Thí nghiệm cố kết cho đất sét yếu bằng phương pháp bấc thấm điện

Trang 1

THÍ NGHIỆM CỐ KẾT CHO ĐẤT SÉT YẾU BẰNG

PHƯƠNG PHÁP BẤC THẤM ĐIỆN

(A field trial for soft clay consolidation using

electric vertical drains)

Tóm tắt

Nguyên lý điện thấm (EO) đã được sử dụng thành công trong một số lĩnh vựcứng dụng như làm tăng ổn định của lớp sét yếu trong việc cải tạo đất ở ven biển bằngnhững điện cực lớn làm từ kim loại với giá thành cao Với sự ra đời của chất dẻo dẫnđiện, nó đã được sử dụng để làm những thiết bị thoát nước theo phương đứng tương

tự như những bấc thấm thông thường, dùng để gia cố nền đất sét yếu Bài báo nàygiới thiệu một số nghiên cứu được tiến hành trong phòng thí nghiệm và cả ở hiệntrường về sự thoát nước của đất nền bằng bấc thấm điện thông qua việc cải tạo đấtnền ở Singapore

1 Giới thiệu.

Qúa trình trầm tích của lớp sét yếu liên quan đến độ lún và độ ổn định của đấtnền Một phương pháp kỹ thuật thông thường để cải tạo đất nền đó là dùng bấc thấm(prefabricated vertical drains (PVD)) với có hoặc không có phần đất đắp gia tải nhằmtriệt tiêu gần như hoàn toàn độ lún sơ cấp của đất nền Để giảm bớt thời gian do phảiđợi cho đất nền cố kết và ít phụ thuộc vào quá trình chất tải, dỡ tải Trường đại họcQuốc gia Singapore đã đề xướng phương pháp bằng EO với kỹ thuật mới đó là chodòng điện đi qua những thiết bị thoát nước thẳng đứng làm bằng pôlime (bấc thấmđiện (EVDs)) để làm tăng tốc độ cố kết của lớp sét

Những hạt sét mang lưới điện tích âm được cân bằng bởi lưới điện tích dươngtrong nước lỗ rỗng Trong phương pháp EO, khi các điện cực được đặt trong đất sétyếu sau đó cho dòng điện một chiều đi qua, các ion trong nước lỗ rỗng bị hút tớinhững điện cực trái dấu và hút chúng về các phần tử nước tự do Các phần tử nướcdịch chuyển về phía cực âm và nếu đặt hệ thống thoát nước, khi đó quá trình cố kếtbắt đầu xảy ra ở cực dương

Đối với đất có hàm lượng sét càng nhiều thì sẽ cho hiệu quả thoát nước càng

Trang 2

Tiểu luận: Công Trình Trên Nền Đất Yếu GVHD TS Trần Tuấn Anh

Gần đây, có một kiến nghị về vấn đề cố kết đất sét yếu ven biển sử dụng bấcthấm điện (EVDs) đã được tán thành và được tài trợ về tài chính để làm thử nghiệmbởi công ty The Enterprise Challenge Unit ở Singapore

Trong bài báo này tác giả tổng kết một số khảo sát ở phòng thí nghiệm và theodõi thử nghiệm ngoài hiện trường trên đất sét ở ven biển tại Singapore Qúa trình thửnghiệm EO được thực hiện trên một lớp sét yếu dày khoảng 8 m nằm trên lớp cát dày18m Mặc dù lúc đầu áp lực nước lỗ rỗng thặng dư trong lớp sét rất lớn nhưng quaquá trình xử lý bằng EVDs đã đo được sự thay đổi của áp lực nước lỗ rỗng thặng dư

và ghi lại được sự gia tăng đáng kể về sức chống cắt của đất

2 Những khảo sát ở phòng TN

2.1 Tiến hành trên mẫu nhỏ

Mẫu TN là một loại đất sét biển ở Singapore (Wp = 35; WL= 80) Tiến hành nén

cố kết một trục trên 3 mẫu:

* Mẫu 1A: nén cố kết một trục kết hợp xử lý EO với điện thế là 2V

* Mẫu 1B: nén cố kết một trục kết hợp xử lý EO với điện thế là 3V

Trang 3

Cả 3 mẫu đều có chiều dày là 20mm và được nén cố kết tới 100 kPa để làm cơ sở

so sánh

Đối với mẫu A và B sau khi kết thúc quá trình nén cố kết kết hợp với xử lý EO,tải tác dụng sẽ được duy trì thêm 2 ngày để xác định thêm sự thay đổi của hệ số nénthứ cấp

