Nghiên cứu độ lún cố kết của nền sét mềm bão hòa nước được xử lý bằng bấc thấm gia tải trước theo sơ đồ bài toán phẳng

Tóm tắt: Nội dung đề tài này tập trung vào nghiên cứu độ lún cố kết của nền sét mềm bão hòa nước được xử lý bằng bấc thấm gia tải trước theo sơ đồ bài toán phẳng nhằm phân tích, so sánh mức độ cố kết theo thời gian của bài toán cố kết xuyên tâm và bài toán phẳng. Kết quả phân tích, so sánh cho phép rút ra các kết luận về việc sử dụng phương pháp này và kết quả nghiên cứu có thể bổ sung cơ sở tính toán cho giải pháp xử lý nền để ước lượng độ lún của nền móng công trình

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Ngầm Mã số: 60.58.02.04

I TÊN ĐỀ TÀI

“ NGHIÊN CỨU CỨU ĐỘ LÚN CỐ KẾT CỦA NỀN SÉT MỀM BÃO HÒA NƯỚC ĐƯỢC XỬ

LÝ BẰNG BẤC THẤM GIA TẢI TRƯỚC THEO SƠ ĐỒ BÀI TOÁN PHẲNG”

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

Nghiên cứu đánh giá độ lún theo thời gian của nền được xử lý bằng phương pháp thoát nước phương

ngang kết hợp gia tải trước bằng phương pháp giải tích

Đánh giá độ lún theo thời gian bằng phương pháp quy đổi bài toán cố kết xuyên tâm sang sơ đồ bài

toán phẳng Độ lún theo thời gian được đánh giá theo lời giải giải tích và mô phỏng bằng Plaxis 2-D

Kết quả tính toán theo các phương pháp giải tích được so sánh với kết quả quan trắc thực tế

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 04/07/2016

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 04/12/2016

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS BÙI TRƯỜNG SƠN

Tôi xin được cảm om quý Thày Cô trong bộ môn Địa cơ nền móng, quý Thầy Cô đã truyền đạt cho tôi những kiến thức quý báu và sâu sắc trong cảc học kỳ qua

Để hoàn thành chương trình cao học và viết luận văn này, tôi đã nhận được sụ hướng dẫn, giúp đỡ

và góp ý nhiệt tình của quý thầy cô trường đại học Bách khoa, đặc biệt là khoa sau đạỉ học

Tôỉ xin chân thành cảm ơn Thầy PGS.TS Bùi Trường Sơn, người Thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp tôi đưa ra hướng nghiên cứu cụ thể, hỗ trợ nhiều tài liệu, kiến thức quý báu trong quá trình học tập và nghiên cứu

Một lần nữa tôi xỉn chân thành cảm ơn các Thầy PGS.TS Châu Ngọc Ẩn, PGS TS Võ Phán, PGS TS Lê Bá Vinh, PGS TS Nguyễn Mình Tâm, TS LỄ Trọng Nghĩa, PGS TS Trần Tuấn Anh, TS Đỗ Thanh Hải đầy nhiệt huyết và lòng yêu nghề, đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi học tập và nghiên cứu khoa học, luôn tận tâm giảng dạy và cung cấp cho tôi nhiều tư liệu cần thiết

Xin chân thành - cám ơn các Thầy, Cô, Anh Chị cán bộ của Phòng Quản lý Khoa học - Đào tạo Sau Đại học đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập

Một lần nữa xin gửi đến Quý Thầy, Cô và Gia đỉnh lòng biết ơn sâu sắc

TP Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2016

Học viên

LỜI CẢM ƠN

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Tên đề tài:

“NGHIÊN CỨU ĐỘ LÚN CỐ KẾT CỦA NỀN SÉT MỀM BÃO HÒA NƯỚC ĐƯỢC

XỬ LÝ BẰNG BẤC THẤM GIA TẢI TRƯỚC THEO SƠ ĐỒ BÀI TOÁN PHẲNG”

sử dụng phương pháp này và kết quả nghiên cứu có thể bổ sung cơ sở tính toán cho giải pháp xử

lý nền để ước lượng độ lún của nền móng công trình

SUMMARY OF THESIS

Title:

“STUDYING CONSOLIDATION SETTLEMENT OF SATURATED SOFT CLAYEY GROUND TREATED BY PVD PRELOADING ACCORDING TO TWO DIMENSION PLANE”

Abstract:

In calculating soft ground treatment by horizontal drainage preloading, settlement and consolidation degree at difference times is an important problem which is analysed in priority Consolidation settlement in this case estimated by analytical formula and monitoring method This content of the thesis concentrates on studying consolidation settlement of saturated soft clayey ground treated by PVD preloading acording to two dimension plane, on analysis and comparision of two methods and allow to lead to the conclusions about using this calculation method and studying result can be additional basis of calculation of consolidation settlement

