Xây dựng mô hình nghiên cứu đặc tính lún của nền đất yếu sử dụng bấc thấm có xét đến thay đổi một số tính chất của đất

XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH LÚN CỦA NỀN ĐẤT YẾU SỬ DỤNG BẤC THẤM CÓ XÉT ĐẾN THAY ĐỔI MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA ĐẤT Học viên: Nguyễn Thị Phương Khuê Chuyên ngành: Kỹ thuật XD công trì

Trường đại học bách khoa

NGUYễN THị PHƯƠNG KHUÊ

XÂY DỰNG Mễ HèNH NGHIấN CỨU ĐẶC TÍNH LÚN CỦA NỀN ĐẤT YẾU SỬ DỤNG BẤC THẤM Cể XẫT ĐẾN THAY ĐỔI MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA ĐẤT

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CễNG TRèNH GIAO THễNG

Đà Nẵng - 2018

Trường đại học bách khoa

NGUYễN THị PHƯƠNG KHUÊ

XÂY DỰNG Mễ HèNH NGHIấN CỨU ĐẶC TÍNH LÚN CỦA NỀN ĐẤT YẾU SỬ DỤNG BẤC THẤM Cể XẫT ĐẾN THAY ĐỔI MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA ĐẤT

Chuyờn ngành: Kỹ thuật xõy dựng cụng trỡnh giao thụng

Mó số : 8580205

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Đà Nẵng - 2018

LỜI CAM ĐOAN Tôi 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

Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Phương Khuê

MỤC LỤC

Trang Trang phụ bìa

Lời cam đoan i

Mục lục ii

Tóm tắt luận văn vi

Danh mục các chữ viết tắt vii

Danh mục các bảng viii

Danh mục các hình ix

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu đề tài 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

6 Cấu trúc của luận văn 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG BẤC THẤM 4

1.1 Giới thiệu các công nghệ xây dựng nền đắp trên đất yếu và lịch sử phát triển của bấc thấm 4

1.1.1 Giới thiệu các công nghệ xây dựng nền đắp trên đất yếu 4

1.1.2 Lịch sử phát triển của bấc thấm 4

1.2 Các giải pháp sử dụng kết hợp cùng bấc thấm 5

1.2.1 Kết hợp gia tải trước bằng khối đắp 5

1.2.2 Kết hợp bơm hút chân không 6

1.2.3 Kết hợp hạ mực nước ngầm 7

1.3 Nguyên lý làm việc và cấu tạo xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm 8

1.3.1 Nguyên lý làm việc của bấc thấm 8

1.3.2 Cấu tạo xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm 8

1.4 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm 9

1.4.1 Trên thế giới 9

1.4.2 Tại Việt Nam 10

1.5 Mô hình vật lý và mô hình toán học xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm 12

1.5.1 Giới thiệu các mô hình 12

1.5.2 Một số mô hình vật lý xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm 14

1.5.3 Mô hình toán học mô phỏng xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm 17

1.6 Kết luận chương 1 19

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH LÚN CỦA NỀN ĐẤT YẾU SỬ DỤNG BẤC THẤM 20

2.1 Xây dựng mô hình thí nghiệm 20

2.1.1 Giới thiệu mô hình 20

2.1.2 Công tác chuẩn bị mẫu đất 21

2.1.3 Thiết bị thí nghiệm 21

a) Đầu đo áp lực nước lỗ rỗng (piezometer) 22

b) Đầu đọc số liệu (datalogger) 23

c) Đồng hồ đo chuyển vị 23

d) Vải địa kỹ thuật 23

e) Bấc thấm 24

2.2 Tính toán độ lún của nền đất yếu xử lý bằng bấc thấm kết hợp gia tải trước theo TCVN 9355:2012 24

2.3 Tính toán và đánh giá độ cố kết theo kết quả quan trắc áp lực nước lỗ rỗng 26

2.3.1 Tính toán áp lực nước lỗ rỗng từ số liệu quan trắc bằng thiết bị piezometer 26

2.3.2 Đánh giá độ cố kết theo kết quả quan trắc áp lực nước lỗ rỗng 26

a) Cơ sở dữ liệu phục vụ đánh giá 26

b) Độ cố kết theo kết quả quan trắc áp lực nước lỗ rỗng 26

2.4 Trình tự thí nghiệm 27

2.4.1 Chế bị thùng mẫu 27

2.4.2 Xác định các chỉ tiêu cơ lý đất trước khi gia tải 27

a) Lấy mẫu đất nguyên dạng 27

b) Thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của đất 28

2.4.3 Lắp đặt thiết bị quan trắc áp lực nước lỗ rỗng 33

2.4.4 Cắm bấc thấm 34

2.4.5 Tạo lớp mặt thoát nước 34

2.4.6 Lắp đặt các đồng hồ đo lún 35

2.4.7 Kết nối và kích hoạt các đầu đo áp lực nước lỗ rỗng 35

2.4.8 Gia tải và ghi chép số liệu 35

2.4.9 Xác định các chỉ tiêu cơ lý đất sau khi gia tải 36

2.5 Phân tích kết quả thí nghiệm từ mô hình vật lý 37

2.5.1 Kết quả các chỉ tiêu cơ lý của đất trước và sau khi gia tải 37

a) Kết quả các chỉ tiêu cơ lý của đất trước và sau khi gia tải 37

b) Nhận xét kết quả thí nghiệm 42

2.5.2 Diễn biến độ lún theo thời gian 48

a) Kết quả quan trắc độ lún theo thời gian bằng đồng hồ đo độ lún 48

b) Kết quả tính toán độ lún theo thời gian 49

2.5.3 Diễn biến áp lực nước lỗ rỗng theo thời gian 50

a) Số liệu quan trắc áp lực nước lỗ rỗng theo thời gian 50

b) Độ cố kết theo kết quả quan trắc áp lực nước lỗ rỗng 51

2.6 Kết luận chương 2 52

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG SỐ CHO MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM VÀ ỨNG DỤNG 53

3.1 Cơ sở phương pháp mô phỏng số 53

3.2 Đặc trưng vật liệu trong Plaxis 8.2 53

3.2.1 Mô hình Mohr-Coulomb 53

a) Các thông số của mô hình Mohr-Coulomb 53

b) Tham số đàn hồi 53

c) Các tham số đàn hồi thay thế 54

d) Tham số dẻo 54

e) Những thông số nâng cao 54

3.2.2 Mô hình soft soil model 55

a) Các tham số của mô hình đất yếu 55

b) Các thông số cơ bản 55

c) Những tham số phát triển 55

3.3 Kết quả mô phỏng số 56

3.3.1 Các bước mô phỏng số bài toán trên phần mềm Plaxis v8.2 56

3.3.2 Dữ liệu đầu vào 56

3.3.3 Giao diện các bước mô phỏng 58

3.3.4 Kết quả mô phỏng số 59

a) Trường hợp không có bấc thấm 59

b) Trường hợp có bấc thấm 60

3.4 Tính toán ứng dụng 62

3.4.1 Mục đích 62

3.4.2 Kết quả tính toán 63

3.4.3 Kết quả mô phỏng số 64

3.5 Kết luận chương 3 66

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 67

KẾT LUẬN 67

KIẾN NGHỊ 67 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao)

KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN (bản sao) MINH CHỨNG CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐỀ TÀI

XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH LÚN CỦA NỀN ĐẤT YẾU SỬ DỤNG BẤC THẤM CÓ XÉT ĐẾN THAY ĐỔI MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA ĐẤT

