Nghiên cứu phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu để xây dựng công trình

- Ứng dụng cơ sở lý thuyết, phương pháp tính toán thiết kế giải pháp cố kết chân không, tính toán đưa ra các thông số của quá trình cố kết cho loại đất yếu nghiên cứu để làm cơ sở đối ch

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI



PHẠM QUANG ĐÔNG

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP CỐ KẾT CHÂN KHÔNG

XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU ĐỂ XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2015

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI



PHẠM QUANG ĐÔNG

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP CỐ KẾT CHÂN KHÔNG

XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU ĐỂ XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH

Mã số: 62-58-60-01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học:

1 GS.TS TRỊNH MINH THỤ

2 GS.TS NGUYỄN CHIẾN

HÀ NỘI - 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình khoa học do chính tôi thực hiện Các kết quả, số liệu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tác giả hoàn toàn chịu trách nhiệm về tính xác thực và nguyên bản của luận án

Tác giả luận án

Phạm Quang Đông

LỜI CẢM ƠN

Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và trân trọng đến GS.TS Trịnh Minh Thụ và GS.TS Nguyễn Chiến là hai thầy hướng dẫn trực tiếp đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận án Tác giả xin chân thành cảm ơn đến Ban giám hiệu, khoa Công trình, các thầy giáo tổ bộ môn Địa kỹ thuật - Trường Đại học Thủy lợi, đặc biệt là thầy giáo TS Hoàng Việt Hùng đã tạo những điều kiện thuận lợi, đóng góp ý kiến quý báu cho tác giả trong quá trình nghiên cứu

Tác giả tỏ lòng biết ơn đến các anh chị em ở công ty FECON và TEINCO đã tạo điều kiện, giúp đỡ tác giả thu thập tài liệu, số liệu, cung cấp những thông tin cần thiết liên quan đến quá trình nghiên cứu, thực hiện luận án, giúp tác giả khảo sát, tham quan và tiếp cận công trình nơi xử lý nền bằng phương pháp mà tác giả đang nghiên cứu

Tác giả cũng bày tỏ lòng biết ơn đến các anh chị em phòng thí nghiệm Địa kỹ thuật Trường Đại học Thủy lợi, đã tạo những điều kiện thuận lợi, giúp đỡ, động viên trong quá trình thực hiện các nghiên cứu thực nghiệm của luận án

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến đơn vị nơi tác giả đang công tác là Trường Cao Đẳng Công Nghệ - Kinh Tế và Thủy lợi Miền Trung, đã tạo những điều kiện thuận lợi, giúp đỡ, động viên để tác giả yên tâm tập trung nghiên cứu và hoàn thành luận án của mình

Để hoàn thành được luận án của mình tác giả nhận được sự động viên, ủng hộ, chia sẻ kịp thời từ gia đình trong những lúc khó khăn nhất, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn và chia sẻ những thành công có được của bản thân đến gia đình

Cuối cùng, tác giả xin chân thành cảm ơn đến bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ, động viên, ủng hộ, chia sẻ trong quá trình tác giả hoàn thành luận án của mình

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục đích của đề tài 2

3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 2

4 Nội dung nghiên cứu 2

5 Phương pháp nghiên cứu 3

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3

7 Những đóng góp mới của luận án 4

8 Bố cục của luận án 5

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP CỐ KẾT CHÂN KHÔNG XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU VÀ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP 7

1.1 Nền đất yếu 7

1.2 Tổng quan về nghiên cứu và ứng dụng phương pháp cố kết chân không 8

1.2.1 Tình hình ứng dụng phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu trên thế giới 8

1.2.2 Tình hình nghiên cứu phương pháp cố kết chân không 15

1.2.3 Tình hình nghiên cứu ứng dụng phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu ở Việt Nam 17

1.3 Lý thuyết phương pháp cố kết chân không 19

1.3.1 Bài toán cố kết thấm 19

1.3.2 Phương trình vi phân cơ bản 22

1.3.3 Các phương pháp giải bài toán cố kết thấm 23

1.4 Phương pháp dự báo lún 31

1.4.1 Phương pháp Asaoka 31

1.4.2 Phương pháp điểm uốn (Inflection point) 32

Kết luận chương 1 35

Chương 2: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM PHƯƠNG PHÁP CỐ KẾT CHÂN

KHÔNG XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ 36

2.1 Mục đích nghiên cứu 36

2.2 Mô hình nghiên cứu 36

2.2.1 Giới thiệu mô hình 36

2.2.2 Mẫu đất thí nghiệm 39

2.2.3 Thiết bị thí nghiệm 41

2.3 Quy trình thí nghiệm 45

2.3.1 Chuẩn bị máng thí nghiệm hình hộp và chế bị mẫu 45

2.3.2 Xác định các chỉ tiêu cơ lý của đất trước khi thí nghiệm 45

2.3.3 Cắm bấc thấm 45

2.3.4 Lắp đặt thiết bị quan trắc ALNLR 46

2.3.5 Tạo lớp mặt thoát nước và lắp đặt thệ thống thu nước 46

2.3.6 Làm kín mô hình thí nghiệm 46

2.3.7 Lắp đặt các đồng hồ đo lún và áp lực chân không 47

2.3.8 Kết nối và kích hoạt các đầu đo ALNLR 47

2.3.9 Kết nối hệ thống máy bơm và hoạt động mô hình 47

2.4 Kết quả thực nghiệm các MHVL 48

2.4.1 Kết quả thực nghiệm của MHVL1 48

2.4.2 Kết quả thực nghiệm của MHVL2 51

2.4.3 Kết quả thực nghiệm của MHVL3 54

2.5 Hiệu quả kỹ thuật của cố kết chân không 57

2.5.1 Hiệu quả kỹ thuật của MHVL1 57

2.5.2 Hiệu quả kỹ thuật của MHVL2 59

2.5.3 Hiệu quả kỹ thuật của MHVL3 61

Kết luận chương 2 64

Chương 3: MÔ HÌNH TÍNH CHO BÀI TOÁN CỐ KẾT CHÂN KHÔNG 65

3.1 Mô hình số tính toán 65

3.2 Mô phỏng bài toán cố kết chân không 67

3.3 Tính toán ứng dụng cho các MHVL 67

3.3.1 Kết quả mô hình số của MHVL1 69

3.3.2 Kết quả mô hình số của MHVL2 70

3.3.3 Kết quả mô hình số của MHVL3 71

3.4 So sánh kết quả thực nghiệm và tính toán các MHVL 72

3.4.1 So sánh kết quả thực nghiệm và tính toán của MHVL1 72

3.4.2 So sánh kết quả thực nghiệm và tính toán của MHVL2 74

3.4.3 So sánh kết quả thực nghiệm và tính toán của MHVL3 75

3.5 Tính toán kiểm tra cho các công trình thực tế 76

3.5.1 Công trình Pvtex Đình Vũ – Hải Phòng 77

3.5.2 Công trình nhiệt điện Duyên Hải 3 – Trà Vinh 83

3.5.3 Công trình nhiệt điện Nhơn Trạch 2 – Đồng Nai 90

Kết luận chương 3 95

Chương 4: XÂY DỰNG MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC THÔNG SỐ CỦA BÀI TOÁN CỐ KẾT CHÂN KHÔNG 96

