Phân tích xử lý nền đất yếu bằng phương pháp hút chân không kết hợp bấc thấm - Ứng dụng phần mềm Plaxis 3D

Bài nghiên cứu này trình bày mô phỏng phương pháp gia tải chân không kết hợp cống dọc để cải tạo nền đất sét yếu. Phần mềm được sử dụng trong bài báo này là Plaxis 3D, với nhiều cải tiến đáng kể cho kết quả rất khả quan. Hơn nữa, vùng cố kết nằm dưới cống dọc đã được phân tích để thiết lập phạm vi cố kết và xác định độ sâu của vùng cố kết do chân không gây ra. Mời các bạn cùng tham khảo!

PHÂN TÍCH XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÚT CHÂN KHÔNG KẾT HỢP BẤC THẤM ỨNG DỤNG PHẦN MỀM PLAXIS 3D LÊ BÁ VINH* NGÔ NỮ QUỲN TRÂM** Analysis the soft ground improvement by using vacuum preloading method in combination with PVDs – the application of “PLAXIS 3D” software Abstract: In this paper, authors present the simulation of vacuum preloading method combined with vertical drains to improve the soft clay ground The software used in this paper is Plaxis 3D, with many significant improvements giving very positive results Morever, the consolidation zone lying under the vertical drains was analyzed to establish the consolidation scope and determination of the depth of vacuum-induced consolidation zone ẶT VẤN Ề * Để tăng tốc độ hiệu xử lý đất yếu, ngƣời ta thƣờng dùng phƣơng pháp cố kết chân không gia tải trƣớc kết hợp bấc thấm Tuy nhiên việc sử dụng phần mềm ứng dụng tính tốn q trình cố kết lại hạn chế [1], [2] Vì nghiên cứu tiến hành đánh giá tính khả thi phần mềm Plaxis 3D mơ tốn cố kết chân khơng kết hợp bấc thấm Khảo sát tính ứng dụng thơng qua cơng trình thực tế vịnh Tokyo (Japan), so sánh kết mô với số liệu quan trắc Ngồi ra, báo cịn đánh giá thêm vùng lún bên dƣới mũi bấc thấm, trình cố kết không diễn vùng cắm bấc thấm Nhờ vào việc ứng dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn phần mềm Plaxis 3D từ thiết lập cơng thức tƣơng quan vùng dƣới mũi bấc thấm * ** Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM 268 Lý Thường Kiệt, Q.10, Tp HCM Email: lebavinh@hcmut.edu.vn Công ty TNHH Thương Mại Xây Dựng Đoàn Lực 80 Đường D2, Thủ Dầu Một, T B nh Dương DĐ: 096.557.3447 Email: ksngotram@gmail.com ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2021 N G TÍN K Ả THI CỦA PHẦN MỀM PLAXIS 3D TRONG PHÂN TÍCH XỬ LÝ NỀN BẰNG HÚT CHÂN KHƠNG K T HỢP BẤC THẤM 2.1 Giới thiệu cơng trình Hai vùng thử nghiệm trƣờng (A B) đƣợc xây dựng, tiến hành gia tải hút chân không vịnh Tokyo, Nhật Bản để cố kết đất sét yếu nằm đáy biển nhƣ lớp bùn sét nạo vét [5] Phần A có diện tích 60m x 60m Phần B có diện tích 61,2m x 61,2m, hai phần gần nhƣ liền kề nhƣ hình Nền đất địa điểm nhƣ hình bao gồm lớp đất sét đƣợc khai hoang có độ dày khoảng 12 m Bên dƣới lớp đất sét tự nhiên dày khoảng 29 m, dƣới lớp cát Phần lớn việc khai hoang đƣợc thực từ năm 2003 đến năm 2005 với tốc độ san lấp khoảng 3,5 m / năm Có thể thấy lớp bùn khai hoang cố kết thƣờng, nhƣng lớp đất sét trình cố kết Chọn