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

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

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

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2019

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHĐN

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS CHÂU TRƯỜNG LINH

Phản biện 1: TS Đỗ Hữu Đạo

Phản biện 2: TS Nguyễn Văn Châu

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật họp tại Trường Đại học Bách Khoa vào ngày 21 tháng 12 năm 2019

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại trường Đại Học Bách Khoa

- Thư viện Khoa , Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

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, đặc 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 của nền đắp trở nên khó khăn Bên cạnh

đó, đất yếu có khả năng nén lún khá lớn, độ thoát nước nhỏ nên nền đắp 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 cần 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 cần 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 tƣợng nghiên cứu

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

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 đất yếu trong quá trình cố kết chân không cho loại đất yếu nghiên cứu

- Xác định biên ảnh hưởng biến dạng lún của 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 cứu 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

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 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 đầm lầy có mực nước ngầm cao, vùng có nước tích đọng thường xuyên Các loại đất yếu thường gặp ở nước ta là bùn, than bùn, sét mềm, hữu cơ

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

1.1.2.1 Đồng bằng Bắc bộ

Vùng này thuộc địa hình bồi tụ, chiều dày rất lớn, từ vài mét đến hơn trăm mét, cấu 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 Vùng duyên hải thuộc vùng trầm tích phát triển trên các đầm phá cạn dần, bồi tích trong điều kiện lắng đọng tĩnh

1.1.2.3 Đồng bằng Nam bộ

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

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 đầm lầy, địa hình tích tụ do biển, địa hình tái tích tụ do gió

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

- Loại phân bố dưới sâu

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

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 đầu tiên được giới thiệu là vào năm 1952 bởi tiến sĩ W Kjellman Sau đó bài toán cố kết hút chân không được nghiên cứu lại bởi giáo sư Cognon với một số nguyên tắc lý thuyết cơ bản mới

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

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] 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

Tại Việt Nam, một nghiên cứu về phương pháp này do tác giả Nguyễn Thị Nụ [14], 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, cho kết quả độ lún quan trắc 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

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

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

2001 Hamburg Đức Kho hàng sân

bay

IGB – Dr Maybaum 238

2001 Bang Bo Thái Lan Đường vào

nhà máy điện Seatac 30

1999 Jangyoo

STP Hàn Quốc Nhà máy xử

lý nước thải KECC 70

1997 Wismar Đức Cảng Steinfeld &

1996 Khimae

Năm Tên công

trình

Đơn vị tƣ vấn

Phạm vi (m2)

SCETAU

10 ROUTE

ZAIDUN

2,6 LEENG

Hải ngoại Sân bay CEBTP 17,692

1990 Ambes Pháp Bể chứa dầu Mecasol 17,55

tra sân bay Test area 390

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

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 của 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

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 theo công thức (1.1) Theo Carrillo bài toán cố kết 3 hướng theo (1.1) có thể được xem xét như tổng hợp của hai bài toán cố kết theo phương thẳng đứng và phương bán kính

1.3.3 Các phương pháp giải bài toán cố kết thấm 1.3.3.1 Phương pháp cố kết nén lún tương đương

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

thức(1.7)

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

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 theo công thức (1.16)

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

Diện phân bố của các trầm tích đất yếu đa nguồn gốc chiếm khoảng 1/3 diện tích ĐBVB Quảng Nam - Đà Nẵng và tập trung chủ yếu ở phía Bắc tỉnh Quảng Nam từ sông Thu Bồn đến ĐBVB

Đà Nẵng, với chiều dày từ 5 - 10 m đến trên dưới 20m Khu vực phía Nam từ sông Thu Bồn đến Núi Thành, đất yếu chỉ phân bố cục bộ tại một số nơi ở Thăng Bình, Quế Sơn, ít hơn là Tam Kỳ

và Núi Thành Song đất yếu lại phân bố tập trung dọc theo sông Trường Giang với chiều dày 2 - 5 m, chiều dày lớn hơn chỉ xuất hiện một số nơi ở Bình Phục (Thăng Bình), bờ Tây sông Trường Giang từ Bình Nam đến Bình Giang

Tương ứng với mỗi loại phụ dạng cấu trúc nền sẽ có cấu trúc địa chất và tính chất cơ lý đất nền tương ứng (Theo phụ lục bảng

11 - Nguyễn Thị Ngọc Yến, “Nghiên cứu tính chất cơ lý nền đất

yếu đồng bằng ven biển Quảng Nam – Đà Nẵng phục vụ xây dựng đường giao thông”)

2.2 Mô hình tính cho bài toán cố kết chân không

2.3.1 Mô hình số tính toán

Trên cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn là một công cụ đắc lực để mô phỏng các bài toán về cố kết chân không và qua phân tích ưu nhược điểm của các phần mềm, cho thấy phần mềm Geostudio cho phép mô phỏng tốt bài toán cố kết chân không Trong nội dung Luận văn, tác giả sử dụng phần mềm GeoStudio

2012 tính toán ứng dụng để xác định ALNLR và biến dạng lún của nền

2.3.2 Tính toán kiểm tra cho công trình thực tế

2.3.2.1 Giới thiệu công trình:

Công trình nghiên cứu là vùng ven biển thuộc khu công nghiệp Pvtex Đình Vũ- Hải Phòng

2.3.2.2 Điều kiện địa chất nền:

Đất nền khảo sát gồm 7 lớp, chiều dày đất yếu nằm trong phạm vi từ lớp (3) đến lớp (6), lớp (2) là lớp Sét trạng thái chảy dày trung bình 4,5 m, lớp này không thể hiện ở hố khoan của vùng 1 Mặt cắt địa chất nền thể hiện ở hình 2.12, gồm các lớp đất như sau: Lớp (1) là lớp cát san lấp dày 2,1 m, (3) Sét pha trạng thái chảy dày trung bình 4,8 m, (4) Bùn sét pha trạng thái dẻo chảy dày trung bình 3,3 m, (5) Sét trạng thái dẻo chảy dày trung bình 5,2 m, (6) Sét trạng thái dẻo mềm dày trung bình 15,3 m, (7) Sét trạng thái dẻo cứng, dày trung bình 9,2 m

2.3.2.4 Kết quả thực nghiệm công trình

a Kết quả độ lún

Hình 2.17 Quan hệ giữa độ lún thực nghiệm và thời gian của

công trình Pvtex Đình Vũ – Hải Phòng

b Kết quả ALNLR

Hình 2.18 Quan hệ giữa ALNLR thực nghiệm và thời gian của

công trình Pvtex ĐìnhVũ – Hải Phòng

2.3.2.5 So sánh kết quả tính toán và thực nghiệm

a So sánh độ lún

Hình 2.19 Quan hệ giữa độ lún tính toán và thực nghiệm với thời

gian của công trình Pvtex Đình Vũ – Hải Phòng

b So sánh ALNLR

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

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

Hình 2.29 Quan hệ giữa độ lún tính toán với thời gian nhóm

1,2,3,4

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

Hình 2.30 Quan hệ giữa ALNLR tính toán với thời gian nhóm

1,2,3,4

2.5 Sự thay đổi khoảng cách bấc thấm

Hình 2.31 Quan hệ giữa độ lún và ALNLR tính toán với thời gian

nhóm 1

Hình 2.32 Quan hệ giữa độ lún và ALNLR tính toán với

thời gian nhóm 2

Hình 2.33 Quan hệ giữa độ lún và ALNLR tính toán với thời gian

- Khẳng định sự phù hợp của việc sử dụng mô đun SEEP/W

và SIGMA/W (phần mềm Geostudio 2012) để giải quyết bài toán

cố kết chân không, khi tiến hành tính toán kiểm tra cho công trình thực tế công trình Pvtex Đình Vũ - Hải Phòng Kết quả tính toán,

so sánh với kết quả thực nghiệm của các công trình đã cho thấy sự hợp lý khi ứng dụng 2 mô đun này

- Có thể sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô hình các công trình dùng bấc thấm kết hợp với áp lực chân không để gia cố nền đất yếu

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 3.1 Giới thiệu công trình tính toán

Gói thầu số 1 dự án đường cao tốc Đà Nẵng - Quảng Ngãi bắt đầu từ Km0+000 (điểm giao Quốc lộ 14B) và điểm cuối tại Km8+000 nằm trên địa bàn huyện Hòa Vang, thành phố Đà Nẵng Địa tầng khu vực trong phạm vi nghiên cứu bao gồm các lớp đất sau: Phụ lớp 1a - Sét màu nâu vàng, xám xanh, trạng thái dẻo mềm đến dẻo cứng, bề dày thay đổi từ 1,3 m Lớp 4 - Bùn sét pha màu xám đen, xám xanh, trạng thái chảy đến dẻo chảy dày 11m Phụ lớp 5b - Sét xám vàng, xám xanh, trạng thái dẻo cứng đến

nửa cứng dày 3m

3.2 Đặc điểm cấu trúc nền công trình

Toàn bộ tuyến nghiên cứu đều bắt gặp lớp đất yếu (lớp 4), lớp đất yếu này có chiều dày biến đổi khá mạnh, phân bố dưới là lớp đất tương đối tốt lớp 1a và nằm bên trên lớp đất tốt (lớp 5b)

3.3 Trình tự tính toán

Trình tự các bước tính toán bài toán cố kết chân không bằng việc tích hợp hai