Thiết bị thoỏt nước thẳng đứng [22], vớ dụ bấc thấm, thường cú bề rộng khoảng 10-20cm, bề dày từ 3-5mm. Lừi của bấc thấm là một băng chất dẻo cú nhiều rónh nhỏđể nước do mao dẫn đưa lờn cao và đỡ vỏ bọc ngay cả khi ỏp lực lớn. Vỏ
bấc thấm là lớp vải địa kỹ thuật, lớp vải được chế tạo bằng Polyeste khụng dệt hay giấy vật liệu tổng hợp. Nú là hàng rào vật lý phõn cỏch lũng dẫn của dũng chảy với
đất bao quanh, và là bộ lọc hạn chế cỏt hạt mịn đi vào lừi làm tắc thiết bị.
Đường kớnh tương đương của bấc thấm cú dạng dải băng mỏng, dw, được xem như đường kớnh của bấc thấm hỡnh trũn cú cựng năng lực thoỏt nước hướng tõm lý thuyết như của bấc thấm hỡnh dải băng mỏng cú chiều rộng a và chiều dày b (Hỡnh 2.1)
27
Hỡnh 2.1: Đường kớnh tương đương của bấc thấm
2.3. Cỏc đặc tớnh của bấc thấm (PVD)
Cú khả năng cho nước lỗ rỗng của đất xõm nhập vào bấc thấm và thoỏt ra. Nước cú thể chuyển động lờn hoặc xuống dọc theo chiều dài bấc thấm. Cú thể cắm vào trong nền đất bóo hoà cần gia cốở cỏc độ sõu khỏc nhau. Loại bấc thấm dựng phổ biến hiện nay là loại bấc thấm cú mặt cắt ngang dạng chữ nhật bao gồm một lớp vỏ bằng vải địa kỹ thuật bao ngoài lừi nhựa rỗng. Lớp vỏ
ỏo thường làm dưới dạng nhựa tổng hợp mỏng khụng dệt hoặc vải địa kỹ thuật nhựa tổng hợp và đúng vai trũ như lớp lọc.
28
Lừi nhựa phải đảm bảo hai điều kiện sống cũn: Làm khung cho vỏ lọc và thoỏt
được nước dọc theo chiều dài của bấc thấm.
Phần lớn bấc thấm hiện nay cú kớch thước khoảng (50ữ100)mm ngang và 4mm dày. Nếu so sỏnh hệ số thấm nước giữa bấc thấm PVD với đất sột bóo hũa nước cho thấy rằng, bấc thấm PVD cú hệ số thấm (K = 1 x 10-4m/s) lớn hơn nhiều lần so với hệ số thấm nước của đất sột ( k = 10 x 10-5m/ngày đờm). Do đú, cỏc thiết bị PVD dưới tải trọng nộn tức thời đủ lớn cú thể ộp nước trong lỗ rỗng của đất thoỏt tự do ra ngoài
Với đất nền hay một dự ỏn cụ thể, cú rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến đặc tớnh thoỏt nước của bấc thấm. Nhưng cú thể nhúm lại thành 2 nhúm yếu tố ảnh hưởng:
ảnh hưởng của vật liệu làm bấc thấm và cỏc đặc tớnh đất nền, ảnh hưởng của thiết bị
thi cụng và phương phỏp thi cụng. Vỡ thế mà cỏc tiờu chuẩn lựa chọn bấc thấm, cỏc
đặc tớnh của nú và biện phỏp thi cụng sẽđược trỡnh bày ở phần sau.
2.4. Nguyờn tắc tớnh toỏn bấc thấm 2.4.1.Mục đớch:
Mục đớch chớnh của nộn trước đất cú hoặc khụng kết hợp với cỏc ống thoỏt nước chế tạo sẵn (PV),[22] là để đạt được độ cố kết thiết kế trong một khoảng thời gian xỏc định. Khi tiến hành nộn trước cú kết hợp với cỏc ống thoỏt nước PV thỡ cần phải cú đỏnh giỏ đỳng về khả năng thoỏt nước cũng như cỏc đặc tớnh của đất (bao gồm cả đỏnh giỏ chỳng riờng lẻ và đỏnh giỏ chỳng khi cựng trong hệ thống) cũng nhưđỏnh giỏ được cỏc ảnh hưởng khi lắp đặt cỏc thiết bị vào trong đất.