khu vực xử lý phần A 59 2.2 Thơng số nhập mơ hình Thơng số đất nhập vào mơ hình đƣợc lấy chọn lọc nhƣ hình bên dƣới: dHình Định vị khu đất x lý Hình Mặt cắt lớp đất, bấc thấm thông số mơ h nh tính tốn Hình Một số thơng số đất vùng cần x lý [3] Để tiện cho việc tính tốn mơ phỏng, thơng số đƣợc thống kê nhƣ bảng 1: ảng Thông số đất nhập mơ hình [4] Lớp đất Reclaimed layer Clay Clay Clay Sand unsat kN/m3 sat kN/m3 eo Cc Cs kx = ky m/day kz m/day 12,0 14,7 14,7 2,41 0,88 0,117 9,04E-04 4,52E-04 9,0 9,0 11,0 1,0 13,7 13,7 13,7 16,3 13,7 13,7 13,7 16,3 3,28 3,28 3,28 1,50 1,10 1,50 1,50 - 0,147 0,200 0,200 - 2,48E-04 2,56E-04 2,02E-04 1.0 1,24E-04 1,28E-04 1,01E-04 1.0 ề dày m Bấc thấm có chiều dài 30m đƣợc cắm vùng xử lý có diện tích 60m x 60m Khoảng cách cắm bấc thấm thực tế 2m Lƣới bấc thấm bố trí hình vng Đƣờng kính tƣơng đƣơng bấc thấm 0.075m Lực hút chân không đƣợc mô dựa hạ mức nƣớc ngầm bên ống nƣớc đứng (phần tử Drain) 60 ảng Thơng số bấc thấm ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2021 2.3 Các phase tính tốn: Theo thơng tin cơng trình lớp đất sét tự nhiên q trình cố kết, nhƣ sau thi cơng cắm bấc thấm, cho đất cố kết 165 ngày Sau tiến hành hút chân khơng 204 ngày Tổng thời gian xử lý 369 ngày Các giai đoạn tính tốn đƣợc trình bày nhƣ bảng ảng Các phase tính tốn Hình Độ lún mặt theo thời gian Tính tốn Plaxis 3D H nh Chuy n vị ngang theo chiều sâu Hình Mơ hình Plaxis 3D 2.4 Kết tính tốn Từ mơ hình tính tốn theo phần mềm Plaxis 3D [6] thông số bên trên, thu đƣợc kết tính tốn mơ phỏng, từ so sánh với số liệu quan trắc nhƣ hình 4, 5, 6: ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2021 H nh Sự tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư  Nhận xét: - Đƣờng đồ thị độ lún có hình dạng gần giống với quan trắc, có 235 ngày chuyển vị đứng lớn 34% so với giá trị quan trắc 61 - Kết tiêu tán áp lực nƣớc lỗ rỗng thặng dƣ nhƣ thể hình cho kết giống với ứng xử thực tế đất xử lý hút chân không, áp lực nƣớc lỗ rỗng thặng dƣ sau thời gian xử lý giảm xuống gần vùng có bấc thấm - Lớp đất khai hoang bên bị ảnh hƣởng trình cố kết 165 ngày sau cắm bấc thấm gia tải bề mặt lớp đất sét - Lớp đất sét bên dƣới có bị ảnh hƣởng việc hút chân không rõ rệt - Kết chuyển vị ngang có chênh lệch nhiều so với kết quan trắc, sau hiệu chỉnh số liệu lớp đất sét số chênh lệch số liệu giảm Đây kinh nghiệm để với số liệu quan trắc ta đánh giá đƣợc thơng số đất có thực sát thực tế hay khơng, có hƣớng đề xuất hiệu chỉnh cho phù hợp, cho sai số tính tốn so với thực tế PHÂN TÍCH PHẠM VI VÙNG LÚN CỐ K T ÊN DƢỚ MŨ ẤC THẤM Khi áp lực chân không tác dụng trực tiếp lên đất yếu áp lực nƣớc lỗ rỗng giảm đi, q trình cố kết khơng diễn khu vực xử lý mà vùng lân cận bên dƣới mũi bấc thấm xảy trình Thông qua việc đánh giá vùng nén lún xảy bên dƣới mũi bấc thấm ta giảm đƣợc chiều sâu cắm bấc thấm mà mang lại hiệu xử lý, tiết kiệm chi phí Vì xác định phạm vi vùng nén lún bên dƣới mũi bấc thấm cần thiết