Hình 1 thể hiện mối quan hệ e-logp’ Đồ thị biểu diễn theo phương pháp EO thiếumột điểm uốn rõ ràng để xác định áp lực tiền cố kết Phương pháp EO đã cho thấy sựgia tăng hệ số cố kết Cv, sự giảm chỉ số nén Cc, và hệ số nén thứ cấp Cα ( trong giaiđoạn thử nghiệm 2 ngày cuối) Khi chất tải trên 300 kPa, hệ số Cv trở nên ổn định:

- Mẫu 1A: Cv tăng trung bình khoảng 40%

- Mẫu 1B: Cv tăng trung bình khoảng 200%

Khi áp lực đạt đến mức giới hạn khoảng 800 kPa, hệ số Cα giảm 10%-30%

2.2 Tiến hành trên mẫu lớn

Trang 4

phòng Các chỉ tiêu của đất sét biển ở Singapore được sử dụng là Wp=35, WL= 80,IP=45 và hàm lượng cát,bụi, sét là 2%, 46%, 44%

2.2.1 Trình tự thí nghiệm

Có ba thí nghiệm nén cố kết EO, được gọi là Test 1, 2 và 3, được kiểm soáttrong một bể lớn Đất sét trong các thí nghiệm được cố kết với các cấp áp lực tươngứng là 31, 52 và 30 kPa, mô phỏng theo các điều kiện thường gặp với đất sét yếu ởSingapore Khi độ cố kết trung bình đạt 90% theo kết quả quan sát lún và áp lực nước

lỗ rỗng, áp lực cố kết được dỡ bỏ đi Đường sức chống cắt không thoát nước thôngqua thí nghiệm cắt cánh trong phòng và biểu đồ hàm lượng nước được xác định xuyênqua vị trí của các điện cực Sau khi thiết lập các thông số ban đầu, đất sét sẽ được cốkết trở lại đến áp lực ban đầu

Trong suốt quá trình cố kết EO tiếp theo, Hiệu điện thể DC ổn định ở mức 20Vđược cung cấp giữa các điện cực làm bởi các bản kim loại có đục lỗ Thí nghiệm sẽkết thúc khi độ lún quan sát và áp lực nước lỗ rỗng đạt giá trị ổn định

Trang 5

(Anode) có sự tăng độ bền chống cắt không thoát nước lớn nhất được suy ra từ vùngđất ở cực âm (Cathode) Sức chống cắt không thoát nước trong vùng giữa có sự giatăng nhỏ nhất Hình 3 cũng cho thấy sức chống cắt ban đầu của đất sét đúc lại.

Hình 4 cho thấy sự gia tăng tỷ lệ phần trăm về sức chống cắt không thoát nướcgiữa những điện cực bên trong thí nghiệm 1, 2 và 3 Hình 5 cho thấy rằng các đường

tỷ lệ phần trăm của hàm lượng nước Sự giảm thấp nhất trong khu vực giữa và caonhất ở gần các điện cực, tương tự như các báo cáo của Abiera et al.( 1999) vàBergado et al.( 2000) Đường biểu diễn hàm lượng nước này có mối tương quan tốtvới các đường biểu diễn sức chống cắt không thoát nước

Trang 6

Có sự gia tăng lớn sức chống cắt không thoát nước trong thí nghiệm 1, có hàmlượng nước ban đầu cao hơn thí nghiệm 2, đặc biệt ở gần cực âm (cathode) Có thểquan sát được rằng tỷ lệ gia tăng hàm lượng nước trong đất sét mềm ở thí nghiệm 1bằng phương pháp điện thấm thì lớn hơn thí nghiệm 2 với đất sét chặt ( được nghiêncứu bởi Lo.1991) Điều này có thể chỉ ra một cách rõ ràng là dùng phương pháp điệnthấm có hiệu quả đối với đất sét mềm hơn là với đất sét chặt