Học viên: Nguyễn Thị Phương Khuê Chuyên ngành: Kỹ thuật XD công trình GT

Mã số: 60.58.02.25 Khóa: 33 Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng

Tóm tắt: Để nghiên cứu đặc tính lún của nền đất yếu sử dụng bấc thấm có xét đến thay đổi một số tính chất của đất, đề tài xây dựng mô hình vật lý 0.5x0.5x1.2m, 2 đầu đo piezometer để quan trắc áp lực nước lỗ rỗng, 4 đồng hồ đo lún, gia tải cấp áp lực 5, 10, 15, 20kPa, xác định các chỉ tiêu cơ lý của đất trước và sau khi gia tải Kết quả nghiên cứu cho thấy trường hợp có bấc thấm thì sau gia tải các thông số trị , c, a có tăng rõ rệt, trong khi đó Cv, Ch, Kv, Kh, Ch/Cv, Kh/Kv có xu hướng giảm, trước gia tải Ch/Cv trong khoảng từ 1.179 đến 2.416, sau gia tải Ch/Cv trong khoảng từ 0.935 đến 1.965 Khi không có bấc thấm thì tính toán và mô phỏng số với số liệu cơ lý trước gia tải lệch so với độ lún quan trắc bằng đồng hồ đo lún lần lượt là 3.86mm (10.45%), 0.41mm (1.11%), với số liệu cơ lý sau gia tải lệch lần lượt là 2.29mm (6.20%), 0.21mm (0.56%) Trường hợp có bấc thấm thì sự sai khác khi tính toán, quan trắc lún, mô phỏng số giữa các chỉ tiêu cơ lý trước gia tải và sau gia tải là đáng kể, sử dụng

số liệu cơ lý sau gia tải cho kết quả khá gần với độ lún quan trắc và mô phỏng hơn trước khi gia tải

Cụ thể, tính toán và mô phỏng số với số liệu cơ lý trước gia tải lệch so với độ lún quan trắc bằng đồng

hồ đo lún lần lượt là 2.91mm (7.88%), 44.42mm (120.28%), sau gia tải lệch lần lượt là 0.80mm (2.17%), 1.26mm (3.41%)

Từ khóa: Mô hình nghiên cứu; độ lún; nền đất yếu; bấc thấm; mô phỏng Plaxis

BUILDING RESEARCH MODELS SETTLEMENT CHARACTERISTIC OF SOFT SOIL GROUND AS USING PREFABRICATED VERTICAL DRAINS

CONSIDERED TO CHANGE SOME PROPERTIES OF SOIL

Abstract: To study the settlement characteristics of soft soil ground using prefabricated vertical drains considered to change some properties of soil, the topic of physical modeling 0.5x0.5x1.2m, 2 piezometers for monitoring pore water pressure, 4 displacement meters; loading 5, 10, 15, 20kPa; determine the phy-mechanical properties of the soil before and after loading Research results show that case of prefabricated vertical drain, the values of , c, and a increase significantly, while C v , Ch,

Kv, Kh, Ch/Cv, Kh/Kv tend to decrease, before loading Ch/Cv ranged from 1,179 to 2,416, after loading

Ch/Cv from 0.935 to 1.965 In case of no PVD, the calculation and numerical simulation with the testing result of before loading deviation from the settlement monitoring by displacement meter is 3.86mm (10.45%), 0.41mm (1.11%), with the testing result of after loading deviation is 2.29mm (6.20%), 0.21mm (0.56%) In the case of having prefabricated vertical drain, the difference in calculation, subsidence observation, numerical simulation between the mechanical properties before and after loading is significant, when use the mechanical data after loading then the results are quite close to the subsidence of observation and simulation rather than before loading Such as, the calculation and numerical simulation with the testing result of before loading deviation from the settlement monitoring by subsidence meter is 2.91mm (7.88%), 44.42mm (120.28%), with the testing result of after loading deviation is 0.80mm (2.17%), 1.26mm (3.41%)

Key words: Research model; settlement; soft soil ground; prefabricated vertical drain; plaxis software

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu

ngang của mẫu

40

hồ đo độ lún

48

tải khi không và có bấc thấm

61

gia tải với độ lún quan trắc thực tế

61

Số hiệu

Số hiệu

Số hiệu

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Công nghệ xây dựng nền đắp trên đất yếu có thể được chia thành 2 loại: tác động đến bản thân nền đắp và tác động đến nền đất yếu phía dưới nền đắp [3], [10]

Xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm là một trong những giải pháp thoát nước thẳng đứng

và tác động đến nền đất yếu phía dưới nền đắp Ý tưởng sử dụng công nghệ này để tăng nhanh quá trình cố kết của đất yếu dưới tải trọng nền đắp đã có từ năm 1925 và bắt đầu triển khai từ năm 1930 [3] Tại Việt Nam, giải pháp bấc thấm được sử dụng trong xử lý nền đất yếu cho Dự án nâng cấp QL5 trên đoạn Km47 – Km62 vào năm

1993, sau đó dùng cho QL51 (Thành phố Hồ Chí Minh đi Vũng Tàu) Từ năm 1999 đến năm 2004, công nghệ này sử dụng rộng rãi trong các dự án nâng cấp và cải tạo QL1A (đoạn qua tỉnh Thừa Thiên Huế), QL18, QL61, QL80 Sau đó là một số công trình sử dụng bấc thấm như đường dẫn cầu Cần Thơ, đại lộ Đông Tây, dự án cầu Phú

Mỹ, nhà máy điện Nhơn Trạch, công trình đường Cà Mau – Năm Căn, cầu Nguyễn Tri Phương và đặc biệt dự án cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi Như vậy có thể khẳng định những ưu điểm mà bấc thấm mang lại như: thi công không gây ô nhiễm môi trường, thời gian thi công ngắn, giá thành vật liệu rẻ và nguồn cung cấp vật liệu ổn định nên giải pháp bằng bấc thấm vẫn được lựa chọn khi tính toán thiết kế xử lý nền đất yếu cho công trình

Hiện nay, công tác tính toán thiết kế xử lý đất yếu bằng bấc thấm cho các công trình xây dựng san nền, đê đập, đường giao thông có dạng nền đắp áp dụng theo Qui trình khảo sát, thiết kế nền đường ô tô đắp trên đất yếu 22TCN262-2000 [1] và tiêu chuẩn gia cố nền đất yếu bằng bấc thấm thoát nước TCVN9355-2012 [17] Mặc dù các đơn vị tư vấn thiết kế đã đạt được những kết quả nhất định tuy nhiên vẫn còn một số công trình gặp sự cố vì độ lún thực tế lớn hơn so với dự báo hoặc lãng phí đầu tư do sự sai khác giữa tính toán và thực tế Sử dụng lý thuyết tính toán kết hợp nghiên cứu thực nghiệm là hướng đi hợp lý để hạn chế sự sai khác giữa kết quả tính toán và thực tế Công tác quan trắc, đo đạc độ lún và theo dõi sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng đánh giá mức độ cố kết của đất yếu, xác định các chỉ tiêu cơ lý của đất trước và sau khi sử dụng bấc thấm từ mô hình trong phòng thí nghiệm mang ý nghĩa quan trọng

