Nghiên cứu ứng dụng phương pháp có hút chân không xử lý nền đất yếu phục vụ xây dựng công trình thuỷ lợi vùng ven biển

Tên đề tài: Nghiên cứu ứng dụng phương pháp cố kế hút chân không xử lý nền đất yếu phục vụ xây dựng công trình thủy lợi vùng ven biển.. - Xây dựng phương pháp thiết kế và quy trình công

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUÁT 6

1.1 Thông tin chung về đề tài 6

1.2 Các sản phẩm chính của đề tài 7

1.3 Công tác tổ chức và triển khai thực hiện đề tài 8

1.3.1 Tình hình triển khai thực hiện 8

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÚT CHÂN KHÔNG 10

2.1 Nền đất yếu: 10

2.2 Các công trình xây dựng trên nền đất yếu 11

2.3 Các phương pháp xử lý nền đất để xây dựng công trình 13

2.4 Công nghệ bơm hút chân không xử lý nền đất yếu 16

2.4.1 Lược sử phát triển 16

2.4.2 Giới thiệu nguyên lý một số phương pháp thi công HCK 18

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG HCK 23

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG HCK 23

3.1 Bài toán cố kết thấm 23

3.1.1 Giới thiệu chung 23

3.1.2 Phương trình vi phân cơ bản 25

3.2 Các phương pháp giải bài toán cố kết thấm 26

3.2.1 Phương pháp cố kết lún nén tương đương 26

3.2.2 Phương pháp Barron – Terzaghi 29

3.2.3 Lời giải áp dụng trực tiếp cho HCK 33

3.3 Tính toán thiết kế xử lý nền bằng hút chân không 34

3.3.1 Một số tính toán thiết kế ban đầu 34

3.3.2 Tính toán dự báo lún 40

3.3.3 Các phần mềm tính toán 43

3.4 Thiết kế tổ chức thi công 46

3.4.1.Lập sơ đồ nhân sự 46

3.4.2.Lập lịch trình công tác 48

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VỀ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG PHƯƠNG PHÁP HCK 50

4.1 Nghiên cứu thí nghiệm trong phòng 50

4.1.1 Mục đích nghiên cứu 50

4.1.3 Kết quả thí nghiệm và phân tích 58

4.2 Nghiên cứu thí nghiệm hiện trường 67

4.2.1 Mục đích nghiên cứu: 67

4.2.2 Lựa chọn địa điểm và khảo sát địa chất khu vực thí nghiệm 68

4.2.3 Quy hoạch các seri thí nghiệm 70

4.2.4 Thiết bị và vật liệu sử dụng cho thí nghiệm 70

4.2.5 Quá trình thí nghiệm 72

4.2.6 Các kết quả thí nghiệm 72

4.3 Nghiên cứu trên công trình thực tế 88

4.3.1 Đặt vấn đề: 88

4.3.2 Mô tả bố trí thí nghiệm: 89

4.3.3 Phân tích kết quả đo đạc ban đầu: 94

4.3.4 Một số kết luận: 98

CHƯƠNG 5 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG BƠM HÚT CHÂN KHÔNG 99

5.1 Các loại máy móc, thiết bị thi công 99

5.1.1 Máy cắm bấc thấm 99

5.1.2 Máy bơm hút chân không 107

5.2 Trình tự thao tác xử lý 109

5.2.1 Khảo sát địa chất 110

5.2.2 Chuẩn bị mặt bằng 110

5.2.3 Cắm bấc và lắp đặt hệ thống 111

5.2.4 Vận hành và quan trắc 114

5.2.5 Tái chuẩn bị mặt bằng 115

5.3 Công tác và thiết bị quan trắc trong và sau khi xử lý 115

5.3.1 Quan trắc chuyển vị 116

5.3.2 Quan trắc áp lực nước lỗ rỗng 119

5.4 Thí nghiệm hiện trường đánh giá chất lượng đất nền sau khi xử lý 121

5.4.1 Thí nghiệm cắt cánh - Vane Shear (Theo BS 1377- Phần 9 - 1990) 121

5.4.2 Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn –SPT (Theo TCXD 226:1999) 122

5.4.3 Thí nghiệm xuyên tĩnh – CPT (Theo TCXD 174 :1989)) 124

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 129

6.1 Các kết quả đạt được của đề tài 129

6.2 Một số kiến nghị 133

PHỤ LỤC 134

TÀI LIỆU THAM KHẢO 144

CHÚ THÍCH CÁC KÝ HIỆU

a – hệ số nén lún của đất ; diện tích xử lý trung bình cho 1 nhân công

Hs – chiều dày lớp gia tải khí

Kair – hệ số thấm khí của lớp gia tải

Kc – hệ số thấm

Kr – hệ số thấm phương ngang

Ksoil – hệ số thấm của đất

Kv – hệ số thấm phương đứng

l – chiều sâu cắm bấc;

chiều dài thoát nước thấm lớn nhất của bấc

N – hệ số xuyên tiêu chuẩn;

số lượng nhân công

pvac – áp suất chân không tương đối

qreq, qw – lưu lượng yêu cầu cho bấc thấm

Qa – lưu lượng bơm hút chân không

tpre – thời gian làm công việc bơm hút

tpump – thời gian bơm hút

Tr, Tv – nhân tố thời gian

u - áp lực nước lỗ rỗng dư

ur – độ cố kết theo phương bán kính

uv – độ cố kết theo phương đứng

u10 – 10% giá trị độ cố kết tính toán

γ – tham số vùng miết khi gia tải trước

γw – trọng lượng riêng của nước

CHƯƠNG 1: TỔNG QUÁT 1.1 Thông tin chung về đề tài

1 Tên đề tài: Nghiên cứu ứng dụng phương pháp cố kế hút chân không xử lý nền

đất yếu phục vụ xây dựng công trình thủy lợi vùng ven biển

2 Câp quản lý: Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn

3 Cơ quan chủ trì đề tài: Trường Đại học Thủy Lợi

4 Chủ nhiệm đề tài: GS.TS Nguyễn Chiến

Giảng viên trường Đại học Thủy Lợi

5 Những người tham gia thực hiện đề tài:

- GS.TS Nguyễn Chiến, chủ nhiệm đề tài

- PGS.TS Nguyễn Cảnh Thái: phó chủ nhiệm, nghiên cứu bài toán cố kết thấm

- PGS.TS Trịnh Minh Thụ - nghiên cứu phương pháp tính toán xử lý nền đất yếu bằng HCK

- PGS.TS Nguyễn Quang Hùng – nghiên cứu bài toán cố kết thấm

- TS Nguyễn Thế Điện – nghiên cứu tổng quan phương pháp xử lý nên đất yếu bằng HCK

- ThS Nguyễn Đình Khiêm – nghiên cứu thực nghiệm về xử lý nền đất yếu bằng HCK

- ThS Hoàng Việt Hùng – nghiên cứu thực nghiệm về xử lý nền đất yếu bằng HCK

- ThS Tô Hữu Đức – Quy trình công nghệ xử lý nền đất yếu bằng HCK

- ThS Phạm Huy Dũng – công tác thí nghiệm đánh giá chất lượng nền sau

xử lý

- ThS Nguyễn Hoàng Long – Nghiên cứu thí nghiệm hiện trường

- TS Đào Tuấn Anh – Nghiên cứu thí nghiệm hiện trường

- ThS Phạm Quang Đông – Nghiên cứu thí nghiệm trong phòng và hiện trường

6 Mục tiêu của đề tài:

a) Mục tiêu tổng quát:

Làm chủ được công nghệ xử lý nền đất yếu bằng cố kết HCK phục vụ xây dựng công trình thủy lợi vùng ven biển có giá thành hợp lý

b) Mục tiêu cụ thể:

- Xây dựng phương pháp thiết kế và quy trình công nghệ xử lý nền đất yếu bằng cố kế HCK (trình tự, thiết bị, các thông số kỹ thuật trong xử lý nền bằng cố kết HCK)

- Xác định phạm vi ứng dụng của phương pháp (theo loại và đặc điểm phân

bố của đất nền, tính chất của tải trọng, yêu cầu thi công …)

- Xây dựng chỉ tiêu và quy trình đánh giá chất lượng xử lý nền đất yếu ven biển của công trình thủy lợi bằng phương pháp cố kết HCK

7 Phương pháp nghiên cứu:

- Tổng hợp các tài liệu nghiên cứu đã có ở trong và ngoài nước, kế thừa kiến thức và kinh nghiệm, xác định nội dung nghiên cứu mới phù hợp với mục tiêu đề tài

- Nghiên cứu lý thuyết bài toán cố kết ứng dụng vào sơ đồ hút chân không,

sử dụng các mô hình toán và phần mềm máy tính để tìm lời giải về xác định các đặc trưng bố trí HCK

- Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng và hiện trường để chính xác hóa các kết quả tính toán và thực hành triển khai công nghệ HCK

- Thu thập và phân tích số liệu về các công trình đã ứng dụng công nghệ HCK ở trong nước để đối chiếu và khái quát hóa phạm vi áp dụng

1.2 Các sản phẩm chính của đề tài

1 Báo cáo tổng kết đề tài “Nghiên cứu ứng dụng phương pháp cố kết hút chân không xử lý nền đất yếu phục vụ xây dựng công trình thủy lợi vùng ven biển”

2 Báo cáo tóm tắt kết quả đề tài

3 Báo cáo: Hướng dẫn thiết kế xử lý nền đất yếu bằng phương pháp cố kết hút chân không

4 Báo cáo: Quy trình công nghệ xử lý nền đất yếu bằng bơm hút chân không 5.Số liệu tham khảo trong thiết kế xử lý nền bằng cố kết chân không

6 Báo cáo phân tích lựa chọn phương pháp dự báo lún trong xử lý nền bằng cố kết chân không

7 Các bài báo đã công bố:

- Kết quả bước đầu về nghiên cứu bố trí hợp lý bấc thấm khi xử lý nền đất yếu bằng phương pháp cố kết chân không – Tạp chí KHKT Thủy lợi và Môi trường số 24 (tháng 3-2009)

- Một số kết quả nghiên cứu thí nghiệm hiện trường về phương pháp cố kết hút chân không xử lý nền đường cao tốc Long Thành – Dầu Giếng – Tạp chí KHKT Thủy lợi và Môi trường số 24 (tháng 3-2011)

3 luận văn thạc sĩ về các vấn đề thuộc đề tài đã bảo vệ thành công:

-Nghiên cứu xử lý nền đất yếu bằng phương pháp cố kết chân không; HV: Trần Đình Phong, bảo vệ năm 2009;

-Nghiên cứu phương pháp cố kết chân không để xử lý nền đất yếu khi đắp

đê ven biển; HV: Phạm Quang Đông, bảo vệ năm 2009;

-Nghiên cứu xác định các đặc trưng của nền đất được xử lý bằng phương pháp cố kết chân không; HV: Nguyễn Thanh Vân, bảo vệ năm 2010

b.Đào tạo tiến sĩ:

1 NCS đang làm luận án tiến sĩ với đề tài “Nghiên cứu phương pháp cố kết hút chân không xử lý nền đê ven biển” (NCS: Phạm Quang Đông)

1.3 Công tác tổ chức và triển khai thực hiện đề tài

1.3.1 Tình hình triển khai thực hiện

- Bắt đầu thực hiện: năm 2008

- Trường Đại học Thủy lợi ra quyết định thành lập Ban chủ nhiệm đề tài gồm 7 người

Việc triển khai đề tài thực hiện theo kế hoạch tiến độ đã được duyệt, cụ thể như sau:

- Năm 2008: Nghiên cứu tổng quan, thu thập và dịch thuật tài liệu; nghiên cứu phương pháp giải bài toán cố kết nền đất yếu, vận dụng cho trường hợp gia tải bằng hút chân không; nghiên cứu thí nghiệm mô hình tại phòng thí nghiệm địa

kỹ thuật – trường Đại học Thủy Lợi để xác định các thống số bơm hút CK

- Năm 2009: Nghiên cứu thí nghiệm hiện trường tại khu vực ven biển huyện Tiên Lãng, thành phố Hải Phòng – Tiến hành khảo sát địa chất hiên trường, tính toán thiết kế các seri thí nghiệm, tiến hành thí nghiệm bơm hút chân không và

đo đạc các thông số, kiểm tra chất lượng đất nền đã xử lý Tiến hành hội thảo báo cáo kết quả ban đầu

- Năm 2010: tiếp tục công tác nghiên cứu thí nghiệm hiện trường, kết hợp thu thập tài liệu thực tế về bơm hút chân không ở các công trình khác( cảng Đình

Vũ, đường cao tốc Long Thành – Dầu Giây) Tiến hành xây dựng bản thảo hướng dẫn thiết kế xử lý nền đất yếu bằng phương pháp cố kết hút chân không Thực hiện chuyến tham quan học tập ở nước ngoài (Singapore) Các công việc đã tiến hành trong đợt công tác:

+Trao đổi kinh nghiệm nghiên cứu và thông tin khoa học kỹ thuật về công nghệ HCK xử lý nền đất yếu với khoa Kỹ thuật dân dụng và Môi trường, trường đại học Công nghệ Nanyang, Singapore

+Tham gia hội thảo quốc tế về xử lý nền trong phát triển cơ sở hạ tầng, với báo cáo của các nhóm nghiên cứu từ Singapore, Trung Quốc, Pháp, Úc…

+Tham quan tìm hiểu các máy móc, thiết bị đo đạc trong phòng và ngoài trời tại hãng cung cấp thiết bị quan trắc Tritech

+Tham quan một số công trình thực tế tại Singapore

Tồn tại: nội dung 6 của đề tài về áp dụng cho công trình thực tế chưa triển khai được mặc dù đã có sự đồng ý của đơn vị đối tác là Công ty quản lý khai thác công trình thủy lợi Tiên Lãng, Hải Phòng về việc triển khai xử lý nền cho một đoạn đê trong Dự án nâng cấp đê sông Văn Úc, nhưng sẽ được triển khai trong năm 2011

Bộ Nông nghiệp và PTNT đã có công văn cho phép kéo dài thời gian thực hiện đề tài đến hết năm 2011 để hoàn thành nội dung 6 Tuy nhiên, do tác động của Quyết định số 11/NĐ-CP ngày 24 tháng 02 năm 2011, dự án chưa được bố trí vốn để triển khai Theo đề nghị của Trường Đại học Thủy lợi, Bộ Nông nghiệp và PTNT đã có công văn số 6034/BNN-KHCN ngày 01 tháng 12 năm 2011 đồng ý cho phép đề tài không thực hiện nội dung 6: triển khai ứng dụng cho công trình thực tế và tổ chức nghiệm thu trong tháng 12 năm 2011

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÚT CHÂN KHÔNG

2.1 Nền đất yếu:

Trong việc xây dựng các công trình thì đặc tính chịu tải của nền đất là rất quan trọng Nền đất tốt giúp công trình vững chãi, ổn định trong quá trình vận hành trước các tác dụng của các tải trọng thường xuyên, tạm thời và cả tải trọng đặc biệt, đồng thời tránh được các hậu quả khôn lường do các hiện tượng lún, lún không đều, sạt, trượt… Tuy nhiên do yêu cầu về dân sinh và về giao thông, rất nhiều công trình không có khả năng lựa chọn linh hoạt địa điểm thi công như công trình xây dựng đô thị ven sông, ven biển, đường giao thông, đê điều, cầu, cảng… Các công trình này bắt buộc phải được xây dựng trên nền đất có đặc tính chịu tải kém, gọi chung là nền đất yếu

Có rất nhiều quan niệm khác nhau về nền đất yếu Theo quan điểm của một

số nhà xây dựng, nếu tính chịu tải của đất không đáp ứng được các yêu cầu của thiết kế, phải gia cố mới có thể thi công và vận hành công trình thì gọi là đất yếu Đây là một quan niệm mang tính vận dụng cao, được chấp nhận rộng rãi, tuy nhiên quan niệm này lại không có hạn định rõ ràng vì đối với một số công trình một nền cụ thể có thể coi là nền đất yếu, nhưng đối với một số công trình khác thì không Điểm này gây khó khăn cho việc quy hoạch

Một quan niệm khác cho rằng nền đất yếu là nền có chứa lớp đất yếu có độ dày lớn hơn 0,5 m Đất yếu ở đây được hiểu là các loại như đất nhiễm than bùn, đất sét, á sét có hệ số chảy lớn hơn 0,5 và đất nhiễm mặn Mặt khác, theo P.L Ivanov, các loại đất yếu chủ yếu là các loại đất cát pha, á sét và đất sét có hàm lượng hạt mịn (R<0.005mm) lớn hơn 3% [43] Đối với xây dựng đường ô tô, theo tiêu chuẩn 22TCN262-2000 [10], đất yếu là đất ở trạng thái tự nhiên, độ ẩm của đất gần bằng hoặc cao hơn giới hạn chảy, đất yếu có hệ số rỗng lớn (đất sét: e≥1,5; đất á sét: e≥1), lực dính C theo thí nghiệm cắt nhanh không thoát nước nhỏ hơn 0,15 daN/cm2 (tương đương kG/cm2), góc nội ma sát φ<10o hoặc lực dính từ kết quả thí nghiệm cắt cánh hiện trường Cu<0,35 daN/cm2 Theo một quan điểm khác [12], đất yếu có thể coi là đất sét, á sét có độ sệt B>0,5 hoặc đất có lượng hữu cơ > 20% hoặc đất bùn cát có độ bão hòa G > 0,8 Theo quan điểm xây dựng của một số nước [2] đất yếu được xác định theo tiêu chuẩn về sức kháng cắt không thoát nước su và hệ số xuyên tiêu chuẩn N như sau:

- Đất rất yếu: su ≤ 12,5 kPa hoặc N ≤ 2

- Đất yếu: su ≤ 25 kPa hoặc N ≤ 4

Từ một khía cạnh khác, nền đất không có lớp đất yếu nhưng có kết cấu yếu (có hang Karst, sông ngầm, mặt trượt đứt gãy kéo dài …) vẫn có thể xếp vào dạng nền đất yếu Tuy nhiên đối với các loại nền này, sự mất ổn định của công trình chỉ

rõ rệt khi tải trọng vượt quá tải trọng cho phép Dạng nền này không thể sử dụng các biện pháp gia cố thông thường và không phải là đối tượng xử lý được đề cập đến ở dưới đây

Tóm lại, nền đất yếu là nền đất không thuận lợi cho việc xây dựng công trình Thi công công trình trên nền đất yếu đòi hỏi phải xử lý nền thật tốt để đảm bảo an toàn cho việc xây dựng và vận hành

2.2 Các công trình xây dựng trên nền đất yếu

Việc lựa chọn địa điểm xây dựng công trình có nền đất tốt có thể tiết kiệm rất nhiều về mặt chi phí cũng như thời gian xây dựng Tuy nhiên, trong thực tế có rất nhiều công trình bắt buộc phải xây dựng trên nền đất yếu vì nhiều lý do như mục đích sử dụng, giao thông, nguồn vật tư… Các công trình xây dựng trên nền đất yếu nói chung mà trong đó có các công trình ứng dụng công nghệ bơm hút chân không xử lý nền đất yếu (HCK) có thể chia làm bốn nhóm chính sau:

a) Các công trình giao thông

Đây là nhóm công trình rất quan trọng và đa dạng, phân chia thành các nhóm nhỏ hơn theo đặc điểm vận hành: các công trình giao thông thủy (cảng sông, cảng biển, âu thuyền ); các công trình giao thông bộ (đường cao tốc ven biển, cầu, hầm vượt sông…); các công trình giao thông khác (sân bay, đường tàu, nhà ga…) Trên hình 1.1 là sân bay Suvarnabhumi (Thái Lan), một công trình được xử lý nền bằng HCK với diện tích xử lý 400.000 m2

Hình 2.1 Sân bay Suvarnabhumi,

Thái Lan

Hình 2.2 Khu dân cư Steiger Eiland

Ijburg, Hà Lan

Ở Việt Nam cũng đã có một số công trình giao thông được ứng dụng HCK

xử lý nền đất yếu như cảng Đình Vũ, Hải Phòng; đường cao tốc Long Thành – Dầu Giây…

b) Các công trình dân dụng

Nhóm các công trình dân dụng xây dựng trên nền đất yếu là nhóm công trình phổ biến nhất, tuy nhiên nhóm này ít được ứng dụng HCK mà chủ yếu sử dụng các công nghệ cố kết khác như đầm lăn, đầm rung… hoặc làm móng sâu, xuyên qua lớp đất yếu, đem công trình tựa lên lớp địa chất tốt hơn Trên hình 1.2

là khu dân cư Steiger Eiland Ijburg (Hà Lan) được xử lý nền bằng HCK với tổng chiều dài bấc sử dụng là 320.000 m

c) Các công trình công nghiệp

Nhóm các công trình công nghiệp xây dựng trên nền đất yếu không nhiều,

do đặc thù xây dựng xa khu dân cư cho phép lựa chọn địa điểm xây dựng linh hoạt hơn Cũng nhờ vậy, các công trình xây dựng công nghiệp thường ít sử dụng giải pháp xử lý nền bằng HCK mà có điều kiện sử dụng các phương pháp cố kết khác rẻ tiền và tiện lợi hơn Tuy nhiên do yêu cầu về nguồn nguyên liệu và giao thông, vẫn có nhiều công trình xây dựng công nghiệp ứng dụng HCK Trên hình 1.3 là nhà máy điện nguyên tử Singori của Hàn quốc, được xử lý nền bằng phương pháp cố kết hút chân không với 695.000 m bấc

Ở Việt Nam cũng có một số công trình công nghiệp ứng dụng công nghệ này

xử lý đất nền như Nhà máy khí điện đạm Cà Mau; Nhà máy DAP, Nhà máy Polyester Đình Vũ, Hải Phòng; Nhà máy điện Nhơn Trạch - Đồng Nai

d) Các công trình thủy lợi:

Nhóm các công trình thủy lợi ứng dụng HCK chủ yếu là các công trình chỉnh trị như đê và các công trình dưới đê, kè ở ven sông, ven biển các trạm bơm và công trình xử lý nước Trên hình 2.4 là sơ đồ công trình xử lý nước thải trên sông Nakdong, Hàn Quốc với diện tích xử lý nền ứng dụng HCK là 160.000 m2

2.3 Các phương pháp xử lý nền đất để xây dựng công trình

Các phương pháp gia cố nền đất yếu đã được ứng dụng từ hàng ngàn năm trước bằng những phương pháp thô sơ như là dùng đầm tay nện đất hay đóng cọc tre ép đất nền chặt hơn Tuy nhiên việc nghiên cứu một cách khoa học, và có hệ thống chỉ bắt đầu từ thế kỷ trước, sau khi các cơ sở lý luận cơ bản của môn cơ học đất được hoàn thiện Trải qua gần một thế kỷ nghiên cứu và phát triển, các nhà khoa học đã tìm ra nhiều phương pháp hiệu quả để cố kết đất yếu Về cơ bản, các phương pháp đó được chia thành bảy nhóm như sau:

a) Phương pháp thay nền

Nguyên tắc của phương pháp này được nghĩ đến từ rất sớm và rất đơn giản: trực tiếp bóc bỏ một phần hoặc toàn bộ lớp đất yếu chịu tải, thay bằng loại đất có khả năng chịu tải tốt hơn Trong quá trình bóc bỏ nếu gặp phải khó khăn do đất quá yếu có thể bỏ thêm đất khô rồi xúc cả đi Phương pháp này nhìn chung tốn kém và ít được sử dụng

b) Nhóm phương pháp cơ học

Nguyên tắc cơ bản của nhóm phương pháp cơ học là sử dụng tác động cơ học làm giảm hệ số rỗng của đất nền Các phương pháp thuộc về nhóm này tương đối đa dạng và được ứng dụng rộng rãi, bao gồm: sử dụng tải trọng tĩnh, động, đóng cọc, nhồi rung cọc đá, sử dụng thuốc nổ sâu [42] Nguyên lý của phương pháp sử dụng tải trọng là tạo ra các lực tác dụng theo phương đứng và ngang nhằm nén đất nền lại để giảm hệ số rỗng, trong khi đó việc đóng thêm cọc nhằm giảm thể tích của đất nền, tạo ra các lực nén theo phương ngang để từ đó giảm hệ

số rỗng của nền Phương pháp sử dụng thuốc nổ sâu chỉ áp dụng cho đất rất yếu,

sử dụng trọng lượng của khối đất và lực nén của thuốc nổ để giảm hệ số rỗng của đất nền

Phương pháp đầm thông thường chỉ được sử dụng khi lớp đất yếu nằm ở phía dưới, lớp đất trên bề mặt khô ráo và có sức chịu tải nhất định, chịu được tải trọng tĩnh và động của thiết bị đầm nén mà không gây lún cục bộ Nếu chiều sâu đầm nén không lớn (nhỏ hơn 5 m) có thể sử dụng xe đầm lăn, đầm rung Trong

cục bộ tại một điểm Đối với đầm cục bộ, có hai cách đầm chính là đầm chậm – (deep) dynamic compaction (DC) và đầm nhanh - rapid (deep) dynamic

compaction (RDC)

Các phương pháp đầm chậm (hình 2.5) thông thường dùng quả đầm có trọng lượng 10÷40 tấn thả rơi từ độ cao 10÷40 m với tần suất 0,5÷1 lần/phút Quả đầm có thể dài tới 7 m và sẽ tạo ra một hố có thể sâu tới hơn 5m, quả đầm không cần phải làm đối xứng tròn mà có thể làm góc cạnh và khu vực chịu ảnh hưởng có thể sâu tới hơn 16m Trong khi đó, phương pháp đầm nhanh (hình 2.6) thông thường dùng quả đầm nhỏ hơn có trọng lượng 9÷16 tấn, ném thả có gia tốc ban đầu từ độ cao 0,2÷1 m với tần suất 40÷80 lần/phút Quả đầm hình trụ có đường kính 1,5÷2,6 m và khu vực ảnh hưởng có thể sâu tới hơn 9m

Nhóm phương pháp hóa học dựa trên nguyên lý là bơm hóa chất vào đất nền

để gia cố đất Hóa chất chủ yếu được sử dụng là vữa xi măng và thủy tinh lỏng [44] Mũi khoan quay và đâm sâu vào đất nền đến độ sâu thiết kế thì quay ngược lại để rút trở ra Trong quá trình rút mũi khoan dung dịch được bơm dưới áp lực cao thành tia (jet grouting) vào đất nền, len vào các khe nứt trong đất (hình 2.7) Hiệu quả phun phụt tốt khi kích thước các khe lớn hơn 0,1 mm Để tạo thuận lợi cho phun phụt, có thể dùng lưỡi thép gắn vào mũi khoan, khi mũi khoan quay, lưỡi thép tách đất ra, làm đất tơi hơn, dễ tiếp nhận dung dịch vữa hơn Phần đất được phụt dung dịch vữa xi măng sau khi cứng hóa có dạng cọc xi măng đất (hình 2.8)

Hình 2.7 Mô tả quá trình jet grouting Hình 2.8 Cọc xi măng đất khi đào lên

Tuy nhiên phương pháp này cũng có những hạn chế nhất định là hóa chất trong cột có thể tác dụng với muối và nước ngầm để tạo thành chất tan Vì vậy

trong quá trình vận hành thường xuyên phải phun phụt trở lại

Một cải tiến nhằm khắc phục tình trạng trên là bơm vào đất nền một dung dịch hỗn hợp của hai hay nhiều hóa chất, mà sau đó các hóa chất này tác dụng với nhau tạo thành chất kết tủa lấp đầy các khe rỗng, làm việc như một loại đất nhân tạo, ví dụ:

Na2O.nSiO2 + CaCl2+mH2O = nSiO2.(m-1)H2O + Ca(OH)2 + 2NaCl

c) Nhóm phương pháp nhiệt học

Nguyên tắc của nhóm phương pháp nhiệt học là cứng hóa nền đất yếu bằng cách bơm hóa chất và khí nóng với nhiệt độ rất cao 700÷900oC vào các kẽ nứt nhân tạo được đóng kín bề mặt (phương pháp của I.M.Litminova) Gần đây, Nga còn phát triển thêm một phương pháp nhiệt học mới, dùng máy nung điện hợp kim nichrome để đốt nóng hố khoan theo chiều sâu, từ đó điều chỉnh được nhiệt

độ cho phù hợp với từng lớp đất nền Tuy nhiên về cơ bản thì phương pháp này tiêu tốn nhiều năng lượng và ít được sử dụng

d) Nhóm phương pháp sinh học

Nhóm phương pháp sinh học dựa trên nguyên tắc sử dụng các vi sinh vật làm đầy các lỗ rỗng của đất nền (bioclogging) từ đó làm giảm hệ số rỗng hoặc gắn kết các hạt đất lại với nhau (biocementation) để làm tăng lực dính đơn vị của đất [41] Nhìn chung, nhóm phương pháp này có giá thành thấp tuy nhiên khả năng kiểm soát kém và đòi hỏi thời gian dài

e) Nhóm phương pháp thủy lực học

Nguyên tắc của nhóm phương pháp thủy lực học là rút bớt nước ra khỏi đất

dùng để rút nước thường là bấc thấm composite Cơ chế hút nước có thể là bơm hút cơ học hoặc điện thấm [10] Để gia tăng tốc độ cố kết, có thể đóng tường chống thấm nhằm hạn chế nước ngầm từ xung quanh chảy đến hoặc kết hợp thêm với gia tải

Về cơ bản, HCK có thể coi là một phương pháp nhánh của nhóm phương pháp này

2.4 Công nghệ bơm hút chân không xử lý nền đất yếu

2.4.1 Lược sử phát triển

Công nghệ bơm hút chân không xử lý nền đất yếu (HCK) lần đầu tiên được giới thiệu là vào năm 1952 bởi tiến sĩ W Kjellman Sau đó bài toán cố kết hút chân không được nghiên cứu lại bởi giáo sư Cognon với một số nguyên tắc lý thuyết cơ bản mới Đến những năm 70, HCK được ứng dụng rộng rãi, đặc biệt là

ở Nga và Nhật Vào thời điểm bấy giờ HCK được bổ sung một lớp tường chống thấm bao quanh khu vực xử lý nhằm hạn chế nước ngầm từ khu vực xung quanh, đồng thời gia tăng áp lực nén đứng của dòng thấm Tuy nhiên cách bố trí này sớm bộc lộ khuyết điểm là khá tốn kém

Năm 1989 hãng xây dựng Menard (Pháp) dựa trên nghiên cứu và phát minh của giáo sư J.M Cognon lần đầu tiên áp dụng phương pháp cố kết MVC (Menard Vacuum Consolidation) trên diện tích 390 m2 của một trường huấn luyện phi công

ở Ambes, Pháp [30] Việc bố trí tường chống thấm không còn nữa mà thay vào đó

là lớp gia tải bằng đất và sự chênh lệch giữa áp suất khí quyển với áp suất chân không dưới màng kín khí bao phủ bề mặt diện tích xử lý Từ sau đó phương pháp này đã được ứng dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới

Bảng 2.1 Một số công trình ứng dụng MVC giai đoạn 1989-2001

Phạm vi (m 2 )

bay

IGB – Dr

2001 Bang Bo Thái Lan Đường vào nhà

1999 Jangyoo STP Hàn Quốc Nhà máy xử lý

1997 Wismar Đức Cảng Steinfeld &

1995 Khimae STP Hàn Quốc Nhà máy xử lý

1994 A 837 - Phase 2 Pháp Đường cao tốc SCETAU

1994

1994

1992 Ipoh Gopeng Malaysia Đường cao tốc ZAIDUN

1990 Ambes Pháp Bể chứa dầu Mecasol 17,550

Bordeaux 21,106

Từ năm 1997 đến năm 2004, công ty xây dựng Cofra (Hà Lan) nghiên cứu cải tiến HCK theo hướng giản hóa, bỏ đi lớp màng bảo vệ thi công phức tạp và dễ

bị hư hại, tuy nhiên phải đắp thêm gia tải để bù cho sự chênh lệch áp suất khí quyển bị gỡ bỏ Hướng cải tiến mới này đã cho ra đời ba phương pháp bố trí mới, nhanh chóng được chấp nhận và thi công tại nhiều công trình lớn trên thế giới

Bảng 2.2 Một số công trình ứng dụng phương pháp Beaudrain-S

2005 Suvarnabhumi airport Thailand 400.000

2005 Parking Ikea Delft Hà Lan 3.700

2004 Railway Betuwelijn

Về bản chất, tính hiệu quả của các phương pháp MVC, Vertical drain,

Beaudrain, Beaudrain –S và các biện pháp thi công khác của HCK có thể coi là tương đương nhau Sự khác nhau tập trung chủ yếu vào thiết bị thi công, cách bố trí và thời gian cố kết

2.4.2 Giới thiệu nguyên lý một số phương pháp thi công HCK

Hiện nay trên thế giới có rất nhiều công ty xây dựng triển khai HCK, mỗi một công ty lại có những cải tiến riêng, có những thiết bị riêng để phù hợp với các công trình xây dựng mà công ty đó thực hiện, chính vì vậy mà hiện nay có rất nhiều biện pháp thi công HCK Tuy nhiên các phương pháp này đều dùng gia tải

để hỗ trợ quá trình rút nước khỏi nền để giảm hệ số rỗng Về bản chất có thể phân thành hai loại chính là thi công có màng kín khí và không có màng kín khí

a) Nhóm phương pháp thi công có màng kín khí

Màng kín khí thông thường là màng địa kỹ thuật (geo-membrane) bao kín toàn bộ khu vực thi công Trong quá trình bơm hút, mực nước ngầm hạ xuống và không khí cũng được rút ra, tạo một vùng áp suất nhỏ hơn áp suất khí quyển trong lớp đất gia tải nằm dưới màng, từ đó hình thành một gia tải phụ do sự chênh lệch

về áp suất không khí ở trên và dưới màng kín khí (hình 2.9) Gia tải phụ này có thể đạt tới 0,4 atm Quá trình bơm hút thông thường kéo dài khoảng 3÷7 tháng

Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý phương pháp MVC

Khi thi công MVC cần lưu ý các yêu cầu kỹ thuật sau:

- Duy trì hệ thống thoát nước hoạt động có hiệu quả nằm dưới màng chống thấm để thoát nước và khí trong suốt quá trình bơm hút, không để tắc hoặc hở

- Giữ cho vùng đất dưới màng kín khí không bão hòa nước

- Giữ ổn định áp suất chân không dưới màng – không ít hơn -0,3 atm

- Giữ kín khí trên toàn bộ diện tích màng phủ, đặc biệt đoạn nối máy bơm và màng,

- Neo giữ và kín khí toàn bộ hệ thống tại biên khu vực xử lý (hào bentonite)

- Hạn chế dòng thấm của nước ngầm đi vào khu vực xử lý

Nhìn chung, phương pháp MVC có ưu điểm là có thể giảm khối lượng gia tải, tuy nhiên thi công phức tạp, phải có hào vây để dém màng kín khí nên gây khó khăn cho việc thi công cuốn chiếu trên các công trình có chiều dài lớn

b) Nhóm phương pháp thi công không có màng kín khí

Nguyên tắc của nhóm phương pháp thi công không có màng kín khí dựa trên

“cải tiến lùi”, đem nguyên tắc MVC đơn giản hóa, bỏ đi màng kín khí, cũng là bỏ

đi sự trợ giúp của áp suất khí quyển Thay vào đó, nhóm phương pháp này yêu cầu đắp lớp gia tải cao hơn để bù đắp sự thiếu hụt về áp lực gia tải (hình 2.10) Lớp gia tải có thể cao thêm tới 2m, tuy nhiên không phải thi công hào vây và

Nhìn chung nhóm phương pháp này thi công đơn giản, nhưng khối lượng gia tải lại tương đối lớn

Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý phương pháp thi công không có màng kín khí

Để gia tăng hiệu quả bơm hút chân không trên diện rộng, cả hai nhóm phương pháp đều có thể áp dụng các biện pháp cải tiến như là nối ống kín trực tiếp với bấc Cải tiến này giúp áp suất chân không trong bấc đạt tới độ sâu lớn hơn, tăng lưu lượng nước bơm hút được

2.4.3.Ứng dụng công nghệ HCK cho xây dựng CTTL vùng ven biển

2.4.3.1.Điều kiện áp dụng công nghệ HCK xử lý nền đất yếu ở Việt Nam

Ở Việt Nam, với sự phát triển mạnh của nền kinh tế đất nước, nhu cầu xây dựng các công trình ở khu vực đồng bằng ven biển là rất lớn Công nghệ HCK xử

lý nền đất yếu đã được ứng dụng trong xây dựng một số công trình công nghiệp , dân dụng và giao thông trong thời gian gần đây Cả hai loại công nghệ HCK (có

và không có màng kín khí) đều đã được sử dụng Hai đơn vị hàng đầu về thi công theo công nghệ này là:

-Công ty FECON: sử dụng công nghệ HCK có màng kín khí, có sự hợp tác với các đơn vị của Trung Quốc, đang từng bước nâng cao năng lực thiết bị và con người để có thể thi công độc lập ở Việt Nam

-Công ty TEINCO: sử dụng công nghệ HCK không có màng kín khí (phương pháp Beaudrain-S), có sự phối hợp với công ty Cofra (Hà Lan) Công nghệ này đòi hỏi hệ thống thiết bị tương đối hiện đại và đắt tiền, nhưng các công

ty đều có thể trang bị được nếu có công trình để áp dụng, kiểu như đường cao tốc Long Thành- Dầu Giây

Riêng đối với công trình thủy lợi thì ở Việt Nam chưa có công trình nào áp dụng xử lý nền bằng HCK, nhưng triển vọng áp dụng là rất lớn Việt Nam có hơn

2000 km bờ biển Để nâng cao độ an toàn của các khu vực dân cư và kinh tế vùng đồng bằng ven biển và ứng phó với những tác động tiêu cực của biến đổi khí hậu toàn cầu thì việc củng cố và mở rộng hệ thống đê biển và đê cửa sông ven biển là rất cần thiết và nằm trong chiến lược quốc gia về ứng phó với biến đổi khí hậu Khi đắp mới các đê này thì 2 yêu cầu được đặt ra là phải xử lý nền đất yếu và rút ngắn thời gian thi công để tránh bị thiệt hại trong mùa mưa bão Khi đó việc xem xét ứng dụng phương pháp HCK để xử lý nền là rất thiết thực

2.4.3.2.Đặc điểm áp dụng phương pháp HCK cho công trình thủy lợi

Khi xây dựng mới hệ thống đê biển và đê cửa sông ven biển thường phải thực hiện đồng thời việc đắp đê, kè bảo vệ mái đê và xây dựng các công trình qua

đê (cống, cầu…)

Các điều kiện áp dụng phương pháp HCK xử lý nền khi xây dựng các công trình thủy lợi vùng ven biển như sau:

a)Đối với đê:

-Xây dựng trên vùng đất không thường xuyên ngập nước, thời gian có thể thi công trên khô từ 3-6 tháng/ năm;

-Nền thuộc loại đất yếu so với tải trọng tương ứng do đê truyền xuống Với

đê có chiều cao khoảng 6-7 m mà mặt nền có sức chịu tải dưới 1 kG/cm2 thì cần xem xét biện pháp xử lý để gia tăng sức chịu tải của nền, trong đó có phương pháp HCK

-Đất nền có tính đồng nhất tương đối, không có lớp địa chất nào có hệ số thấm gấp 5 lần hệ số thấm trung bình của các lớp; không có lớp nào có hệ số thấm gấp 10 lần hệ số thấm nhỏ nhất trong nền ( để tránh nước từ bên ngoài theo các lớp thấm mạnh chảy vào trong khu vực xử lý)

Do tải trọng từ đê tác dụng lên nền thường không lớn nên chiều sâu xử lý nền cũng không lớn, khoảng 10- 15 m, tùy thuộc vào địa chất nền Thời gian bơm HCK xử lý nền thường chỉ trong khoảng 3-5 tháng và được xác định thông qua tính toán theo điều kiện hạn chế độ lún dư

Để xử lý nền đê, có thể áp dụng công nghệ HCK có hoặc không có màng kín khí Tuy nhiên khi quy mô công trình không lớn thì áp dụng công nghệ HCK có màng kín khí là thực tế hơn Phương pháp này không đòi hỏi hệ thống thiết bị đắt tiền, không cần đắp lớp gia tải dày Tuy nhiên, cần có mặt bằng đủ để bố trí hệ

b)Đối với các công trình qua đê:

-Có điều kiện thi công trên khô;

-Yêu cầu về tính thấm nước của các lớp trong nền cũng giống như đối với

đê đã nêu ở trên;

-Khi áp lực đáy móng công trình lớn, cần so sánh kinh tế- kỹ thuật với các giải pháp xử lý nền khác

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN XỬ LÝ NỀN

ĐẤT YẾU BẰNG HCK 3.1 Bài toán cố kết thấm

3.1.1 Giới thiệu chung

Bài toán cố kết thấm đã được nghiên cứu từ đầu thế kỷ 20 và không ngừng được hoàn thiện cho tới hiện nay Nhìn chung các giải pháp đều phát triển lên từ nền móng cơ bản là phương trình của Karl von Terzaghi [40] Về cơ bản bài toán

cố kết thấm cũng có thể giải quyết được nhờ phương trình liên tục về chuyển động của các pha trong đất nền [10] Tuy nhiên việc thiết lập công thức tương đối phức tạp và không thuộc mục tiêu của sách chuyên khảo này Dưới đây chỉ giới thiệu những nét cơ bản về bài toán cố kết thấm trong trường hợp cố kết bằng hút chân không

Trong tổng thể, đất là một tổ hợp phức tạp của ba pha chính là thể rắn, thể lỏng và thể khí Về nguyên tắc cả ba pha này đều tham gia vào quá trình chịu tải của đất với các mức độ khác nhau [45] Thành phần chịu tải nhiều nhất thường là cấu trúc lỗ rỗng do các hạt đấp xếp chồng lên nhau Khi đất ổn định, ứng suất tác dụng lên hạt đất bằng ứng suất max mà tải trọng và trọng lượng bản thân của khối đất có thể gây ra, gọi là ứng suất tổng Thành phần chịu tải thứ hai là nước nằm trong lỗ rỗng Khi giải bài toán cố kết thấm, có thể coi nước trong lỗ rỗng là không chịu nén Phần ứng suất mà nước trong lỗ rỗng chịu gọi là ứng suất lỗ rỗng

dư , còn phần ứng suất mà các hạt đất phải chịu là ứng suất hiệu quả Ứng suất tổng có giá trị bằng giá trị của ứng suất dư và ứng suất hiệu quả Thành phần chịu tải cuối cùng là khí nằm trong đất, tuy nhiên tỉ lệ thường là vô cùng nhỏ, có thể bỏ qua Khi giải phương trình liên tục về chuyển động của các pha cần lưu ý rằng lượng khí thường xuyên hòa tan hoặc tách rời khỏi nước trong lỗ rỗng tùy theo các điều kiện nhiệt độ, áp suất Khi giải bài toán cố kết thấm, hiện tại hầu hết đều giải bài toán ở dạng hai pha để đơn giản hóa và cũng vì ảnh hưởng của pha khí là quá nhỏ

Hình 3.1 Cố kết thấm bằng HCK

Bản chất của hiện tượng cố kết thấm là sự giảm hệ số rỗng của đất nền bằng cách trục xuất bớt nước trong lỗ rỗng ra ngoài bằng hiện tượng thấm, nhờ đó các hạt đất tì chặt trực tiếp lên nhau, gia cố được sự liên kết của cấu trúc đất (hình 3.1) Nếu nguyên lý của phương pháp đầm nén cơ học bình thường sử dụng lực tác dụng của tải trọng để gia tăng ứng suất tổng từ đó tăng thêm ứng suất hiệu quả, thì bản chất của cố kết thấm bằng hút chân không là giảm ứng suất dư trong

lỗ rỗng, từ đó tăng ứng suất hiệu quả mà không thay đổi ứng suất tổng [18] (hình 3.2) HCK nhờ áp suất chân không tạo sự chênh lệch áp suất giữa các vùng trong đất nền, từ đó nảy sinh dòng thấm cưỡng bức đem nước ngầm trong đất rút ra ngoài Việc sắp xếp lại cấu trúc liên kết giữa các hạt đất được tiến hành bằng trọng lượng bản thân hạt đất, và có thể được hỗ trợ nhờ gia tải khi phần lớn nước trong lỗ rỗng bị trục xuất

Hình 3.2 Lý giải tác dụng của HCK với việc cố kết đất nền

Bản chất và tác dụng của việc cố kết đất nền trước khi xây dựng nói chung

và bằng HCK nói riêng có thể được giải thích trên hình 3.3 Nếu trước khi xây dựng công trình mà không gia cố nền, thì sau khi đặt công trình lên, tải trọng công trình (p) gia tăng áp lực lên nền, khiến quá trình cố kết xảy ra do nước vẫn bị đẩy khỏi lỗ rỗng kết quả là đất nền bị lún tương đối nhanh, có thể gây ra hiện tượng lún không đều, từ đó có thể dẫn đến nứt, gẫy kết cấu Tại thời điểm t2, đất nền cố kết hoàn toàn và đạt độ lún cuối Sc(p) Nếu không có sự thay đổi về tải trọng, nền

ổn định và không tiếp tục lún nữa

Gia cố nền trước khi xây dựng được tiến hành bằng cách gia tải trước có giá trị bằng tổng tải trọng công trình (p) với một siêu tải (f), tổng siêu tải (p+f) sẽ khiến nền lún nhanh hơn và mau chóng đạt được giá trị S(p+f) xấp xỉ giá trị độ lún cuối Sc(p) tại thời điểm t1, sớm hơn t2 Nếu tại thời điểm này bắt đầu xây dựng, đặt

công trình lên nền thì độ lún dư trong các năm tiếp theo của công trình là tương đối nhỏ và không gây nguy hại cho kết cấu Có thể thấy, siêu tải (f) càng lớn, thời gian cố kết t1 càng ngắn

Hình 3.3 Đường quá trình lún của nền Hình 3.4 Sự thay đổi hệ số rỗng khi

nén đất nền

Một lưu ý nữa là trong quá trình xây dựng công trình, đất nền có khả năng

nở ngược do gia tải đã được dỡ ra mà công trình vẫn chưa xây dựng xong (hình 2.4) Vì vậy việc chọn giá trị độ lún S(p+f) tại thời điểm ngừng gia cố đòi hỏi tính toán cả hiện tượng nở ngược này Nhìn chung việc giải bài toán cố kết thấm HCK luôn luôn bao gồm cả bài toán cố kết nén lún đơn giản

Tóm lại, nhiệm vụ của việc giải bài toán cố kết thấm để tính toán ứng dụng cho HCK có thể chia làm ba bài toán chính sau:

- Bài toán ban đầu: với tải trọng công trình (p) xác định độ lún cuối Sc(p) (và thời gian cố kết t2 nếu cần);

- Bài toán xuôi: Có gia tải trước (p+f), tính thời gian t1 cần thi công gia cố để đạt được độ lún S(p+f) xấp xỉ giá trị độ lún cuối Sc(p);

- Bài toán ngược: Biết thời gian gia cố t1, tính gia tải (p+f) để kịp đạt được

độ lún S(p+f) có giá trị xấp xỉ giá trị độ lún cuối Sc(p)

3.1.2 Phương trình vi phân cơ bản

Terzaghi cho rằng phương trình vi phân cơ bản của hiện tượng cố kết thấm

∂

∂ +

2 1

z

u r

u r r

u C

2 2

2 1

z

u C r

u r r

u C

a

k C

kr – hệ số thấm theo bán kính hướng tâm;

ε0 – hệ số rỗng ban đầu của đất;

∆ +

e1, e2 – hệ số rỗng tương ứng với áp lực gây nén σ1 và σ2 = σ1+∆σ

3.2 Các phương pháp giải bài toán cố kết thấm

3.2.1 Phương pháp cố kết lún nén tương đương

Việc giải bài toán cố kết nén lún đơn thuần là cơ sở để áp dụng tính toán bài toán cố kết thấm với tải trọng quy đổi, tức là thay vì tính toán có tải trọng bổ sung

do áp suất khí quyển thì quy đổi áp suất khí quyển thành gia tải có giá trị tương đương

Trước khi tính toán cần xây dựng đường quá trình lún và đường biến thiên độ rỗng hình 3.3 và 3.4 bằng kết quả xác định trong phòng thí nghiệm theo TCVN 4200-86 [7] Từ đó có thể xác định các thông số sử dụng cho tính toán cố kết

Độ lún tổng thể của công trình do tải trọng công trình sau khi xây dựng xong tính đến khi công trình ổn định có thể tính toán bằng phương pháp phân tầng lấy tổng theo công thức:

i vz

i z i c i vz

i pz i

r n

σ

σ σ σ

σ

log log

i

σ + > – tức là tổng áp lực vẫn lớn hơn áp lực tiền cố kết, đất tiếp tục nén lún theo công thức (3.7);

pz

i vz

i

σ + < – tức là tổng áp lực nhỏ hơn áp lực tiền cố kết, đất trong giai đoạn phục hồi, thì áp dụng công thức biến đổi:

i z i

r n

σ

σ σ

log 1

(3.8)

Theo hình 3.3, độ cố kết của lớp đất tại thời điểm t1 có giá trị bằng:

( ) ( )

( ) (p f)

c

p c f p c

f p v

S

S S

S U

+ +

+ ≅

= (3.9)

Áp dụng (3.7) cho trường hợp chưa cố kết xong vào (3.9) thu được

0 '

' 0 '

' 0

' ' ' 0

' 0

' ' 0

1 1

lg

1 lg lg

lg

p

f p

p

f p

σ σ σ

σ

σ σ σ σ

σ σ

∆ - ứng suất gia tăng tương ứng với siêu tải (f);

Vì vậy độ cố kết có thể tính toán được bằng (3.10) Dựa vào hai tham số chính '

, nghiệm của (3.10) được biểu thị trên hình 3.5

Trong trường hợp đất thoát nước về hai phía (hình 3.6), sau khi dỡ tải, đất ở hai phía bắt đầu nở phục hồi trong khi đất gần mặt phẳng giữa còn đang lún Do vậy để khắc phục Johnson [33] đã đề nghị một công thức gần đúng, thiên về an toàn là :

( )T v f

U = (3.11)

t H

C T

dr

v

v = 2 (3.12) trong đó: Cv – hệ số cố kết;

t – thời gian;

Hdr – đường thoát nước lớn nhất:

H =Hi/2 – nếu thoát nước hai phía;

H =Hi – nếu thoát nước một phía

Hình 3.5

Độ cố kết U%

Hình 3.6 Phân bố độ cố kết theo hướng thoát nước

3.2.2 Phương pháp Barron – Terzaghi

Phương pháp này ban đầu được dùng để giải bài toán cố kết thấm có cọc thấm thoát nước [7] Nguyên lý của phương pháp có thể xem như là dựa trên giả thuyết của Carrillo về nghiệm của phương trình (3.2):

0 0

u u

u u

u rv = r v (3.13)

0 0

u u

u u

u rv = r v (3.14)

trong đó:

v r

u , 0, , – tương ứng là áp lực nước lỗ rỗng tổng, áp lực nước lỗ rỗng ban đầu tại mỗi điểm, áp lực nước lỗ rỗng theo phương bán kính và áp lực nước lỗ rỗng theo phương thẳng đứng tại điểm tương ứng;

v r

2

2 2

m u

Trên hình 3.7 là biểu đồ quan hệ Uv(Tv) được Terzaghi lập sẵn Bảng tra số liệu chi tiết để tính toán xem phụ lục I

Khi chỉ có 1 hạng tử m = 0 (các hạng tử sau quá nhỏ so với hạng tử đầu tiên nên không xét):

0

v v

933 , 0 781

,

Hình 3.7 Quan hệ U v (T v ) theo Terzaghi

Khi tính toán, thông thường ta cố gắng sử dụng thông số tính toán cho mặt phẳng giữa của lớp đất yếu cần gia cố Tuy nhiên trong một số trường hợp đặc biệt cần tính toán với các độ sâu cụ thể thì thì áp dụng công thức:

( + ) ⎜⎜⎝⎛( + ) ⎟⎟⎠⎞ ⎜⎜⎝⎛−( + ) ⎟⎟⎠⎞

1 2 exp 2

1 2 sin 1

H

z m m

u u

Kết hợp (3.21) và (3.12) được đồ thị Uv theo Tv và z cho thoát nước hai chiều (hình 3.8)

T u

r

8 exp

0 (3.22)

trong đó:

t d

n n n

n n

de – đường kính ảnh hưởng của cọc thấm;

dw – đường kính của cọc thấm

Dựa vào phương trình (3.22) và (3.23) lời giải của Barron được minh họa dưới dạng đồ thị (hình 3.9) Số liệu chính xác để tính toán xem phụ lục I

Hình 3.9 Quan hệ U r (T r ) theo Barron

Trong phạm vi n = 15÷40, ta có giá trị F(n) tương ứng bằng 2÷3, nên (3.24)

có thể biểu diễn đơn giản hơn:

T u

T T

U U

r v

4

8 exp 8 1 1

1 1

2 2

8 1

g

r đr

v rv

d n F

t C H

t C

Để có thể chuyển đổi bài toán tính cố kết thấm cho cọc cát có dạng tròn sang bài toán tính cố kết thấm cho bấc có dạng dẹt có thể áp dụng một số công thức chuyển đổi ngược ra đường kính tương đương như hình 3.11 [22]

Dựa trên công thức về chu vi Hansbo cho rằng:

Hình 3.11 Đường kính chuyển đổi của cọc thấm

3.2.3 Lời giải áp dụng trực tiếp cho HCK

Bên cạnh lời giải cổ điển, rất nhiều nhà khoa học đã cố gắng tìm cách giải lại bài toán cố kết của Barron Terzaghi để áp dụng cho bài toán cố kết hút chân không Một trong số đó có thể kể đến lời giải được tổng hợp bởi đại học tổng hợp Wollongong [38] Theo đó, giá trị trung bình áp lực nước lỗ rỗng tại thời điểm t xác định bằng công thức:

t

T L

c

m m

u

p u

p u

u

µ

ππ

8 1 2

1 2 exp 1

0

(3.33)

u u

m m

U

µ

ππ

8 1 2

1 2 exp 1

Hình 3.12 Biểu đồ quan hệ độ cố kết tại mặt phẳng giữa U v với T v

3.3 Tính toán thiết kế xử lý nền bằng hút chân không

3.3.1 Một số tính toán thiết kế ban đầu

a) Chiều dày lớp kín khí

Trong trường hợp sử dụng phương pháp không có màng kín khí, chiều dày lớp gia tải kín khí được xác định theo công thức [18]:

A K Q

p

a w

vac

s =γ (3.36) trong đó:

pvac – áp suất chân không dưới lớp gia tải kín khí (kN/m2);

γw – trọng lượng riêng của nước (kN/m3);

Qa – lưu lượng máy bơm hút chân không (m3/s);

kair – hệ số thấm khí của lớp gia tải kín khí (m/s);

A – diện tích xử lý (m2)

Trong trường hợp sử dụng màng kín khí (phương pháp MVC) thì không cần lớp gia tải kín khí, ngược lại dưới màng chống thấm cần bố trí lớp gia tải có hệ số thấm khí cao để gia tăng áp suất chân không dưới lớp màng

b) Bấc thấm

Việc xác định khoảng cách cắm bấc có thể dựa theo bài toán lý thuyết của Barron và Terzaghi, phụ thuộc vào thời gian gia cố cho phép và khối lượng gia tải Thông thường, với một thời gian gia cố dự định trước, giả thiết một số giá trị khoảng cách cắm bấc Từ đó tính được Ur theo công thức của Barron (3.22)÷(3.25) Nhờ giá trị này và giá trị Uv theo Terzaghi (3.16), tính được siêu tải cần thiết tương ứng với các giá trị khoảng cách cắm bấc Dựa vào bài toán kinh tế trên tổng chiều dài bấc thấm và khối lượng gia tải để xác định khoảng cách cắm bấc hợp lý

Mặt khác, Rujikiatkamjorn [38] đề nghị quy trình tính toán thiết kế cho bấc thấm qua 12 bước như sau:

- Thí nghiệm hiện trường và thí nghiệm trong phòng để xác định các đặc tính

thấm và nén của đất Xác định sơ bộ chiều sâu cắm bấc l và thời gian t cố kết;

- Xác định độ cố kết Ut trong trường hợp chỉ có gia tải trước;

- Xác định áp suất chân không thiết kế, từ đó xác định độ cố kết mới dựa trên ứng suất:

vac f p

f p t

2

v m

T m

m

t

r

1 ln

T

vac t

r

,

'

1 ln

, 1

4 0 , 5233 10

505 , 9 3938

,

5 , 0 2

3 0 , 5233 10

456 , 1 4203

,

- Xác định vùng ảnh hưởng de=ndw;

- Lựa chọn kiểu cắm bấc và tính toán khoảng cách cắm bấc

Về sơ đồ cắm bấc có thể cắm theo các hình dạng đa giác khác nhau, nhưng trên cơ bản trong thi công chỉ sử dụng hai cách chính là cắm tam giác và cắm

vuông (hình 3.14) Đối với cách cắm tam giác khoảng cách cắm bấc d được tính xấp xỉ bằng de/1,05, còn đối với cách cắm vuông d=de/1,128

Một số thí nghiệm thực tế cho thấy khoảng cách cắm bấc lý tưởng với phương án cắm tam giác cho đất sét hạt mịn là 0,7÷0,9 m Nếu khoảng cách lớn hơn, hiệu quả của HCK giảm nhanh rõ rệt và trở thành không đáng kể

Lớp lọc của bấc thấm thông thường phải đạt yêu cầu về hệ số thấm để bơm hút thuận lợi:

soil

k > 2 (m/s) (3.47)

Hình 3.14 Sơ đồ cắm bấc a) cắm tam giác; b) cắm vuông (chữ nhật); c) vùng miết

Theo Carroll [24], yêu cầu lọc của lớp phải thỏa mãn:

3 2

D85 – đường kính hạt sét với độ cấp phối 85%

Khả năng lưu giữ hạt mịn của lớp lọc được đề nghị tính toán bằng điều kiện:

12 10

2 max

85 ,

7 F k l

q req ≥ s soil (3.51)

trong đó:

Fs – hệ số có giá trị trong khoảng 4÷6;

lmax – chiều dài thoát nước thấm lớn nhất của bấc;

ksoil – hệ số thấm của đất

Mặt khác, q req có thể tính toán bằng phương pháp của Barron:

r

r f

C l U q

4

10 π ε

Bo [20] cho rằng bấc thấm rộng 100mm nên có hệ số thấm 10-6÷10-5m/s để đảm bảo thoát nước tốt Giá trị lưu lượng thấm thực tế mà bấc cần đáp ứng có thể được xác định bằng phương trình [26]

req fc c t

Theo kết quả thí nghiệm trong phòng, giá trị của Ft thường luôn nhỏ hơn 1,2

tuy nhiên trong các thiết kế của một số công ty vẫn lấy giá trị 1,25 Hệ số biến

dạng bấc Fc phụ thuộc vào các trạng thái gấp, uốn, xoắn… của bấc, và được đề

nghị giá trị trung bình là 2 tương ứng với độ suy giảm đo đạc được là 48% Hệ số

mô phỏng sự tắc bấc thấm Ffc do các hạt đất lấp đầy các lỗ rỗng, từ đó làm giảm

hệ số thấm của bấc, được xác định từ thí nghiệm thấm cho các giá trị từ 2.8 đến 4.2 và thường được lấy trong các thiết kế giá trị trung bình là 3.5 Rixner [36] đã nghiên cứu các trường hợp bất lợi nhất với gradient thủy lực bằng đơn vị và nhận thấy rằng bấc thấm PVD có thể có lưu lượng thiết kế ban đầu là 500÷800m3/năm nhưng giảm xuống chỉ còn 100÷300m3/năm với một số áp lực hông tăng cường khác nhau (hình 3.15)

Bảng 3.1 Lưu lượng ngắn hạn của PVD (m 3 /năm) thoát nước 8 nhánh trong

Hình 3.15 Sự suy giảm lưu lượng thấm của bấc

c) Máy bơm và hệ thống ống nối

Việc tính toán công suất thiết kế của máy bơm thông thường là không cần thiết vì máy bơm là thiết bị tái sử dụng lâu dài, ít thay đổi Ngược lại để hệ thống hoạt động được tốt, thông thường việc tính toán công suất của máy bơm chuyển thành việc sắp xếp bố trí hệ thống bấc thấm và ống nối hợp lý để máy bơm hút chân không có thể tác dụng lên một diện tích lớn nhất Thông số của một số loại máy bơm có thể sử dụng cho HCK xem thêm trong phụ lục III

3.3.2 Tính toán dự báo lún

a) Dự báo lún bằng phương pháp Asaoka

Ngoài việc dự đoán lún bằng phương pháp lý thuyết, Asaoka [13] còn đề nghị một phương pháp dự đoán độ lún cuối tương đối đơn giản dựa vào số liệu thực đo khi thi công Bằng việc đo nhiều giá trị độ lún zi và zi+∆ cách nhau một khoảng thời gian tương đối lớn (thông thường có thể lấy các khoảng thời gian bằng 7÷10 ngày), ta thu được một số giá trị độ lún Các giá trị này có thể được mô hình hóa gần đúng thành một đường thẳng (hình 3.16):

zi+∆ = βzi+A (3.54)

trong đó:

β – góc nghiêng của đường thẳng hồi quy mô phỏng chính xác nhất;

A – giao điểm kéo dài của đường thẳng mô phỏng với trục tung

Về lý thuyết đường thẳng zi+∆(zi) sẽ tiệm cận và cắt đường phân giác góc thứ nhất zi(zi) tại điểm mà quá trình cố kết đã kết thúc zi+∆=zi