Hình 6 mô tả sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng trong đất sét giữa các điện cực,

sự thay đổi lớn liên quan đến vùng gần cực dương Sự thay đổi lớn về giá trị áp lựcnước lỗ rỗng trong cảm biến điện P5 ở hình 6 có thể là do lỗi thí nghiệm trong vùngđiện trường Shang (1998) cũng quan sát sự giảm áp lực nước lỗ rỗng ở tại cựcdương Hiện tượng quan sát khác (1) là đầu tiên là sự gia tăng các điện cực hiện thời ,sau đó giữ ổn định và hạ xuống, (2) khí gas bốc lên ở các điện cực (3) quá trình lúnvận tiếp diễn ra theo khuynh hướng thay đổi hiện thời (4) tất cả các mẫu được biếndạng thẳng đứng giữa 3.3 % và 5.6 %, (5) Độ pH gia tăng ban đầu lên khoảng 14 ởcực âm và giảm xuống tới khoảng 12, (6) năng lượng điện sử dụng được thay đổi từ

14 đến 28 kWh / m3

Trang 7

2.2.3 Tính nén lún của đất

Hình 7 và 8 cho thấy mối quan hệ giữa hệ số rỗng và áp lực cố kết (e-logp) củađất sét biển trước và sau khi dùng phương pháp điện thấm, tương ứng trong thínghiệm 1 Có sự thay đổi đáng kể về chỉ số nén lún Ví dụ: Cc giảm từ khoảng 0.67xuống 0.43, 0.45 và 0.57, chỉ số Cr giảm từ 0.17 xuống 0.13, 0.14 và 0.15 tương ứngcho thí nghiệm 1, 2, 3 Sự gia tăng tỉ lệ phần trăm của áp lực tiền cố kết dựa vào sựgiả thiết của một đường cong nén thô sơ với Cc = 0.67 thay đổi từ 21 % đến 173 %cho cùng ba thí nghiệm trên Do đó, có một xu hướng cho việc dung phương phápđiện thấm để xử lý đất sét là làm giảm hệ số nén, mà phản xạ lại trong vùng lún quansát của một đại lượng nhỏ hơn dưới cùng một áp lực

Trang 8

3 Thí nghiệm hiện trường

Một thí nghiệm được giới thiệu vào năm 2001 ở Singapore để khảo sát tính khảthi của phương pháp điện thấm trong việc cố kết đất yếu bằng thoát nước dọc Việc

Trang 9

thử nghiệm bao gồm lắp đặt và cho nhiễm điện hai vùng đất bằng một loại vật liệuchất dẻo, thoát nước dọc, và có khả năng dẫn điện gọi là EVD

Công trường thử nghiệm dưới sự chỉ đạo của công ty JTC ở Tuas, ở phía Tây của đảoSingapore

Hiện trường gồm có 18.7 m cát đắp mới được đặt trên lớp sét biển dày 8 mtrên lớp sét chặt và lớp đá trầm tích của cấu tạo địa tầng (Jurong) Áp lực nước lỗrỗng thặng dư trong lớp sét khoảng 100-180 kPa trong khoảng thời gian thử nghiệmban đầu

Trong khu vực 50 m x 50 m thoát nước gồm cực dương và cực âm, tất cả cáctấm lọc, được đặt trên một vùng lưới có diện tích 1.2 m2 sử dụng PVD tiêu chuẩn chỉvới các thiết bị thăm dò mà không có các thiết bị đặc biệt hoặc sự cải biến nào

Hình 9 minh họa cho việc lắp đặt EVD trên nền đất

Có bốn vùng đất để khảo sát các hình dạng lắp đặt khác nhau của EVD, được

mô tả trong hình 10

Trang 10

1 Khu vực X gồm EVD thông thường và hai dây thép không rỉ cách nhau 1.2 m.

Đồng thời nó chứa các sợi dây đồng EVDs có diện tích 6 mm2 buộc chặt phía ngoàicủa rãnh lọc, những sợi dây đồng được cách ly hoàn toàn với lớp cát ở bên trên nhưnglại nằm hoàn toàn trong lớp sét biển Chúng bố trí với khoảng cách 1,2 m vì vậykhoảng cách thoát nước hiệu quả là 0.6m Việc bao bọc những sợi dây đồng đượcthiết kế để chỉ ra sức mạnh lớn nhất về khả năng hoạt động bên trong của mỗi rãnhthoát nước cho dù những sợi dây đồng ở cực dương có thể không kéo dài hơn mộtngày vì sự ăn mòn điện hóa học