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Học viên

Nguyễn Xuân Huy

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 1

2 Mục tiêu và nhiệm vụ 1

3 Phương pháp nghiên cứu 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VÈ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG BẤC THẤM / GIẾNG CÁT KẾT HỢP GIA TẢI TRƯỚC 2

1.1 Sơ LƯỢC PHƯƠNG PHÁP BẤC THẤM / GIẾNG CÁT KẾT HỢP GIA TẢI TRƯỚC 2

1.2 Cơ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN BÀI TOÁN CỐ KẾT THẤM 3

1.2.1 Các giả thuyết của bài toán cố kết 3

1.2.2 Bài toán cố kết cơ bản 3

1.3 Cơ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN THẤM BA CHIỀU 9

1.3.1 Bài toán cố kết thấm ba chiều (đối xứng trục) 9

1.3.2 Lời giải của Barron (1948) 11

1.3.3 Lời giải của Hansbo (1979) 14

1.4 TÍNH TOÁN Độ LÚN CỦA NỀN ĐẤT XỬ LÝ BẤC THẤM KẾT HỢP GIA TẢI TRƯỚC 17

1.4.1 Tính toán theo TCVN 9355-2012 [15] 17

1.4.2 Tính toán theo đề nghị của GS Hoàng Văn Tân [12] 19

1.4.3 Phương pháp Asaoka [14] 22

1.4.4

Xác định thông số thấm của đất ttong mô phỏng Plaxis 2-D 23

1.5 NHẬN XÉT CHƯƠNG 1 25

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUY ĐỔI BÀI TOÁN CỐ KẾT THEO SƠ ĐỒ PHẲNG 26

2.1 Giới thiệu bài toán cố kết phẳng 26

2.2 Các điều kiện biên ban đầu [10] 30

2.3 Một số lời giải ứng với các điều kiện ban đầu và điều kiện biên 30

2.3.2 Xét trường hợp hệ số thấm theo phương đứng và phương ngang như nhau 31

2.3.3 Xét trường hợp hệ số thấm không đồng nhất theo phương đứng và phương ngang 39

2.4 Phương pháp ước lượng độ lún theo thời gian theo mức độ cố kết 42

2.5 Một số công thức quy đổi bài toán xuyên tâm thành sơ đồ bài toán phẳng 45

2.5.1 Shinsha (1982) - Chuyển đổi tính thấm 46

2.5.2 Hừd (1992) - Hình học và tính thấm tương ứng 47

2.5.3 Bergado và Long (1994) - Khái niệm xả bằng 47

2.5.4 Chai (1995) - Sức cản giếng và tắt nghẽn 47

2.5.5 Kim và Lee (1997) - Phân tích nhân tố thời gian 48

2.5.6 Indraratna và Redana (1997) - Giải pháp tường thoát nước song song 48

2.6 NHẬN XÉT CHƯƠNG 2 49

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG BẤC THẤM KẾT HỢP GIA TẢI TRƯỚC 49

3.1 Giới thiệu công trình thực tế xử lý nền bằng bấc thấm kết hợp gia tải trước 49

3.1.1 Giới thiệu về công trình 49

3.1.2 Điều kiện địa chất công trình 50

3.1.3 Giải pháp thiết kế xử lý nền đất yếu 54

3.1.4 Ket quả quan trắc độ lún theo thời gian và dự tính độ lún ổn định theo phương pháp Asaoka [14] 55

3.2 ứng dụng tính toán công ttình thực tế xử lý bằng bấc thấm gia tải trước trên cơ sở bài toán một chiều 62

3.2.1 Tính toán theo TCVN 9355-2012 [15] 62

3.2.2 Tính toán theo đề nghị của GS Hoàng Văn Tân [12] 72

3.3 Tính toán theo phương pháp Plaxis 2-D 81

3.4 Tính toán theo phương pháp quy đổi bài toán cố kết xuyên tâm sang sơ đồ bài

toán phẳng 96

3.4.1 Đánh giá độ lún ổn định 96

3.4.2 Độ lún theo thời gian của nền đất theo sơ đồ bài toán phẳng 102

Kết luận chương 3 107

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 109

TÀI LIỆU THAM KHẢO 111

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Tương quan giữa u và Tv 6

Bảng 1.2: Tương quan giữa Tv và Ưv 18

Bảng 3.1: Khối lượng và vị trí các điểm thăm dò của công trình đường Tân Tập - Long An 50