Với mong muốn tìm hiểu và đóng góp một phần nhỏ trong nghiên cứu xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm, tác giả chọn đề tài: “Xây dựng mô hình nghiên cứu đặc tính lún của nền đất yếu sử dụng bấc thấm có xét đến thay đổi một số tính chất của đất” Tác giả xây dựng mô hình vật lý trong phòng cho thùng mẫu đất sét yếu bão hòa nước kích thước 0.5x0.5x1.2m, sử dụng đầu đo piezometer ở các độ sâu khác nhau, tiến hành gia tải và quan trắc áp lực nước lỗ rỗng, độ lún theo thời gian, xác định các chỉ tiêu cơ lý của đất trước và sau khi sử dụng bấc thấm Số liệu thu thập được từ mô

hình vật lý, tác giả phân tích kết quả, mô phỏng số bằng phần mềm plaxis để đánh giá

sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng và theo dõi tốc độ lún theo thời gian S-t

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Xây dựng mô hình vật lý thí nghiệm cho một lớp đất sét yếu bão hòa nước có

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: nghiên cứu xử lý nền đất sét yếu bão hòa nước đồng nhất một lớp có sử dụng bấc thấm kết hợp gia tải Đo đạc quan hệ độ lún – thời gian, vận động của áp lực nước lỗ rỗng, sự thay đổi các tính chất cơ lý của nền đất yếu trước

và sau khi sử dụng bấc thấm

Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu trên mô hình vật lý đất sét yếu bão hòa nước đồng nhất một lớp có sử dụng bấc thấm kết hợp gia tải

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tổng hợp các cơ sở lý thuyết tính toán xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm theo các tiêu chuẩn hiện hành

Phương pháp thực nghiệm: Xây dựng mô hình vật lý trong phòng cho nền đất sét yếu bão hòa nước đồng nhất một lớp sử dụng bấc thấm kết hợp gia tải, quan trắc theo dõi diễn biến độ lún và áp lực nước lỗ rỗng theo thời gian, thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý đất trước và sau khi sử dụng bấc thấm

Phương pháp tổng hợp: Từ lý thuyết và thực nghiệm, phân tích kết quả thực nghiệm, mô phỏng số bằng phần mềm theo phương pháp phần tử hữu hạn Plaxis 8.2 kết hợp qui trình, qui phạm để đánh giá sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng, độ lún theo thời gian

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Tiến hành thí nghiệm một số chỉ tiêu cơ lý nền đất trước và sau khi gia tải

- Thu thập và phân tích kết quả quan trắc áp lực nước lỗ rỗng, độ lún theo cấp tải và thời gian của đất yếu xử lý bằng bấc thấm kết hợp gia tải

- Phân tích kết quả thí nghiệm để đánh giá sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng, tốc

độ lún theo thời gian

- Kết hợp thực nghiệm, tính toán và mô phỏng số, đề tài đã làm sáng tỏ và chỉ

ra rằng sử dụng các chỉ tiêu cơ lý sau gia tải để tính toán cho kết quả độ lún sát với kết quả quan trắc thực tế hơn

6 Cấu trúc của luận văn

Cấu trúc luận văn gồm phần mở đầu, kết luận, kiến nghị và 3 chương theo bố cục sau:

Phần mở đầu

Chương 1: Tổng quan về xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm

Chương 1 trình bày tổng quan giải pháp sử dụng kết hợp cùng bấc thấm, nguyên

lý làm việc và cấu tạo xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm; tình hình nghiên cứu và ứng dụng; mô hình vật lý và mô hình toán học xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm

Chương 2: Xây dựng mô hình vật lý nghiên cứu đặc tính lún của nền đất yếu

sử dụng bấc thấm

Chương 2 nghiên cứu mô hình vật lý nền đất sét dày 1.0m được gia tải các cấp áp lực 5, 10, 15, 20 kPa cho hai trường hợp là: Không có bấc thấm và có bấc thấm Lấy mẫu đất trước và sau gia tải cho cả hai trường hợp để thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý Trong quá trình gia tải, quan trắc độ lún và áp lực nước lỗ rỗng Phân tích kết quả thí nghiệm, tính toán độ lún, độ cố kết và từ đó đưa ra những khuyến nghị về việc sử dụng các chỉ tiêu cơ lý của đất trong tính toán xử lý nền đất yếu sử dụng bấc thấm kết hợp gia tải

Chương 3: Mô phỏng số cho mô hình thí nghiệm và ứng dụng

Chương 3 giới thiệu cơ sở phương pháp mô phỏng số, sử dụng kết quả của mô hình vật lý ở chương 2 để mô phỏng kết quả, làm sáng tỏ hơn về việc lựa chọn các chỉ tiêu cơ lý của đất trong tính toán xử lý nền đất yếu sử dụng bấc thấm kết hợp gia tải Kết luận và kiến nghị

1.1.1 Giới thiệu các công nghệ xây dựng nền đắp trên đất yếu

Mục tiêu của các công nghệ xử lý nền đất yếu là nhằm đảm bảo các công trình đắp trên nó ổn định, bền vững và duy trì được chất lượng sử dụng tương thích với các yêu cầu cả về kỹ thuật và kinh tế, cả về tiến độ thi công thực hiện dự

án trong xây dựng cũng như cả trong quá trình khai thác lâu dài Nếu nền đắp trên đất yếu bảo đảm ổn định và có độ lún trong phạm vi cho phép thì các hạng mục công trình khác xây dựng trên nền đắp đó mới có cơ sở để bảo đảm các yêu cầu khai thác sử dụng tương thích Phương pháp xử lý nền đất yếu dưới đất đắp có thể được chia thành 2 loại [3],[10]:

- Tác động đến bản thân nền đắp: xây dựng nền đắp theo giai đoạn, bệ phản

áp, gia tải tạm thời, nền đắp nhẹ, tăng cường bằng vật liệu kỹ thuật tổng hợp

- Tác động đến nền đất yếu phía dưới nền đắp: thay đất, bố trí phương tiện thoát nước thẳng đứng, cố kết bằng hút chân không, cột balát, cọc cát, cột phun vữa xi măng đất, cột đất gia cố vôi hoặc xi măng theo công nghệ phun ướt hoặc khô, điện thấm

1.1.2 Lịch sử phát triển của bấc thấm

Giải pháp xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp gia tải có tác dụng tăng nhanh độ lún cố kết, tăng mức độ ổn định sau khi đắp xong, rút ngắn thời gian đối với từng giai đoạn thi công Xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm là một trong những giải pháp thoát nước thẳng đứng và tác động đến nền đất yếu phía dưới nền đắp Ý tưởng sử dụng công nghệ này để tăng nhanh quá trình cố kết của đất yếu dưới tải trọng nền đắp đã có từ năm 1925 và bắt đầu triển khai từ năm 1930 Daniel D.Moran là người đầu tiên đề nghị sử dụng các hào cát được thi công theo phương pháp đào bằng máy, đào bằng gầu và được thi công thử nghiệm tại California, Mỹ Loại cát sử dụng phải có hệ số thấm tốt và trong thi công rất có khả năng các hào cát, giếng cát bị đứt đoạn nên khả năng thoát nước và chiều sâu còn hạn chế Người ta bắt đầu nghĩ ra cách thay thế vật liệu khác thuận lợi hơn để thi công [18]

Năm 1948 tại Thụy Điển, Kjellman tiến hành thử nghiệm bấc thấm được làm toàn bộ bằng giấy các-tông nhưng loại bấc thấm các-tông này nhanh chóng bị hư hại do áp lực của đất và sự phá hoại nhanh chóng khi thi công vào đất Vào năm