(khu vực X bố trí EVD cách nhau 1,2m)

2 Khu vực Y có cùng cấu trúc với khu vực X, ngoại trừ các sợi dây có diện tích tiết

diện 4 mm2 trong vùng là những sợi dây đồng trần, xuyên suốt toàn bộ chiều sâu củalớp cát và lớp sét biển mềm Cái này cũng có thể không kéo dài nhưng giữa khu vực

X và Y, sự mất mát năng lượng trong lớp cát có thể được tính tới

3 Khu vực 2A, dải thoát nước EVD có cấu tạo gồm 2 sợi dây đồng và 3 sợi dây

đồng thay cho 2 sợi dây thép ở bên trong lõi Chúng được lắp đặt trong hình 10 ( khuvực 2A)

4 Khu vực 2B đại diện cho khu vực còn lại gồm 2 sợi dây thép được sử dụng với

khoảng cách là 1.2 m

Tất cả EVD đã được cách ly điện bằng những bản neo bằng kim loại để ngănchặn bất cứ khả năng dòng điện ngắn đi qua lớp sét chặt dẫn điện hơn ở dưới lớp sétmềm

Trang 11

Mỗi vùng đất có một ống đo áp và một thiết bị đo lún định vị xấp xỉ ở vùngtrung tâm Sau khi xử lý bằng phương pháp điện thấm, thí nghiệm cắt cánh hiệntrường được tiến hành trong lớp sét mềm.

Các thiết bị cảm biến và điện áp được lắp đặt để lấy số liệu điện áp tại các điểm

độ sâu thiết kế trong mỗi khu vực

Trang 12

và sét có chiều dày như nhau, khoảng một nữa điện thế bị mất đi trong các lớp cát.Điều này có ảnh hưởng không đáng kể đối với áp lực nước lỗ rỗng, xem sơ đồ 12

2 Khu vực X, sợi dây đồng bên ngoài được cách li trong lớp cát, vì thế thêm một

lượng điện thế được dùng sang sét biển và sự xử lý có thể kéo dài thêm một ít vì diệntích tiết diện ngang của dây lớn hơn(6mm2 thay vì 4mm2) Đối với sự xử lý trước tiên

Trang 13

với nguồn điện Đưa vào một điện thế khởi đầu 14V là khả thi Trong thời gian 6h, áplực lỗ rỗng giảm đi 2.6kPa Bọt nước được quan sát tại cuối sợi dây cực âm, giữa dây

và vỏ nhựa cách ly của nó như hình 13 Sự tụt kết quả đo áp lực lỗ rỗng là một điểm

đo đạt và có thể được ước lượng bằng ½ giá trị cực đại tại cực dương, khi ốngpiezometer được đặt xấp xỉ điểm giữa của cặp rãnh thoát nước cực dương và cực âm

Xử lý khu vực X tiếp tục kéo dài 22h không có sự đảo cực, sự giảm áp lực lỗrỗng tối đa được đo là 10kPa (xem hình 12) Có 2 lý do không đổi cực trong suốt quátrình xử lý khu vực X Một là, để các dây cực âm không bị hư hỏng vì thế sự xử lý saunày của khu vực có thể thực hiện, ở đó dòng điện tác dụng sang các lớp sét Hai là ta

có được sự so sánh với khu vực khác có sự đảo cực

Khu vực X được xử lý lần thứ 2 bằng cách nối tất cả các rãnh thoát nước cònlại (gồm EVD với 2 dây thép gắn vào có hoặc không có dây đồng ngoài) khi đó cácrãnh thoát cực dương và các rãnh thoát cực âm tách rời là không thay đổi Ví thế dòngđiện tác dụng sang lớp sét biển, vì lối đến rãnh thoát nước âm cực phần lớn theo sợidây đồng trần trong lớp sét mềm Để không mất các dây âm cực ta không áp dụng đảocực Một lần nữa, sự giảm áp lực lỗ rỗng được ghi lại như hình 12 Sự hình thànhcường độ của khu vực này được mô tả trên hình 14

3 Khu vực 2B là đại diện của khu vực còn lại, ở đó có 2 rãnh thoát nước quấn thép

được sử dụng nhưng cách nhau 1.2m và được cách ly khỏi bản neo Nó được cấpnguồn nhưng có ít hoặc là không ảnh hưởng đến áp lực lỗ rỗng.(Hình 15)