4.1 Đặt vấn đề 96

4.2 Các chỉ tiêu cơ lý của các loại đất đất yếu tính toán 96

4.2.1 Đất yếu Duyên Hải – Trà Vinh 96

4.2.2 Đất yếu Đình Vũ – Hải Phòng 97

4.2.3 Đất yếu nhiệt điện Thái Bình 97

4.2.4 Đất yếu Nhơn Trạch – Đồng Nai 97

4.3 Kết quả tính toán 97

4.3.1 Độ cố kết khi chiều dày nền đất yếu xử lý là 10 m 97

4.3.2 Độ cố kết khi chiều dày nền đất yếu xử lý là 15 m 98

4.3.3 Độ cố kết khi chiều dày nền đất yếu xử lý là 20 m 98

4.3.4 Độ cố kết khi chiều dày nền đất yếu xử lý là 25 m 99

4.3.5 Độ cố kết khi chiều dày nền đất yếu xử lý là 30 m 100

4.4 Xây dựng mối quan hệ giữa thời gian cố kết (t) với chỉ số dẻo (PI), độ cố kết (U) và chiều dày nền đất yếu xử lý (H) 100

4.4.1 Mối quan hệ giữa thời gian cố kết với chỉ số dẻo và độ cố kết khi chiều dày nền đất yếu xử lý xác định 102

4.4.2 Mối quan hệ giữa thời gian cố kết với chỉ số dẻo và chiều dày nền đất yếu xử lý khi độ cố kết xác định 106

Kết luận chương 4 111

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 112

CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ 114

TÀI LIỆU THAM KHẢO 115

MỤC LỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý phương pháp MVC 11

Hình 1.2 Thi công phương pháp MVC 12

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý phương pháp không có màng kín khí 12

Hình 1.4 Thi công không có màng kín khí 13

Hình 1.5 Sân bay Suvarnabhumi, Thái Lan 14

Hình 1.6 Khu dân cư Steiger Eiland Ijburg, Hà Lan 14

Hình 1.7 Nhà máy điện nguyên tử Singori, Hàn Quốc 15

Hình 1.8 Sơ đồ trạm xử lý nước Pusan, Hàn Quốc 15

Hình 1.9 Mô hình tỉ lệ lớn để thí nghiệm cố kết có và không có áp lực chân không 16

Hình 1.10 Nguyên lý gia tải nén trước 20

Hình 1.11 Bản chất của cố kết thấm 21

Hình 1.12 Nguyên lý cố kết chân không 21

Hình 1.13 Độ cố kết U% theo quan hệ ' 0  p  và p f     25

Hình 1.14 Phân bố độ cố kết theo hướng thoát nước 25

Hình 1.15 Quan hệ giữa Uv (Tv) theo Terzaghi 27

Hình 1.16 Biểu đồ phân bố độ cố kết Uz (z/Hdr;Tv) 27

Hình 1.17 Quan hệ giữa Ur(Tr) theo Barron 28

Hình 1.18 Quan hệ giữa F(n) 29

Hình 1.19 Đường kính chuyển đổi của bấc thấm 30

Hình 1.20 Đường thẳng Asaoka 32

Hình 1.21 Điểm uốn 33

Hình 1.22 Đạo hàm U(Tv) 33

Hình 1.23 Hệ số điểm uốn lý thuyết 34

Hình 1.24 Hệ số điểm uốn thực nghiệm 34

Hình 2.1 Sơ họa mô hình thí nghiệm 37

Hình 2.2 Sơ đồ bố trí thiết bị MHVL1 38

Hình 2.3 Sơ đồ bố trí thiết bị MHVL2 38

Hình 2.4 Sơ đồ bố trí thiết bị MHVL3 39

Hình 2.5 Mẫu đất khu ven biển PVtex Đình Vũ - Hải Phòng 40

Hình 2.6 Chế bị mẫu đất nghiên cứu 40

Hình 2.7 Biểu đồ biến đổi sức chống cắt không thoát nước (Su) của đất theo độ sâu trước thí nghiệm 41

Hình 2.8 Đầu đo ALNLR kiểu dây rung - Geokon 42

Hình 2.9 Sơ đồ cấu tạo đầu đo ALNLR kiểu dây rung 42

Hình 2.10 Đầu đọc số liệu - Geokon LC 2x4 43

Hình 2.11 Bàn đo lún, đồng hồ đo lún và bộ gá đỡ 44

Hình 2.12 Bấc thấm và hệ thống ống đấu nối 44

Hình 2.13 Lắp đặt các thiết bị của máy bơm 44

Hình 2.14 Lắp đặt bấc thấm trên mô hình thí nghiệm 46

Hình 2.15 Lắp đặt thiết bị quan trắc ALNLR trên mô hình thí nghiệm 46

Hình 2.16 Rải lớp cát vàng và lắp đặt hệ thống thu nước 46

Hình 2.17 Làm kín trên mô hình 46

Hình 2.18 Lắp đặt các thiết bị quan trắc lún 47

Hình 2.19 Cài đặt các thông số của đầu đo ALNLR 47

Hình 2.20 Kết nối hệ thống máy bơm với mô hình 47

Hình 2.21 Quan hệ giữa độ lún thực nghiệm và thời gian của MHVL1 48

Hình 2.22 Đường hồi quy tại vị trí cạnh bấc thấm MHVL1 49

Hình 2.23 Đường hồi quy tại vị trí giữa 2 bấc thấm MHVL1 49

Hình 2.24 Quan hệ giữa ALNLR thực nghiệm và thời gian của MHVL1 50

Hình 2.25 Quan hệ giữa độ lún thực nghiệm và thời gian của MHVL2 51

Hình 2.26 Đường hồi quy tại vị trí cạnh bấc thấm MHVL2 52

Hình 2.27 Đường hồi quy tại vị trí giữa 2 bấc thấm MHVL2 52

Hình 2.28 Quan hệ giữa ALNLR thực nghiệm và thời gian của MHVL2 53

Hình 2.29 Quan hệ giữa độ lún thực nghiệm và thời gian của MHVL3 54

Hình 2.30 Đường hồi quy tại vị trí cách biên phân tố 0,5 m MHVL3 55

Hình 2.31 Đường hồi quy tại vị trí cách biên phân tố 1,0 m MHVL3 55

Hình 2.32 Quan hệ giữa ALNLR thực nghiệm và thời gian của MHVL3 56

Hình 2.33 Sơ đồ lấy mẫu và cắt cánh sau thí nghiệm 57

Hình 2.34 Lấy mẫu và cắt cánh sau thí nghiệm 57

Hình 2.35 Quan hệ giữa sức chống cắt không thoát nước (Su) và độ sâu sau thí nghiệm của MHVL1 58

Hình 2.36 Quan hệ giữa sức chống cắt không thoát nước (Su) trước và sau thí nghiệm với độ sâu của MHVL1 58

Hình 2.37 Quan hệ giữa sức chống cắt không thoát nước (Su) và độ sâu sau thí nghiệm của MHVL2 60

Hình 2.38 Quan hệ giữa sức chống cắt không thoát nước (Su) trước và sau thí nghiệm với độ sâu của MHVL2 60

Hình 2.39 Quan hệ giữa sức chống cắt không thoát nước (Su) và độ sâu sau thí nghiệm của MHVL3 62

Hình 2.40 Quan hệ giữa sức chống cắt không thoát nước (Su) trước và sau thí nghiệm với độ sâu của MHVL3 62