1972, Oleg Wager, một cộng sự của Kjellman, giới thiệu một loại bấc thấm mới

có lõi bằng nhựa tổng hợp bao quanh bởi giấy thấm, gọi là Geodrain Geadrain

sau đó được sử dụng rộng rãi, đặc biệt là châu Âu và Nhật Bản Một loại bấc thấm khác có tên là Alidrain được sử dụng ở Mỹ vào giữa cuối thập niên 70 (Holtz et

al 1991) [18] Bấc thấm được giới thiệu và sử dụng tại Việt Nam vào thập niên

90 Ngày nay, bấc thấm mà chúng ta biết được sản xuất bằng loại vật liệu tổng hợp (Geosynthetics) Lõi thấm là một loại chất dẻo có nhiều rãnh 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 Với kỹ thuật hiện nay, lưu lượng thoát nước của PVD có thể đạt 80

Tại Việt Nam, giải pháp bấc thấm được sử dụng trong xử lý nền đất yếu cho

Dự án nâng cấp QL5 trên đoạn Km47 – Km62 vào năm 1993, sau đó dùng cho QL51 (Thành phố Hồ Chí Minh đi Vũng Tàu) Từ năm 1999 đến năm 2004, công nghệ này sử dụng rộng rãi trong các dự án nâng cấp và cải tạo QL1A (đoạn qua tỉnh Thừa Thiên Huế), QL18, QL61, QL80 Sau đó là một số công trình sử dụng bấc thấm như đường dẫn cầu Cần Thơ, đại lộ Đông Tây, dự án cầu Phú Mỹ, nhà máy điện Nhơn Trạch, công trình đường Cà Mau – Năm Căn, cầu Nguyễn Tri Phương và đặc biệt dự án cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi

1.2.1 Kết hợp gia tải trước bằng khối đắp

Nguyên lý của giải pháp là đắp thêm một chiều cao đắp vượt quá chiều cao đắp thiết kế và duy trì trong thời gian t bằng độ lún cần đạt được đối với nền đắp thiết kế, sau khi đạt được mục đích này thì dỡ bỏ phần đắp thêm đó

Gia tải trước là phương pháp tác dụng áp lực tạm thời lên nền đất để tăng nhanh quá trình ép thoát nước lỗ rỗng, tăng nhanh tốc độ cố kết của đất, làm cho nền được lún trước và lún tới khi ổn định Bấc thấm đứng kết hợp gia tải trước là giải pháp xử lý nền đất yếu mang tính khả thi và hiệu quả cho các công trình xét về chiều sâu xử lý, chi phí, thời gian gia tải và các yếu tố khác Mục đích của việc sử dụng bấc thấm đứng kết hợp với biện pháp gia tải trước nhằm đẩy nhanh tốc độ cố kết và hạn chế độ lún trong tương lai của khu vực xử lý nền đất yếu

Các nguyên tắc khi áp dụng :

- Phải đắp theo giai đoạn, trong từng giai đoạn đắp phải đảm bảo nền ổn định

- Thời gian lưu tải phải đảm bảo quá trình cố kết hoàn thành, nền đất lún đến ổn

Hình 1.1: Kết hợp gia tải trước bằng khối đắp

1.2.2 Kết hợp bơm hút chân không

Quá trình cố kết của đất dưới tác dụng của bơm hút chân không là tiến trình làm cho áp lực nước lỗ rỗng giảm và tăng cường độ hữu hiệu Đây cũng là phương pháp sử dụng nguyên lý tháo nước cố kết để gia cố đất yếu Bơm hút chân không sử dụng áp suất chân không để tháo nước và cố kết đất

Khi sự gia tải trước yêu cầu lớn hơn 80kPa thì có thể sử dụng phương pháp gia tải đất kết hợp bơm hút chân không cùng lúc để làm cho cường độ yêu cầu vượt lên trên 80kPa (Phương pháp bơm hút chân không kết hợp gia tải tạm thời) Điều đó chứng tỏ rằng: áp lực kết hợp xuất hiện trong khối đất mới tạo thành thông qua áp lực gia tải tạm thời có thể đồng bộ hóa với quá trình giảm áp lực nước lỗ rỗng trong suốt quá trình gia tải Chúng có cường độ cao hơn so với cường độ tạo thành dưới tác dụng của phương pháp bơm hút chân không Do đó phương pháp kết hợp này tăng tốc độ cố kết và tăng cường độ cho đất Cùng một thời điểm, khối đất mới tạo ra bị co ngót và bị nén bởi áp suất chân không được tạo ra bởi phương pháp bơm hút chân không, đất sẽ

ổn định hơn dưới tác dụng của tải trọng bên ngoài và tốc độ của quá trình gia tải sẽ

tăng mà không làm đất bị đùn ra ngoài Cùng một lúc, áp lực chân không sẽ thay thế một phần áp lực đất trong biện pháp gia tải tạm thời, chiều dày của lớp gia tải có thể nhỏ xuống, và thời gian gia tải cũng được rút ngắn, vì vậy tổng tiến độ thi công sẽ rất ngắn so với các phương pháp gia tải thoát nước thông thường

Về bản chất có thể phân thành hai loại chính là thi công có màng kín khí và không có màng kín khí Ưu điểm của thi công có màng kín khí là có thể giảm khối lượng gia tải, tuy nhiên thi công phức tạp, phải có hào vây để làm kín khí nên gây khó khăn cho việc thi công cuốn chiếu trên các công trình có chiều dài lớn Thi công không

có màng kín khí thì đơn giản hóa thi công công có màng kín khí bằng cách bỏ đi màng kín khí, thay vào đó là đắp lớp gia tải cao hơn để bù đắp sự thiếu hụt về áp lực chân không Lớp gia tải có thể cao tới 2m nhưng ưu điểm là không phải thi công hào vây và màng kín khí

Hình1.2: Nguyên lý phương pháp có màng kín khí [16]

Hình1.3: Nguyên lý phương pháp không có màng kín khí [16]

1.2.3 Kết hợp hạ mực nước ngầm

Xuất phát từ khả năng nếu hạ mực nước ngầm sẽ gia tăng tải trọng của đất nền

do giảm được lực đẩy nổi và do đó sẽ đẩy nhanh quá trình cố kết

Hệ thống ống thoát nước loại ống HDPE được đặt dọc theo đường đầu cầu, ngoài chức năng thu nước từ bấc thấm thì hệ thống ống này còn có chức năng hạ thấp mực nước ngầm

Việc gia tăng được áp lực gây lún nhờ hạ mực nước ngầm, rút ngắn thời gian

xử lý nền mà vẫn tiết kiệm được chi phí

Hình 1.4: Đường hạ mực nước ngầm cho hệ thống ống HDPE

1.3 Nguyên lý làm việc và cấu tạo xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm (PVD) 1.3.1 Nguyên lý làm việc của bấc thấm

Dưới tác dụng của gia tải, áp lực nước lỗ rỗng của đất tăng cao tạo chênh lệch cột

áp, nước sẽ chảy từ nơi có áp cao sang nơi có áp thấp Do đó, nước trong đất sẽ thoát đến PVD theo phương ngang rồi chảy tự do dọc theo lõi bấc thấm theo phương thẳng đứng đến đệm cát dưới nền đường và thoát ra ngoài Kết quả là tăng nhanh quá trình

cố kết trong đất yếu, tăng sức chịu tải Vì vậy bấc thấm đặt vào trong nền đất làm tăng tốc độ cố kết và thời gian cần thiết để đạt tới độ cố kết sẽ giảm xuống nếu chỉ có thoát nước theo phương thẳng đứng