Có nhiều yếu tố ảnh hƣởng đến vùng nén lún nhƣ: hệ số thấm đất, khoảng cách bấc thấm, áp lực hút chân khơng… Trong phân tích yếu tố cho điều kiện đồng lớp sét, qua đƣa cơng thức tƣơng quan để xác định nhanh vùng nén lún bên dƣới mũi bấc thấm Nền đất đƣợc chọn lấy thông số đất sét tƣơng tự nhƣ mục nêu tóm tắt 62 bảng Vùng đƣợc mơ có kích thƣớc 20m x 20m x 40m, vùng xử lý hút chân khơng có kích thƣớc 10m x 10m x 10m nhƣ thể hình ảng Thơng số đất ph n t ch H nh Mô h nh Plaxis 3D Kết tính tốn vùng nén lún bên dƣới mũi bấc thấm sau 365 ngày xử lý tất mơ hình đƣợc xác định từ mơ hình tính tốn 3.1 Phân tích ảnh hƣởng hệ số thấm đứng đến phạm vi vùng lún bên dƣới mũi bấc thấm Với lực hút chân không 90kPa, khoảng cách bấc thấm 2m, chiều sâu vùng xử lý 10m, phạm vi vùng lún tƣơng ứng với hệ số thấm đứng khác nhƣ trình bày bảng ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2021 ảng ảng thông số hệ số thấm đứng phạm vi vùng lún dƣới mũi bấc thấm Có thể nhận thấy tăng hệ số thấm phạm vi vùng lún bên dƣới mũi bấc thấm mở rộng Từ kết tính tốn, ta đƣợc phƣơng trình thiết lập mối quan hệ phạm vi lún bên dƣới mũi bấc thấm hệ số thấm đứng: Phƣơng trình hiệu chỉnh lúc (hệ số thấm có đơn vị 10-4 m/day): y = 1.9428*(ln kz) + 2.1256 Phƣơng trình hiệu chỉnh lúc (hệ số thấm có đơn vị cm/s): y = 1.9428*(ln kz) + 33.1521 3.2 Phân tích ảnh hƣởng khoảng cách bấc thấm đến phạm vi vùng lún bên dƣới mũi bấc thấm Với lực hút chân không 90kPa, khoảng cách bấc thấm thay đổi: 1.75m, 2.0m, 2.5m, chiều sâu vùng xử lý 10m, phạm vi vùng lún tƣơng ứng với khoảng cách bấc thấm khác nhƣ trình bày bảng ảng ảng thống kê thay đổi khoảng cách bấc thấm phạm vi vùng lún dƣới mũi bấc thấm ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2021 Với s khoảng cách bấc thấm, phƣơng trình hiệu chỉnh lúc (hệ số thấm có đơn vị 10-4 m/day): y = (5.1311-1.5065s).(ln kz) + 2.2381 Phƣơng trình hiệu chỉnh lúc (hệ số thấm có đơn vị cm/s): y = (5.1311-1.5065s).(lnkz + 15.97) + 2.2381 3.3 Phân tích ảnh hƣởng lực hút ch n không đến phạm vi vùng lún bên dƣới mũi bấc thấm Với lực hút chân không dao động từ (60-7080-90) kPa, khoảng cách bấc thấm 2.0m, chiều sâu vùng xử lý 10m, phạm vi vùng lún tƣơng ứng với lực hút chân không khác nhƣ trình bày bảng ảng ảng thống kê thay đổi lực hút ch n không phạm vi vùng lún dƣới mũi bấc thấm Với s khoảng cách bấc thấm, P lực hút chân khơng, phƣơng trình hiệu chỉnh lúc (hệ số thấm có đơn vị 10 -4 m/day): y=(5.1311-1.5065s).(lnkz)+(0.0355P-1.0371) Phƣơng trình hiệu chỉnh lúc (hệ số thấm có đơn vị cm/s) : y = (5.1311-1.5065s).