Hình 3.1 Sơ đồ trình tự giải bài toán cố kết chân không 67

Hình 3.2 Sơ đồ khối đất nghiên cứu thực nghiệm 68

Hình 3.3 Điều kiện biên trong mô đun SEEP/W của các MHVL 68

Hình 3.4 Điều kiện biên trong mô đun SIGMA/W của các MHVL 68

Hình 3.5 Quan hệ giữa độ lún tính toán và thời gian của MHVL1 69

Hình 3.6 Quan hệ giữa ALNLR tính toán và thời gian của MHVL1 69

Hình 3.7 Quan hệ giữa độ lún tính toán và thời gian của MHVL2 70

Hình 3.8 Quan hệ giữa ALNLR tính toán và thời gian của MHVL2 71

Hình 3.9 Quan hệ giữa độ lún tính toán và thời gian của MHVL3 71

Hình 3.10 Quan hệ giữa ALNLR tính toán và thời gian của MHVL3 72

Hình 3.11 Quan hệ giữa độ lún tính toán và thực nghiệm với thời gian của MHVL1 73

Hình 3.12 Quan hệ giữa ALNLR tính toán và thực nghiệm với thời gian của MHVL1 73Hình 3.13 Quan hệ giữa độ lún tính toán và thực nghiệm với thời gian của MHVL2 74Hình 3.14 Quan hệ giữa ALNLR tính toán và thực nghiệm với thời gian của MHVL2 75Hình 3.15 Quan hệ giữa độ lún tính toán và thực nghiệm với thời gian của MHVL3 75Hình 3.16 Quan hệ giữa ALNLR tính toán và thực nghiệm với thời gian của MHVL3 76Hình 3.17 Mặt bằng các vùng xử lý của công trình Pvtex Đình Vũ – Hải Phòng 77Hình 3.18 Mặt cắt địa chất vùng 1 của công trình Pvtex Đình Vũ - Hải Phòng [9] 78Hình 3.19 Điều kiện biên mô đun SIGMA/W 80Hình 3.20 Điều kiện biên mô đun SEEP/W 80Hình 3.21 Quan hệ giữa độ lún tính toán và thời gian của công trình Pvtex Đình Vũ – Hải Phòng 80Hình 3.22 Quan hệ giữa ALNLR tính toán và thời gian của công trình Pvtex Đình

Vũ – Hải Phòng 81Hình 3.23 Quan hệ giữa độ lún thực nghiệm và thời gian của công trình Pvtex Đình

Vũ – Hải Phòng 81Hình 3.24 Quan hệ giữa ALNLR thực nghiệm và thời gian của công trình Pvtex Đình Vũ – Hải Phòng 82Hình 3.25 Quan hệ giữa độ lún tính toán và thực nghiệm với thời gian của công trình Pvtex Đình Vũ – Hải Phòng 82Hình 3.26 Quan hệ ALNLR tính toán và thực nghiệm với thời gian của công trình Pvtex Đình Vũ – Hải Phòng 83Hình 3.27 Mặt bằng các vùng xử lý của công trình nhà máy nhiệt điện Duyên Hải 3 – Trà Vinh 84

Hình 3.28 Mặt cắt địa chất của công trình nhà máy nhiệt điện Duyên Hải 3 – Trà Vinh [53] 85Hình 3.29 Điều kiện biên trong mô đun SIGMA/W 86Hình 3.30 Điều kiện biên trong mô đun SEEP/W 86Hình 3.31 Quan hệ giữa độ lún tính toán và thời gian của công trình nhà máy nhiệt điện Duyên Hải 3 – Trà Vinh 87Hình 3.32 Quan hệ giữa ALNLR tính toán và thời gian của công trình nhà máy nhiệt điện Duyên Hải 3 – Trà Vinh 87Hình 3.33 Quan hệ giữa độ lún thực nghiệm và thời gian của công trình nhà máy nhiệt điện Duyên Hải 3 – Trà Vinh 88Hình 3.34 Quan hệ giữa ALNLR thực nghiệm và thời gian của công trình nhà máy nhiệt điện Duyên Hải 3 – Trà Vinh 88Hình 3.35 Quan hệ giữa độ lún tính toán và thực nghiệm với thời gian của công trình nhà máy nhiệt điện Duyên Hải 3 – Trà Vinh 89Hình 3.36 Quan hệ giữa ALNLR tính toán và thực nghiệm với thời gian của công trình nhà máy nhiệt điện Duyên Hải 3 – Trà Vinh 89Hình 3.37 Mặt bằng các vùng xử lý của công trình nhà máy nhiệt điện Nhơn Trạch 2 – Đồng Nai 90Hình 3.38 Mặt cắt địa chất của công trình nhà máy nhiệt điện Nhơn Trạch 2 – Đồng Nai [14] 91Hình 3.39 Điều kiện biên mô đun SIGMA/W 92Hình 3.40 Điều kiện biên mô đun SEEP/W 92Hình 3.41 Quan hệ giữa độ lún tính toán và thời gian của công trình nhà máy nhiệt điện Nhơn Trạch 2 – Đồng Nai 93Hình 3.42 Quan hệ giữa độ lún thực nghiệm và thời gian của công trình nhà máy nhiệt điện Nhơn Trạch 2 – Đồng Nai 93Hình 3.43 Quan hệ giữa độ lún tính toán và thực nghiệm với thời gian của công trình nhà máy nhiệt điện Nhơn Trạch 2 – Đồng Nai 94Hình 4.1 Quan hệ giữa độ cố kết và thời gian khi chiều dày nền đất yếu xử lý 10 m 98

Hình 4.2 Quan hệ giữa độ cố kết và thời gian khi chiều dày nền đất yếu xử lý 15 m 98Hình 4.3 Quan hệ giữa độ cố kết và thời gian khi chiều dày nền đất yếu xử lý 20 m 99Hình 4.4 Quan hệ giữa độ cố kết và thời gian khi chiều dày nền đất yếu xử lý 25 m 99Hình 4.5 Quan hệ giữa độ cố kết và thời gian khi chiều dày nền đất yếu xử lý 30 m 100Hình 4.6 Quan hệ giữa thời gian cố kết với chỉ số dẻo và độ cố kết khi chiều dày nền đất yếu xử lý là 10 m 102Hình 4.7 Quan hệ giữa thời gian cố kết với chỉ số dẻo và độ cố kết khi chiều dày nền đất yếu xử lý là 15 m 103Hình 4.8 Quan hệ giữa thời gian cố kết với chỉ số dẻo và độ cố kết khi chiều dày nền đất yếu xử lý là 20 m 104Hình 4.9 Quan hệ giữa thời gian cố kết với chỉ số dẻo và độ cố kết khi chiều dày nền đất yếu xử lý là 25 m 105Hình 4.10 Quan hệ giữa thời gian cố kết với chỉ số dẻo và độ cố kết khi chiều dày nền đất yếu xử lý là 30 m 106Hình 4.11 Quan hệ giữa thời gian cố kết với chỉ số dẻo và chiều dày nền đất yếu khi độ cố kết là 80% 107Hình 4.12 Quan hệ giữa thời gian cố kết với chỉ số dẻo và chiều dày nền đất yếu khi độ cố kết là 85% 108Hình 4.13 Quan hệ giữa thời gian cố kết với chỉ số dẻo và chiều dày nền đất yếu khi độ cố kết là 90% 109Hình 4.14 Quan hệ giữa thời gian cố kết với chỉ số dẻo và chiều dày nền đất yếu khi độ cố kết là 95% 110