1.3.2 Cấu tạo xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm

Các bấc thấm (4) được cắm vào nền đất yếu (5), sau đó tiến hành lắp đặt thiết bị

đo áp lực nước lỗ rỗng (8) Tiến hành trải vải địa kỹ thuật (6) và rải lớp đệm cát (3) Tiếp theo định vị các mốc đo lún (7) rồi đắp nền đắp (2) Cuối cùng là gia tải bằng đắp gia tải nén trước (1)

Hình 1.5: Cấu tạo xử lý nền đất yếu [17]

1.0

1.4 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm 1.4.1 Trên thế giới

Barron (1948) [22] là người đầu tiên trình bày lời giải chi tiết cho bài toán thoát nước ngang cho giếng cát Để ứng dụng lời giải này, tiết diện bấc thấm là hình chữ nhật được qui đổi thành hình tròn tương đương Một số tác giả nghiên cứu đưa ra công thức chuyển đổi đường kính tương đương của bấc thấm như Hansbo (1979) [26], Atkinson và Eldred (1981), Rixner và nnk (1986), Long và Covo (1994) [21]

nghiệm trong phòng, tính toán ngược của các tác giả như Barron (1948) [21], Hansbo (1979, 1981) [26], Sathananthan và cộng sự (2008), Shin và cộng sự (2009), Tran-

cứu của Hansbo (1981), Bo và cộng sự (2003), Indraratna và Rujikiatkamjorm (2004), Tran-Nguyen (2010) [18]

Sử dụng phương pháp quan trắc hiện trường để theo dõi độ cố kết của đất, áp lực nước lỗ rỗng thay đổi theo thời gian là nghiên cứu của các tác giả Mesri và Choi (1985), Arulrajah và cộng sự (2009), Chu và cộng sự (2009) [13] Nghiên cứu về chất lượng của bấc thấm phải kể đến đầu tiên là nhóm tác giả Chu và cộng sự (2004) [14] Nghiên cứu ảnh hưởng của sự biến dạng và khả năng thoát nước hữu hạn của bấc thấm của tác giả Chai và Miura (1999,2000), Chai và cộng sự (2004) [31] Các nghiên cứu mới nhất, điển hình là của Bo (2004), Tran-Nguyen (2010) [18] đã thống nhất kết luận rằng nếu khả năng thoát nước của bấc thấm có thể duy trì tối thiểu 100-

khả năng thoát nước hữu hạn

Theo Holtz và nnk (1991) “Prefabricated vertical drains: Design and Performance”, CIRIA-1991, Bo và nnk (2003) viết về sử dụng bấc thấm để xử lý nền đất yếu đã được xuất bản Một số sách và báo cáo khác có nghiên cứu về PVD cũng đã được xuất bản như của các tác giả Mitchell và Katti (1981), ICE (1982), Jamiolkowski (1983) [20], Akagi (1994), Bergado (1996), Moseley và Krisch (2004), Raison (2004), Hansbo (2005), Indraratna và Chu (2005), Chu và cộng sự (2009a), và Chu et al (2012) [33]

Các nghiên cứu về sự kết hợp bấc thấm và hút chân không phải kể đến các tác giả như Holtz (1975), Choa (1989), Cognon và cộng sự (1994), Bergado và cộng sự (1998), Tang và Shang (2000), Indraratna và cộng sự (2004, 2005), Chai và cộng sự (2005, 2006) [16]; Bergado và nnk (2006), Rujikiatkamjorn and Indraratna (2007), Rujikiatkamjorn và nnk (2007, 2008) [23]; Walker and Indraratna (2006, 2009) [28]

Có nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng áp lực ngang đến khả năng thoát nước như

Kremer (1983), Rixner và nnk (1986), Holtz và nnk (1991), Chai và nnk (2004) [18] các nhóm nghiên cứu đều thống nhất rằng khả năng thoát nước của bấc thấm giảm khi

áp lực ngang tăng

1.4.2 Tại Việt Nam

Trên cơ sở bài toán cố kết thấm của N.Carrillo (1942), K.Terzaghi (1951), R.E.Glover (1930), R.A.Barron (1948), để thuận tiện cho việc tính toán Nguyễn Công Mẫn (1965, 1968) [4] đã đưa ra phương pháp cố kết thấm tương đương, quy bài toán

cố kết thấm theo ba hướng của K.Terzaghi – Barron đẳng biến dạng về bài toán cố kết thấm một hướng Terzaghi [13] Từ kết quả này xác định nhanh chóng giá trị tải trọng nén trước để khống chế chiều dày gia tải cần để loại trừ lún sau khi xây dựng công trình và tìm thời gian tương ứng với một độ cố kết định trước

Nguyễn Công Mẫn (2010) [35] ứng dụng phương pháp cố kết thấm tương đương trong các công trình nghiên cứu, Bùi Văn Trường và nnk (2013) [35] trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm trong phòng phương pháp cố kết bằng bấc thấm trong xử lý nền đất yếu Tác giả có những đóng góp quan trọng trong việc đưa ra cơ sở lý thuyết

và phương pháp giải bài toán cố kết thấm, kết quả nghiên cứu độ lún, biên thiên áp lực nước lỗ rỗng ở các độ sâu theo thời gian khi xử lý nền đất yếu bằng phương pháp hút chân không

Ngoài ra, Nguyễn Đình Thứ và nnk (2013) [9] đã tiến hành phân tích, đánh giá kết quả quan trắc trong thi công xử lý nền đắp trên đất yếu (bấc thấm, giếng cát, cọc cát đầm) từ thực tế gói thầu EX -9, KM91+300 – KM96+300 dự án xây dựng đường ô

tô cao tốc Hà Nội – Hải Phòng, nhằm đề xuất tiến trình thi công, thời gian kết thúc chờ đất cố kết, từ đó góp phần giải quyết tình trạng lún chênh lệch giữa các đoạn đường chuyển tiếp từ nền đường vào cầu và cống

Kết quả phân tích ổn định trượt sâu của công trình san lấp xử lý nền bằng bấc thấm (PVD) kết hợp gia tải trước thuộc Cảng Container Trung tâm Sài Gòn (SPCT) ở Khu Công nghiệp Hiệp Phước TP HCM của Trần Xuân Thọ (2013) cho thấy hệ số an toàn theo các phương pháp phân tích khác nhau có giá trị sai khác đáng kể, tuy nhiên hầu hết chúng vẫn tuân theo các nguyên tắc chung là tăng khi độ cố kết tăng và giảm khi tiến hành đắp gia tải thêm [18] Nghiên cứu giải pháp xử lý nền đất yếu bằng thiết

bị thoát nước thẳng đứng của Nguyễn Hồng Nam và nnk [34], được thực hiện dựa trên

mô phỏng bài toán cố kết thấm theo phương pháp phần tử hữu hạn theo sơ đồ bài toán phẳng, trong đó hệ số thấm tương đương theo phương đứng được tính từ độ cố kết trung bình trong điều kiện cố kết một trục từ công trình thực tế đường cao tốc Cầu Giẽ

- Ninh Bình Đồng thời xem xét ảnh hưởng của các tham số như chiều sâu bấc thấm, khoảng cách bấc thấm, hệ số thấm ngang, độ xáo trộn, hệ số thấm trong vùng xáo trộn đến độ lún và áp lực nước lỗ rỗng Kết quả mô phỏng cho thấy tốc độ cố kết tăng khi chiều sâu bấc thấm tăng, khoảng cách bấc thấm giảm, hệ số thấm ngang lớn, độ xáo

trộn giảm, hệ số thấm trong vùng xáo trộn lớn Tuy nhiên, khi chiều sâu bấc lớn hơn 15m thì ảnh hưởng nói trên không lớn, ảnh hưởng này rõ nét hơn khi đất nền có hệ số thấm ngang lớn so với hệ số thấm theo phương đứng

Lê Bá Vinh, Nguyễn Văn Thành (2014) [6] đã tiến hành phân tích đánh giá ổn định của công trình đắp trên nền đất yếu có xử lý bấc thấm dựa vào số liệu chuyển vị của nền theo 2 phương pháp Phương pháp Matsuo - Kawamura, và phương pháp Tominaga - Hashimoto trong điều kiện ở Việt Nam Việc phân tích được tiến hành thông qua phần mềm PLAXIS cho công trình thực tế là đường Nguyễn Văn Cừ nối dài tại thành phố Cần Thơ Từ các kết quả tính toán được, các tác giả rút ra kiến nghị về khả năng áp dụng của 2 phương pháp nêu trên ở Việt Nam

Vấn đề về chiều sâu cắm bấc thấm có hiệu quả liên quan đến trạng thái cố kết trước của đất yếu và chiều cao đắp, chiều sâu cắm bấc thấm nhỏ hơn vùng gây lún cũng được các tác giả như Nguyễn Hồng Hải [11] đề cập và chỉ ra rằng việc tính toán

độ cố kết trung bình U hợp lý khi chiều sâu xử lý bấc thấm đến hết phạm vi vùng gây

ra lựa chọn chiều sâu cắm bấc thấm nhỏ hơn vùng gây lún nhưng vẫn đảm bảo kinh tế

và kỹ thuật Tác giả Chu Tuấn Hạ (2005) [35] nghiên cứu về lựa chọn chỉ tiêu sức chống cắt của đất chỉ ra rằng cần lựa chọn thí nghiệm nén ba trục CU với độ ổn định cho giai đoạn ngay sau chất tải Ngoài ra khoảng cách bấc thấm và sự xáo động khi thi

< 5) thì sức chống cắt của đất không đáng kể vì vậy không nên dùng bấc thấm Để đạt được độ cố kết thì cần chọn tải trọng nén trước hợp lý và gia tải từng cấp Dương Hồng Phượng [2] có phân tích sự xáo trộn do thi công bấc thấm ảnh hưởng đến tính nén của đất và tác động của sự thay đổi đó đến độ lún của nền đất được cải tạo Nguyên nhân độ lún của nền đất được cải tạo bằng bấc thấm lớn hơn

độ lún của nền đất chưa được xử lý là do sự xáo trộn của nền đất trong quá trình thi công

Hồ Thị Lan Hương, Trần Nguyễn Hoàng Hùng [5] cho thấy sự làm việc của bấc thấm giữa tính toán lý thuyết và thực tế chưa phù hợp với nhau Chính vì vậy, nhiều công trình thi công xong vẫn tồn tại lún dư, gây ảnh hưởng không nhỏ đến chất lượng công trình Khi công trình có độ lún hết thời gian gia tải S < 0.6m thì nên sử dụng phương pháp vùng tương đương (FEM-2) để mô phỏng vì phương pháp này đơn giản, còn khi công trình có độ lún hết thời gian gia tải S > 0.6m nên

sử dụng phương pháp xem PVD là vật liệu đàn hồi có hệ số thấm theo phương đứng (FEM-1) vì nó có độ tin cậy cao hơn

1.5 Mô hình vật lý và mô hình toán học xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm 1.5.1 Giới thiệu các mô hình

Phương pháp mô hình hóa đã đưa đến lời giải cho hàng loạt vấn đề quan trọng và thiết thực đối với cả lĩnh vực khoa học và thực tế đời sống xã hội Mô hình hóa là phương pháp nghiên cứu bằng thực nghiệm trên mô hình của một đối tượng nào đó Quá trình mô hình hóa bao gồm hai phần là chế tạo mô hình và tiến hành thực nghiệm trên mô hình ấy

a) Mô hình ly tâm (Centrifuge model)

Mô hình Centrifuge được sử dụng để tiến hành các bài kiểm tra mô hình để nghiên cứu các vấn đề địa kỹ thuật như độ bền, độ cứng và công suất của nền móng cho các cầu và tòa nhà, giải quyết kè, ổn định độ dốc, kết cấu giữ đất, sự ổn định đường hầm và đê chắn sóng Các ứng dụng khác bao gồm mỏ đá nổ, di chuyển chất gây ô nhiễm trong nước ngầm, nước đá băng và băng đá

Zhen Fang (2006) [34] xây dựng mô hình kích thước 300x220mm, kết hợp thí nghiệm trong phòng và mô phỏng số nghiên cứu sự cải thiện của nền đất yếu bằng phương pháp trộn sâu như hình 1.6 Mô hình gồm có 1 cọc xi măng đất đường kính 50mm và chiều cao 200mm, lắp đặt các thiết bị đo áp lực nước lỗ rỗng, độ lún, áp lực đất và gia tải theo các cấp áp lực 10, 20, 40, 60kPa

Hình 1.6: Mô hình Centrifuge của Zhen Fang, 2006 [34]

Masaki Kitazume, Kenji Maruyama (1995) [31] đưa ra các thông số kỹ thuật chính và thiết bị xung quanh của máy ly tâm, xây dựng mô hình centrifuge để đánh giá

sự ổn định của áp lực kè như hình 1.7 Mô hình gồm lớp đất sét dày 20cm và 5 hàng

nhóm cọc DM nghiên cứu sự phá hoại đứt gãy của nhóm cọc

Hình 1.7: Mô hình Centrifuge của Masaki Kitazume, Kenji Maruyama (1995) [31] Stefan Larson, Bengt B.Broms [29] xây dựng hộp cắt kích thước 500x600mm và

4 cọc xi măng, quan trắc cơ chế phá hoại của cọc đơn và nhóm cọc

Hình 1.8: Mô hình hộp cắt của Stefan Larson, Bengt B.Broms [29]

b) Mô hình thực (Full scale model)

Mô hình full scale được tiến hành trong điều kiện thực tế, việc triển khai tốn nhiều kinh phí nên thường áp dụng vào công trình thực tế

c) Mô hình vật lý (Physical model)

Môi trường thực rất đa dạng và phức tạp, các mối quan hệ giữa các yếu tố đan xen chằng chịt ảnh hưởng lẫn nhau Để khảo sát hoặc nghiên cứu các mối quan hệ đó,

đã từ lâu con người phải sử dụng mô hình hóa như một công cụ, có ý nghĩa phải đơn giản hóa môi trường thực Mô hình không bao giờ chứa tất cả các đặc điểm của môi trường thực mà chỉ giữ lại các đặc điểm chính của các mối quan hệ chính của hệ thống

thực mà chúng có thể đặc trưng cho hệ thống đó

Ngoài mô hình toán học, thay cho làm thực nghiệm trên mô hình nguyên mẫu ngoài thực địa, người ta tiến hành thí nghiệm trên các mô hình thu nhỏ tuân thủ một số nguyên tắc và tiêu chuẩn và giữ nguyên tỷ lệ giữa các chiều (dài, rộng, cao, ) gọi là

mô hình tỷ lệ (mô hình vật lý)

1.5.2 Một số mô hình vật lý nghiên cứu xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm

Mô hình vật lý là một công cụ chuẩn xác để dự đoán những hiện tượng vật lý Qua đó hình dung rõ ràng bức tranh bản chất của hiện tượng và tìm các phân tích định tính tổng quát

Một mô hình vật lý có các chức năng chính sau:

- Tìm hiểu sâu về tính chất của một hiện tượng chưa rõ tiên đoán các biểu hiện, biến đổi của nguyên mẫu thông qua mô phỏng các đặc trưng và các lực thực tế tác dụng lên nguyên mẫu trong khả năng tối đa có thể

- Thu thập các đo đạc để khẳng định hay phủ định một kết quả lý thuyết

- Thu thập các đo đạc để nghiên cứu các hiện tượng quá phức tạp đối với các cách tiếp cận lý thuyết

Ưu điểm của mô hình vật lý:

- Tổng hợp toàn bộ các phương trình đặc trưng của một quá trình mà không cần các giả thiết đơn giản của mô hình toán;

- Kích thước nhỏ → đo đạc dễ dàng, chi phí thấp, có khả năng tiến hành đo đạc nhiều điểm đồng thời;

- Dễ dàng kiểm tra các điều kiện hiếm, cực đoan;

- Quan sát các hiện tượng tận mắt → ấn tượng định tính, tập trung hướng nghiên cứu

Nhược điểm của mô hình vật lý:

- Các hiệu ứng tỷ lệ (scale effects): do không mô phỏng hết được các tham số bằng mối quan hệ chính xác; các hiệu ứng tỷ lệ tương tự với các giả thiết đối với các phân tích lý thuyết;

- Các hiệu ứng phòng thí nghiệm (lab effects): do không thể mô phỏng các biên

và điều kiện biên như thật, ảnh hưởng tới quá trình; các giả thiết gần đúng

Một số mô hình vật lý nghiên cứu xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm:

- Mô hình của Saowapakpiboon và nnk (2011) [27] sử dụng đất sét yếu Bangkok Thái Lan như hình 1.9 nghiên cứu bấc thấm kết hợp hút chân không Một số kết quả

hợp hút chân không)

Hình 1.9: Mô hình vật lý thí nghiệm của Saowapakpiboon và nnk, 2011 [27]

- Mô hình của Buddhima Indraratna và nnk (2012) [23] nghiên cứu cố kết của đất sét yếu sử dụng bơm hút chân không như hình 1.10 Kết quả nghiên cứu về mối liên hệ giữa hệ số rỗng và hệ số thấm, chỉ số nén

Hình 1.10: Mô hình vật lý thí nghiệm của Buddhima Indraratna và nnk, 2012 [23]

- Mô hình luận án tiến sĩ kỹ thuật của Phạm Quang Đông (2015) [16] Mô hình

kích thước (2.0x1.0x1.2)m, cắm 02 bấc thấm khoảng cách 1.0m kết hợp hút chân không như hình 1.11 và 1.12 Kết quả thu được là tính hiệu quả của việc cố kết chân không kết hợp bấc thấm tăng nhanh quá trình cố kết (32.2%-36.4%) so với không có bấc thấm Góc ma sát trong của đất tăng (1.84-2.87) lần, cường độ lực dính tăng (3.17-4.53) lần, sức chống cắt không thoát nước tăng (4.71-9.07) lần; phù hợp chiều dày nền đất yếu xử lý từ (10-30) m

Hình 1.11: Sơ họa mô hình vật lý thí nghiệm của Phạm Quang Đông, 2015 [16]

Hình 1.12: Mô hình vật lý thí nghiệm của Phạm Quang Đông, 2015 [16]

nhóm tác giả Jun Chun – Chai và Norihiko Mirura đã đưa ra kết luận: sự tích đọng lớp sét quanh bấc thấm, sự tồn tại bọt khí ở dòng chảy trong bấc thấm có ảnh hưởng đáng

kể đến mực độ tháo nước của bấc thấm còn việc bấc thấm bị gấp khúc thì ảnh hưởng không đáng kể đến mức độ tháo nước của bấc thấm Kết quả nghiên cứu từ mô hình cho thấy sự xáo trộn nền đất quanh bấc thấm có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình cố

kết của nền đất, cụ thể hệ số thấm ngang trong vùng xáo trộn nhỏ hơn hệ số thấm ngang trong vùng không xáo trộn, còn hệ số thấm đứng thì không đáng kể

của vùng đất bị xáo trộn xung quanh bấc thấm khi thi công cắm bấc thấm vào nền đất

có nhiều lớp đất khác nhau đến tốc độ cố kết của nền đất Kết quả nghiên cứu của nhóm tác giả như sau: Khi cắm bấc thấm vào đất sẽ gây ra sự xáo trộn vùng đất xung

kính tương đương của bấc thấm) Sự gia tăng vùng xáo trộn phụ thuộc vào chiều dày lớp đất yếu, tốc độ cắm bấc thấm Góc nghiêng của ống cắm bấc thấm thì không ảnh hưởng nhiều đến sự xáo trộn trong mẫu đất phân lớp

- Hansbo [26] tóm tắt kết quả

của một số nghiên cứu và đề cập

đến khả năng xả thải bị ảnh hưởng

lớn bởi áp suất hạn chế Lý do là

các ống tuýp bộ lọc được ép chặt

vào hệ thống kênh ở áp suất cố

định cao hơn, làm giảm diện tích

kênh, hoặc các kênh bị ép với nhau

dưới áp suất cao hơn

Hình 1.13: Mô hình thí nghiệm của Hansbo [26]

- Miura N, Chai J-C, Toyota K (1998) [32] làm một chương trình thử nghiệm phòng thí nghiệm có hệ thống đã được tiến hành để xác định các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến khả năng xả thải Kết quả này chỉ ra rằng điều kiện gia cố và thời gian thử nghiệm là hai yếu tố chính ảnh hưởng đến khả năng xả của PVD

- Chua J., Bob M.W and Choac V (2006) [24] tiến hành thử nghiệm mô hình phòng thí nghiệm quy mô lớn đã được tiến hành để đánh giá sự phù hợp của PVD được lựa chọn và hiệu quả của PVD trong việc củng cố đất yếu Các phép thử mô hình cho thấy dung lượng xả của ống cống có thể giảm đáng kể sau khi hệ thống thoát nước

đã bị biến dạng lớn Các bài kiểm tra mô hình chỉ ra rằng có 84% giảm công suất xả sau khi PVD đã trải qua một dòng thẳng đứng 46% Do đó, có hiệu quả sử dụng PVD

để đẩy nhanh quá trình củng cố đất yếu

1.5.3 Mô hình toán học mô phỏng xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm

Mỗi bài toán đặt ra thường bao gồm: phương trình vi phân mô tả, điều kiện ban đầu và các điều kiện biên tương ứng Đa số các bài toán trong thực tiễn đều rất phức tạp và thường không thể tìm lời giải phân tích chính xác

Từ đầu thập kỷ 70, nhờ sự xuất hiện của máy tính điện tử, phương pháp giải gần đúng tỏ ra có hiệu quả và được ứng dụng rộng rãi; Trong các phương pháp giải gần đúng thì phương pháp sai phân hữu hạn (the finite difference method) và các phương

pháp biến phân (the variational methods) như phương pháp Rayleigh – Ritz và phương pháp Galerkin có nhiều ứng dụng trong thực tế