(lnkz+15.97) + (0.0355P-1.0371) K T LUẬN Kết tốn mơ số liệu thực tế quan trắc gần tƣơng đồng Điều kết luận đƣợc việc mơ cố kết chân không kết hợp bấc thấm phù hợp Việc mô cố kết chân không kết hợp bấc thấm phần mềm Plaxis khả thi 63 Độ lún theo kết mô kết quan trắc thời điểm cuối chênh lệch khoảng 6% Việc lựa chọn thơng sơ mơ hình tính tốn quan trọng, ảnh hƣởng lớn đến kết nên phần nhiều mô phải hiệu chỉnh dùng vịng lặp để có kết gần quan trắc Trong Plaxis 3D áp dụng phần tử Drain để mơ bấc thấm kết tính tốn ứng xử tƣơng đồng quan trắc Nhiều ý kiến cho vùng xử lý hút chân không giới hạn chiều sâu 20m, nhiên với phát triển công nghệ kỹ thuật thi công cải tiến chất lƣợng nhƣ khả xử lý đất yếu; theo thực tế cơng trình vịnh Tokyo xử lý với bấc thấm dài 30m cho kết khả quan Trong trƣờng hợp hút chân khơng chuyển vị đất ngồi vùng xử lý lún xuống, gia tải đất đắp trồi lên, trình thay đổi áp lực nƣớc lỗ rỗng thặng dƣ dẫn đến cố kết phƣơng pháp hoàn toàn khác Khi áp lực chân không tác dụng trực tiếp lên đất yếu trình cố kết khơng diễn khu vực có xử lý bấc thấm mà vùng lân cận bên dƣới mũi bấc thấm xảy q trình Có nhiều yếu tố ảnh hƣởng đến vùng nén lún nhƣ: hệ số thấm đất, khoảng cách bấc thấm, áp lực hút chân không, thời gian xử lý, độ sâu xử lý… Trong báo đề cập đến ba yếu tố quan trọng ảnh hƣởng nhiều đến vùng dƣới mũi bấc thấm Qua phân tích tính tốn xác định chiều sâu vùng lún dƣới mũi bấc thấm theo biểu thức sau: h = (5.1311-1.5065s).(ln kz+15.97) + (0.0355P-1.0371) Thông qua việc đánh giá vùng nén lún bên dƣới mũi bấc thấm ta giảm đƣợc chiều sâu cắm bấc thấm mà mang lại hiệu xử lý, tiết kiệm chi phí Lời cảm ơn: Chúng xin cảm ơn Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG-TPHCM hỗ trợ thời gian, phƣơng tiện sở vật chất cho nghiên cứu TÀ L ỆU T AM K ẢO [1] Châu Ngọc Ẩn, Cơ học đất, Nhà xuất Đại học Quốc gia Thành Phố Hồ Chí Minh, 2016 [2] Lê Bá Vinh - Nguyễn Cơng Trí, Phân tích xử lý đất yếu phƣơng pháp hút chân không kết hợp bấc thấm phần mềm Geostudio, Tạp chí Địa kỹ thuật, 2013 [3] Jinchun Chai - John P Carter – Martin D Liu, Vacuum Consolidation and Deformation Analyses – Case Studies in Japan, Proc of International Conference on Ground Improvement and Ground Control (ICGI 2012) , 2012 [4] Márcio Almeida, New Techniques on Soft Soils, Nhà xuất Oficina d e Textos, 2010 [5] Miyakoshi, K., Takeya, K., Otsuki, Y., Nozue, Y., Kosaka, H., Kumagai, M., Oowada, T and Yamashita, T The application of the vacuum compaction drain method to prolong the life of an offshore disposal field Nippon Koei Technical Forum, 16: 9-19 (in Japanese), 2007 [6] PLAXIS 3D Reference Manual 2019 Người phản biện: PGS, TS ĐÀO VĂN TOẠI 64 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2021 ... K T LUẬN Kết tốn mơ số liệu thực tế quan trắc gần tƣơng đồng Điều kết luận đƣợc việc mô cố kết chân không kết hợp bấc thấm phù hợp Việc mô cố kết chân không kết hợp bấc thấm phần mềm Plaxis khả... Ngọc Ẩn, Cơ học đất, Nhà xuất Đại học Quốc gia Thành Phố Hồ Chí Minh, 2016 [2] Lê Bá Vinh - Nguyễn Cơng Trí, Phân tích xử lý đất yếu phƣơng pháp hút chân không kết hợp bấc thấm phần mềm Geostudio,... lƣợng nhƣ khả xử lý đất yếu; theo thực tế cơng trình vịnh Tokyo xử lý với bấc thấm dài 30m cho kết khả quan Trong trƣờng hợp hút chân khơng chuyển vị đất vùng xử lý lún xuống, gia tải đất đắp trồi