4 3 2 1 16 41 71 86 101 187 -35 -35 -70 Áp lực bơm hút (Kpa) -70 Thời gian (ngày) 83 Hình 5.41.Độ lún gia tải đất đắp kết hợp bơm hút chân không Nhận xét: Dựa vào hình thời điểm 100 ngày đất đạt độ lún 2.1m (độ lún ổn định có đất đắp) Ta nhận thấy độ lún gia tải đất đắp kết hợp với bơm hút chân khơng có tốc độ cố kết nhanh So sánh thời gian lún sử dụng đất đắp có kết hợp với bơm hút: t od 6900 = = 6.9 lần t 100 Với tođ : thời gian đạt lún ổn định có đắp đất (S=2.1m) t: thời gian gia tải đất đắp kết hợp bơm hút độ lún S=2.1m Qua ta nhận thấy thời gian lún có gia tải đất đắp gấp lần so với gia tải đất đắp có bơm hút chân khơng 84 CHƯƠNG 6: NHẬN XÉT, KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Sau nghiên cứu vấn đề trên, tác giả rút số kết luận sau: 6.1 - Kết luận : Có thể dự tính lún phương pháp phần tử hữu hạn để mơ tốn gia tải trước bơm hút chân không Tuy nhiên kết dự đoán chưa khả quan điểm bề mặt cơng trình Việc mơ tác dụng việc hút chân không cách áp đặt tải phân bố mặt đất với cường độ áp lực chân khơng khơng phù hợp có khác biệt rõ ràng chế hai phương pháp gia tải Các kết tính phương pháp phần tử hữu hạn thực tế quan trắc trường thể rõ điều - Tốc độ lún cơng trình dự đốn theo phương pháp phần tử hữu hạn lớn so với thực tế quan trắc thất lượng q trình bơm hút q trình mơ phần tử bấc thấm tương đương cơng thức tính xấp xỉ (Uv = 1- exp(-3.54)Tv) - Kết dự đoán phát sinh tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư mơ phần mềm từ xác định vùng ảnh hưởng áp lực hút chân không đến tồn cơng trình để đưa khoảng cách hợp lý cắm bấc thấm chiều sâu bấc thấm cần thiết Nếu khoảng cách cắm bấc thấm nhỏ vùng ảnh hưởng áp lực hút chân không sâu - Khi sử dụng phương pháp bơm hút chân khơng kết hợp với đất đắp hạn chế dịch chuyển ngang đất gây nứt đất bề mặt phình trồi lên đất vùng xử lý, đồng thời giảm khối lượng bệ phản áp cần phải đắp đất gia tải khối lượng lớn - Phương pháp hút chân không giúp rút ngắn thời gian xử lý so với phương pháp gia tải gia tải đất đắp Thời gian cố kết hút chân không kết hợp với đất đắp nhanh lần so với gia tải đất đắp 85 - Qua số liệu quan trắc thực tế, sử dụng phương pháp Asaoka kiểm tra lại độ lún thiết kế dự tính thời điểm lún cuối đất - Bằng cách phân tích ngược theo phương pháp Asaoka , phương pháp phân tích suy giảm áp lực nước lỗ rỗng thí nghiệm trường CPTu ta thu giá trị Cr khoảng 1.8 E-07 m2/s Đây giá trị Cr đất thực có khác so với giá trị tính tốn khảo sát địa chất (trong khoảng 1.2 E-07 < Cr