4 Trong khu vực 2A, chỉ những rãnh thoát nước được quấn đồng (một phần của nó có

3 dây và 2 dây cân bằng nhau và được gói gọn bên trong lõi dẻo dẫn điện) được sửdụng Từ khi các sợi dây được bọc lại hoàn toàn, quá trình xử lý có thể tiếp tục trongthời hạng dài hơn, không sợ sự ăn mòn điện hoá Khoảng 1h sau khi máy phát đượcbậc lên, những bọt nước rất nhỏ ở bề mặt tại khoảng hở nhỏ giữa sợi dây và vỏ bọccủa nó (bằng chất dẻo dẫn điện) tại các rãnh thoát âm cực, như hình 16 Điều này xuấthiện trên rãnh thoát cực âm (truớc đó là cực dương) khi đảo cực Quá trình xử lý thựchiện trong 314.8h (hoặc 13.12 ngày) tổng cộng Đảo cực được bắt đầu sau 25h đầutiên Để máy phát điện có thời gian được làm mát thì sự đảo cực thực hiện trongkhoảng thời gian 7-:-10h Quá trình xử lý kết thúc khi quan sát thấy điện trở khu vựcnày tăng nhanh chóng và theo hàm luỹ thừa như hình 17

Trong 7h dòng điện xuyên qua EVD, số đọc ống piezometer trên P5 dâng lên

Trang 14

cột áp thuỷ tĩnh đơn lẻ Hơn nữa, áp lực lỗ rỗng không thấp hơn như mong muốntrong phương pháp EO, thay vì tăng lên Sự tăng áp lực lỗ rỗng được mong muốntrong giai đoạn đầu của EO

Trang 16

3.1.1 Kiểm tra sức chống cắt hiện trường

Tất cả việc xử lý theo các phân vùng xử lý khác nhau như đã được mô tả ở trênkết thúc bằng việc gia tăng lớn về điện kháng và không có thêm thay đổi nào đối với

áp lực nước lỗ rỗng trong quá trình xử lý kéo dài Tuy vậy việc kiểm tra sức chống cắtcũng đã chỉ ra được sự tiến triển về cường độ của đất sét trong các vùng xử lý khácnhau

Dựa trên sự thay đổi của áp lực nước lỗ rỗng do việc cung cấp điện năng, khuvực Y và 2B gần như không chỉ ra thêm được bất cứ tiến triển nào Vì vậy, việc kiểmtra sức chống cắt đã được thực hiện ở khu vực X và 2A Sự khác biệt cơ bản giữa haikhu vực này phải được chú ý Phân vùng X có sự kết hợp của các thiết bị thoát nướcđược bọc thép và thiết bị thoát nước bọc đồng cùng với các thiết bị thoát nước cóquẩn dây đồng bên ngoài, các thiết bị thoát nước này được đưa vào trong lớp đất sétmềm gần biển (đã được cách li trong lớp cát) Nó cũng không có sự đảo ngược điệncực Ngược lại, tất cả các thiết bị thoát nước được bọc dây đồng trong khu vực 2A lại

có sự đảo ngược điện cực Nhằm mục đích so sánh, việc kiểm tra sức chống cắt cũngđược thực hiện trong các vùng không xử lý

Hình 18 chỉ ra kết quả cắt cánh hiện trường, đường VS-C-1 trong vùng khôngđược xử lý bắt nguồn từ việc cải tạo bằng PVD và đường VS-C-3 trong phân vùng X.Kết quả ở đây dường như đã chỉ ra rằng việc xử lý bằng điện trong vùng X không ảnhhưởng đến tất cả Vùng X cũng đã thể hiện được là trong suốt cả hai biện pháp xử lý,

áp lực nước lỗ rỗng giảm rõ ràng Vì việc phân cực không được áp dụng trong khuvực này, cải tạo nền theo phương pháp EVD được mong đợi sẽ đạt tối đa tại cựcdương (Anode) và giảm dần về 0 tại cực âm (cathode) như kết quả thử nghiệm trongphòng thí nghiệm Kết quả của việc kiểm tra gần cực dương (đường VS-C-4, hình 18)

đã thể hiện sự tiến triển đáng kể, rõ ràng do tác dụng của EVD Mặc dù trong cả hai

Định dạng
Số trang	22
Dung lượng	2,92 MB