Bảng 3.2: Đặc trưng cơ lý trung bình của lớp 1 51

Bảng 3.3: Đặc trưng cơ lý trung bình của lớp 2 52

Bảng 3.4: Đặc trưng cơ lý trung bình của lớp 3 52

Bảng 3.5: Đặc trưng cơ lý trung bình của lớp 4 53

Bảng 3.6: Đặc trưng cơ lý trung bình của lớp 5 53

Bảng 3.7: Kết quả quan trắc độ lún theo thời gian công trình đường Tân Tập - Long An 55

Bảng 3.8: số liệu biểu đồ quan trắc độ lún theo các khoảng thời gian 57

Bảng 3.9: Tổng hợp độ lún và mức độ cố kết theo phương pháp Asaoka 59

Bảng 3.10: Thông số đất đắp và đất nền 62

Bảng 3.11: Độ lún ổn định nền đất yếu công trình theo TCVN 9355-2012 64

Bảng 3.12: Tương quan giữa Tv và Uy 65

Bảng 3.13: Độ cố kết theo phương đứng Uy ở thời điểm t theo TCVN 9355-2012 66

Bảng 3.14: Các thông số cơ bản của bấc thấm PVD 68

Bảng 3.15: Độ cố kết theo phương ngang Uh ở thời điểm t theo TCVN 9355-2012 68

Bảng 3.16: Kết quả dự tính độ cố kết và độ lún theo thời gian theo TCVN 9355-201269 Bảng 3.17: Các thông số đất đắp và đất nền sử dụng cho tính toán theo phương pháp GS Hoàng Văn Tân 72

Bảng 3.18: Độ lún cố kết cuối cùng theo phương pháp GS Hoàng Văn Tân 74

Bảng 3.19: Hệ so cố kết trung bình theo phương đứng theo phương pháp GS Hoàng Văn Tân 76 Bảng 3.20: Hệ số cố kết trung bình theo phương ngang Aí theo phương pháp GS

Hoàng Văn Tân 78

Bảng 3.21: Tổng hợp độ cố kết và độ lún theo phương pháp GS Hoàng Văn Tân 79

Bảng 3.22: Thông số bấc thấm PVD 82

Bảng 3.23: Đặc trưng vật liệu của cát đắp 82

Bảng 3.24: Đặc trưng vật liệu của lóp 1 82

Bảng 3.25: Đặc trưng vật liệu của lóp 1 * quy đổi trong vùng có PVD 84

Bảng 3.26: Thông số quá trình gia tải theo điều kiện thi công thực tế 85

Bảng 3.27: Kết quả dự tính độ lún và độ cố kết theo thời gian theo phương pháp phần tử hữu hạn mô phỏng bang Plaxis 2-D 94

Bảng 3.28: Thông số đất đắp và đất nền 96

Bảng 3.29: Thông số kỹ thuật khối đất đắp 97

Bảng 3.30: Thành phần ứng suất tại điểm giữa lớp đất 98

Bảng 3.31: Độ lún ổn định cuối cùng khi phân chia độ lún thành hai thành phần 99

Bảng 3.32: Giá trị áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tại điểm giữa lớp đất theo thời gianl02 Bảng 3.33: Tổng hợp độ cố kết và tổng độ lún theo sơ đồ bài toán phẳng 104

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Bấc thấm (PVD) 3

Hình 1.2: Các dạng điều kiện biên áp lực nước lỗ rỗng thặng dư do tải trọng gây lún tạo ra trong đất nền 6

Hình 1.3: Các sơ đồ bài toán cố kết cơ bản thường gặp 7

Hình 1.4: Các sơ đồ bài toán cố kết phối hợp 8

Hình 1.5: Mô hình thoát nước và các thông số cơ bản 9

Hình 1.6: Lát cắt phân tố chiều dày dz 12

Hình 1.7: Lát cắt phân tố dz có xét đến vùng xáo trộn và sự cản thấm 14

Hình 1.8: Mô hình thoát nước trong bấc thấm với vùng xáo trộn và cản thấm (không gian và phẳng) theo Buddhima Indraratna 15

Hình 1.9: Biểu đồ tra hệ số MỊ [12] 21

Hình 1.10: Biểu đồ tra hệ số Mr [12] 22

Hình 1.11: Biểu đồ quan hệ độ lún theo thời gian theo phương pháp Asaoka 23

Hình 1.12: Biểu đồ xác định độ lún ổn định theo phương pháp Asaoka 23

Hình 2.1: Sơ đồ tính toán sự liên tục các pha trong quá trình cố kết 27

Hình 2.2: Sơ đồ bài toán cố kết phẳng 31

Hình 2.3: Sơ đồ các pha trong mẫu đất 43

Hình 2.4: Chuyển đổi của đơn vị phân tố đối xứng trục sang điều kiện biến dạng phẳng (chuyển thể từ Hữd, 1992 và Indraratna và Redana, 1997) 46

