389-Article Text-1589-2-10-20220928.Pdf

NGHIÊN CỨU SỰ SAI KHÁC VỀ ĐỘ LÚN GIỮA MÔ HÌNH PHẲNG VÀ KHÔNG GIAN CHO BÀI TOÁN HÀNG GIẾNG ĐIỂM CỐ KẾT CHÂN KHÔNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỐ Vũ Văn Tuấn * Học viện KTQS Tóm tắt Có rất nhiều

NGHIÊN CỨU SỰ SAI KHÁC VỀ ĐỘ LÚN GIỮA MÔ HÌNH PHẲNG

VÀ KHÔNG GIAN CHO BÀI TOÁN HÀNG GIẾNG ĐIỂM CỐ KẾT

CHÂN KHÔNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỐ

Vũ Văn Tuấn *

Học viện KTQS

Tóm tắt

Có rất nhiều các nghiên cứu về gia tải chân không kết hợp với bấc thấm (PVD) nhưng lại

có rất ít các công trình nghiên cứu về giếng cố kết chân không Bài báo này tập trung nghiên cứu sự sai khác giữa kết quả dự đoán lún mô hình số phẳng và không gian cho hàng giếng điểm cố kết chân không Trên cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn, thiết lập công thức tính toán và phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến tỉ lệ sai khác, đã khảo sát tính toán cho trường hợp bất lợi nhất Kết luận quan trọng nhất được đưa ra là có thể sử dụng

mô hình phẳng để mô phỏng cho bài toán hàng giếng điểm cố kết chân không

Từ khóa: Đất yếu; gia tải chân không; giếng điểm; mô hình phần tử hữu hạn

1 Đặt vấn đề

Lần đầu tiên được W Kjellman [1] giới thiệu vào năm 1952, đến nay phương pháp cố kết chân không đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi vào rất nhiều công trình trên thế giới Tại Việt Nam, trong hơn một thập kỷ gần đây, cũng đã có một số ít công trình áp dụng phương pháp này Đây là phương pháp có những ưu điểm vượt trội

so với các phương pháp gia cố nền đất yếu khác [2]

Về cơ bản, phương pháp xử lý nền yếu bằng cố kết chân không đều phải dùng kết hợp với các hệ thống thoát nước đứng và chất tải mặt đất Hệ thống thoát nước đứng có thể kết hợp với hút chân không chủ yếu có hai loại: Các bấc thấm PVD và giếng hạ thấp mực nước ngầm Qua nghiên cứu của tác giả [9] khi tiến hành cố kết đất tại cùng một khu vực bằng hai dạng PVD kết hợp chân không và giếng hạ thấp mực nước ngầm kết hợp hút chân không (sau đây gọi là giếng cố kết chân không hoặc giếng hút chân không) (Hình 1) có thể thấy: Bấc thấm PVD có hiệu quả thoát nước cao do mật độ lớn, còn giếng hút chân không thì hiệu quả thoát nước hạn chế hơn do khoảng cách giữa các hàng giếng khá xa Tuy nhiên, giếng chân không lại có ưu điểm là có thể tạo thành các giếng có đường kính và chiều sâu rất lớn [10], ít bị tắc hoặc biến dạng (Hình 2) giúp tăng hiệu quả của áp lực chân không

*

Email: vutuan2601@yahoo.com https://doi.org/10.56651/lqdtu.jst.v1.n01.389.sce

Hình 1 Hàng giếng điểm chân không

Hình 2 Giếng chân không đường kính lớn [10]

Từ lý do trên, giếng điểm chân không khá ít dùng trên thực tế và chỉ áp dụng cho các công trình dạng tuyến không yêu cầu quá cấp bách về thời gian, hoặc có thể sử dụng kết hợp với bấc thấm PVD để tăng thêm hiệu quả của quá trình thoát nước Vì ít được

sử dụng nên thông tin về việc sử dụng giếng cố kết chân không để xử lý nền đất sét yếu hầu như chưa được công bố rộng rãi Một số nghiên cứu nổi bật như: Tác giả [10] đã nghiên cứu tính năng đặc điểm và tác dụng hạ thấp mực nước ngầm của giếng chân không chiều sâu lớn khi tiến hành thi công thử nghiệm giếng chân không bên cạnh việc thi công hầm Metro tuyến số 10 tại Bắc Kinh; tác giả [6] đã nghiên cứu thực nghiệm một đơn nguyên giếng chân không trong phòng thí nghiệm và tiến hành mô hình số bài toán; tác giả [8] đã công bố số liệu thi công và quan trắc thực tế về việc sử dụng

phương pháp giếng điểm chân không tại công trình đường Thẩm Giang - Thành phố Thượng Hải - Trung Quốc Có thể thấy rằng, việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) mô phỏng bài toán cố kết chân không đã được khẳng định qua rất nhiều nghiên cứu, tuy nhiên các tác giả trên đều chưa đề cập đến việc sử dụng mô hình số trong việc mô phỏng cho bài toán thực tế như hàng giếng hút nước chân không kết hợp gia tải trước

Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của máy tính thì việc tính toán theo mô hình không gian trở nên dễ dàng hơn Tuy vậy, việc xây dựng mô hình không gian vẫn mất nhiều thời gian và khó tránh khỏi sai sót, đặc biệt là với các bài toán thực tế có khối lượng bấc thấm hoặc số lượng giếng lớn Để đơn giản hơn trong việc xây dựng mô hình

số, một số tác giả đã xây dựng các công thức chuyển đổi từ mô hình không gian về mô hình phẳng [3, 4] Tuy nhiên, các mô hình này chủ yếu dùng để chuyển đổi cho bấc thấm PVD phân bố đều trên một khu vực Chưa có nghiên cứu về sự sai khác kết quả hay mô hình chuyển đổi từ mô hình không gian về mô hình phẳng cho bài toán hàng giếng điểm chân không

Trên cơ sở phương pháp PTHH, xây dựng mô hình không gian và mô hình phẳng (với các tham số của đất nền và áp lực chân không như mô hình không gian) cho hàng giếng điểm chân không, bài báo đưa ra một số kết luận sau khi tính toán và so sánh tỉ lệ sai khác về độ lún của hai loại mô hình trong điều kiện bất lợi nhất

2 Đặt bài toán và mô hình số bài toán

2.1 Đặt bài toán

Hình 3 Sơ đồ bố trí giếng điểm chân không

Nguyên tắc bố trí giếng điểm của bài toán đặt ra dựa trên nguyên tắc bố trí giếng của công trình đường Thẩm Giang - Thành phố Thượng Hải - Trung Quốc mà tác giả đã giới thiệu [8] Giếng điểm được bố trí thành hai hàng, để đơn giản có thể coi tường cách nước nằm sát bên cạnh giếng (Hình 3) Với khả năng huy động tối đa công suất của các bơm chân không thì áp lực chân không ở đây giả sử ổn định ở trị số 100 kPa

2.2 Mô hình số bài toán

Lợi dụng tính đối xứng để giảm khối lượng tính toán Biên bên trái của mô hình là mặt đối xứng - chỉ hạn chế dịch chuyển theo phương ngang; biên bên phải là hàng giếng điểm - chỉ hạn chế chuyển vị theo phương ngang; bên trên là mặt đất - biên tự do; chiều sâu khảo sát lấy bằng chiều sâu giếng - biên dưới hạn chế chuyển vị theo 2 phương

Hình 4 Sơ đồ Mô hình không gian, Mô hình phẳng và trị số áp lực nước lỗ rỗng sau 7 ngày

Tác dụng của áp lực chân không tại biên giếng được mô hình bằng cách gán áp lực nước lỗ rỗng âm tại biên giếng bằng với giá trị của áp lực chân không (bằng -100 kPa) Để đơn giản hóa, mặt đất và các biên còn lại đều được khai báo là biên không thoát nước Sử dụng chương trình Abaqus 2017 để xây dựng mô hình PTHH

Cụ thể như sau:

Mô hình 3D: Chiều dài khảo sát lấy lớn hơn 2 lần chiều rộng Các giếng được mô

tả có đường kính d = 90 mm Khi xuất kết quả sẽ chọn điểm A và B tại mặt phẳng giữa

của mô hình Chọn phần tử khối 8 nút C3D8R và chọn kích thước của phần tử, phần mềm sau đó sẽ tự động chia phần tử (Hình 4)

Mô hình 2D: Là bài toán biến dạng phẳng, chiều rộng bằng chiều rộng của mô hình 3D Chọn phần tử phẳng 4 nút CPE4R Kích thước cạnh phần tử tương đồng như

mô hình 3D Áp lực nước lỗ rỗng âm (mô tả chân không) sẽ gán tại biên phải của mô hình Lưới phần tử và sơ đồ thể hiện trên hình 4

3 Tỉ lệ sai khác của hai loại mô hình

Cơ sở của các phương pháp so sánh hay chuyển đổi thường dựa trên độ lún mặt đất hoặc áp lực nước lỗ rỗng Ở đây tác giả sẽ lựa chọn độ lún mặt đất làm cơ sở xây dựng tỉ lệ sai khác

Tỉ lệ sai khác của hai mô hình là tỉ lệ sai khác trung bình của các điểm khảo sát trong hai mô hình, cụ thể được định nghĩa như sau:

95 0

k i

k i

k

i pi

u

C C

u





trong đó: C - tỉ lệ sai khác của hai mô hình; C k - tỉ lệ sai khác tại điểm k; u k i - độ lún tại

điểm k trong mô hình không gian tại thời điểm i ngày; u k pi - độ lún tại điểm k trong mô hình phẳng tại thời điểm i ngày; i = 95 là độ lún khi đạt đến 95% độ lún cuối cùng

4 Các yếu tố ảnh hưởng và tỉ lệ sai khác trong trường hợp bất lợi

4.1 Các yếu tố ảnh hưởng

Hình 5 Khoảng cách chiều sâu của giếng

Các yếu tố ảnh hưởng đến sự sai khác của hai loại mô hình rất nhiều, cơ bản có

thể kể đến là: Hệ số rỗng e; hệ số thấm k; mô đun biến dạng E; khoảng cách giếng l, L; chiều sâu giếng H; đường kính giếng r; phân bố chân không tại biên giếng; thời gian cố kết t Phạm vi khảo sát của các yếu tố ảnh hưởng được trình bày trong bảng 1

Bảng 1 Phạm vi khảo sát của các yếu tố ảnh hưởng

Các tham

số về giếng

Các tham

số về đất

nền

1.10-4 cm/s

Khoảng cách giếng trong một hàng từ 0,5 m đến 1,5 m Khoảng cách càng xa thì

tỉ lệ sai khác càng nhỏ Như vậy, điều kiện bất lợi nhất xảy ra khi khoảng cách giữa các

giếng trong một hàng là l = 1,5 m

Đối với các kết cấu thoát nước tiết diện nhỏ trong mô hình số cố kết chân không, ngoài việc dùng kích thước thực để mô hình giếng thì các học giả trên thế giới thường mô hình như các đường biên thủy lực hoặc là biên thủy lực với phần tử tiếp xúc hai bên, như vậy có thể thấy kích thước giếng thường ảnh hưởng không nhiều tới kết quả của mô hình

Do vậy, trong bài báo này mô hình 3D sẽ chỉ khảo sát giếng có đường kính 90 mm Tác giả Vu and Yang [5] đã tiến hành thí nghiệm và kết luận rằng, với nền đồng nhất và chiều sâu không lớn thì khi mô hình hóa có thể coi như áp lực chân không phân

bố đều theo biên giếng Vì vậy, yếu tố phân bố tại biên giếng sẽ không xét tới

4.1.1 Hệ số rỗng

Hình 6 Quan hệ của hệ số rỗng với tỉ lệ sai khác Khảo sát hệ số rỗng e từ 0,5 đến 2 Phân tích kết quả cho thấy khi e = 2 tỉ lệ sai khác nhỏ nhất Tỉ lệ sai khác lớn nhất khi e = 1 (Hình 6)

4.1.2 Hệ số thấm

Hệ số thấm của đất sét phổ biến trong khoảng từ 5.10-6 cm/s  1.10-4 cm/s Hình 7

cho thấy tỉ lệ sai khác nhỏ nhất khi k = 5.10-6 cm/s

Hình 7 Quan hệ của hệ số thấm với tỉ lệ sai khác

4.1.3 Mô đun biến dạng

Hình 8 Quan hệ của mô đun biến dạng với tỉ lệ sai khác

Quan hệ giữa tỉ lệ sai khác và mô đun biến dạng không có tính quy luật Tỉ lệ sai

khác nhỏ nhất tương ứng với E = 5000 kPa, tỉ lệ sai khác lớn nhất tương ứng với

E = 4363 kPa

4.1.4 Khoảng cách giữa hai hàng giếng

Hình 9 Quan hệ giữa khoảng cách hai hàng giếng với tỉ lệ sai khác

Hình 9 thể hiện quan hệ giữa khoảng cách hai hàng giếng với tỉ lệ sai khác Có thể

thấy tỉ lệ sai khác lớn nhất khi L = 15,5 m; và tỉ lệ sai khác nhỏ nhất khi L = 23,5 m 4.1.5 Chiều sâu giếng

Hình 10 Quan hệ giữa chiều sâu giếng với tỉ lệ sai khác

Có thể thấy chiều sâu giếng càng lớn tỉ lệ sai khác càng nhỏ Tuy nhiên, khoảng thay đổi khá nhỏ (0,9970 - 0,9967)

4.2 Khảo sát với trường hợp bất lợi

Như phân tích ở trên, tỉ lệ sai khác nhỏ nhất khi e = 2; hệ số thấm k = 5.10-6 cm/s;

mô đun E = 5000 kPa; khoảng cách hàng giếng là 15,5 m; chiều sâu giếng H = 15 m

Tác giả sẽ lựa chọn trường hợp bất lợi nhất này để kiểm tra và trình bày chi tiết hơn cách thức tính toán tỉ lệ sai khác

Hình 11; hình 12 và hình 13 thể hiện lún mặt đất của mô hình không gian, mô hình

phẳng và tỉ lệ sai khác biến thiên theo thời gian tại các điểm khác nhau Kết quả cho thấy

mô hình không gian và mô hình phẳng có sự khác biệt rất bé Thời gian càng lâu thì tỉ lệ sai khác giữa độ lún của 2 loại mô hình càng tiệm cận 1 Sự khác biệt lớn nhất xảy ra ở giai đoạn mới bắt đầu của quá trình cố kết Tỉ lệ sai khác tại điểm 1 nhỏ hơn điểm 2 và

tỉ lệ sai khác lớn nhất tại điểm 3, điều này cho thấy cách giếng điểm càng xa thì tỉ lệ sai khác càng gần 1 (sự khác biệt của 2 mô hình càng bé) Ngoài ra, sự gần trùng nhau giữa điểm 1 và điểm 4 trong hình 13 cho thấy tỉ lệ sai khác giữa mặt cắt qua giếng và mặt cắt giữa hai giếng cũng là rất ít Trong trường hợp khảo sát này, mặc dù đã chọn những thông

số bất lợi nhất nhưng tỉ lệ sai khác vẫn tương đối tiệm cận 1 (0,9739)

Có thể thấy rằng, giếng hút chân không khá đặc biệt là có thể dùng để tăng tốc độ

cố kết trong nền sét, tuy vậy nó vẫn mang đặc điểm của giếng hút nước: Khi khoảng cách trong một hàng là đủ nhỏ, thời gian hút đủ lâu, điều kiện địa chất thuận lợi thì sự tương hỗ giữa các giếng sẽ làm cho đường hạ thấp mực nước của hàng giếng như là một

hào hút nước Điều này lý giải tại sao sai số của hai mô hình không gian và phẳng trong điều kiện khảo sát trên là khá nhỏ Ngoài ra, điểm khảo sát nằm khá xa hàng giếng cũng

là một nguyên nhân dẫn tới sự khác biệt rất bé về kết quả tính lún của hai loại mô hình Như vậy, nếu sử dụng mô hình phẳng để mô hình hóa bài toán không gian cho hàng giếng điểm thì kết quả sai khác khoảng 2,62% Giá trị này tương đối nhỏ, có thể

bỏ qua trong khi xây dựng mô hình số

Hình 11 Lún mặt đất của mô hình không gian và mô hình phẳng

Hình 12 Tỉ lệ sai khác biến thiên theo thời gian của điểm 1, 2, 3

Hình 13 Tỉ lệ sai khác biến thiên theo thời gian của điểm 1, 4

5 Kết luận

Trên cơ sở xây dựng mô hình PTHH phẳng và không gian cho bài toán cố kết của nền đất yếu bằng hàng giếng điểm chân không, thiết lập công thức tính toán và xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến tỉ lệ sai khác, khảo sát tính toán cho trường hợp bất lợi nhất, rút ra một số kết luận như sau:

- Sự sai khác về độ lún của mô hình không gian và mô hình phẳng là nhỏ, gần với 1 Khảo sát với trường hợp bất lợi nhất thì tỉ lệ sai khác là 0,9739 Có nghĩa là kết quả của mô hình phẳng và không gian sai lệch nhau 2,06%

- Thời gian cố kết càng lâu thì sự sai khác về kết quả tính lún của hai dạng mô hình càng nhỏ Giá trị sai khác lớn nhất xảy ra ở giai đoạn đầu của quá trình cố kết

- Các điểm càng ở xa hàng giếng thì tỉ lệ sai khác càng gần 1 (sự khác biệt về kết quả tính lún của hai loại mô hình càng nhỏ), các điểm ở càng gần hàng giếng sẽ có

tỉ lệ sai khác nhỏ hơn các điểm ở xa hàng giếng

Tài liệu tham khảo

1 Kjellmann W (1952) Consolidation of clay soil by means of atmospheric pressure

Proceedings on Soil Stabilization Conference Boston, U.S.A

2 Griffin Harry and O'Kelly Brendan C (2014) Ground improvement by vacuum

consolidation - A review Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Ground

Improvement, 167(4), 274-290

3 Tran Tuan Anh and Mitachi Toshiyuki (2008) Equivalent plane strain modeling of vertical

drains in soft ground under embankment combined with vacuum preloading Computers

and Geotechnics, 35(5), 655-672

4 Indraratna Buddhima and Redana I W (2000) Numerical modeling of vertical drains with

smear and well resistance installed in soft clay Canadian Geotechnical Journal, 37(1),

132-145

5 Vu Van-tuan and Yang Yu-you (2016) Numerical modelling of soft ground improvement

by vacuum preloading considering the varying coefficient of permeability International

Journal of Geotechnical Engineering, 1-9

6 Vu Van-tuan, Yao Lei-hua, and Wei Ying-jie (2016) Laboratory investigation of

axisymmetric single vacuum well point Journal of Central South University, 23(3),

750-756

7 Indraratna Buddhima, et al (2010) Performance monitoring of vacuum preloading for

stabilizing soft foundations for transportation and port infrastructure Indian Geotechnical

Conference, GEOtrendz, Mumbai

Văn Tân Luân (2003) Nghiên cứu cơ chế và ứng dụng phương pháp chân không hạ thấp

mực nước ngầm kết hợp với gia tải trước Luận văn thạc sĩ, Đại học Đồng Tế, Thượng Hải

业大学学报 , 40(12), 2044-2047

Dương Hải Húc, Vương Hải Tiêu và Đổng Hi Bân (2008) Thí nghiệm giếng chân không hạ

thấp mực nước ngầm kết hợp với gia tải trước vào gia cố nền đất yếu Tạp chí Đại học Công

nghệ Cáp Nhĩ Tân, 40(12), 2044-2047

10 汪国锋, 潘秀明, and 王贵和 (2006) 真空深井降水技术及其在北京地铁施工中的应用

研究 岩土工程技术 , 20(4), 173-178

Uông Quốc Phong, Phan Tú Minh và Vương Quý Hòa (2006) Nghiên cứu ứng dụng giếng

chân không chiều sâu lớn trong thi công đường tàu điện ngầm tại Bắc Kinh Tạp chí Địa kỹ

thuật, 20(4), 173-178

RESEARCH ON THE SETTLEMENT DISCREPANCY

BETWEEN 2D AND 3D MODELS FOR VACUUM WELLPOINTS

CONSOLIDATION BY NUMERICAL METHOD

Abstract: While there are many studies on vacuum pre-loading combined with PVD,

there are very few studies on vacuum well systems This paper aims to study a discrepancy in the settlement between 2D and 3D numerical models for rows of vacuum wellpoints Based on the finite element method, the definition of discrepancy ratio, the analysis of the factors affecting the discrepancy ratio, the worst case has been evaluated The important conclusion can be drawn: 2D numerical models can be used to simulate the rows of vacuum wellpoints consolidation

Keywords: Soft ground; vacuum preloading; vacuum wellpoint; finite element method

Ngày nhận bài: 25/8/2018; Ngày nhận bản sửa lần cuối: 02/10/2018; Ngày duyệt đăng: 18/01/2019