MỤC LỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Một số công trình ứng dụng phương pháp có màng kín khí (MVC) 9

Bảng 1.2 Một số công trình ứng dụng phương pháp không có màng kín khí 10

Bảng 2.1 Các chỉ tiêu cơ lý của đất trước thí nghiệm 40

Bảng 2.2 Sức chống cắt không thoát nước của đất theo độ sâu trước thí nghiệm 41

Bảng 2.3 Kết quả độ lún dự báo theo Asaoka MHVL1 49

Bảng 2.4 Kết quả độ lún dự báo theo Asaoka của MHVL2 52

Bảng 2.5 Kết quả độ lún dự báo theo Asaoka MHVL3 55

Bảng 2.6 Các chỉ tiêu cơ lý của đất sau thí nghiệm của MHVL1 57

Bảng 2.7 Sức chống cắt không thoát nước sau thí nghiệm của MHVL1 58

Bảng 2.8 Các chỉ tiêu cơ lý của đất sau thí nghiệm MHVL2 59

Bảng 2.9 Sức chống cắt không thoát nước của đất theo độ sâu sau thí nghiệm của MHVL2 60

Bảng 2.10 Các chỉ tiêu cơ lý của đất sau thí nghiệm MHVL3 61

Bảng 2.11 Sức chống cắt không thoát nước của đất theo độ sâu sau thí nghiệm của MHVL3 62

Bảng 3.1 Khoảng cách và chiều dài bấc thấm xử lý cho các vùng [30] 77

Bảng 3.2 Chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất của công trình Pvtex Đình Vũ – Hải Phòng 78

Bảng 3.3 Chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất tính toán tại công trình Pvtex Đình Vũ – Hải Phòng 79

Bảng 3.4 Chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất của công trình nhà máy nhiệt điện Duyên Hải 3 – Trà Vinh 85

Bảng 3.5 Chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất của công trình nhà máy nhiệt điện Nhơn Trạch 2 – Đồng Nai 92

Bảng 4.1.Chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất tại công trình nhà máy nhiệt điện Thái Bình 97

Bảng 4.2 Độ cố kết, chỉ số dẻo và thời gian của các loại đất yếu 101

Bảng 4.3 Độ cố kết, chỉ số dẻo và thời gian khi chiều dày nền đất yếu xử lý 10 m 102Bảng 4.4 Độ cố kết, chỉ số dẻo và thời gian khi chiều dày nền đất yếu xử lý là 15 m 103Bảng 4.5 Độ cố kết, chỉ số dẻo và thời gian khi chiều dày nền đất yếu xử lý là 20 m 104Bảng 4.6 Độ cố kết, chỉ số dẻo và thời gian khi chiều dày nền đất yếu xử lý là 25 m 105Bảng 4.7 Độ cố kết, chỉ số dẻo và thời gian khi chiều dày nền đất yếu xử lý là 30 m 106Bảng 4.8 Chiều dày nền đất yếu xử lý, chỉ số dẻo và thời gian khi độ cố kết là 80% 107Bảng 4.9 Chiều dày nền đất yếu xử lý, chỉ số dẻo và thời gian khi độ cố kết là 85% 108Bảng 4.10 Chiều dày nền đất yếu xử lý, chỉ số dẻo và thời gian khi độ cố kết là 90% 109Bảng 4.11 Chiều dày nền đất yếu xử lý, chỉ số dẻo và thời gian khi độ cố kết là 95% 110

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

- Đường kính ảnh hưởng của bấc thấm

- Đường kính quy đổi của bấc thấm

- Hệ số rỗng ban đầu của đất

- Cố kết chân không theo phương pháp có màng kín khí

- Áp suất chân không

- Thiết bị quan trắc áp lực nước lỗ rỗng

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Một phần lớn lãnh thổ Việt Nam có thành tạo đất yếu, đặc biệt là các vùng đồng bằng ven sông, ven biển Ở những vùng này có đất đai trù phú, dân cư đông đúc, và có vị trí quan trọng trong nền kinh tế quốc dân Với việc đẩy mạnh xây dựng và hoàn thiện cơ sở hạ tầng nhằm đáp ứng sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước và ứng phó với biến đổi khí hậu toàn cầu, đã và đang đòi hỏi xây dựng hàng loạt các công trình dân dụng, công nghiệp, giao thông và thủy lợi trên các vùng đất này

Vì thế nhiều thành phố, khu công nghiệp, cảng biển, khu du lịch, đường giao thông…đang được đầu tư xây dựng với tốc độ ngày càng lớn và phần lớn nền của các công trình này là mềm yếu cần được xử lý để tăng sức chịu tải, giảm độ lún, đảm bảo ổn định công trình

Có rất nhiều phương pháp xử lý nền đất yếu, nhưng tùy thuộc vào điều kiện và đặc điểm của mỗi công trình có thể chọn một phương pháp xử lý cho phù hợp Với đặc điểm các vùng có chiều dày đất yếu lớn, diện xử lý rộng, dài, cần rút ngắn thời gian xử lý thì việc tìm ra phương pháp xử lý mới có hiệu quả là một thách thức của các nhà địa kỹ thuật và mang ý nghĩa thời sự

Phương pháp cố kết chân không được ứng dụng thành công trên thế giới và Việt Nam bước đầu ứng dụng Phương pháp này có những ưu điểm vượt trội so với các phương pháp khác như: Thời gian thi công ngắn, giảm được chiều cao gia tải trước, vì thế tiết kiệm được vật liệu gia tải, công tác dỡ tải sau xử lý gọn, thi công không gây ô nhiễm môi trường, đặc biệt phù hợp khi xử lý nền trên diện rộng, dài Việt Nam đã ứng dụng phương pháp này để xử lý nền cho một số công trình công nghiệp, đường giao thông, cảng biển, với công nghệ và trang thiết bị do các đơn vị nước ngoài phụ trách Việc am hiểu, chủ động được công nghệ và xây dựng được mối quan hệ giữa các thông số của nền đất trong quá trình cố kết chân không cho một số loại đất yếu ở Việt Nam mang ý nghĩa thời sự và cần thiết Vì vậy việc nghiên cứu ứng dụng phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu để xây dựng công trình có ý nghĩa khoa học và thực tiễn to lớn

3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

- Đất yếu ven sông, ven biển khu Đình Vũ – Hải Phòng, Duyên Hải – Trà Vinh, Nhơn Trạch – Đồng Nai, Nhiệt điện Thái Bình – Thái Bình

- Các loại đất yếu khu vực khác có các chỉ tiêu cơ lý tương đồng

4 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về các giải pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu trên thế giới và ở Việt Nam Đánh giá tồn tại về kỹ thuật và chỉ ra vấn đề mà luận

án tập trung giải quyết

- Ứng dụng cơ sở lý thuyết, phương pháp tính toán thiết kế giải pháp cố kết chân không, tính toán đưa ra các thông số của quá trình cố kết cho loại đất yếu nghiên cứu để làm cơ sở đối chiếu, so sánh với kết quả thực nghiệm của MHVL và hiện trường