Hình 3.1: Mặt cắt gia tải công trình đường Tân Tập - Long An 55

Hình 3.2: Biểu đồ quan hệ độ lún theo thời gian với quá trình gia tải công trình đường Tân Tập - Long An 56

Hình 3.3: Biểu đồ quan hệ độ lún theo thời gian theo số liệu quan ttắc 57

Hình 3.4: Biểu đồ quan hệ độ lún Sj và Sj-1 theo số liệu quan ttắc 58

Hình 3.5: Biểu đồ quan hệ độ lún theo thời gian theo kết quả quan trắc 61

Hình 3.6: Mặt cắt ngang đuờng thiết kế 62

Hình 3.7: Đuờng cong nén lún đặc trưng của lóp 1 63

Hình 3.8: Đường cong nén lún e~logp của lớp 1 64

Hình 3.9: Biểu đồ quan hệ độ lún theo thời gian theo TCVN và kết quả quan trắc 71

Hình 3.10: Đường cong nén lún đặc trưng của lớp 1 73

Hình 3.11: Biểu đồ tra hệ số ĨQ12] 75

Hình 3.12: Biểu đồ tra hệ số < [12] 77

Hình 3.13: Biểu đồ quan hệ độ lún theo thời gian theo đề nghị của GS.Hoàng Văn Tân và kết quả quan trắc 80

Hình 3.14: Mô hình tính toán mô phỏng trong Plaxis 2-D 81

Hình 3.15: Mô hình tính toán trong Plaxis 2-D 85

Hình 3.16: Biểu đồ áp lực nước lỗ rỗng thặng dư ở thời điểm sau khi gia tải hoàn thiện 5,118m86 Hình 3.17: Chuyển vị đứng Uy ở thời điểm sau khi đắp hoàn thiện 5,118m 87

Hình 3.18: Chuyển vị ngang Ưx ở thời điểm sau khi đắp hoàn thiện 5,118m 87

Hình 3.19: Tổng chuyển vị ở thời điểm sau khi đắp hoàn thiện 5,118m 88

Hình 3.20: Biểu đồ áp lực nước lỗ rỗng thặng dư khi cho cố kết 222 ngày kể từ khi đắp hoàn thiện 5,118m 88

Hình 3.21: Chuyển vị đứng Uy khi cho cố kết 222 ngày kể từ khi đắp hoàn thiện 5,118m 89

Hình 3.22: Chuyển vị ngang Ux khi cho cố kết 222 ngày kể từ khi đắp hoàn thiện 5,118m 89

Hình 3.23: Tổng chuyển vị khi cho cố kết 222 ngày kể từ khi đắp hoàn thiện 5,118m90 Hình 3.24: Biểu đồ áp lực nước lỗ rỗng thặng dư khi cho cố kết 522 ngày kể từ khi đắp hoàn thiện 5,118m90 Hình 3.25: Chuyển vị đứng Uy khi cho cố kết 522 ngày kể từ khi đắp hoàn thiện 5,118m 91

Hình 3.26: Chuyển vị ngang ưx khi cho cố kết 522 ngày kể từ khi đắp hoàn thiện 5,118m 91 Hình 3.27: Tổng chuyển vị khi cho cố kết 522 ngày kể từ khi đắp hoàn thiện 5,118m92

Hình 3.28: Độ lún ổn định dự kiến theo phương pháp mô phỏng Plaxis 2-D 92 Hình 3.29: Biểu đồ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tại điểm giữa lớp đất 93 Hình 3.30: Biểu đồ độ lún theo thời gian tại tâm diện gia tải theo mô hình Plaxis 2-D93

Hình 3.31: Biểu đồ độ lún theo thời gian theo phương pháp phần tử hữu hạn mô phỏng

bằng Plaxis 2-D và kết quả quan trắc 95

Hình 3.32: Sơ đồ quá trình gia tải trong bài toán phẳng 97 Hình 3.33: Sơ đồ phần tử đơn vị phẳng (unit cell) sử dụng để đánh giá mức độ cố kết theo lớp phân tố 102 Hình 3.34: Biểu đồ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư ở điểm giữa lóp đất 104 Hình 3.35: Biểu đồ quan hệ độ lún theo thời gian theo sơ đồ bài toán phẳng và kết quả quan hắc 106 Hình 3.36: Biểu đồ độ lún theo thời gian - Theo các phương pháp tính 108

-1-

MỞ ĐẦU

1 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Trong tính toán xử lý nền đất yếu bằng giải pháp thoát nước phương ngang kết hợp gia tải trước thì độ lún và độ cố kết theo thời gian là vấn đề quan trọng được ưu tiên xét đến Độ cố kết tổng thể phụ thuộc vào độ cố kết theo phương đứng và hướng xuyên tâm Bài toán cố kết xuyên tâm đối xứng trục đã được đề cập nghiên cứu trong các bài viết của Rendulic, Carrillo, Barron, Hoàng Văn Tân, Yoshikuni và Nakanode, Hansbo, Onoue, Zeng và Xie và một số tác giả khác

