Nghiên cứu ứng dụng mô hình số mô phỏng xử lý nền đất yếu bằng phương pháp cố kết hút chân không khi xây dựng công trình giao thông

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ LÊ QUÝ BỬU NAM NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SỐ MÔ PHỎNG XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG PHƯƠNG PHÁP CỐ KẾT HÚT CHÂN KHÔNG KHI XÂY DỰNG

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯

LÊ QUÝ BỬU NAM

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SỐ MÔ PHỎNG XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG PHƯƠNG PHÁP CỐ KẾT HÚT CHÂN KHÔNG KHI XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Đà Nẵng - Năm 2019

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯

LÊ QUÝ BỬU NAM

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SỐ MÔ PHỎNG XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG PHƯƠNG PHÁP CỐ KẾT HÚT CHÂN KHÔNG KHI XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Mã số: 85.80.205

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS CHÂU TRƯỜNG LINH

TS PHẠM QUANG ĐÔNG

Đà Nẵng - Năm 2019

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian nghiên cứu tìm hiểu, tác giả đã hoàn thành Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật với đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng mô hình số mô phỏng xử lý nền đất yếu bằng phương pháp cố kết hút chân không khi xây dựng công trình giao thông”

Lời đ ầu tiên tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu s ắc đến PGS.TS Châu Trường Linh, TS Pham Quang Đông đã giúp đỡ và hướng dẫn tác giả thực hiện hoàn thành Luận văn này

Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến các Cô, các Thầy trong Khoa Xây dựng Cầu đường, Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng đã tận tình giảng dạy và giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập tại trường

Tác giả cũng muốn bày tỏ sự biết ơn của mình tới tập thể cán bộ tại cơ quan nơi tác giả đang công tác đã t ạo điều kiện giúp đỡ cho tác giả hoàn thành khóa học và Luận văn này

Và tác giả muốn bày tỏ lòng biết ơn, sự kính trọng sâu sắc tới những người thân trong gia đình và bạn bè, những người đã luôn động viên, hỗ trợ tác giả trong suốt những tháng ngày học tập và thực hiện Luận văn

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan Luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng tôi Những nội dung, số liệu được tham khảo từ các nghiên cứu được trích dẫn nguồ n rất rõ ràng 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

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SỐ MÔ PHỎNG XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG PHƯƠNG PHÁP CỐ KẾT HÚT CHÂN KHÔNG KHI XÂY DỰNG

CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

Học viên: Lê Quý Bửu Nam

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Mã số: 85.80.205 Khóa: K36.XGT - Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

TÓM TẮT: Mô hình số giải pháp xử lý nền đất yếu bằng phương pháp cố kết chân

không được thực hiện dựa trên lý thuyết cố kết thấm theo phương pháp phần tử hữu hạn Trên cơ sở áp dụng cho công trình giao thông trên nền đ ất yếu ở khu vực Thành phố Đà Nẵng, luận văn sẽ đưa ra một số kết luận về trình tự xây dựng mô hình tính cho bài toán cố kết chân không, xây dựng các phương trình về mối quan hệ giữa thời gian cố kết (t) với chiều dày nền đất yếu (H) và độ cố kết (U)

Từ khóa: Đất yếu, cố kết chân không, công trình giao thông, mô hình số, xử lý nền,

AB STRACT: A numerical model of solutions to handle soft ground by the vacuum

consolidation method is made based on the theory of finite consolidation by finite element method Based on the application for traffic works on soft ground in the area

of Da Nang City, the paper will give some conclusions about the model building sequence for the problem of vacuum consolidation, construction of equation on the relationship between consolidation time (t) and soft soil thickness (H) and consolidation (U)

Keywords: Soft ground, vacuum consolidation, transport works, digital model,

ground treatment, Da Nang City

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH

DANH MỤC BẢNG

MỞ ĐẦU 1

1.Lý do lựa chọn đề tài 1

2.Đối tượng nghiên cứu 1

3.Phạm vi nghiên cứu 1

4.Mục tiêu nghiên cứu 2

4.1.Mục tiêu tổng quát 2

4.2.Mục tiêu c ụ thể 2

5.Phương pháp nghiên cứu 2

6.Bố cục của đề tài 2

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU VÀ PHƯƠNG PHÁP CỐ KẾT CHÂN KHÔNG XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU 3

1.1.Tổng quan về đất yếu trong xây dựng công trình 3

1.1.1.Nguồn gốc và các loại đ ất yếu thường gặp 3

1.1.2.Sự phân bố các vùng đất yếu trong nước 3

1.1.2.1.Đồng bằng Bắc bộ 4

1.1.2.2.Đồng bằng ven biển miền Trung 4

1.1.2.3.Đồng bằng Nam bộ 4

1.1.3.Phân bố và tính chất nền đ ất yếu tại Đà Nẵng và các khu vực lân c ận 5

1.1.3.1.Phân bố của các lớp đất yếu 5

1.1.3.2.Tính chất nền đất yếu trong khu vực 6

1.2.Tổng quan về phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu 7

1.2.1.Lược sử phát triển công nghệ bơm hút chân không xử lý nền đất yếu 7

1.2.2.Tình hình nghiên cứu phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu trên thế giới và ở Việt Nam 7

1.2.3.Tình hình ứng dụng phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu trên thế giới và ở Việt Nam 9

1.3.Lý thuyết phương pháp cố kết chân không 12

1.3.1.Bài toán cố kết thấm 12

1.3.2.Phương trình vi phân cơ bản 14

1.3.3.Các phương pháp giải bài toán cố kết thấm 15

1.3.3.1.Phương pháp cố kết nén lún tương đương 15

1.3.3.2.Phương pháp Barron – Terzaghi 17

1.4.Các phương pháp dự báo lún 18

1.4.1.Phương pháp Hybebol 18

1.4.2.Phương pháp Asaoka 19

1.4.3.Phương pháp ba điểm 20

Kết luận chương 1 22

Chương 2 LỰA CHỌN MÔ HÌNH SỐ TÍNH TOÁN VÀ TƯƠNG QUAN GIỮA CÁC THÔNG SỐ CỦA QUÁ TRÌNH XỬ LÝ CỐ KẾT CHÂN KHÔNG 23

2.1.Đặc điểm phân bố, tính chất cơ lý và cấu trúc nền đất yếu khu vực nghiên cứu 23

2.2.Mô hình tính cho bài toán cố kết chân không 31

2.3.1.Mô hình số tính toán 31

2.3.2.Tính toán kiểm tra cho công trình thực tế 34

2.3.2.1.Giới thiệu công trình 34

2.3.2.2.Điều kiện địa chất nền 35

2.3.2.3.Kết quả tính toán 38

2.3.2.4.Kết quả thực nghiệm công trình 39

2.3.2.5.So sánh kết quả tính toán và thực nghiệm 40

2.3.Tương quan áp lực bơm với ứng suất – biến dạng 41

2.4.Tương quan áp lực bơm với áp lực nước lỗ rỗng 45

2.5.Sự thay đổi kho ảng cách bấc thấm 45

Kết luận chương 2 48

Chương 3 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SỐ TÍNH TOÁN XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU CHO CÔNG TRÌNH G IAO THÔNG CAO TỐC ĐÀ NẴNG – QUẢNG NG ÃI 49 3.1.Giới thiệu công trình tính toán 49

3.2.Đặc điểm cấu trúc nền công trình 51

3.3.Trình tự tính toán 51

3.4.Kết quả tính toán 53

3.5.Đánh giá hiệu quả xử lý bằng phương pháp cố kết chân không 55

3.6.Xác định hàm hồi quy đa biến các quan hệ 55

3.6.1.Đặt vấn đề 55

3.6.2.Kết quả tính toán 56

3.6.3.Xây dựng mối quan hệ giữa thời gian cố kết (t) với chiều dày nền đất yếu (H) và độ cố kết (U) 57

Kết luận chương 3 59

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 60

I.Kết luận 60 II.Kiến nghị 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Cố kết thấm bằng HCK 12

Hình 1.2 Đường quá trình lún của nền .14

Hình 1.3 Quan hệ Uv (Tv) theo Terzaghi 18

Hình 1.4 Đồ thị xác định các thông số α,β 19

Hình 1.5 Dự đoán độ lún cuối cùng theo phương pháp Asaoka 20

Hình 2.1 Sơ đồ phân chia các cấp cấu trúc nền ĐBVB Quảng Nam - Đà Nẵng 25

Hình 2.2 Bản đồ cấu trúc nền ĐBVB Quảng Nam - Đà Nẵng tỉ lệ 1/50.000 (thu nhỏ) 26

Hình 2.3 Cấu trúc địa chất nhóm 1 30

Hình 2.4 Cấu trúc địa chất nhóm 2 30

Hình 2.5 Cấu trúc địa chất nhóm 3 30

Hình 2.6 Cấu trúc địa chất nhóm 4 30

Hình 2.7 Giới thiệu giao diện phần mềm Msettle 32

Hình 2.8 Giới thiệu giao diện phần mềm Plaxis 32

Hình 2.9 Giới thiệu giao diện phần mềm Geostudio 2012 33

Hình 2.10 Giới thiệu giao diện phần mềm FoSSA 34

Hình 2.11 Mặt bằng các vùng xử lý của công trình Pvtex Đình Vũ – Hải Phòng 35

Hình 2.12 Mặt cắt địa chất vùng 1 của công trình Pvtex Đình Vũ - Hải Phòng 36

Hình 2.13 Điều kiện biên trong mô đun SEEP/W ở pha tính toán 37

Hình 2.14 Điều kiện biên trong mô đun SIGMA/W ở pha tính toán 37

Hình 2.15 Quan hệ giữa độ lún tính toán và thời gian của công trình Pvtex Đình Vũ – Hải Phòng 38

Hình 2.16 Quan hệ giữa ALNLR tính toán và thời gian c ủa công trình Pvtex Đình Vũ – Hải Phòng 38

Hình 2.17 Quan hệ giữa độ lún thực nghiệm và thời gian của công trình Pvtex Đình Vũ – Hải Phòng 39

Hình 2.18 Quan hệ giữa ALNLR thực nghiệm và thời gian của công trình Pvtex Đình Vũ – Hải Phòng 39

Hình 2.19 Quan hệ giữa độ lún tính toán và thực nghiệm với thời gian của công trình Pvtex Đình Vũ – Hải Phòng 40

Hình 2.20 Quan hệ giữa ALNLR tính toán và thực nghiệm với thời gian của công trình Pvtex Đình Vũ – Hải Phòng 40

Hình 2.21 Điều kiện biên trong mô đun SEEP/W nhóm 1 và nhóm 2 42

Hình 2.22 Điều kiện biên trong mô đun SEEP/W nhóm 3 và nhóm 4 42

Hình 2.23 Điều kiện biên trong mô đun SIGMA/W nhóm 1 và nhóm 2 .42

Hình 2.24 Điều kiện biên trong mô đun SIGMA/W nhóm 3 và nhóm 4 .43

Hình 2.25 Quan hệ giữa độ lún tính toán với thời gian nhóm 1 43

Hình 2.26 Quan hệ giữa độ lún tính toán với thời gian nhóm 2 43

Hình 2.27 Quan hệ giữa độ lún tính toán với thời gian nhóm 3 44

Hình 2.28 Quan hệ giữa độ lún tính toán với thời gian nhóm 4 44

Hình 2.29 Quan hệ giữa độ lún tính toán với thời gian nhóm 1,2,3,4 .44

Hình 2.30 Quan hệ giữa ALNLR tính toán với thời gian nhóm 1,2,3,4 .45

Hình 2.31 Quan hệ giữa độ lún và ALNLR tính toán với thời gian nhóm 1 .46

Hình 2.32 Quan hệ giữa độ lún và ALNLR tính toán với thời gian nhóm 2 .46

Hình 2.33 Quan hệ giữa độ lún và ALNLR tính toán với thời gian nhóm 3 .47

Hình 2.34 Quan hệ giữa độ lún và ALNLR tính toán với thời gian nhóm 4 .47

Hình 3.1 Cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi (ảnh: Google) 49

Hình 3.2 Sơ đồ trình tự giải bài toán cố kết chân không dự án đường Cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi 51

Hình 3.3 Điều kiện biên trong mô đun SEEP/W dự án đường Cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi 52

Hình 3.4 Điều kiện biên trong mô đun SIGMA/W dự án đường Cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi 52

Hình 3.5 Quan hệ giữa độ lún tính toán và thời gian dự án đường Cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi 53

Hình 3.6 Quan hệ giữa ALNLR tính toán và thời gian dự án đường Cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi 53

Hình 3.7 Quan hệ giữa đô lún tính toán dự án đường Cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi và độ lún cấu trúc nền IAr4 54

Hình 3.8 Quan hệ giữa ALNLR tính toán dự án đường Cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi và ALNLR cấu trúc nền IAr4 54

Hình 3.9 Quan hệ giữa độ cố kết và thời gian khi chiều dày nền đất yếu thay đổi 56

Hình 3.10 Quan hệ giữa thời gian cố kết với chiều dày nền đất yếu và độ cố kết 57

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Một số công trình ứng dụng phương pháp có màng kín khí (MVC) .10

Bảng 1.2 Một số công trình ứng dụng phương pháp không có màng kín khí 11

Bảng 2.1 Đặc điểm phân bố đất yếu khu vực nghiên cứu 23

Bảng 2.2 Các chỉ tiêu cơ lý c ủa đất yếu 24

Bảng 2.3 Thuyết minh các cấp cấu trúc nền vùng đồng bằng ven biển Quảng Nam – Đà Nẵng 29

Bảng 2.4 Khoảng cách và chiều dài bấc thấm xử lý cho các vùng 35

Bảng 2.5 Chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất của công trình Pvtex Đình Vũ – Hải Phòng 36

Bảng 3.1 Tính chất cơ lý c ủa các lớp đất tại gói số 1 dự án đường cao tốc Đà Nẵng - Quảng Ngãi 50

Bảng 3.2 Lựa chọn mặt cắt tính toán dự án đường Cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi 51

Bảng 3.3 So sánh kết quả tính toán theo các phương pháp khác nhau 55

Bảng 3.4 Độ cố kết và thời gian ứng với các chiều dày đ ất yếu cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi 57

MỞ ĐẦU

1 Lý do lựa chọn đề tài

Trong sự nghiệp công nghiệp hóa – hiện đại hóa của đất nước, nhu cầu phát triển cơ sở hạ tầng đóng vai trò rất quan trọng, đ ặc biệt là cơ sở hạ tầng giao thông Nhiều tuyến đường đi qua khu vực phân bố đất yếu, do đất yếu có sức chịu tải thấp nên việc đảm bảo độ ổn định c ủa nền đắp trở nên khó khăn Bên cạnh đó, đất yếu

có khả năng nén lún khá lớn, độ thoát nước nhỏ nên nền đ ắp thường bị lún mạnh và kéo dài, đòi hỏi kỹ thuật xử lý phức tạp, tốn kém

Để xây dựng nền đường đắp trên nền đất yếu, cần phải áp dụng các giải pháp

xử lý để tăng sức chịu tải, giảm độ lún, đảm bảo điều kiện khai thác bình thường cho công trình Hiện nay, việc áp dụng các giải pháp như đệm cát, giếng cát, cọc cát, bấc thấm, vải địa kĩ thuật,…để xử lý nền đường đất yếu đã và đang mang lại những hiệu quả nhất định Tuy nhiên, trong điều kiện nguồn vật liệu gia tải khan hiếm như hiện nay và hướng tới giải pháp xử lý bền vững nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường trong thi công cũng như yêu cầu rút ngắn thời gian thi công thì việc nghiên cứu, áp dụng công nghệ mới trong xử lý nền đất yếu là c ần thiết và cấp bách Một trong những giải pháp xử lý mà thế giới áp dụng thành công là phương pháp cố kết hút chân không Ở Việt Nam, phương pháp cố kết hút chân không bước đầu ứng dụng đã và đang mang lại những hiệu quả nhất định Tuy nhiên công nghệ và trang thiết bị thi công theo phương pháp này chủ yếu từ các đơn vị nước ngoài, chính vì vậy các nghiên cứu về phương pháp này ở Việt Nam còn hạn chế, mặt khác các nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng của phương pháp này như ảnh hưởng của hệ số xáo trộn, chiều sâu ảnh hưởng của bấc thấm, chiều sâu ảnh hưởng của áp lực chân không, thấm biên, phạm vi biên ảnh hưởng của khu vực xử lý… còn nhiều tranh cãi, chưa hoàn thiện cho nên c ần có các nghiên cứu khác nhằm hoàn thiện phương pháp này, đặc biệt ứng dụng phù hợp với từng trường hợp đất yếu ở Việt Nam Do vậy đề tài “Nghiên cứu ứng dụng mô hình số mô phỏng xử lý nền đất yếu bằng phương pháp cố kết hút chân không khi xây dựng công trình giao thông” có tính cấp thiết và ý nghĩa thực tiễn

2 Đối tượng nghiên cứu

Nghiên c ứu diễn biến thay đổi ứng suất – biến dạng trong nền đất yếu xử lý bằng phương pháp cố kết chân không

3 Phạm vi nghiên cứu

Nền đường đ ắp trên nền đ ất yếu ở địa bàn thành phố Đà Nẵng và các khu vực

lân cận

4 Mục tiêu nghiên cứu

4.1 Mục tiêu tổng quát

Thông qua việc mô phỏ ng nhằm xác định sự biến đổi ứng suất – biến dạng, áp lực nước lỗ rỗng theo chiều sâu nền đất yếu tương ứng với áp lực bơm hút chân không, tính chất nền đất yếu khác nhau và các vấn đề liên quan

4.2 Mục tiêu cụ thể

- Xác định quy luật biến thiên áp lực nước lỗ rỗng, biến thiên ứng suất - biến dạng và biến dạng lún của nền đ ất yếu trong quá trình cố kết chân không cho loại đất yếu nghiên cứu

- Xác định biên ảnh hưởng biến dạng lún c ủa khu vực xử lý khi xử lý bằng phương pháp cố kết chân không

- Xác định hàm hồi quy đa biến các quan hệ

5 Phương pháp nghiên cứu

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

- Phương pháp thống kê: Xử lý thống kê để xác lập các đường quan hệ giữa các yếu tố nghiên cứu

- Phương pháp mô phỏng số bằng 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

6 Bố cục của đề tài

Ngoài phần Mở đầu; Kết luận, kiến nghị, luận văn gồm 3 chương:

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

Chương 2: Lựa chọn mô hình số tính toán và tương quan giữa các thông số của quá trình xử lý cố kết chân không

Chương 3: Ứng dụng mô hình số tính toán xử lý nền đất yếu cho công trình giao thông cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU VÀ PHƯƠNG PHÁP CỐ KẾT CHÂN KHÔNG

XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU 1.1 Tổng quan về đất yếu trong xây dựng công trình

1.1.1 Nguồn gốc và các loại đất yếu thường gặp

Đất yếu [4,8,10] có nhiều nguồn gốc khác nhau (khoáng vật hoặc hữu cơ) và có điều kiện hình thành khác nhau (trầm tích ven biển, vịnh biển, đầm hồ, đồng bằng châu thổ, vùng đ ầm lầy có mực nước ngầm cao, vùng có nước tích đọng thường xuyên…), nói chung đất yếu có các đặc trưng sau: Sức chịu tải nhỏ, hệ số rỗng lớn (e>1), đất ở trạng thái bão hòa ho ặc gần bão hòa, tính thấm nước kém (hệ

số thấm nhỏ) và thay đổi theo sự biến dạng của đ ất yếu, tính biến dạng (lún) lớn khi chịu tác động của tải trọng ngoài

Các loại đ ất yếu thường gặp ở nước ta là bùn, than bùn, sét mềm, hữu cơ Sét mềm là các loại đất sét, á sét tương đối chặt, bão hòa nước, thường được bồi tự trong nước theo những cách khác nhau như: Bồi tích ven biển, đầm phá, cửa sông,

ao hồ… Đất sét gồm các hạt nhỏ như thạch anh, các khoáng vật sét Đặc điểm quan trọng của sét mềm là tính dẻo được tạo thành bởi thành phần khoáng vật của nhóm hạt có kích thước nhỏ hơn 0,002mm và hoạt tính của chúng đối với nước Sét mềm

có trạng thái từ dẻo chảy đến chảy Bùn là các lớp đất mới được tạo thành trong môi trường nước ngọt hoặc nước biển, gồm các hạt rất mịn (<200µm), bản chất khoáng vật thay đổi và thường có kết cấu tổ ong Bùn có thể là á cát, á sét, sét, luôn no nước, có hàm lượng hữu cơ thường nhỏ hơn 10% và rất yếu về mặt chịu lực Than bùn có nguồn gốc hữu cơ được hình thành ở đầm lầy nơi đọng nước thường xuyên hoặc có mực nước ngầm cao, các loại thực vật phát triển, thối rữa, phân hủy tạo thành các trầm tích hữu cơ lẫn trầm tích khoáng vật Than bùn có độ ẩm cao, bị nén lún lâu dài, không đều

1.1.2 Sự phân bố các vùng đất yếu trong nước

Do lịch sử địa chất, diện phân bố đất yếu ở nước ta khá rộng từ vùng núi trung

du đến các đồng bằng, ở cả 3 miền Bắc bộ, Trung bộ và Nam bộ Ở vùng núi và trung du, đất yếu nằm trong dãi trũng rộng, vùng hồ, thung lung… có cấu trúc

không phức tạp, đồng nhất, chiều dày không lớn Ở các vùng đồng bằng, nền đất yếu khá phổ biến, cấu trúc phức tạp, đa dạng, không đồng nhất, chiều dày lớn, thành phần trầm tích, trạng thái và tính chất cơ lý của đất yếu cũng rất khác nhau

1.1.2.1 Đồng bằng Bắc bộ

Đồng bằng Bắc bộ có diện tích khoảng 15.000km2 Địa hình bị chia cắt bởi

hệ thố ng sông suối, kênh mương chằng chịt Đồng bằng Bắc bộ được hình thành trên một miền võng rộng lớn, từ chế độ biển, sang chế độ vũng hồ, kết thúc ở chế độ trầm tích kỷ thứ tư Vùng này thuộc địa hình bồi tụ, chiều dày rất lớn, từ vài mét đến hơn trăm mét Các tạo thành Đệ Tứ được phân chia ra các chu kỳ trầm tích với

tổ hợp cộng sinh Các chu kỳ đó được bắt đầu bởi các tướng hạt thô lục địa, tương ứng với các pha biển lùi cực đại và kết thúc bởi các tướng hạt mịn châu thổ hoặc biển vịnh ven bờ Nói chung, c ấu tạo lớp trong vùng rất phức tạp, chúng thường xen

kẽ nhau hoặc xen kẽ các lớp có khả năng chịu lực tốt hơn

1.1.2.2 Đồng bằng ven biển miền Trung

Là đồng bằng mài mòn bồi tụ điển hình Trầm tích kỷ thứ Tư ở đây thường thấy ở vùng thung lũng các sông và thường là loại phù sa bồi tích Vùng duyên hải thuộc vùng trầm tích phát triển trên các đ ầm phá c ạn dần, bồi tích trong điều kiện lắng đọng tĩnh

- Khu vực có lớp đất yếu dày 5-30m, phân bổ kế cận các vùng trên và chiếm đại bộ phận đồng bằng và khu vực trung tâm Đồng Tháp Mười

- Khu vực có lớp đất yếu dày 15-30m chủ yếu thuộc các tỉnh Cửu Long, Bến Tre tới các tỉnh duyên hải Hậu Giang, Tiền Giang …

Nguồn gốc các tầng đất yếu là các loại trầm tích châu thổ (sông, bãi bồi, tam giác châu), trầm tích bờ, vũng vịnh và đều thuộc loại trầm tích kỷ thứ tư

1.1.3 Phân bố và tính chất nền đất yếu tại Đà Nẵng và các khu vực lân cận

1.1.3.1 Phân bố của các lớp đất yếu

Qua hồ sơ địa chất các công trình đã và đang triển khai trên địa bàn thành phố Đà Nẵng thu thập được đồng thời tham khảo các tài liệu địa chất khu vực, nhận thấy đia hình khu vực nghiên cứu có các dạng sau: địa hình bóc mòn tổng hợp, địa hình tích tụ do hỗn hợp sông - biển, địa hình tích tụ do hỗn hợp biển đ ầm lầy, địa hình tích tụ do biển, địa hình tái tích tụ do gió Với sự đa dạng của các dạng địa hình như vậy thì cấu trúc địa chất khu vực cũng khá đa dạng về nguồn gốc cũng như loại đất đá cấu tạo nên bề mặt địa hình Đặc biệt với sự xuất hiện của các lớp đất yếu có thành phần khác nhau như sét, sét pha, cát pha, bùn sét pha, bùn cát pha chứa hữu cơ, cát mịn bão hòa có tr ạng thái chảy đến dẻo mềm,… trong đó chủ yếu là các loai sét pha dẻo mềm, các loại bùn hầu hết chỉ phân bố trên tầng mặt ho ặc đôi chổ nằm bên dưới lớp cát mỏng

Có thể nhận thấy sự đa dạng các yếu tố địa hình khu vực có ảnh hưởng rất lớn đến phân bố cả lớp đ ất yếu Trên đia bàn thành phố Đà Nẵng, thông thường các khu vực có địa chất đất yếu thường nằm ở các vị trí ruộng trũng, đầm lầy ao hồ, bãi bồi ven sông, vịnh biển

Tùy theo cao trình xuất hiện lớp đất yếu, có thể phân chia khu vực đất yếu thành 02 loại:

- Loại phân bố trên bề mặt tự nhiên (không xét đến lớp đất đắp phủ, đất trồng mùn hữu cơ,…): Lo ại này phân bổ dọc theo các thung lũng hẹp của các sông, suối, hồ, đầm lầy những nơi có lưu vực trũng thấp Diện phân bố của loại này thường không rộng, kéo dài theo hướng dòng chảy Địa chất khu vực này thường có mặt các lớp bùn sét pha lẫn hữu cơ, sét pha, cát pha ở trạng thái dẻo chảy Chiều dày địa chất đất yếu loại này thường từ 4m đến trên 10m nhưng không quá 20m

- Loại phân bố dưới sâu: Loại này thường nhiều lo ại địa chất xen kẽ lẫn nhau rất phức tạp, phân bố xen thung lung của các sông cách bờ sông hiện trạng từ 2–5 (Km), sát nên gồm nhiều trầm tích có nguồn gốc tổng hợp, không phản ánh rỏ quy luật phân bố Tại những khu vực này, đất yếu thường gặp là bùn sét pha, sét pha, sét ở trạng thái dẻo mềm, dẻo chảy kẹp với các lớp đất dính, chiều dày trung bình từ 3m – 5m

1.1.3.2 Tính chất nền đất yếu trong khu vực

Đất yếu phân bố ở khu vực thành phố Đà Nẵng và các khu vực lân cận có thể chia thành ba nhóm chính sau:

- Đất sét, sét pha, cát pha dẻo mềm đến chảy

- Đất bùn sét, bùn sét pha, bùn cát pha trạng thái dẻo mềm đến chảy

- Đất cát mịn, cát bụi trạng thái dẻo đến chảy

Nói chung, đ ất mềm dính (sét, sét pha cát, cát pha sét) thư ờng đặc trưng bằng hệ số rỗng, độ sệt, hệ số nén lún, hệ số thấm tương đối thấp Ngược lại, khối lượng tự nhiên, khối lượng thể tích khô, góc ma sát trong, lực dính kết, sức chịu tải,

mô đun biến dạng… tương đối cao Nếu như thành tạo trầm tích loại sét, sét pha, thuộc nhóm đ ất mềm dính có các đặc trưng cơ lý biến đổi có quy luật nói trên thì bùn sét, bùn sét pha cát, bùn cát pha, than bùn c ủa nhóm đất có thành phần, trạng thái, tính chất đặc biệt ở độ sâu lớn hơn lại có những tính chất cơ lý biến đối theo quy luật ngược lại Một điểm đáng lưu ý nữa là trong loại đất này thường có một lượng vật chất hữu cơ cao Do đó, bùn sét, bùn sét pha thường có giới hạn chảy và giới hạn dẻo cao hơn so với các giới hạn đó của đất loai sét, sét pha Tuy vậy, chỉ số dẻo lại không khác nhau là mấy giữa hai loại đất này Mặt khác ở bùn sét, bùn sét pha các loại có hê số rỗng lớn nhưng hệ số thấm gần như tương đương với giá trị hệ

số thấm của đất loại sét, sét pha các loại [11]

Trình tự nén chặt cao hơn của đất loại đất sét, sét pha cát, cát pha sét nằm trên so với thành tạo đất bùn, bùn sét pha, bùn cát pha, than bùn nằm bên dưới cũng quan sát thấy rõ Trong điều kiện địa hình cao, mực nước ngầm nằm sâu, khả năng thoát nước từ trong ra thuận lợi… thì tại những nơi phân bố bùn cát pha, cát pha, sét

pha có các chỉ tiêu cơ lý không khác nhau là mấy so với giá trị tương ứng của các loại đất sét, sét pha có cùng thành phần thạch học

Do vậy, để đạt đến khả năng phù hợp với mọi tính năng xây dựng công trình thì cần phải có biện pháp xử lý nền đất yếu cho phù hợp đồng thời phải có thời gian quan trắc xem xét từng phương pháp xử lý để đi đến thống nhất các giải pháp hợp lý ứng với từng loại đất yếu khác nhau

1.2 Tổng quan về phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu

1.2.1 Lược sử phát triển công nghệ bơm hút chân không xử lý nền đất yếu

Công nghệ bơm hút chân không xử lý nền đất yếu (HCK) lần đ ầu 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 rộ ng 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 Việc bố trí tường chống thấm không còn nữa mà thay vào đó là lớp gia tải bằng đ ất 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

1.2.2 Tình hình nghiên cứu phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu trên thế giới và ở Việt Nam

Phương pháp xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp hút chân không và gia tải trước [1,2,3,5,6,7] đã và đang được áp dụng nhiều nơi trên thế giới Mặc dù vậy, việc tính toán thiết kế vẫn đang được hoàn thiện Hiện chưa có một cơ sở lý thuyết tính toán nào được thực hiện cho toàn bộ công tác xử lý nền bằng phương pháp này

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 [18,19,21,22,32,33] Tuy nhiên nhiều nghiên cứu

từ các công trình thực tế, Bo và nnk (2003) [20] lại cho rằng áp lực chân không hiệu quả không suy giảm theo chiều sâu bấc thấm

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) [23,24], Indraratna và nnk (2006) [25,26,27], Mohamedelhassan và nnk [28], Chamari [29], Chu [30], Shang và nnk [31], 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

Tại Việt Nam, hơn một thập kỷ trở lại đây, phương pháp cố kết chân không cũng đã được áp dụng Tuy nhiên các công trình nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng cũng như cơ sở lý thuyết tính toán đến phương pháp trong thời gian qua không nhiều, một số ít bài báo và công trình khoa học đã được công bố

Một nghiên cứu về phương pháp này do tác giả Nguyễn Thị Nụ [14] - Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Việt Nam, dựa trên kết quả xử lý của công trình nhà máy nhiệt điện Long Phú – Sóc Trăng trên nền đất yếu có bề dày 15-18m, bố trí bấc thấm hình vuông với khoảng cách 1,0x1,0m Áp lực hút chân không được thực hiện

là 70-80kPa với thời gian duy trì hút chân không từ 150 đến170 ngày, chiều cao gia tải trước từ 0,68 đến 2,88m Trong quá trình xử lý nền đất yếu, tiến hành quan trắc địa kỹ thuật ngoài hiện trường, độ lún quan trắc cho kết quả khá phù hợp với độ lún

dự báo Độ cố kết của nền sau xử lý đạt trên 90% và độ lún dư nhỏ hơn so với độ lún của yêu cầu thiết kế Từ kết quả nghiên cứu có thể thấy phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cố kết chân không đạt được hiệu quả đối với nền đất yếu tại nhà máy Nhiệt điện Long Phú - Sóc Trăng Đây là cơ sở để áp dụng lý thuyết tính toán xử lý nền đất yếu bằng phương pháp cố kết chân không ở Việt Nam

Nghiên cứu tiếp theo là của nhóm tác giả Vũ Bảo Ngọc và nnk [12,13]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

Qua tổng quan về tình hình nghiên cứu trên thế giới và 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

1.2.3 Tình hình ứng dụng phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu trên thế giới và ở Việt Nam

Phương pháp cố kết chân không đã và đang phát triển mạnh trên thế giới, đã

có nhiều thành tựu rất lớn trong nghiên cứu, thiết kế và xây dựng

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

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

trình Đơn vị tư vấn Phạm vi

(m 2 )

2001 Hamburg Đức Kho hàng

sân bay

IGB – Dr Maybaum 238,000

2001 Bang Bo Thái Lan

Đường vào nhà máy điện

Seatac 30,000

1999 Jangyoo STP Hàn Quốc

Nhà máy

xử lý nước thải

KECC 70,000

1999 Quebec Canada Cầu QDOT 1,000

1997 Wismar Đức Cảng Steinfeld & Part 15,000

1996 Khimae PS Hàn Quốc Trạm bơm KECC 20,000

1996 RN1

Pháp quốc Hải ngoại

Đường vòng

CETE Fort de France 6,150

1995 Kuching Malaysia Cầu tàu ACER 12,000

1995 Khimae STP Hàn Quốc

Nhà máy

xử lý nước thải

KECC 83,580

1994 A 837 -

Phase 2 Pháp

Đường cao tốc

SCETAUROUTE 10,000

1994 Lubeck Đức Cảng INROS 22,500

1993 A837 - Phase

1 France

Đường cao tốc LCPC 44,500

1992 Ipoh Gopeng Malaysia Đường cao

tốc

ZAIDUNLEENG 2,600

1992 Lamentin

Pháp quốc Hải ngoại

Đường cao

1991 Lamentin

Pháp quốc Hải ngoại

Sân bay CEBTP 17,692

1990 Ambes Pháp Bể chứa

dầu Mecasol 17,550

1990 Eurotunnel Pháp Đường SETEC 56,909

1990 Ambes Pháp Đường CETE Bordeaux 21,106

1990 Lomme Pháp Kho hàng FONDASOL 8,130

1989 Ambes Pháp Trạm kiểm

tra sân bay Test area 390

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

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

2008 Baanhoek Sliedrecht Hà Lan 4500

2005 Suvarnabhumi airport Thailand 400000

2005 Parking Ikea Delft Hà Lan 3700

2004 Railway Betuwelijn Gorinchem Hà Lan 4400

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

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 cho tới hiện nay Nhìn chung các giải pháp đều phát triển lên từ nền móng cơ bản là phương trình c ủa Terzaghi 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

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 Thành phần chính chịu tải trọng là thể rắn (hạt đất) 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 c ần 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 1.1 Cố kết thấm bằng HCK

Bản chất của hiện tượng cố kết thấm là sự giảm hệ số rỗng của đ ất 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 1.1) Nếu nguyên lý của phương pháp đ ầm 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 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 đ ất 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

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 1.2 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 đ ất 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 c ủa 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 1.2 Đường quá trình lún của nền

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:

𝜕𝑢

𝜕𝑡 =Cv(𝜕𝑢2

𝑟 2 +1𝑟

𝜕𝑢

𝜕𝑡 =Cv(𝜕𝑢2

𝜕𝑟 2 +1𝑟𝜕𝑢𝜕𝑟)+ Cv(𝜕𝑢𝜕𝑧22) (1.2) Trong đó:

Trong đó:

kv – hệ số thấm theo phương đứng;

kr – hệ số thấm theo bán kính hướng tâm;

ε0 – hệ số rỗng ban đầu của đất;

Cc – Chỉ số nén lún, khi chuyển vế (2.5) thu đươc biểu diễn dưới dạng:

𝑙𝑜𝑔 𝜎1+∆σ 𝜎1

= 𝑒1−𝑒2log(𝜎1)−log(𝜎2) (1.6)

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

1.3.3 Các phương pháp gi ải bài toán cố kết thấm

1.3.3.1 Phương pháp cố kết nén lún 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 bằng kết quả xác định trong phòng thí nghiệm theo TCVN 4200-2012 Từ đó

có thể xác định các thông số sử dụng cho tính toán cố kết

Độ lún tổng thể do tải trọng của công trình sau khi xây dựng xong tính đến khi công trình ổn định, có thể tính toán bằng phương pháp cộng lún từng lớp theo công

𝜎𝑝𝑧𝑖 - ứng suất nén thẳng đứng tiền cố kết của lớp i;

𝜎𝑣𝑧𝑖 - ứng suất nén thẳng đứng do trọng lượng bản thân các lớp đất tự nhiên

tính 𝐶𝑟𝑖 vì vậy số hạng thứ nhất trong ngoặc của (1-7) bằng 0;

- Khi đất ở trạng thái quá cố kết, 𝜎𝑣𝑧𝑖 < 𝜎𝑝𝑧𝑖 :

 Nếu 𝜎𝑧𝑖 + 𝜎𝑣𝑧𝑖 > 𝜎𝑝𝑧𝑖 - tức là tổng áp lực vẫn lớn hơn áp lực tiền

cố kết, đất tiếp tục nén lún theo công thức (1-7);

 Nếu 𝜎𝑧𝑖 + 𝜎𝑣𝑧𝑖 < 𝜎𝑝𝑧𝑖 - 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:

1.3.3.2 Phương pháp Barron – Terzaghi

Phương pháp này ban đầu được dùng để giải bài toán cố kết thấm có cọc thấm thoát nước Nguyên lý của phương pháp có thể xem như là dựa trên giả thuyết của Carrillo [17] về nghiệm của phương trình (1.2):

𝑢̅̅̅̅, 𝑢𝑟𝑣 ̅̅̅, 𝑢𝑜 ̅̅̅ , 𝑢𝑟 ̅̅̅ – là các giá trị trung bình của các đại lượng tương ứng 𝑣trong phạm vi ảnh hưởng của cọc thấm

Từ đó ta có độ cố kết bình quân của nền được cố kết 𝑢̅̅̅̅ là: 𝑟𝑣

(1-𝑈̅̅̅̅̅)=(1-𝑈𝑟𝑣 ̅̅̅)(1-𝑈𝑟 ̅̅̅) 𝑣 (1.11) Trong đó:

 Đối với U > 60%: Tv = 1.781 - 0.933 lg(100-U%) (1.15)

1.4 Các phương pháp dự báo lún

1.4.1 Phương pháp Hybebol

Độ lún cố kết St ở thời điểm t sau khi đường cong lún đã đi vào ổn định được xác định như sau:

Trong đó:

S0 là độ lún đo được ở thời điểm kết thúc đắp nền

t là quãng thời gian duy trì tải trọng đắp kể từ khi đắp xong

α,β là hai thông số được xác định theo đường quan trắc lún thực bằng cách sau đây:

Hình 1.4 Đồ thị xác định các thông số α,β

Từ đường cong quan trắc lún (đoạn đã ổn định) cứ với 1 trị số t bất kỳ ta xác định được một trị số t/(St-S0) tương ứng Với nhiều điểm đo lún có t khác nhau vẽ một đồ thị các điểm có trục tung là t/(St-S0) và trục hoành là t như hình 1.4 ta sẽ xác định được các thông số α,β

Trên hình 1.4, các điểm có lý hiệu là x biểu diễn kết quả đo lún thực trên tọa

độ

f(t) = t/(St-S0) Thay trị số α,β xác định được trên đồ thị vào công thức (1.16) ta sẽ được phương trình tính được độ lún St ở thời điểm bất kỳ và sẽ dự đoán được độ lún cuối cùng S∞ theo công thức sau:

1.4.2 Phương pháp Asaoka

Theo phương pháp này [16], việc dự đoán độ lún được thực hiện theo các bước sau:

- Chọn đoạn đường cong quan trắc lún sau khi kết thúc quá trình gia tải đ ắp và chia nó theo các khoảng thời gian Δt bằng nhau tương ứng với các trị số độ lún S1,

S2, S3… Sn

- Vẽ đồ thị các điểm có trục tung là trị số độ lún Si và trục hoành là trị số độ lún liền kề trước nó là Si-1 (hình 1.5) Ở đây Si và Si-1 là độ lún quan tr ắc được ở thời điểm ti và ti-1 với điều kiện ti – ti-1 = Δt

Chú ý là trị số Si luôn luôn lớn hơn trị số Si-1 vì ti > ti-1 nên các điểm có tọa độ (Si, Si-1) luôn luôn nằm phía trên đường phân giác của hệ trục tọa độ

Hình 1.5 Dự đoán độ lún cuối cùng theo phương pháp Asaoka

- Nối các điểm có tọa độ (Si, Si-1) bằng một đường thẳng sao cho đường thẳng gần đúng này đi sát các điểm đó nhất Đường thẳng gần đúng này sẽ cắt đường phân giác của hệ trục tọa độ tại điểm M và tại điểm M là có Si-1 = Si tức là xác định được

độ lún cuối cùng bằng tung độ của điểm M

1.4.3 Phương pháp ba điểm

Chọn đoạn đường cong lún đã ổn định và có xu thế tắt dần Trên đoạn đó xác định 3 điểm thực đo lún có hoành độ là: t1, t2, t3 (tương ứng tại đó có độ lún thực đo

là S1, S2, S3) nhưng thỏa mãn điều kiện:

t3 – t2 = t2 – t1 = Δt (1.19)

Tiếp đó sử dụng quan hệ lý thuyết sẵn có trong cơ học đất về độ cố kết trung bình Ut với S∞ là độ lún cuối cùng ở t = ∞ để tính S1, S2, S3

t1 theo S1 và S∞, được t2 theo S2 và S∞, được t3 theo S3 và S∞ rồi thay vào công thức (1.20) sẽ tìm được:

S ∞= 𝑆2

2 +𝑆1.𝑆32𝑆2−𝑆2−𝑆3 = 𝑆3 (𝑆2−𝑆1)−𝑆2(𝑆3−𝑆2)

(𝑆2−𝑆1)−(𝑆3−𝑆2) (1.24)

β = 1

Δt ln

(𝑆2−𝑆1) (𝑆3−𝑆2) (1.25)

Với β đã biết theo công thức (1.25) có thể dự đoán được hệ số cố kết trung bình theo phương thẳng đứng 𝐶𝑣𝑡𝑏 trong phạm vi bề dày đất yếu H của vùng có hoạt động cố kết dưới tải trọng đắp theo công thức sau:

𝐶𝑣𝑡𝑏 = П2𝛽

4𝐻2

Kết luận chương 1 Trong chương I tác giả đã trình bày tổng quan về đặc điểm của đất yếu,

phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu, các phương pháp dự báo lún khi có kết quả quan trắc lún thực tế cũng được giới thiệu để dự đoán quá trình cố kết Phương pháp này đã được ứng dụng thành công xử lý nền cho các loại công trình xây dựng: giao thông, dân dụng, công nghiệp và thủy lợi

Phương pháp cố kết chân không bước đầu đã được ứng dụng ở Việt Nam để

xử lý nền cho một số công trình Tuy nhiên, để chủ động về công nghệ và ứng dụng phương pháp này phù hợp trong xử lý nền đất yếu cho các loại công trình xây dựng Việt Nam nói chung và cho khu vực nghiên cứu nói riêng thì các nghiên cứu về quy luật biến đổi các thông số của nền đất trong quá trình cố kết cần được quan tâm, nghiên cứu mô hình số, đối chiếu với thực nghiệm để có cơ sở đánh giá, phân tích kết quả

Trong Luận văn này tác giả đề xuất sử dụng mô hình số để nghiên cứu quy luật biến thiên ứng suất – biến dạng, biến thiên áp lực nước lô rỗng của nền đất yếu

trong quá trình cố kết chân không

Chương 2 LỰA CHỌN MÔ HÌNH SỐ TÍNH TOÁN VÀ TƯƠNG QUAN GIỮA CÁC THÔNG SỐ CỦA QUÁ TRÌNH XỬ LÝ CỐ KẾT CHÂN KHÔNG

2.1 Đặc điểm phân bố, tính chất cơ lý và cấu trúc nền đất yếu khu vực nghiên cứu

Để có đủ cơ sở mô hình số giải pháp cố kết chân không ở khu vực nghiên cứu, tác giả sử dụng số liệu tham khảo từ tài liệu trích dẫn [15]

Bảng 2.1 Đặc điểm phân bố đất yếu khu vực nghiên cứu

ambQ2

Bùn sét, bùn sét pha màu xám xanh, xám đen giàu vật chất hữu cơ

2 - 8 m

Đà Nẵng:Đầm phá hiện đại, Nam Ô, Hoà Phước, Hòa Quý Quảng Nam: Điện Phương, Điện Minh, thị trấn Vĩnh Điện và ở Cẩm An, Cẩm Hà và dọc các sông Ngoài ra còn bắt gặp Bình Quý, Bình Trung, Bình Tú

(Thăng Bình)

amQ2

Bùn sét pha, bùn sét chứa than bùn màu xám đen

2 - 4m, cá biệt > 5 m

Quận nội thành Đà Nẵng, Nam Ô, Hoà Phước, Hòa Tiến hoặc bị phủ bởi lớp cát hạt mịn

ambQ22

Bùn sét pha màu xám xanh, xám đen, chứa vỏ sò có

5 - 10 m đến >10m

Khá phổ biến ở các xã Điện Hòa, Điện Tiến, Điện Phước (Điện Bàn) và dọc thung lũng sông Vu Gia, ít hơn là ở các xã Điện Ngọc, Điện Dương (Điện Bàn)

mQ23 no Bùn cát pha xám đen 0,2 - 3 m Diện phân bố rất nhỏ, bề dày bé từ 0,2 – 3m và chỉ xuất hiện cục bộ ở một số nơi

abmQ2

Bùn sét pha màu xám xanh, xám đen, lẫn ít sỏ

5 m đến

>20 m, Tb:15 - 20

5 - 10 m

và >10 m Phân bố hẹp, chỉ xuất hiện cục bộ ở một số nơi

mQ13(2) đn Bùn cát pha xám đen 0,5 - 5 m Phân bố rất hạn chế

mlQ13(1) ht Bùn sét, bùn sét

pha xám đen 0,3 - 4 m

Phân bố hạn chế, chỉ xuất hiện cục bộ ở

một số nơi

Bảng 2.2 Các chỉ tiêu cơ lý của đất yếu [15]

Hệ số

rỗng e 0

1,15 - 1,29 1,25

e 0

1,15 - 1,29 1,25

C c

0,459 - 0,653/

0,540

0,362 - 0,556/

0,441

0,511 - 0,731/

0,610

0,583 - 0,711/

0,660

0,517 - 0,889 0,688

0,485-0,641/ 0,512

C s

0,063 - 0,082/

0,073

0,049 - 0,067/

0,057

0,068 - 0,096/

0,082

0,061-0,092/

0,081

0,077 - 0,104 0,09

0,071- 0,098/ 0,088

bờ Tây sông Trường Giang từ Bình Nam đến Bình Giang (bảng 2.1)

Sơ đồ phân chia các cấp cấu trúc nền thể hiện hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ phân chia các cấp cấu trúc nền ĐBVB Quảng Nam - Đà Nẵng [15]

Hình 2.2 Bản đồ cấu trúc nền ĐBVB Quảng Nam - Đà Nẵng tỉ lệ 1/50.000 [15]

Tương ứng với mỗi loại phụ dạng cấu trúc nền sẽ có cấu trúc địa chất và tí nh chất cơ lý đất nền tương ứng (Theo phụ lục bảng 11 – tài liệu [15])

Dựa vào hình 2.2 tác giả lựa chọn các phụ dạng cấu trúc nền tính toán, phân tích

mô hình số Cơ sở để lựa chọn các phụ dạng cấu trúc nền như sau:

 Cần xem xét chi tiết về: Kiểu, phụ dạng CTN đất yếu, trong đó cần chú trọng đến chiều sâu phân bố, bề dày các lớp đất yếu và các lớp “đất không

yếu” phân bố trên và bên dưới đất yếu Đặc điểm công trình của nền đường đắp (chiều cao nền đắp, bề rộng nền đường, ) Các yêu cầu kỹ thuật về độ lún và độ ổn định cho phép của nền đường trong thời gian thi công và đưa vào khai thác Các điều kiện thi công (vật liệu đắp nền, tiến độ, thiết bị và công nghệ thi công,…) Hiệu quả kinh tế và kỹ thuật của GPXL áp dụng

 Áp dụng được giải pháp xử lý nền đường đang nghiên cứu đó là giải ph áp

cố kết chân không

Kiểu

nền kiểu Phụ Dạng nền

Phụ dạng CTN

IAf IAf3

Đất yếu ambQ 2 có bề dày lớn từ 5 -10 m lộ ra trên mặt, thành phần bùn sét, bùn sét pha, bùn cát pha màu xám xanh, xám đen giàu vật chất hữu cơ, xen kẹp với sét pha

Dưới là sét, sét pha lẫn dăm sạn dẻo cứng amQ 13(2) dày

2-5 m Dưới cùng là đá gốc

Đất yếu ambQ 2 tương tự phụ dạng CTN IAb1 Sét, sét pha lẫn dăm sạn amQ 13(2): W= 24,69 - 30,15%; γ w = 19,2 KN/m 3 ; γ d = 1,9 - 15,4 KN/m 3 ;  s = 26,8 KN/m 3 ; G= 89,42 - 97,63%; e 0 = 0,74 – 0,84; PI= 6,65 - 17,52%; IL= 0,18 - 0,39; k d = 0,64 – 0,69; c = 10 – 29 kPa; φ = 15 0 42’ – 20 0 30’; a= 2,6 - 4,5 kPa -1 ;

N 30 = 12 -25 Tính năng xây dựng của đất thuộc loại trung bình

R tc = 150 – 200 kPa Dưới cùng là đá gốc có tính năng xây

dựng rất tốt

IAk IAk4

Đất yếu ambQ 2 ; amQ 13(2) lộ ra trên mặt có bề dày >10

m, thành phần bùn sét, bùn sét pha, bùn cát pha Dưới là sét, sét pha lẫn dăm sạn dẻo cứng amQ 13(2) dày 2 - 5 m

gốc

Cát pha, sét pha dẻo mQ 2 no; W= 26,70 -30,88%; γ w = 18,5 - 19,0 KN/m 3 ; γ d = 14,5 - 14,6KN/m 3 ;  s = 26,8 - 27,0 KN/m 3 ; G= 86,21 -96,95%; e 0 = 0,83 - 0,86; PI= 22,03 - 22,39%;IL= 0,51 - 0,84; K d = 0,43; c = 3,0 - 10 kPa ; φ=5 0 30’ – 16 0 05’; a

=3,70 - 4,0kPa -1 ; N 30 = 5 - 8.Đất nền có sức chịu tải tiêu chuẩn thấp R tc = 50- 75 kPa.Sét, sét pha lẫn dăm sạn dẻo cứng amQ 13(2)tương tự phụ dạng CTN IAf3 Đá gốc có tính năng xây

dựng tốt

IAg IAg2

Đất yếu ambQ 2 có bề dày 4 - 6 m lộ ra trên mặt, thành phần bùn sét, bùn sét pha, bùn cát pha màu xám xanh, xám đen giàu vật chất hữu cơ, xen kẹp với sét pha.Dưới cát hạt trung mQ 2 no, mQ 13(2)đn có bề dày lớn Dưới

Sét, sét pha lẫn dăm sạn dẻo cứng amQ 13(2) dày 2 - 3m

Đất yếu amQ 13(2)có bề dày >10 m, thành phần bùn sét, bùn sét pha, bùn cát pha màu xám xanh, xám đen Tiếp đến là sét, sét pha lẫn dăm sạn dẻo cứng amQ 13(2) Dưới

cùng là đá gốc.

Sét, sét pha lẫn dăm sạn dẻo cứng amQ 13(2) tương tự phụ dạng CTN IAf3 Đất yếu amQ 13(2)tương tự phụ dạng CTN IAd3 Sét, sét pha lẫn dăm sạn dẻo cứng amQ 13(2) phụ dạng CTN IAf3 Dưới cùng đá gốc có tính năng xây dựng tốt

I IB IBg IBg3

Đất yếu ambQ 2 có bề dày lớn từ 3 - 4 m lộ ra trên mặt, thành phần bùn sét, bùn sét pha, bùn cát pha màu xám xanh, xám đen giàu vật chất hữu cơ, xen kẹp với sét pha

Tiếp đến đất yếu cát pha, sét pha dẻo mQ no dày 2 - 5

Đất yếu ambQ 2 tương tự phụ dạng CTN IAb1 Đất yếu

mQ 2 no tương tự phụ dạng CTN IAl4 Cát hạt trung mQ 2 no tương tự phụ dạng CTN IAb1 Cát hạt nhỏ mQ13(2)đn tương tự

phụ dạng CTN IAb1

m Dưới cát hạt nhỏ đến trung mQ 2 no, bề dày rất lớn 13

- 15 m Dưới cùng cát hạt nhỏ mQ 13(2)đn dày 8 - 10m

IBg IBg4

Đất yếu ambQ 2 có bề dày lớn từ 5 - 7 m lộ ra trên mặt, thành phần bùn sét, bùn sét pha, bùn cát pha màu xám xanh, xám đen giàu vật chất hữu cơ, xen kẹp với sét pha.Tiếp đến đất yếu cát pha, sét pha dẻo mQ 2 no dày 7 -

mQ 13(2)đn có bề dày 3 - 5 m Dưới Sét, sét pha, cát pha

amQ 13(2) dày 5 -7m

Đất yếu mbQ 2 tương tự phụ dạng CTN IBl3 Đất yếu

mQ 13(2)đn tương tự phụ dạng CTN IAc2 Sét, sét pha, cát pha

amQ 13(2) tương tự phụ dạng CTN IAf3

IBs IBs3

Đất yếu bùn sét, bùn sét pha, bùn cát pha màu xám xanh, xám đen mQ 13(2)đn có bề dày 5 - 10 m Sét pha lẫn dăm sạn mlQ 13(1)ht dày 5 - 20m Cát hạt vừa đến thô chứa cuội sỏi aQ 1 dày 5 - 7 m Sét, sét pha xem kẹp cát pha nửa cứng amQ 1 mb dày 5 - 10 m Cát pha, sét pha lẫn

cuội tảng amQ 1 đp

Đất yếu mQ 13(2)đn tương tự phụ dạng CTN IAc2 Sét pha lẫn dăm sạn mlQ 13(1)ht tương tự phụ dạng CTN IAi4 Cát hạt vừa đến thô chứa cuội sỏi aQ 1 : W= 13,6%;γ w = 18,7 - 19,9 KN/m 3 ;

γ d = 16,3 KN/m 3 ;  s = 26,6 - 26,7 KN/m 3 ; e max = 0,93; e min = 0,43;α k = 34 0 ; α u = 32 0 , k v = 15,50 - 2,15 m/ngđ, N30 = 35 - 50 Sức chịu tải tiêu chuẩn của đất thuộc loại cao (R tc = 300 - 450 kPa) Tính năng xây dựng thuộc loại tốt trong nhóm đất rời Sét, sét pha xem kẹp cát pha nửa cứng amQ 1 mb: W= 23,27 - 28,75%; γ w = 19,3 - 19,5 KN/m 3 ; γ d = 15,0 - 15,7 KN/m 3 ;  s = 17,0 - 26,8 KN/m 3 ; G= 84,50 - 95,36%; e 0 = 0,71 - 0,81; PI= 5,46 - 18,28%; IL= 0,17 - 0,19; c = 10 – 30 kPa; φ = 16 0 30’ –

24 0 30’; a= 2,3 - 2,9 kPa -1 ; N30= 21 - 27 Đất nền có tính năng xây dựng thay đổi từ trung bình đến tương đối cao R tc = 175 – 250kPa Cát pha, sét pha lẫn cuội tảng amQ 1 đp: W= 18,16 - 19,41%; γ w = 19,8 - 19,9 KN/m 3 ; γ d = 16,7 - 16,8 KN/m 3 ;  s = 26,7 - 27,0 KN/m 3 ; G= 82,18 - 83,85%; e 0 = 0,59 - 0,62; PI= 6,48 - 11,98%; IL= -0,64 đến -0,45; k d = 1,16; c = 32kPa; φ = 25 0 15’; a = 1,5 kPa -1 ; N30 >50 Tính năng xây dựng

tốt R tc = 300 - 350 kPa

Bảng 2.3 Thuyết minh các cấp cấu trúc nền vùng đồng bằng ven biển Quảng Nam – Đà Nẵng [15]