- Nghiên cứu lắp đặt, vận hành hệ thống, các thiết bị thí nghiệm để chủ động

về công nghệ cố kết chân không

- Nghiên cứu thực nghiệm về quy luật biến thiên ALNLR và biến dạng của nền đất trong quá trình cố kết chân không bằng các MHVL Kết quả nghiên cứu thực nghiệm trong phòng được đối chiếu so sánh với kết quả tính toán từ mô hình

số để xem xét sự phù hợp của mô hình số tính toán

- Sử dụng mô hình số được chọn, tính toán ứng dụng cho các công trình thực

tế, so sánh kết quả tính toán với kết quả thực nghiệm công trình của chúng với nhau

để khẳng định sự hợp lý của mô hình số

- Ứng dụng mô hình số được chọn tính toán cho một số loại đất yếu tương đồng Xây dựng mối quan hệ giữa chỉ số dẻo, độ cố kết, chiều dày nền đất yếu xử lý

và thời gian cố kết khi xử lý nền bằng phương pháp cố kết chân không

5 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp tính toán, phân tích lý thuyết: Nghiên cứu bài toán cố kết chân không, nghiên cứu các nội dung liên quan đến việc giải bài toán cố kết chân không

- Phương pháp thực nghiệm: Thí nghiệm MHVL để xác định quá trình biến thiên ALNLR và biến dạng tại các vị trí và độ sâu trong nền trong quá trình cố kết chân không

- Phương pháp thống kê: Xử lý số liệu thí nghiệm, xử lý thống kê để xác lập các đường quan hệ giữa các yếu tố nghiên cứu

- Phương pháp phần tử hữu hạn: Lựa chọn, sử dụng mô hình số để tính toán xây dựng mối quan hệ giữa các thông số của quá trình cố kết chân không được thực hiện theo sơ đồ sau:

- Phương pháp chuyên gia: Tổ chức hội thảo, báo cáo khoa học nhằm tổng hợp các ý kiến đóng góp của các chuyên gia, các nhà khoa học về lĩnh vực nghiên cứu

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

a) Ý nghĩa khoa học

Phương pháp cố kết chân không là một phương pháp hiệu quả khi xử lý nền đất yếu, đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giới Việt Nam bước đầu ứng dụng phương pháp này để xử lý nền cho một số công trình, các nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng đến phương pháp này còn ít, vì vậy kết quả nghiên cứu các quy luật biến đổi các thông số của quá trình cố kết theo phương pháp này của luận án, trong điều kiện đất yếu Việt Nam, để làm cơ sở đưa ra các dự đoán khi xử lý nền đất yếu cho các công trình thực tế

Việc ứng dụng các mô hình số để tính toán xác định các thông số của quá trình

cố kết khi xử lý nền bằng phương pháp cố kết chân không nhằm giảm khối lượng tính toán Kết quả tính toán được phân tích, so sánh với kết quả thực nghiệm, qua

đó giúp đưa ra các kết luận về sự biến đổi thông số của quá trình cố kết Tuy nhiên, đến nay chưa có phần mềm chuyên dụng nào ứng dụng cho phương pháp này, vì vậy việc lựa chọn được phần tử hữu hạn phù hợp có ý nghĩa khoa học

Để đưa ra các dự đoán về quá trình cố kết khi xử lý nền bằng phương pháp cố kết chân không, việc xây dựng được mối quan hệ giữa các thông số độ cố kết, thời gian cố kết, chiều dày nền đất yếu xử lý, chỉ số dẻo là cần thiết, qua đó làm cơ sở

dự đoán ban đầu quá trình cố kết, khi xử lý nền đất yếu bằng phương pháp nêu trên

b) Ý nghĩa thực tiễn

Với kết quả nghiên cứu xác định được quy luật biến thiên các thông số của nền đất, đồng thời xác lập được mối quan hệ của chúng khi xử lý nền đất yếu bằng phương pháp cố kết chân không, giúp cho các cán bộ địa kỹ thuật có được công cụ

để đưa ra các dự đoán ban đầu về quá trình cố kết khi xử lý nền đất yếu theo phương pháp này

7 Những đóng góp mới của luận án

(1) Thiết lập và thí nghiệm MHVL cỡ lớn (2,4m3) là mô hình đầu tiên ứng dụng phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu cho loại đất yếu ven biển được thực hiện tại phòng thí nghiệm Địa kỹ thuật, trường Đại học Thủy lợi để nghiên cứu quá trình biến thiên ALNLR và biến dạng của nền đất tại các vị trí và độ sâu nghiên cứu khác nhau

(2) Lựa chọn được bộ phần mềm phù hợp (tích hợp giữa mô đun Seep/W và Sigma/W của phần mềm GeoStudio) để tính toán cố kết chân không kết hợp gia tải cho cả bài toán trong phòng và hiện trường

(3) Xây dựng được các biểu đồ về mối quan hệ giữa chỉ số dẻo, độ cố kết, chiều dày nền đất yếu xử lý và thời gian cố kết khi xử lý nền đất yếu bằng phương pháp cố kết chân không

8 Bố cục của luận án

MỞ ĐẦU

Chương 1: Tổng quan về phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu và

lý thuyết của phương pháp: Trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu, ứng dụng phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu trên thế giới và Việt Nam Cơ sở

lý thuyết bài toán cố kết thấm bằng phương pháp cố kết chân không và phương pháp dự báo lún

Chương 2: Nghiên cứu thực nghiệm phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu bằng MHVL: Chương này giới thiệu các các thiết bị và nguyên lý hoạt động của các thiết bị này, trình tự thí nghiệm, phương pháp quan trắc số liệu biến dạng lún, ALNLR và kết quả thực nghiệm khi xử lý nền bằng phương pháp cố kết chân không

Chương 3: Mô hình toán cho bài toán cố kết chân không: Chương này ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn tính toán cho các trường hợp mô hình thực nghiệm trong phòng, kết quả tính toán được so sánh, đối chiếu với kết quả thực nghiệm trong phòng, qua đó lựa chọn được phần tử hữu hạn phù hợp Để có thể khẳng định tính hợp lý của phần tử hữu hạn được chọn, tiến hành tính toán ứng dụng cho các công trình thực tế Pvtex Đình Vũ - Hải Phòng, Duyên Hải 3 – Trà Vinh, Nhơn Trạch 2 – Đồng Nai thông qua việc so sánh kết quả tính toán và thực nghiệm công trình của chúng với nhau

Chương 4: Xây dựng mối quan hệ giữa các thông số của bài toán cố kết chân không: Ứng dụng mô hình số được lựa chọn, tính toán ứng dụng cho một số loại đất yếu: Pvtex Đình Vũ - Hải Phòng, Duyên Hải 3 – Trà Vinh, Nhơn Trạch 2 – Đồng Nai và đất yếu nhiệt điện Thái Bình với các chiều dày đất yếu khác nhau (10-30) m

Từ kết quả tính toán xây dựng mối quan hệ giữa thời gian cố kết với chỉ số dẻo, độ

cố kết và chiều dày nền đất yếu xử lý thông qua các biểu đồ và công thức khi xử lý nền bằng phương pháp cố kết chân không, từ đó có thể đưa ra được các dự đoán về quá trình cố kết cho nền đất yếu có các chỉ tiêu tương đồng