Đối với phần mềm Địa kỹ thuật như Plaxis, Sage Crisp, Msettle, FoSSA thì bài toán cố kết chỉ xét đến trong sơ đồ bài toán phẳng Do đó, để phục vụ tính toán áp dụng, nhất thiết phải quy đổi từ sơ

đồ bài toán ba chiều thành sơ đồ bài toán phẳng Trong thực tế cũng có nhiều bài viết nghiên cứu, tổng kết về vấn đề này trên cơ sở kết hợp các dữ liệu quan trắc hay thí nghiệm thực tế

Đề tài “Nghiên cứu độ lún cố kết của nền sét mềm bão hòa nước được xử lý bằng bấc thấm gia tải trước theo sơ đồ bài toán phẳng” được đề cập nghiên cứu nhằm phân tích so sánh mức độ cố kết theo thời gian của bài toán cố kết xuyên tâm và bài toán phẳng Kết quả nghiên cứu có thể bổ sung cơ sở tính toán cho giải pháp xử lý nền này

Ket quả tính toán theo các phương pháp giải tích được so sánh với kết quả quan trắc thực tế

3 Phương pháp nghiên cứu

Tính toán theo lời giải giải tích

Lập trình tính toán bằng ngôn ngữ Mathcad

So sánh các kết quả theo lời giải giải tích với kết quả quan trắc

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG

BẤC THẤM / GIẾNG CÁT KẾT HỢP GIA TẢI TRƯỚC

Nửa sau thập niên 1930, Kjellman đã tiến hành thử nghiêm vật liệu thoát nước đứng, bấc thấm (PVD) bằng giấy các tông Tuy nhiên, vật liệu này bị phá hủy nhanh chóng khi thi công vào nền đất Năm 1971, Wager sử dụng PVD có lõi làm bằng chất dẻo (polyetylene) nhằm thay thế lõi bằng giấy các tông, mở ra một thời kỳ mới đối với PVD khi một số lượng lớn đã được chế tạo ra Việc thi công cắm PVD cũng được cải thiện về tốc độ và chiều sâu cắm (Holtz, 1991) Ngày nay, dùng PVD thoát nước được xem là phương pháp phổ biến và áp dụng rộng rãi dùng để xử lý nền đất yếu có bề dày lớn

Thông thường, PVD có bề rộng 100mm, dày 4mm Lõi thấm là một loại chất dẻo, có nhiều rảnh nhỏ để làm khe thoát nước hoặc để đỡ lớp vỏ bọc khi có áp lực ngang ép vào Bao quanh lõi là lớp vải địa kỹ thuật bằng nhựa tổng hợp hoặc được dệt từ sợi nhựa tổng hợp Vỏ có tác dụng làm bộ lọc nước, hạn chế các hạt đất di chuyển qua làm tắc nghẽn khe thoát nước PVD hiện nay, lưu lượng thoát nước

có thể đạt tới 80m3 - 140m3/năm, cao hơn rất nhiều so với độ thấm của đất

-3-

Hình 1.1: Bấc thẩm (PVD)

Bấc thấm đứng được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi ửong công tác xử lý đất yếu trên thế giới

Tại Đông Nam Á, bấc thấm đứng được nghiên cứu bởi các tác giả Choa và cộng sự ị 1981), Lee và cộng sự (1989), Woo và cộng sự (1988) tại Singapore; Nicholls (1981) tại Indonesia; Volders (1984), Rahman và cộng sự (1990) tại Malaysia; Belloni và cộng sự (1979) tại Philippines Đặc biệt tại Bangkok Thái Lan bấc thấm đứng kết hợp gia tải trước được nghiên cứu rất chi tiết bởi Bergado và cộng sự (1988, 1990a.b,1991 )[13]

1.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN BÀI TOÁN CỐ KẾT THẤM

1.2.1 Các giả thuyết của bài toán cố kết

> Đất nền đồng nhất và bão hòa nước, hạt đất và nước lỗ rỗng không bị nén

> Độ thay đổi thể tích AV của phân tố đất là bé so với ban đầu của đất

> Sự thấm trong đất tuân theo định luật Darcy

> Hệ số thấm là hằng số trong suốt quá trình cố kết

> Từ biến không xuất hiện trong quá trình lún

> Đất đẳng hướng thấm theo các trục X, y, z

> Gia tải Ao được đặt tức thời

1.2.2 Bài toán cố kết cơ bản

Khảo sát 1 phân tố đất dxdydz tại điểm (x,y,z) trong khối đất Vận tốc thấm V được phân tích thành 3 thành phần vx, Vy, vz Theo định luật bảo toàn khối lượng thì độ chênh lệch của lượng nước vào và ra bằng độ thay đổi thể tích của phân tố đất