Trong trường hợp bài toỏn cố kết một hướng và khụng cú ống PV, sự cố kết chỉ được xem xột theo một hướng thoỏt nước tự nhiờn (phương đứng). Khi đú độ cố
kết cú thể được xỏc định bằng tỷ số giữa độ lỳn tại thời điểm tớnh toỏn so với tổng
độ lỳn ổn định (cú thể hoặc cú khả năng đạt được). Tỷ số này được ký hiệu là U gọi là độ cố kết trung bỡnh.
Với định nghĩa trờn, cố kết một hướng chỉ được xem là kết quả của quỏ trỡnh thoỏt nước theo phương đứng. Tuy nhiờn lý thuyết về cố kết thấm cú thể được ỏp dụng trong cho cả trường hợp thấm ngang cũng như thấm xuyờn tõm. Tựy thuộc
29
vào cỏc điều kiện biờn mà quỏ trỡnh cố kết cú thể xảy ra theo phương đứng, ngang hoặc đồng thời. Độ cố kết trung bỡnh U cú thểđược tớnh theo phương ngang, đứng hoặc đồng thời theo cả hai phương tựy theo điều kiện cụ thể.
Khi cú cỏc ống thoỏt nước đứng, độ cố kết toàn phần trung bỡnh U là sự kết hợp ảnh hưởng sự thấm theo phương ngang (xuyờn tõm) và sự thấm theo phương
đứng . Nú được tớnh theo:
U = − −1 (1 Uh)(1−Uv) (2.1) Trong đú:
U : Độ cố kết toàn phần trung bỡnh
Uh: Độ cố kết theo phương ngang (xuyờn tõm) Uv: Độ cố kết theo phương đứng
Trong đú việc đỏnh giỏ độ cố kết theo phương đứng Uvđược mụ tả trong hầu hết cỏc giỏo trỡnh cơ học. Vỡ vậy trong luận văn này tỏc giả khụng đi sõu vào việc xem xột riờng rẽ Uvmà sẽ đi sõu vào nghiờn cứu sự cố kết theo phương ngang (hướng tõm) và đỏnh giỏ ảnh hưởng kết hợp khi cố kết theo cả hai phương.
2.4.2.Cỏc biểu thức thiết kế:
Việc thiết kế cỏc ống thoỏt nước PV [22] yờu cầu cần phải dựđoỏn được mức
độ tiờu tỏn của ỏp lực dư kẽ rỗng do hiện tượng thấm hướng tõm vào ống thoỏt nước
đứng cũng nhưđỏnh giỏ được vai trũ của sự thấm theo phương đứng.
Giải phỏp đầy đủ đầu tiờn cho vấn đề thấm xuyờn tõm đó được đưa ra bởi Barron, ụng đó nghiờn cứu lý thuyết vềống thoỏt nước đứng bằng cỏt. Hệ thức mà ụng đưa ra dựa trờn giả thiết của Terzaghi về cố kết thấm một hướng. Phụ lục A là những vấn đề phõn tớch của Barron và cỏc chỳ thớch về biểu thức rỳt gọn của ụng.
Đõy là biểu thức được ứng dụng rộng rói nhất trong cỏc phõn tớch của Barron, nú cung cấp cỏc quan hệ theo thời gian giữa cỏc thụng số: đường kớnh ống thoỏt nước PV và khoảng cỏch, hệ số cố kết và độ cố kết trung bỡnh:
2
( / 8 ) ( ) ln(1/ (1h h))
t= D C F n −U (2.2) Trong đú:
30
t - Thời gian yờu cầu để đạt được độ cố kết trung bỡnh Uh
Uh- Độ cố kết trung bỡnh theo phương ngang.
D - Đường kớnh hỡnh trụ bao đất bao quanh ống thoỏt nước PV hỡnh thành sau khi lắp ống (vựng ảnh hưởng thấm).
Ch - Hệ số cố kết theo phương ngang. F(n) - Hàm số của yếu tố khoảng cỏch ống.
F(n) = ln(D/d) – 3/4
d : Đường kớnh của ống thoỏt nước PV qui đổi.
Chỳ ý: Cỏc giả thiết trong lý thuyết thấm một hướng, hệ thức trờn sau này cũn giả
sử:
31
Hỡnh 2.3: Sự cố kết do thoỏt nước theo phương đứng và xuyờn tõm
Cho dũng thấm theo phương đứng trong tầng sột cú chiều dày h, thoỏt nước hai mặt.
Cho dũng thấm hướng vào tõm ống thoỏt nước trong trụ sột với cỏc giỏ trị n khỏc nhau “Giai đoạn sau Barron, 1948”.
+ Bỏ qua ảnh hưởng bất lợi đến khả năng thấm của đất và cỏc đặc tớnh cố
kết của quỏ trỡnh lắp đặt ống thoỏt nước (bỏ qua ảnh hưởng của vựng xỏo trộn). Hansbo đó cải tiến cụng thức (2.2) để ỏp dụng với ống thoỏt nước đỳc sẵn PV và xột
đến cỏc ảnh hưởng gõy cản trở dũng thấm của vựng xỏo trộn. Lý luận và cỏc điều kiện của Hansbo dựa trờn phõn tớch về lý thuyết. Cụng thức chung cuối cựng là:
( ) ) 1 1 ln( ) )( 8 / ( 2 h r s n h U F F F C D t − + + = (2.3) t - Thời gian cần thiết để đạt độ cố kết U h
U - Độ cố kết trung bỡnh tại độ sõu z khi xột thoỏt nước theo phương ngang. D - Đường kớnh hỡnh trụảnh hưởng của ống thoỏt nước.
Ch - Hệ số cố kết theo phương ngang.
F(n) - Hàm sốảnh hưởng của khoảng cỏch giữa cỏc ống thoỏt nước.
F(n) = ln(D/dw) – 3/4 (2.4) dw - Đường kớnh tương đương (xem chi tiết trong cỏc phần tiếp theo)
Fs - Hàm số do xỏo trộn đất.
32
kh - Hệ số thấm theo phương ngang trong vựng đất khụng bị xỏo trộn ks - Hệ số thấm theo phương ngang trong vựng đất bị xỏo trộn
ds - Đường kớnh của vựng xỏo trộn xung quanh ống thoỏt nước Fr - Hệ số khỏng nước
w . ( )( / )
r h
F =π z L z k q− (2.6) z - Khoảng cỏch bờn dưới so với lớp đất gia tải
L - Chiều dài thoỏt nước hiệu quả: Là chiều dài của ống thoỏt nước với sơ đồ
thoỏt nước một mặt, là một nửa chiều dài ống khi thoỏt nước hai mặt. qw - Lưu lượng thấm nước (khi gradien bằng 1).
2.4.3.Trường hợp lý tưởng
Cụng thức (2.3) cú thể được đơn giản húa thành ‘trường hợp lý tưởng’ bằng cỏch bỏ qua ảnh hưởng của sự xỏo trộn đất và tớnh khỏng nước của ống thoỏt nước (Fs = Fr = 0). Thay vào (2.3) ta cú hệ thức trong trường hợp lý tưởng như sau:
2
( / 8 ) ( ) ln(1/ (1h h))
t= D c F n −U (2.7) Trong trường hợp này, thời gian để đạt được đến độ cố kết nhất định đơn giản là hàm số của cỏc đặc tớnh của đất (ch), cỏc chỉ tiờu thiết kế (Uh ) và cỏc biến số thiết kế (D, dw).
Lý thuyết về cố kết đất khi cú thoỏt nước xuyờn tõm giả thiết rằng đất được thoỏt nước bằng một ống thoỏt nước đứng cú mặt cắt ngang hỡnh trũn. Hệ thức tớnh toỏn cố kết trong trường hợp này sẽ gồm cả đường kớnh ống thoỏt nước d. Vỡ vậy một ống thoỏt nước chế tạo sẵn dạng dải sẽđược gỏn một đường kớnh tương đương dw. Đường kớnh tương đương của ống thoỏt nước chế tạo sẵn dạng dải được định nghĩa là đường kớnh của ống thoỏt nước hỡnh trũn với cỏc đặc trưng về thấm xuyờn tõm tương tự như của ống thoỏt nước qui đổi. Trong hầu hết cỏc trường hợp người ta cú thể giả sử là dw khụng phụ thuộc vào cỏc điều kiện trờn mặt, cỏc đặc tớnh của
đất và ảnh hưởng do lắp đặt ống. Cú thể coi dw là hàm số của kớch thước và hỡnh dạng ống.
Với cỏc mục tiờu thiết kế, cụng thức xỏc định đường kớnh tương đương sau cú thể coi là hợp lý:
33 π / ) .( 2 a b dw = + (2.8)
Hỡnh 2.4: Sơđồ làm việc ống thoỏt nước PV với sức khỏng thoỏt nước và vựng ảnh hưởng
Trong đú:
a - bề rộng của mặt cắt ngang ống thoỏt nước dạng dải. b - bề dày của mặt cắt ngang ống thoỏt nước dạng dải.
Cơ sở của hệ thức (2.8) là dựa trờn giả thiết rằng ống thoỏt nước hỡnh trũn và hỡnh dải với cỏc bài toỏn thực tế, sẽ đạt được độ cố kết giống nhau nếu chỳng cú cựng chu vi.
Hệ thức (2.8) cũng giả thiết rằng lừi ống PV khụng cản trở đỏng kể đến sự
thấm vào cỏc kờnh thoỏt nước. Sự cản trở cú thể xuất hiện nếu phần lừi nối với cỏc
đường dẫn nước cú kớch thước nhỏ hay nú chiếm khoảng khụng lớn, hoặc khi phần lớn lớp ỏo bảo vệ ống bị dớnh vào lừi. Dựa trờn cỏc nghiờn cứu trước đõy, hệ thức (2.8) được cho là thỏa món khi tỷ lệ của dũng chảy qua đường chu vi của ống PV (khụng bị tắc do lừi ống) vượt quỏ từ 10 đến 20 phần trăm tổng chu vi mặt cắt ống. Phần lớn cỏc ống PV đều thỏa món điều kiện này. Tuy vậy hiện tượng thấm qua cỏc khe trờn phần ỏo ống lờn cỏc kờnh dẫn sẽ cú xu hướng làm giảm sức khỏng lý thuyết phỏt sinh do hiện tượng tắc lừi ống.
34
Hỡnh 2.5: Đường kớnh tương đương của ống thoỏt nước PV
Việc nghiờn cứu cỏc phần tử hữu hạn đó cho thấy kết quả tớnh toỏn sẽ chớnh xỏc hơn nếu điều chỉnh cụng thức (2.8) thành:
dw = (a+b)/2 (2.8a) Kết luận trờn cũng được sựđồng tỡnh của một số cụng trỡnh nghiờn cứu khỏc. Hệ thức (2-8a) được cho là cú phự hợp hơn trong thực tế thiết kế khi ống thoỏt nước tiờu chuẩn cú tỷ lệ a/b xấp xỉ 50 hoặc nhỏ hơn.
Thực tế đường kớnh tương đương xỏc định theo cụng thức (2.8) tương đối xa lạ với một số yếu tố khụng liờn quan và được cho là khụng cần thiết. Cụng thức (2.8a) thỡ thể hiện một cỏch rừ ràng hơn, cụng thức đơn giản trong trường hợp lý tưởng được sử dụng phổ biến trong thiết kế sơ bộ và trong một vài trường hợp nú cũn được sử dụng trong thiết kế cuối cựng.
Hỡnh 2.6 thể hiện mối quan hệ giữa F(n) và D/dw trong trường hợp lý tưởng. Với một vài giỏ trị D/dw điển hỡnh, giỏ trị của F(n) thay đổi từ 2 đến 3. Hỡnh 2.7 là một sốđường cong thiết kế trong trường hợp lý tưởng.
2.4.4.Trường hợp chung:
Trong một vài tỡnh huống, sẽ chớnh xỏc hơn nếu xem xột cả cỏc ảnh hưởng của sự cản trở thấm của vựng xỏo trộn. Tựy thuộc vào điều kiện từng cụng trỡnh mà những ảnh hưởng này cú thể là đỏng kể hoặc khụng đỏng kể. Cụng thức chung (2.3) cú chứa cỏc yếu tố về sự khỏng nước của ống và của vựng xỏo trộn.
2
( / 8 )( ( )h s r) ln(1/ (1 h))
t= D c F n +F +F −U
Cỏc điều kiện giả sử sử dụng để mụ hỡnh vựng đất xỏo trộn và sức khỏng của
35
Trong cụng thức (2.3) cỏc ảnh hưởng của sự xỏo trộn đất (Fs) và hệ số khỏng nước đó được kểđến cả hai đều làm giảm quỏ trỡnh cố kết. Nhưđó thảo luận ở trờn, cỏc nghiờn cứu về cỏc tham số lý thuyết trờn đó cho thấy yếu tố về khoảng cỏch giữa cỏc ống (F(n)) luụn luụn là một thụng số quan trọng và cú ảnh hưởng lớn, ảnh hưởng do sự xỏo trộn đất đặc trưng là (Fs) cú thể lấy xấp xỉ tương đương hoặc lớn hơn một chỳt so với F(n), và ảnh hưởng do sự khỏng nước của ống (Fr) về cơ bản cú tầm quan trọng ớt hơn.
Sự xỏo trộn đất khi chỉ xột ảnh hưởng do xỏo trộn đất (bỏ qua sức khỏng nước của ống) cụng thức (2.3) được đơn giản húa thành:
2
( / 8 )( ( )h s) ln(1 h))
t= D c F n +F −U (2.9) Trong đú
Fs = ((kh/ks) – 1)ln(ds/dw)
Trờn hỡnh 2.8 đó liệt kờ giỏ trị tương đối của Fs cho một số thụng số của đất và tỷ số ds/dw. Với một số giỏ trị điển hỡnh của F(n) tỷ số Fs/F(n) cú thể thay đổi trong khoảng xấp xỉ từ 1 đến 3.
Điều này cú nghĩa là ảnh hưởng của sự xỏo trộn trong việc làm giảm mức độ
cố kết về lý thuyết cú thể gấp tới 3 lần so với ảnh hưởng của khoảng cỏch giữa cỏc
ống thoỏt nước.
Hỡnh 2.6: Quan hệ giữa Fn và
36
Trong trường hợp lý tưởng (khụng xột đến ảnh hưởng của sự xỏo trộn đất và tớnh khỏng nước của ống PV) 2 ( ) 1 ln 8 r (1 h) D F n t c U = − w 3 ( ) ln 4 D F n d ⎛ ⎞ = ⎜ ⎟− ⎝ ⎠ → 2 w 3 1 ln ln 8 h 4 1 h D D t c d U ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ = ⎢ − ⎥ ⎢ ⎥ − ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ Với cỏc giỏ trị khỏc của Ch (giả sử dw = 0,05m) hb b h c t t c = Vớ dụ: Cho biết: Ch = 1.9m2/năm, dw = 0,05m Thời gian t để Uh= 90 % là 20 thỏng Yờu cầu: Tớnh D Giải: /nam 1m /nam 1,9m t 2 2 b = (20 thỏng) = 38 thỏng → D = 1,85m ; w/dw = 0,05m Hỡnh 2.8: Hệ số xỏo trộn (Fs) với cỏc thụng số cơ bản
37
Trong quỏ trỡnh nghiờn cứu, ảnh hưởng do sự xỏo trộn đất do quỏ trỡnh thi cụng, lắp đặt cỏc ống thoỏt nước vào trong nền được xem xột, trong đú nhấn mạnh vào việc tỡm hiểu cỏc cụng nghệ, kỹ thuật mới phỏt triển từ sau cụng trỡnh nghiờn cứu của Barron và Hansbo.
Cú thể dự đoỏn một cỏch chớnh xỏc cỏc ảnh hưởng do sự xỏo trộn đất so với cỏc phương phỏp đang được ứng dụng hiện tại của Barron và Hansbo, hay thậm chớ phải tớnh gần đỳng bằng cỏch bỏ qua cỏc ảnh hưởng đú.
+ Sức khỏng thoỏt nước (khụng xột sự xỏo trộn).
Xột trường hợp sức khỏng thoỏt nước (khụng cú sự xỏo trộn) thỡ phương trỡnh (2.3) cú thể viết thành
(D ch)(F( )n Fr) ( ( Uh))
t = 2 /8 + ln1/1− (2.9) Trong đú: Fr =πz(L−z)(kh /qw)
Fr’= Trị số trung bỡnh của Fr
Từ hệ thức (2.1) và (2.9) ta thấy rằng Uh biến đổi theo chiều sõu nếu cú xột tới sức khỏng thoỏt nước (tức là Fr khỏc khụng) nhưng nú sẽ khụng đổi theo chiều sõu nếu khụng xột đến sức khỏng này (Fr = 0). Thay giỏ trị trung bỡnh của Fr (Fr’) vào cụng thức (2.9), U cú thể coi là độ cố kết trung bỡnh cho cả lớp đất.
Cỏch xỏc định giỏ trị trung bỡnh này (trỡnh bày trong hỡnh 2.9) đưa đến cỏc hệ