Kết luận và kiến nghị: Rút ra các kết luận từ các kết quả nghiên cứu thực nghiệm trong phòng, kết quả thực nghiệm hiện trường và mô hình số Kiến nghị các biện pháp và hướng phát triển tiếp theo của đề tài

Danh mục các tài liệu khoa học đã công bố

Danh mục các tài liệu tham khảo

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP CỐ KẾT CHÂN KHÔNG

XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU VÀ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP

1.1 Nền đất yếu

Khi xây dựng các công trình thì đặc tính chịu tải của nền đất có ý nghĩa quyết định đến sự ổn định của công trình trong quá trình vận hành dưới tác dụng của các tải trọng thường xuyên, tạm thời và cả tải trọng đặc biệt, 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 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 [2]

Có rất nhiều quan niệm khác nhau về nền đất yếu Nếu nền đất không đủ khả năng chịu tải, không đủ độ bền và có độ biến dạng lớn, cần phải gia cố mới có thể thi công và vận hành công trình thì gọi là đất yếu [12] 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 xây dựng công trình

Một quan niệm khác cho rằng, đất yếu là đất có khả năng chịu tải nhỏ (vào khoảng (50-100) kPa), có tính nén lún lớn, hầu như bão hòa nước, có hệ số rỗng lớn (e > 1), mô đun biến dạng thấp (E < 5000 kPa) [5]

Đối với xây dựng đường ô tô, theo tiêu chuẩn 22TCN262-2000, nền đất yếu

có thể là đất sét, sét pha bụi mềm, bùn, than bùn và đất hữu cơ Tất cả các loại đất này được được bồi tụ trong nước một cách khác nhau, với đất sét mềm được bồi tụ

ở bờ biển hoặc gần biển Ở trạng thái tự nhiên độ ẩm của chúng thường bằng hoặc lớn hơn giới hạn chảy, hệ số rỗng lớn (đất sét mềm e ≥ 1,5; đất sét pha e ≥ 1), cường

độ lực dính theo kết quả cắt nhanh không thoát nước nhỏ hơn 15 kPa, góc ma sát

trong  < 10o, hoặc cường độ lực dính từ kết quả thí nghiệm cắt cánh hiện trường Cu

≤ 35 kPa Loại có nguồn gốc hữu cơ (than bùn và đất hữu cơ) thường hình thành từ đầm lầy, nơi đọng nước thường xuyên hoặc có mực nước ngầm cao, các loại thực vật phát triển, thối rửa và phân hủy tạo ra các trầm tích hữu cơ lẫn trầm tích khoáng vật gọi là đất đầm lầy than bùn, hàm lượng hữu cơ chiếm (20-80)% Trong điều kiện tự nhiên than bùn là loại đất bị nén lún lâu dài, không đều và mạnh nhất, hệ số nén lún có thể đạt (3-8) kPa-1 [18]

Theo quan điểm xây dựng của một số nước, đất yếu được xác định theo tiêu chuẩn về sức chống cắt không thoát nước Su và chỉ số xuyên tiêu chuẩn N như sau [10]:

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

- Đất yếu: Su ≤ 25 kPa hoặc N ≤ 4

Tóm lại, nền đất yếu là nền đất không thuận lợi cho việc xây dựng công trình Xây dựng 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]

1.2 Tổng quan về nghiên cứu và ứng dụng phương pháp cố kết chân không

1.2.1 Tình hình ứng dụng phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu trên thế giới

Phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu lần đầu tiên được giới thiệu vào năm 1952 bởi tiến sĩ W Kjellman Sau đó bài toán cố kết chân không được nghiên cứu lại bởi giáo sư J.M Cognon với một số nguyên tắc lý thuyết cơ bản mới, đến những năm 70 cố kết chân không được ứng dụng rộng rãi, đặc biệt là ở Nga và Nhật Vào thời điểm này cố kết chân không được bổ sung một lớp tường chống thấm bao quanh khu vực xử lý nhằm hạn chế nước ngầm từ khu vực xung quanh thấm vào, đồng thời hạn chế sự rò rỉ áp lực chân không để gia tăng áp lực chân không 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 [37] Theo sự cải tiến này tường chống thấm được bỏ đi 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 đó phương pháp này

đã được ứng dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới

Một số công trình xử lý nền bằng cố kết chân không theo phương pháp MVC

ở các nước trên thế giới như ở bảng 1.1 [2]

Bảng 1.1 Một số công trình ứng dụng phương pháp có màng kín khí (MVC)

Năm Tên công

trình Nước Loại công trình Đơn vị tư vấn Phạm vi

(m 2 )

2001 Bang Bo Thái Lan Đường vào nhà máy

1999 Jangyoo STP Hàn Quốc Nhà máy xử lý nước

1995 Khimae STP Hàn Quốc Nhà máy xử lý nước

Từ năm 1997 Công ty xây dựng Cofra của Hà Lan nghiên cứu cải tiến cố kết chân không theo hướng đơn 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 đi 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 Các phương pháp bố trí mới đó là Vertical drain, Beaudrain, Beaudrain-S

Về bản chất, tính hiệu quả của phương pháp MVC, Vertical drain, Beaudrain, Beaudrain-S và các biện pháp thi công khác của cố kết chân không có thể coi là tương đương nhau Sự khác nhau chủ yếu là thiết bị, cách bố trí và thời gian cố kết Một số công trình xử lý theo phương pháp Beaudrain-S ở các nước trên thế giới như ở bảng 1.2 [2,23]

Bảng 1.2 Một số công trình ứng dụng phương pháp không có màng kín khí

Hiện nay trên thế giới có rất nhiều Công ty xây dựng thực hiện cố kết chân không, mỗi một Công ty lại có những cải tiến riêng, chính vì vậy mà hiện nay có rất nhiều biện pháp thi công Tuy nhiên các phương pháp này đều dùng gia tải để hỗ trợ quá trình ép thoát nước ra 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

1.2.1.1 Nguyên lý phương pháp thi công có màng kín khí (MVC)

Màng kín khí thông thường là màng địa kỹ thuật (geo-membrane) bao kín toàn

bộ khu vực thi công Trong quá trình gia tải, mực nước ngầm hạ xuống và không khí cũng được thoát 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 Gia tải phụ này có thể đạt tới 40 kPa

Sơ đồ nguyên lý thi công theo phương pháp MVC thể hiện ở hình 1.1 [11,37]

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý phương pháp MVC

Khi thi công theo phương pháp 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 gia tải, 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 30 kPa

- 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

Thi công theo phương pháp MVC được giới thiệu ở hình 1.2 [11,14]

Hình 1.2 Thi công phương pháp MVC 1.2.1.2 Nguyên lý 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 đắp lớp gia tải cao hơn để bù đắp sự thiếu hụt về áp lực chân không Lớp gia tải có thể cao thêm tới 2m, tuy nhiên không phải thi công hào vây và màng kín khí Sơ đồ nguyên lý thi công theo phương pháp Beaudrain - S được giới thiệu ở hình 1.3 [2]

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý phương pháp không có màng kín khí

Thi công theo phương pháp Beaudrain - S được giới thiệu ở hình 1.4

Hình 1.4 Thi công không có màng kín khí 1.2.1.3 Các lĩnh vực áp dụng phương pháp cố kết chân không