ỔV ôv Đv -L- = + ~T^-)dxdydz

dt õx dy õz

(1.1)

- thành phần thấm xuyền tâm

(1.7)

du _ (1 + e) õt

-5- Điều kiện cố kết như sau:

> Tải phân bố đều kín khắp gây ra gia tăng ứng suất không đổi theo chiều sâu

> Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư ban đầu tại mỗi điểm trong lớp đất bằng với gia tăng ứng suất ngoài lên lớp đất

Giải phương trình (1.7) thu được giá trị áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tại thời điểm t ở độ sâu z:

= y 777- sin -yf- X exp(-M 2 T)

tr M H F

Trong đó, H chiều dài đường thoát nước

Độ cố kết ở thời điểm t của cả bề dày lớp đất là:

Có 3 dạng biểu đồ điều kiện biên áp lực nước lỗ rỗng thặng dư thay đổi theo độ sâu như Hĩnh 1.2

(1.8) Với M=|(2m + 1)

Nhân tố thời gian

-6-

Hình 1.2: Dạng các điều kiện biên áp lực nước lỗ rỗng thặng dư

do tải trọng gây lún tạo ra trong đẩt nền

Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư có dạng đường sin theo chiều sâu, hai biên thoát nước (lên trên

và xuống dưới): Ui = u3 sin(7iz)/2H

Mối tương quan của giá trị u và Tv có thể tra từ Bảng 1.1

Bảng 1.1: Tương quan giữa u và Tv

Có thể sử dụng các sơ đồ thường gặp trong thục tế như sau:

Hình 1.3: Cảc sơ đồ bài toán cố két cơ bản thường gặp

4- Sơ đồ 0: theo chiều sâu, áp lực không thay đổi

Sử dụng các điều kiện biên và điều kiện ban đầu ta tìm được công thức xác định độ lún theo thời gian như sau:

Sơ đồ 0

<Z//ZZ/ZZ//ZZZ

Sơ đồ 2

-8-

+ Sơ đồ 1: theo độ sâu, áp lực tăng dần và phân bố hình tam giác

Sơ đồ này tương ứng với ứng suất do trọng lượng bản thân của lớp đất Lời giải có được như sau:

+ Sơ đồ 2: theo độ sâu, áp lực giảm dần và phân bố hình tam giác

Sơ dồ này trong thực tế ứng với trường hợp khi lớp đất cố kết dưới ảnh hưởng của tải trọng ngoài tác dụng trên bề mặt đồng thời biểu đồ ứng suất do tải trọng này gây ra có dạng gần như 1 đường thẳng Lời giải cho sơ đồ này như sau:

Ở đây: h - bề dày lớp đất chịu nén

ôt \ổr2 r ôr y vz ôz 2

Trong đó: t - thời gian sau khi áp tải

r - khoảng cách hướng tâm từ điểm đang xét đến tâm vật thoát nước, u - áp lực nước

Hình 1.5: Mô hình thoát nước và các thông số cơ bản

Phương trình (1.14) được Carillo giải năm 1942, cho độ cố kết tổng hợp như sau:

Trong đó:

Uy - độ cố kết theo phương đứng, theo Hansbo: U v

ưh - độ cố kết theo phương xuyên tâm về phía bấc thấm (phương ngang) Barron (1948) giải tìm Ưh với hai điều kiện biên (cho kết quả đáng tin

cậy):

(1.14)

(1.16)

> ứng suất không đều nhưng biến dạng đứng đồng đều hoặc

> Biến dạng đứng không đều nhưng ứng suất tương ứng đều

Và ông tìm được với điều kiện lý tưởng, đất nền xung quanh bấc thấm không bị xáo trộn và không có sức cản thấm trong bấc thấm, thì độ cố kết xuyên tâm là:

De = 2R - đường kính hình trụ, bằng khoảng cách giữa các bấc thấm

dw = 2rw - đường kính tương tương của bấc thấm (theo Rixner):

Khi xét đến ảnh hưởng của vùng đất bị xáo trộn quanh bấc thấm và sức cản thấm của bấc thấm thì biểu thức áp lực nước lỗ rỗng được Barron phát triển từ bài toán biến dạng đều như sau:

Trong đó: B = — - hệ số xét đến độ xáo trộn

r w

1.3.2 Lời giải của Barron (1948)

Từ định luật Darcy: V = ki và qo = kiA Trong đó: V - vận tốc thấm tương đối - chiều dài dòng thấm ttong một đơn vị thời gian, (m/s)

qo - lưu lượng thấm - lượng nước thoát ra trên một diện tích ttong một đơn vị thời gian, (m3)

k - hệ số thấm, (m/ngày)

i - gradient thủy lực, (i = Ah/L = u/ywL)

A - diện tích bề mặt nước thấm qua phân tố đất đang xét, (m2)

Xét một lát cát ngang của lăng trụ thấm với chiều dày phân tố dz:

K

Hình 1.6: Lát cẳtphân tố chiều dấy dz

Trên phân tố đang xét, tại điểm cách trục một khoảng cách r, lượng thấm xuyên tâm được xác định như sau:

k, du _ dqr = qodt = khỈAdt = — -f- 2ĩĩrdzdt

ôt 7W dr

Tốc độ giảm thể tích do nước thoát ra được xác định:

Lượng nước thoát ra bằng với lượng giảm thể tích:

13

1.3.3 Lời giải của Hansbo (1979)

Hansbo đã phát triển lời giải cho lăng trụ cố kết đối xứng trục bằng cách xét thêm tính cản giếng và vùng xáo trộn từ lời giải của Barron

Từ lời giải của Barron phương trình có dạng:

Lượng nước thoát ra bằng lượng giảm thể tích:

Hình 1.8: Mô hình thoát nước trong bấc thẩm với vùng xảo trộn và cản thẩm (không

gian và phẳng) theo Buddhima Indraratna

Phân tích sự thấm ửong lõi thấm thẳng đứng, xét mặt cắt ngang của lát cắt có chiều dày dz của lõi thấm ửòn bán kính rw, sự thay đổi dòng thấm đứng của nước theo thời gian, theo phương z, từ mặt vào đến mặt ra của lát cắt có thể diễn giải như sau:

Lượng nước tháo ngang chảy vào lõi thấm, từ một khoanh tròn chiều dày dz

Trong đó: us - áp lực nước lỗ rỗng ửong vùng xáo trộn, (kPa)

ks - hệ số thấm ngang (xuyên tâm) trong vùng xáo trộn, (m/ngày) Hàm áp lực nước lỗ rỗng ửong lõi thấm:

Trong đó: Uv - độ cố kết theo phương đứng

Uh - độ cố kết theo phương ngang

— _ Õ£

Theo Terzaghi: — = m v

õt

(1.45)

Với mv - hệ số nén thể tích trong thí nghiêm nén một trục (m2/kN)

Thay (1.45) vào (1.43) nhận được phương trình:

Độ lún cố kết của nền đắp trên đất yếu được gia cố bằng bấc thấm sau thời gian t được xác định: s t = S C *Ư

Sc - độ lún của nền đất yếu khi chưa có bấc thấm

u - độ cố kết của nền đất yếu sau khi đã được gia cố bằng bấc thấm Nhân tố thời gian Tv theo phương đứng được xác định theo công thức:

Trị số của độ cố kết thẳng đứng Uy xác định theo bảng sau:

Bảng 1.2: Tương quan giữa Tv và u v

Trong đó: D - đường kính ảnh hưởng của bấc thấm:

- bố trí theo lưới ô vuông D = 1,131 - bố trí theo lưới tam giác D = 1,051

(1.48)

(1.49)

L - khoảng cách giữa các tim bấc thấm

Hệ số cố kết theo phương ngang Ch được xác định theo công thức: Ch = (24-5)Cv

Nhân tố xét đến ảnh hưởng của khoảng cách bấc thấm: 3

Trong đó: a - chiều rộng của bấc thấm

b - chiều dày của bấc thấm

ks - hệ số thấm của đất theo phương ngang sau khi đóng bấc thấm,

Trong đó: H - chiều dài tính toán của bấc thấm

qw - khả năng thoát nước của bấc thấm, chọn kn/qw = O.OOlm2

1.4.2 Tính toán theo đề nghị của GS Hoàng Văn Tân [12]

Giếng cát và bấc thấm được xem là thiết bị tiêu nước thẳng đứng cơ bản nên có thể dùng công thức đề nghị của GS Hoàng Văn Tân khi có giếng cát để tính cho trường hợp dùng bấc thấm Theo GS Hoàng Văn Tân, công thức cơ bản xác định mức độ cố kết u ở một thời điểm bất kỳ

(1.50)

(1.51)

Nhân tố xét đến ảnh hưởng xáo động đất nền khi đóng bấc thấm: (MO

Trong đó: kn - hệ số thấm của đất theo phương ngang khi chưa đóng bấc thấm Fs =

'W

(1.52)

(1.53)

[12]:

Trình tự tính toán độ lún của nền đất yếu có xử lý giếng cát kết hợp gia tải trước theo lời giải của GS Hoàng Văn Tân như sau:

Xác định độ lún cuối cùng có xét đến sự khác nhau giữa tính nén của vật liệu cát trong giếng

và đất yếu xung quanh giếng theo công thức:

eig và e2g - hệ số rỗng của vật liệu giếng trước và sau khi có tải trọng công trình

eid và e2d - hệ số rỗng của đất xung quanh giếng trước và sau khi có tải trọng công trình Xác định độ lún theo thời gian với công thức: s t =

kz và kr - hệ số thấm của đất nền theo phương đứng và theo hướng xuyên tâm

Tính các giá trị Tz và Trtheo công thức:

21

Trong đó: Sj - Độ lún của đất nền ở thời điểm t = j

Sj _ 1 - Độ lún của đất nền ở thời điềm t=j -1

Hệ số gốc: a = tg(a) với a là góc hợp bởi đồ thị đường thẳng của phương trình

s

X

5

1- Tổng hợp kết quả quan trắc độ lứn theo thời gian của nền đất tại hiện trường

2- Xây dựng hiểu đồ độ lún theo thời gian (S ~ t) theo kết quả quan trắc

3- Lập bảng giá trị độ lún Sj sau các khoảng thời gian At

Hình 1.11: Biểu đồ quan hệ độ lún theo thời gian theo phươngphảp Asaoka

4- Vẽ đồ thị quan hệ (Sj ~ Sj 1)

5- Viết phương trình đường thẳng Sj = a Sj 1 4- b từ các điểm trên đồ thị

6- Tìm độ lún ổn định Sf: là giao điềm giữa đồ thị đường thẳng của phương trình

(1.55) với đồ thị đường thẳng của phương trình (Sj = Sj -1)

Hình 1.12: Biểu đồ xảc định độ lún ẩn định theo phương pháp Asaoka

1.4.4 Xác định thông số thấm của đất trong mô phỏng Plaxis 2-D

Trong Plaxis Version 8 có phần tử Drain dùng để mô hình bấc thấm Tại các nút của phần tử thì áp lực dư lỗ rỗng bằng không Phần tử này không đề cập gì đến đường kính của bấc thấm, ảnh hưởng của sự xáo trộn của đất xung quanh giếng thấm cũng như ảnh hưởng của sự cản thấm Tất cả những yếu tố đó được xét đến thông qua hệ số thấm quy đổi

Phân tích thẩm theo bài toán đối xúng trục

Hệ số thấm ngang tương đương trong một unit cell (Lin et al., 2000):

rw - bán kính tương đương của bấc thấm (m)

rs - bán kính vùng xáo trộn, (m)

kji - hệ số thấm ngang của vùng đất không bị xáo ửộn ửong unit cell, (m/ngày)

ks - hệ số thấm ngang của vùng đất bị xáo ttộn ttong unit cell, (m/ngày)

Phân tích thấm theo bài toán phẳng

Trong bài toán phang, hệ số thấm tương đương có xét đến ảnh hưởng do sự xáo ttộn được qui đổi từ bài toán không gian (axi-symmetric unit cell) về bài toán phẳng (plain strain unit cell) (Lin et at, 2000) như sau:

Việc dùng thiết bị tiêu thoát nước thẳng đứng trong đất sét sẽ làm giảm chiều dài đường thấm

và rút ngắn thời gian cố kết và độ lún nhanh chóng đạt giá trị ổn định

Phương pháp Asaoka cho phép so sánh trực tiếp độ lún theo thời gian (S ~ t) giữa thực đo và thiết kế Từ độ lún thực đo, có thể tính ngược các thông số nén lún để điều chỉnh thiết kế

CHUƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUY ĐỔI BÀI TOÁN CỐ KẾT THEO SƠ ĐỒ

BÀI TOÁN PHẢNG 2.1 Giói thiệu bài toán cố kết phẳng

Ký hiệu u, V V w vận tốc dịch chuyển các pha lỏng, rắn và khí của đất trong một đơn vị thể tích đất; nw, m và s - hàm lượng thể tích tương ứng của các pha lỏng, rắn và khí, nên: nw + m + s = 1 Thể tích nước ửong khoảng thời gian dt đi vào phân tố đất hình lập phương dx.dy.dz qua các mặt vuông góc với trục z là:

Như vậy tổng lượng nước vào phân tố đất ửong khoảng thời gian dt 1:

Giá trị lượng nước thay đổi bên ửong phân tố đất sau khoảng thời gian dt xác định được bằng biểu thức sau:

Điều kiện liên tục của dung dịch bị nén ép cho thấy rằng, khối lượng nước thấm vào phân to dxdydz ttong khoảng thời gian dt bằng độ thay đổi lượng nước ttong phân tố đó, tức là: