e) Đặc tính vật lý
3.3.1Mô phỏng bài toán
Tương tự như trường hợp đã nghiên cứu ở trên (trường hợp nền chưa được xử lý), trong trường hợp đất nền được xử lý bằng bấc thấm, do bài toán đối xứng nên chỉ cần xét một nửa. Mặt cắt tính toán theo sơ đồ bài toán biến dạng phẳng tương đương như hình 3-16. Lưới phần tử hữu hạn bao gồm các phần tử tam giác 15 điểm nút như hình 3-20. Nền được xử lý bằng bấc thấm, mái đắp (độ dốc m=2) được gia cố bằng vải địa kỹ thuật. Với phần mềm Plaxis 8.2, bấc thấm được mô phỏng bằng phần tử Drain thoát nước tự do, vải địa kỹ thuật (đặc trưng bởi độ cứng đàn hồi EA=2500kN/m) được mô phỏng bằng phần tử Geogrid.
Đất đắp và đất nền khai báo theo mô hình Mohr-Coulomb (Bảng 3-6)
Hình 3-16. Mặt cắt tính toán (trường hợp xử lý nền và gia cố mái đắp)
Các bấc thấm được bố trí theo mạng lưới tam giác đều, chiều dài bấc thấm H=15m, khoảng cách S=1,2m. Kích thước bấc: a=10cm, b=0.4cm, dw=(a+b)/2=0.052m, de=1.05S=1.26m, n=de/dw=24.23.
Hình 3-17. Sơđồ các thông số tính toán bấc thấm
Hệ số thấm theo phương đứng trong phạm vi cắm bấc thấm được tính chuyển đổi theo công thức (3-1), (Chai et al 2001), hệ số thấm theo phương ngang giả thiết không đổi. v v h e ve K K K d l K (1 2,52 . ). 2 (3-1) Với w h w s s h w e q K l d d K K d d 2 3 2 4 3 ) ln( ). 1 ( ) ln( Trong đó:
dw- đường kính tương đương của bấc thấm, dw=0.052m de- đường kính ảnh hưởng của bấc thấm, de=1.26m
ds - đường kính vùng bị xáo trộn khi cắm bấc thấm, Hansbo (1987) đưa ra công thức dựa trên kết quả nghiên cứu của Holtz và Holms (1973) và Akagi (1979): ds = 2dw, ds = 2 x 0,052=0,104m.
kv- hệ số thấm theo phương đứng, lớp đất nền số 2, kv=2,36.10-7cm/s
kh- hệ số thấm theo phương ngang, lớp đất nền số 2, kh=2.0kv=4,72.10-7cm/s
ks- hệ số thấm vùng bị xáo trộn khi cắm bấc, kh=(27)ks, lấy ks=kh/2=2,36.10-7cm/s qw- lưu lượng đơn vị thoát nước của bấc thấm
l - chiều dài tính toán của bấc thấm, thoát nước một đầu: l =H (H là chiều dày tầng đất yếu), thoát nước hai đầu: l = H/2. Cách xác định chiều dài tính toán l được thể hiện trong Hình 3-18.
Hình 3-18. Xác định chiều dài tính toán bấc thấm trong các điều kiện thoát nước
Trường hợp tính toán: tính cho trường hợp thi công. Các giai đoạn đắp được thể hiện trên Hình 3-19. Quá trình thi công như sau:
Giai đoạn 1: Đắp lớp đất thứ nhất đến chiều cao 1.0m trong 10 ngày Giai đoạn 2: Thi công bấc thấm trong 30 ngày
Giai đoạn 3: Đắp lớp đất thứ hai đến chiều cao 2.0m trong 10 ngày Giai đoạn 4: Chờ đất cố kết trong 30 ngày
Giai đoạn 5: Đắp lớp đất thứ ba đến chiều cao 3.0m trong 10 ngày Giai đoạn 6: Chờ đất cố kết trong 30 ngày
Giai đoạn 7: Đắp lớp thứ tư đến chiều cao 4.0m trong 10 ngày Giai đoạn 8: Chờ đất cố kết hoàn toàn
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 ngày C h iề u c a o đ ắ p ( m) gđ1 gđ2 gđ3 gđ4 gđ5 gđ6 gđ7 gđ8
Hình 3-19. Sơ đồ các giai đoạn thi công (trường hợp xử lý nền bằng bấc thấm)
Bảng 3-6. Các chỉ tiêu tính toán của đất đắp và đất nền (Xử lý nền) (theo mô hình Mohr Coulomb)
Vật liệu w (kN/m3) bh (kN/m3) kx (m/ngày) ky (m/ngày) E (kN/m2) c (kN/m2) (độ) Đất đắp 17.0 19.5 1.0 1.0 10000 1.0 30.0 0 0,30 Lớp 2 17.5 17.61 4.10-4 2.7910-2 1526.2 6.4 7.95 0 0,35 Lớp6a 18.0 19.25 4,49.10-2 2,24.10-2 1951.0 6.9 13.45 0 0,25 Lớp6b 16.5 19 0,173 0.086 7000 1.0 27.0 0 0,30 Chú ý: Trong Bảng 3-6 giá trị ky của lớp đất 2 được tính theo công thức (3-1)
3.3.2 Kết quả tính toán
Kết quả tính toán tại giai đoạn thi công thứ 7 (khối đắp đạt chiều cao 4m) được thể hiện trong các hình từ Hình 3-20 đến Hình 3-28
Chuyển vị theo phương đứng lớn nhất là 1.28m (Hình 3-22), áp lực nước lỗ rỗng dư khi đắp đến cao trình thiết kế có giá trị bằng 5.77kN/m2 (Hình 3-25). Tại giai đoạn 8 khi đất được cố kết hoàn toàn, áp lực nước lỗ rỗng dư giảm xuống còn 0,87kN/m2 (Hình 3-26).
Hình 3-27 thể hiện sự tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng lớn nhất theo thời gian. Có thể thấy áp lực nước lỗ rỗng tiêu tán khá nhanh.
Hình 3-23 thể hiện độ lún theo thời gian của các điểm trong nền, dọc theo đường tim khối đắp. Tại điểm C(0,33.75) độ lún ổn định đạt giá trị 0.93m sau 209 ngày. Độ cố kết hơn 90% đạt được sau thời gian 129 ngày. Cũng tại vị trí điểm C, trong trường hợp không xử lý nền, độ lún ổn định là 0,89m sau 8010 ngày, độ cố kết 90% sau 1270 ngày. Như vậy phương án xử lý nền đất bằng bấc thấm đã rút ngắn thời gian thi công cho công trình rất nhiều, điều đó cho thấy tính hiệu quả của biện pháp xử lý nền bằng bấc thấm. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 3-21. Đường đẳng chuyển vị theo phương ngang (xử lý nền bằng bấc thấm, gia cường mái đắp bằng vải ĐKT)
Hình 3-22. Đường đẳng chuyển vị theo phương đứng (xử lý nền bằng bấc thấm, gia cường mái đắp bằng vải ĐKT)
Hình 3-23. Lún theo thời gian tại các điểm dọc tim khối đắp (xử lý nền bằng bấc thấm, gia cường mái đắp bằng vải ĐKT)
Hình 3-24. Độ cố kết tại các điểm dọc tim khối đắp (xử lý nền bằng bấc thấm, gia cường mái đắp bằng vải ĐKT)
Hình 3-25. Đường đẳng áp lực nước lỗ rỗng dư khi khối đắp đạt chiều cao 4m (xử lý nền bằng bấc thấm, gia cường mái đắp bằng vải ĐKT)
Hình 3-26. Đường đẳng áp lực nước lỗ rỗng dư khi cố kết hoàn toàn (xử lý nền bằng bấc thấm, gia cường mái đắp bằng vải ĐKT)
Hình 3-27. Biến thiên áp lực nước lỗ rỗng lớn nhất trong nền (xử lý nền bằng bấc thấm, gia cường mái đắp bằng vải ĐKT)
Hình 3-28. Hệ số ổn định tính cho điểm chân khối đắp (xử lý nền bằng bấc thấm, gia cường mái đắp bằng vải ĐKT)
Bảng 3-7. Độ lún tại các điểm trong nền khi độ cố kết đạt 90, 95, 100%
Điểm S90% (m) T90% (ngày) S95% (m) T95% (ngày) S100% (m) T100% (ngày) B(0,45) 1,22 129 1,28 130 1,34 289 H(0,33.75) 0,824 129 0,880 139 0,93 209 I(0,20) 0,270 131 0,285 155 0,302 209
So sánh kết quả Bảng 3-7 (độ cố kết khi xử lý nền) và Bảng 3-5 (độ cố kết khi chưa xử lý nền), ta thấy hiệu quả thoát nước của bấc thấm rõ rệt, thời gian đạt độ cố kết 90% của điểm B(0,45) đỉnh lớp đất yếu giảm từ 1470 ngày xuống 129 ngày.
Hình 3-29 so sánh về độ lún của nền trong hai trường hợp: nền được xử lý và không xử lý. Hình 3-30 so sánh áp lực nước lỗ rỗng trong nền trong trường hợp xử lý nền và không xử lý nền.
Hình 3-31 cho thấy, hệ số an toàn của mái đắp khi nền đã xử lý đạt yêu cầu về ổn định Kod = 1,45 >[K] =1,4
Hình 3-30. So sánh biến thiên áp lực nước lỗ rỗng dư lớn nhất trong nềnkhi chưa xử lý và khi đã xử lý bằng bấc thấm 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 U[m] Hệ số ổn định Không xử lý nền Xử lý nền
Hình 3-31. So sánh hệ số ổn định tính cho điểm chân khối đắp khi nền chưa xử lý và khi xử lý bằng bấc thấm và gia cường mái đắp bằng lưới địa kỹ thuật 3.4 Nghiên cứu các tham số của thiết bị thoát nước
Thiết kế hệ thống bấc thấm thoát nước cho nền đất yếu chịu ảnh hưởng rất lớn bởi các yếu tố như: sơ đồ bố trí (tam giác, hình vuông), chiều sâu, khoảng cách cắm bấc.
Các yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến độ cố kết của đất, độ lún ổn định, thời gian thi công.
Việc nghiên cứu tham số giúp lựa chọn các thông số thiết kế bấc thấm được hiệu qủa hơn, từ đó có thể đưa ra phương án thiết kế tối ưu.
Đặc biệt, việc nghiên cứu tham số còn có ý nghĩa rất lớn khi mà các số liệu thí nghiệm thực tế không đầy đủ.
Trong nghiên cứu này, ta xem xét ảnh hưởng của các tham số đến độ lún của công trình như: chiều sâu, khoảng cách bấc thấm, ảnh hưởng của hệ số thấm ngang, ảnh hưởng của độ xáo trộn khi thi công cắm bấc và ảnh hưởng của hệ số thấm trong vùng xáo trộn.
3.4.1 Ảnh hưởng của chiều sâu bấc thấm
Ảnh hưởng của chiều sâu bấc thấm đối với độ cố kết, độ lún của nền được phân tích bằng cách thay đổi chiều sâu bấc thấm, H=5, 7, 10, 15, 20, 25m trong khi các thông số khác không thay đổi. Bảng 3-8 là các thông số mô phỏng bấc thấm khi xét ảnh hưởng của chiều sâu bấc thấm.
Bảng 3-8. Các thông số mô phỏng khi xét ảnh hưởng chiều sâu của bấc thấm (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
S=1.2m, dw=0.052m, kh/kv=2, kh/ks=5, ds/dw=2
H l S de dw ds kh kv ks n=de/dw kve
(m) (m) (m) (m) (m) (m) (m/ngày) (m/ngày) (m/ngày) (m/ngày)
5 5 1.2 1.26 0.052 0.104 4.08E-04 2.04E-04 8.16E-05 24.23 3.29E-03 7 7 1.2 1.26 0.052 0.104 4.08E-04 2.04E-04 8.16E-05 24.23 6.24E-03 7 7 1.2 1.26 0.052 0.104 4.08E-04 2.04E-04 8.16E-05 24.23 6.24E-03 10 10 1.2 1.26 0.052 0.104 4.08E-04 2.04E-04 8.16E-05 24.23 1.25E-02 15 15 1.2 1.26 0.052 0.104 4.08E-04 2.04E-04 8.16E-05 24.23 2.79E-02 20 20 1.2 1.26 0.052 0.104 4.08E-04 2.04E-04 8.16E-05 24.23 4.95E-02 25 12.5 1.2 1.26 0.052 0.104 4.08E-04 2.04E-04 8.16E-05 24.23 1.95E-02
Độ lún của nền theo các giai đoạn đắp kể từ lúc bắt đầu thi công đến cao trình thiết kế (từ giai đoạn 1 đến giai đoạn 7) và đến khi nền lún ổn định với các chiều sâu bấc thấm khác nhau được thể hiện như trên Hình 3-33. Trong 5 phương án chiều sâu nói trên, độ lún của nền tăng theo chiều sâu bấc thấm.
Chi tiết về kết quả tính tính toán lún đối với các chiều sâu bấc thấm khác nhau xem Phụ lục 1. Bảng 3-9 thể hiện độ lún và thời gian cần thiết để đạt được độ cố kết tương ứng của điểm trong nền, điểm C(0,33.75)
Bảng 3-9. Độ lún và thời gian cố kết của nền tại điểm C(0,33.75)
Chiều sâu bấc thấm (m) 5 7 10 15 20 25 S90% (m) 0,78 0,78 0,78 0,76 0,78 0,81 T90% (ngày) 167 143 130 127 126 127 S95% (m) 0,82 0,82 0,82 0,80 0,82 0,86 T95% (ngày) 230 175 145 129 129 130 S100% (m) 0,86 0,87 0,86 0,84 0,86 0.90 T100% (ngày) 479 287 216 132 152 182
Hình 3-32. Ảnh hưởng của chiều sâu bấc thấm đến lún của nền, tại điểm C(0,33.75) (vừa thi công xong)
Hình 3-33. Ảnh hưởng của chiều sâu bấc thấm đến lún của nền theo thời gian, tại điểm C(0,33.75)
Hình 3-34. Ảnh hưởng của chiều sâu bấc thấm đến tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng dư lớn nhất trong nền
Thời gian (ngày)
3.4.2 Ảnh hưởng của khoảng cách bấc thấm
Ảnh hưởng của khoảng cách bấc thấm đối với lún của nền được phân tích bằng cách thay đổi khoảng cách bấc, S=1; 1.2; 1.5; 2m trong khi giữ nguyên các thông số khác. Tính toán tổ hợp với 5 độ sâu bấc thấm H=5; 7; 10; 15; 20m. Bảng 3-10 là các thông số mô phỏng bấc thấm khi xét ảnh hưởng của khoảng cách bấc thấm.
Kết quả phân tích ảnh hưởng của khoảng cách bấc thấm được thể hiện trong từ Hình 3-36 đến Hình 3-40.
Bảng 3-10. Các thông số mô phỏng khi xét ảnh hưởng khoảng cách của bấc thấm
dw=0.052m, kh/kv=2, kh/ks=5, ds/dw=2
H S de dw ds kh kv ks n=de/dw kve
(m) (m) (m) (m) (m) (m/ngày) (m/ngày) (m/ngày) (m/ngày)
5 1.0 1.05 0.052 0.104 4.08E-04 2.04E-04 8.16E-05 20.19 4.80E-03 5 1.2 1.26 0.052 0.104 4.08E-04 2.04E-04 8.16E-05 24.23 3.29E-03 5 1.2 1.26 0.052 0.104 4.08E-04 2.04E-04 8.16E-05 24.23 3.29E-03 5 1.5 1.58 0.052 0.104 4.08E-04 2.04E-04 8.16E-05 30.29 2.09E-03 5 2.0 2.10 0.052 0.104 4.08E-04 2.04E-04 8.16E-05 40.38 1.21E-03 7 1.0 1.05 0.052 0.104 4.08E-04 2.04E-04 8.16E-05 20.19 9.22E-03 7 1.2 1.26 0.052 0.104 4.08E-04 2.04E-04 8.16E-05 24.23 6.24E-03 7 1.5 1.58 0.052 0.104 4.08E-04 2.04E-04 8.16E-05 30.29 3.91E-03 7 2.0 2.10 0.052 0.104 4.08E-04 2.04E-04 8.16E-05 40.38 2.18E-03 10 1.0 1.05 0.052 0.104 4.08E-04 2.04E-04 8.16E-05 20.19 1.86E-02 10 1.2 1.26 0.052 0.104 4.08E-04 2.04E-04 8.16E-05 24.23 1.25E-02 10 1.5 1.58 0.052 0.104 4.08E-04 2.04E-04 8.16E-05 30.29 7.77E-03 10 2.0 2.10 0.052 0.104 4.08E-04 2.04E-04 8.16E-05 40.38 4.24E-03 15 1.0 1.05 0.052 0.104 4.08E-04 2.04E-04 8.16E-05 20.19 4.16E-02 15 1.2 1.26 0.052 0.104 4.08E-04 2.04E-04 8.16E-05 24.23 2.79E-02 15 1.5 1.58 0.052 0.104 4.08E-04 2.04E-04 8.16E-05 30.29 1.72E-02 15 2.0 2.10 0.052 0.104 4.08E-04 2.04E-04 8.16E-05 40.38 9.30E-03 20 1.0 1.05 0.052 0.104 4.08E-04 2.04E-04 8.16E-05 20.19 7.38E-02 20 1.2 1.26 0.052 0.104 4.08E-04 2.04E-04 8.16E-05 24.23 4.95E-02 20 1.5 1.58 0.052 0.104 4.08E-04 2.04E-04 8.16E-05 30.29 3.05E-02 20 2.0 2.10 0.052 0.104 4.08E-04 2.04E-04 8.16E-05 40.38 1.64E-02
Hình 3-37. So sánh ảnh hưởng của khoảng cách bấc thấm tới áp lực nước lỗ rỗng dư lớn nhất
Khi khoảng cách cắm bấc thay đổi, phương án khoảng cách nhỏ cho độ lún ổn định nhỏ hơn và thời gian đạt độ lún ổn định nhanh hơn. Bảng 3-11 là kết quả tính lún ứng với độ cố kết U=90%; 95% và lún ổn định (U=100%).
Bảng 3.11Độ lún tại các điểm trong nền (chiều sâu bấc thấm H= 15m)
Điểm B(0,45) Điểm C(0,33.75) KC bấc thấm (m) 1.0 1.5 2.0 1.0 1.5 2.0 S90% (m) 1,20 1,20 1,22 0,81 0,79 0,81 T90% (ngày) 126 128 129 128 128 129 S95% (m) 1,26 1,26 1,28 0,84 0,84 0,86 T95% (ngày) 129 130 137 130 133 157 S100% (m) 1,33 1,33 1,35 0,88 0,88 0,90 T100% (ngày) 171 194 237 172 194 237 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Biểu đồ Hình 3-38, Hình 3-39 cho thấy khi khoảng cách thay đổi từ 12m độ lún trong giai đoạn thi công và khi ổn định không chênh nhau nhiều, chỉ ảnh hưởng rõ về thời gian cố kết hoàn toàn, phương án khoảng cách bấc thấm lớn cần thời gian nhiều hơn.
Kết quả tính toán ảnh hưởng của khoảng cách bấc thấm đến độ lún của nền, xem Phụ lục 2.
Hình 3-39 Ảnh hưởng của khoảng cách bấc thấm đến độ cố kết (H=15m)
Hình 3-40. Ảnh hưởng của khoảng cách bấc thấm đến áp lực nước lỗ rỗng lớn nhất trong nền (H=15m)