Các công trình xây dựng trên nền đất tốt sẽ tiết kiệm được chi phí và thời gian xây dựng Tuy nhiên, để đáp ứng được yêu cầu xây dựng và phát triển kinh tế xã hội

có rất nhiều công trình bắt buộc phải xây dựng trên nền đất yếu, các công trình này

có thể chia làm các loại chính sau

a Công trình giao thông

Tùy thuộc vào đặc điểm vận hành chia ra các loại nhỏ sau: 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 1.5 là sân bay Suvarnabhumi (Thái Lan), một công trình được xử lý nền bằng cố kết chân không với diện tích xử lý 400.000m2 [2]

Hình 1.5 Sân bay Suvarnabhumi,

c Công trình công nghiệp

Công trình công nghiệp có diện tích xây dựng tương đối lớn vì vậy ứng dụng phương pháp cố kết chân không xử lý nền cho loại công trình này mang lại hiệu quả

về kinh tế Mặt khác do yêu cầu nguồn nguyên vật liệu và giao thông nên ngày càng nhiều công trình xây dựng công nghiệp ứng dụng phương pháp này

Trên hình 1.7 là nhà máy điện nguyên tử Singori của Hàn quốc, được xử lý nền bằng phương pháp cố kết chân không với 695.000 m bấc thấm [2]

Hình 1.7 Nhà máy điện nguyên tử

Singori, Hàn Quốc

Hình 1.8 Sơ đồ trạm xử lý nước

Pusan, Hàn Quốc

c Công trình thủy lợi

Công trình thủy lợi ứng dụng phương pháp này gồm: Công trình chỉnh trị đê,

kè ven sông, ven biển, các trạm bơm và công trình xử lý nước

Trên hình 1.8 là sơ đồ công trình xử lý nước thải Pusan, Hàn Quốc với diện tích xử lý nền ứng dụng cố kết chân không là 160.000 m2 [2]

1.2.2 Tình hình nghiên cứu phương pháp cố kết chân không

Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng ảnh hưởng đến quá trình cố kết chân không như: Áp lực chân không, khoảng cách bấc thấm, hệ số cố kết theo phương đứng và phương ngang, hệ số thấm vùng xáo trộn Các yếu tố ảnh hưởng này được nhiều tác giả nghiên cứu từ các kết quả thực nghiệm trong phòng và công trình của các công trình thực tế

Áp lực chân không hiệu quả dọc theo bấc thấm có bị suy giảm theo chiều sâu hay không, vấn đề này vẫn còn nhiều tranh luận qua các kết quả nghiên cứu Theo Chu và nnk (2000), Indraratna và nnk (2005) chỉ ra rằng áp lực chân không hiệu quả giảm dần theo chiều sâu bấc thấm [39,41,42,46] Tuy nhiên nhiều nghiên cứu từ các công trình thực tế, Bo và nnk (2003) [24] lại cho rằng áp lực chân không hiệu quả không suy giảm theo chiều sâu bấc thấm

Để đánh giá sự ảnh hưởng của của hệ số cố kết theo phương ngang (Ch) và ảnh hưởng của vùng xáo trộn đến quá trình cố kết chân không Saowapakpiboon và nnk (2011) [60] đã sử dụng MHVL hình trụ cỡ lớn (0,45x0,95) m thí nghiệm cho loại đất sét yếu Bangkok - Thái Lan cho trường hợp có và không có áp lực chân không (hình 1.9)

a) Sơ họa mô hình b) Hình ảnh mô hình

Hình 1.9 Mô hình tỉ lệ lớn để thí nghiệm cố kết có và không có áp lực chân không

Tác giả nghiên cứu này cũng đã đưa ra kết quả của hệ số cố kết theo phương ngang (Ch) là 1,93-2,23 m2/năm, tỉ số giữa hệ số thấm theo phương ngang của vùng không xáo trộn và vùng xáo trộn (kh/ks) là 2,0-3,0 [60]

Hiện nay trong các tính toán thiết kế và nghiên cứu vẫn tồn tại sự khác biệt của thông số cố kết theo phương ngang và hệ số thấm của vùng xáo trộn do cắm bấc thấm Ngay cả nền đất yếu Bangkok đã được nghiên cứu từ nhiều thập kỷ qua nhưng đến nay vẫn còn những tồn tại nêu trên, điều này được minh chứng qua số liệu thực nghiệm của đoạn đắp thử nghiệm tại sân bay quốc tế Bangkok số 2, kết quả phân tích bởi Seah và nnk (2004) [61] cho giá trị Ch của lớp đất yếu từ độ sâu (4-8) m là 0,75 m2/năm, trong khi đó kết quả của Balasubramaniam và nnk (1995)

và của Bergado và nnk (2002) là gần 3 m2/năm [20,22]

Hầu hết các nghiên cứu đều quan tâm đến vấn đề biến dạng và biến đổi ALNLR trong quá trình cố kết chân không của nền (Rujikiatkamjorn và nnk (2006) [56,58], Indraratna và nnk (2006) [40,43,45], Mohamedelhassan và nnk [50], Chamari [27], Chu [29], Shang và nnk [62]), kết quả của các nghiên cứu này cũng

đã chỉ ra rằng tùy thuộc vào loại đất, cấp áp lực, loại bấc thấm, khoảng cách bấc thấm ảnh hưởng đến độ cố kết của nền Tuy nhiên ngoài các điều kiện trên tạo ra sự khác biệt của các kết quả nghiên cứu, hệ số cố kết theo phương ngang và mức độ xáo trộn quanh vùng bấc thấm là nhân tố chính ảnh hưởng đến quá trình cố kết dẫn đến sự khác biệt này

1.2.3 Tình hình nghiên cứu ứng dụng phương pháp cố kết chân không xử

lý nền đất yếu ở Việt Nam

Phương pháp cố kết chân không bước đầu được ứng dụng ở Việt Nam, công trình đầu tiên ứng dụng thành công là nhà máy khí điện đạm Cà Mau trên diện tích

90 ha, ngoài ra còn có các công trình khác như: Nhà máy sợi Polyester Đình Vũ, Nhà máy điện chu trình hỗn hợp Nhơn Trạch 2 - Đồng Nai, Cảng Đình Vũ - Hải Phòng, đường cao tốc Long Thành - Dầu Giây, công trình bể chứa ven sông Sài Gòn, nhà máy Nhiệt điện Long Phú 1 (Sóc Trăng), nhà máy Nhiệt điện Duyên Hải 1 (Trà Vinh), nhà máy Nhiệt điện Thái Bình 2, khu liên hợp thép Formosa Hà Tĩnh đã dùng công nghệ cố kết chân không theo phương pháp có màng và không

có màng kín khí để cố kết nền đất rất nhanh chỉ trong thời gian rất ngắn Trên cơ sở của những kết quả ứng dụng ban đầu cho thấy đây là một phương pháp mới, hiệu quả Tuy nhiên, đến nay việc thiết kế và thi công theo phương pháp này chủ yếu do các đơn vị nước ngoài nắm giữ, vì vậy cần có các nghiên cứu về bản chất của quá trình cố kết và nắm bắt được công nghệ thi công phù hợp với điều kiện địa chất và thực tiễn để có thể ứng dụng rộng rãi trong xử lý nền các công trình xây dựng ở Việt Nam

Ứng dụng phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu ở Việt Nam được thực hiện trong vòng một thập kỷ trở lại đây, vì vậy các công trình nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng đến phương pháp trong thời gian qua không nhiều, một số ít bài báo và công trình khoa học đã được công bố

Nghiên cứu công bố đầu tiên về phương pháp này do tác giả Serge Varaksin

và Herve ABT [64], dựa trên kết quả xử lý công trình của công trình khí điện đạm

Cà Mau trên nền sét yếu dày 17 m, khoảng cách bấc thấm (0,9x0,9) m với diện tích

90 ha đây cũng là công trình đầu tiên ứng dụng phương pháp cố kết chân không ở Việt Nam

Kết quả thực nghiệm các yếu tố ảnh hưởng của nền trong quá trình xử lý nền gồm: Độ lún mặt, lún theo chiều sâu, đo ALNLR tại một độ sâu để theo dõi quá trình tiêu tán ALNLR và thời gian cố kết, đo áp lực chân không trong đất ở dưới lớp màng kín khí, đo độ nghiêng, kiểm tra độ ổn định của khối đắp Tác giả cũng đã đưa

ra phương pháp suy giảm ALNLR để tính thông số cố kết theo lý thuyết bài toán cố kết thấm và xác định hệ số cố kết theo phương ngang theo phương pháp hình học từ biểu đồ suy giảm ALNLR là 3,78 m2/năm Tuy tác giả có xét đến xự xáo trộn vùng quanh bấc thấm nhưng trên dự đoán tỉ số giữa hệ số thấm theo phương ngang của vùng không xáo trộn và vùng xáo trộn (kh/ks) là 2,5 và kết quả dự báo lún theo Asaoka là 2,89 m, kết quả đo lún thực tế là 2,64 m [64]

Một nghiên cứu khác được công bố cũng dựa trên kết quả xử lý công trình của công trình cảng SITV dọc theo sông Thị Vải - Tp Hồ Chí Minh trên diện tích 33,57

ha, chiều dày lớp đất yếu xử lý 35 m, khoảng cách bấc thấm (1,2x1,2) m Kết quả thực nghiệm các thông số gồm: Lún mặt, lún sâu, ALNLR tại các độ sâu khác nhau

và chuyển vị ngang

Trong nghiên cứu này tác giả đã dùng phương pháp suy giảm ALNLR và phương pháp Asaoka để tính độ cố kết Kết quả tính toán cho thấy phương pháp Asaoka lớn hơn phương pháp tính theo ALNLR, kết quả phân tích ngược từ phương trình xác định hệ số cố kết theo phương ngang là 2,2 m2/năm [9]

Nghiên cứu tiếp theo là của nhóm tác giả Vũ Bảo Ngọc và nnk đã công bố kết quả về công nghệ thi công cố kết chân không theo phương pháp có màng và kết quả thực nghiệm về lún của công trình Nhơn Trạch - Đồng Nai 2 và kết quả lún, ALNLR cho công trình Pvtex Đình Vũ - Hải Phòng Trong nghiên cứu này nhóm tác giả chỉ giới thiệu về công nghệ thi công mà chưa quan tâm đến các yếu tố ảnh hưởng đến thông số cố kết của nền [14]

Ngoài các công trình nghiên cứu trên, một trong các nghiên cứu khác cũng đã được công bố là của tác giả Nguyễn Chiến và Phạm Quang Đông về kết quả bước đầu nghiên cứu bố trí hợp lý bấc thấm khi xử lý nền đất yếu bằng phương pháp cố kết chân không, có ý nghĩa định hướng trong việc xác định một trong những thông

số quan trọng khi áp dụng phương pháp [1,8] Nghiên cứu tiếp theo thuộc đề tài cấp

Bộ về nghiên cứu ứng dụng phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu phục

vụ xây dựng công trình thủy lợi vùng ven biển do Nguyễn Chiến làm chủ nhiệm [2,3,4,6,51] Kết quả đề tài đã đưa ra các nội dung hướng dẫn thiết kế xử lý nền đất yếu bằng phương pháp cố kết chân không, quy trình công nghệ xử lý và phân tích lựa chọn phương pháp dự báo lún trong xử lý nền bằng cố kết chân không Nghiên cứu còn lại là nghiên cứu xác định quá trình biến thiên ALNLR và biến dạng tại các

vị trí và độ sâu trong nền khi xử lý nền bằng phương pháp cố kết chân không bằng MHVL do Bùi Văn Trường làm chủ nhiệm, đây là các đề tài mà tác giả đã trực tiếp tham gia thực hiện nghiên cứu [7,16]

Qua tổng quan về tình hình nghiên cứu ở Việt Nam cho thấy các công trình nghiên cứu về phương pháp này còn ít, các nghiên cứu chủ yếu từ kết quả xử lý của một số công trình thực tế, chưa có các mô hình thực nghiệm trong phòng về nghiên cứu thông số biến đổi ALNLR và biến dạng lún của nền, chưa có các mô hình số phù hợp để kiểm tra so sánh

1.3 Lý thuyết phương pháp cố kết chân không

1.3.1 Bài toán cố kết thấm

Bài toán cố kết thấm đã được nghiên cứu từ đầu thế kỷ 20 và không ngừng được hoàn thiện, các giải pháp phát triển của bài toán dựa trên phương trình của Karl von Terzaghi Bài toán được giải quyết nhờ phương trình liên tục về chuyển động của các pha trong đất nền [2]

Đất là một tổ hợp phức tạp của ba pha chính là thể rắn, thể lỏng và thể khí Cả

ba pha này đều tham gia vào quá trình chịu tải với các mức độ khác nhau, thành phần chính chịu tải trọng là thể rắn (hạt đất) Khi đất ổn định, ứng suất tác dụng lên hạt đất là ứng suất lớn nhất do tải trọng và trọng lượng bản thân của khối đất 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, 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, vì vậy khi giải bài toán cố kết thấm chỉ cần xem bài toán ở dạng hai pha [2]

Tác dụng của việc cố kết đất nền trước khi xây dựng nói chung và cố kết chân không nói riêng có thể được giải thích trên hình 1.10 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 thoát 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, gãy 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 [2]

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 tải trọng tăng thêm (∆f), tổng tải trọng (∆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, tải trọng tăng thêm (∆f) càng lớn, thời gian cố kết t1 càng ngắn [13]

ø ng suÊt hiÖu qu¶  '

c d

f g

Lưu ý, trong quá trình xây dựng công trình, đất nền có khả năng nở do gia tải trước đã được dỡ trước khi xây dựng công trình 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 chân không luôn luôn bao gồm cả bài toán cố kết nén lún đơn giản [2]

Bản chất của hiện tượng cố kết thấm là sự giảm hệ số rỗng của đất nền do nước trong đất được ép thoát 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 1.11) [2]

Hình 1.11 Bản chất của cố kết thấm

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 ứng suất hiệu quả, thì bản chất của cố kết chân không là giảm ứng suất dư trong lỗ rỗng, từ đó tăng ứng suất hiệu quả

mà không thay đổi ứng suất tổng (hình 1.12) [2]

Khi kÕt hîp hót ch©n kh«ng

~100 kPa

Hình 1.12 Nguyên lý cố kết chân không

1.3.2 Phương trình vi phân cơ bản

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

2 2

z

u C t

u C z

u C t

u

r v

1

2 2 2

2

(1-2) Trong đó: Cv - hệ số cố kết theo phương đứng;

a

e k C

a

e k C