Với phương pháp biến phân người ta tìm lời giải xấp xỉ trên toàn miền bài toán,

do đó hàm xấp xỉ trên toàn miền bài toán thường là rất khó xây dựng; phương pháp phần tử hữu hạn (the finite element method) khắc phục được nhược điểm này là chia miền bài toán thành nhiều miền con và tìm hàm xấp xỉ trên miền con, còn gọi là phần

tử (element) với thỏa mãn điều kiện cân bằng và liên tục giữa các phần tử

Ray William Clough là người đầu tiên đưa ra cụm từ “phần tử hữu hạn – finite elements” ở một bài báo năm 1960 Phương pháp phần tử hữu hạn là một phương pháp

số đặc biệt có hiệu quả để giải những bài toán được biểu diễn bằng các phương trình đạo hàm riêng; miền tính toán được rời rạc hoá bằng cách chia miền xét ra làm nhiều miền nhỏ đơn giản có hình dạng tuỳ ý được gọi là các phần tử hữu hạn, mỗi phần tử gồm một số điểm nút, hàm xấp xỉ được tìm trên từng phần tử; do đó phương pháp nầy rất thích hợp với các bài toán có miền xác định phức tạp gồm nhiều vùng nhỏ có đặc trưng hình học, tính chất vật lý khác nhau, điều kiện biên khác nhau

Một trong các chương trình địa kỹ thuật sử dụng cơ sở lý thuyết phần tử hữu hạn được sử dụng phổ biến là bộ phần mềm Plaxis, gồm các môđun sau:

Một số mô hình toán mô phỏng xử lý nền đất yếu như:

- Mô hình của Rowe, R K., Taechakumthorn, C., 2008 [28] như hình 1.14 đánh giá ảnh hưởng của việc xử lý bấc thấm và không bấc thấm đối với mái dốc được xây dựng trên nền đất yếu Thông qua mô hình cho thấy rằng, sự có mặt của PVD đã làm giảm đáng kể sự phân tầng của đất nền Hơn nữa, áp lực nước lỗ rỗng tăng nhanh hơn sau khi kết thúc quá trình xây dựng

Hình 1.14: Hình ảnh mô hình của Rowe, R K., Taechakumthorn, C., 2008

- Belén and Schmidt [22] đã biểu diễn bằng mô hình số ba chiều giữa PVD và hệ

số thấm tương đương trong quá trình cố kết Một mô hình mô phỏng với PVD thực và

đo cuối cùng tương tự nhau, nhưng tốc độ cố kết và kết quả đo áp lực nước lỗ rỗng cho kết quả khác nhau Kết quả đo với PVD thực cho kết quả tốc độ cố kết nhanh hơn và giá trị áp lực nước lỗ rỗng thấp hơn

1.6 Kết luận chương 1

Qua phần tổng quan chương 1 cho thấy có rất nhiều tác giả và nhóm tác giả đã nghiên cứu về nhiều vấn đề liên quan về xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm Các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng: khoảng cách bấc thấm, chiều sâu vùng ảnh hưởng, các chỉ tiêu cơ lý, chiều sâu cắm bấc thấm,… là các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cố kết khi

xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm Các tác giả đã nghiên cứu thực nghiệm trong phòng, hiện trường, mô hình vật lý, mô hình full scale, sử dụng các phần mềm để mô phỏng kết quả thu thập được

Trong luận văn này tác giả đề xuất sử dụng mô hình vật lý trong phòng (0.5x0.5x1.2m) để nghiên cứu đặc tính lún của nền đất yếu sử dụng bấc thấm có xét đến thay đổi một số tính chất của đất Xét hai trường hợp không bấc thấm và có bấc thấm, thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý trước và sau gia tải Ở mỗi trường hợp, tiến hành quan trắc áp lực nước lỗ rỗng và độ lún bằng đồng hồ chuyển vị Kết quả thu được từ thí nghiệm và MHVL, kết hợp tính toán và mô phỏng bằng phần mềm Plaxis v8.2 để phân tích và đánh giá

CHƯƠNG 2

XÂY DỰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH LÚN CỦA NỀN ĐẤT YẾU SỬ DỤNG BẤC THẤM

2.1 Xây dựng mô hình vật lý

2.1.1 Giới thiệu mô hình

Xây dựng mô hình vật lý (MHVL) để đo đạc, nghiên cứu các đặc trưng, hiện tượng MHVL giúp việc thu thập số liệu một cách dễ dàng, làm sáng tỏ một số kết quả

lý thuyết mặc dù các giả thiết, điều kiện biên là gần đúng

Mô hình thí nghiệm là MHVL được xây dựng tại phòng thí nghiệm Cầu đường, khoa Xây dựng cầu đường, trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng Mô hình có

mặt bên là hệ kính cường lực dày 1cm, các piezometer (PIE) để quan trắc áp lực nước

lỗ rỗng, các đồng hồ đo chuyển vị để đo độ lún (DG), hệ giá đỡ thiết bị thí nghiệm

MHVL mô phỏng một lớp đất yếu dày 1m, cắm một bấc thấm ở giữa mô hình Các PIE quan trắc áp lực nước lỗ rỗng được bố trí ở các độ sâu khác nhau, các DG đo

độ lún được bố trí ngay mặt trên cùng Lớp cát dày 0.1m trên mặt khối đất có nhiệm

vụ tiêu thoát nước, bỏ qua nhiệm vụ gia tải vì quá nhỏ

Hình 2.1: Mô phỏng 3D mô hình vật lý

2.1.2 Công tác chuẩn bị mẫu đất

Đất thí nghiệm được lấy tại công trình “Nhà máy xử lý nước thải Huế”, hiện nay có xử lý bấc thấm cho nền đất yếu, dựa vào kết quả khảo sát địa chất 12/2017 cho

[17] thì nhận thấy đất phù hợp cho đề tài Thành phần hạt của đất như sau: Sét (<0.005mm) chiếm 42%, bụi (<0.1mm) chiếm 50%, cát gồm có cỡ hạt mịn (0.1-0.25mm) chiếm 4% và cỡ hạt vừa (0.25-0.5mm) chiếm 4% Trình tự chế bị thùng mẫu đất được thực hiện như sau:

- Đất lấy từ hiện trường về phòng thí nghiệm được kiểm tra, bẻ vụn cho vào thùng xốp và dùng vòi phun sương làm ẩm đất (hình 2.2), trộn nhiều lần đến khi được đất sét có trạng thái nhão (hình 2.3)

Hình 2.2: Bẻ vụn đất cho vào thùng xốp Hình 2.3: Trộn đều mẫu đất

2.1.3 Thiết bị thí nghiệm

Điều tra khảo sát các đặc điểm kỹ thuật của đất bao gồm áp lực nước lỗ rỗng, hiện trạng và mức độ ổn định của đất nền trong giai đoạn xử lý gia cố Kết quả của quan trắc cung cấp số liệu cảnh báo sớm về các sự cố hoặc đẩy nhanh tiến độ thi công

mà không để xảy ra sự cố hay nằm ngoài chỉ dẫn kỹ thuật của dự án Nhờ cập nhật thường xuyên các kết quả của quá trình quan trắc mà chúng ta có thể đưa ra quyết định một cách đúng đắn và kịp thời cũng như đánh giá hiệu quả của quá trình gia cố nền đất

Thiết bị thí nghiệm mô hình gồm: các piezometer đo áp lực nước lỗ rỗng, đầu đọc số liệu (datalogger), đồng hồ đo biến dạng, bấc thấm, vải địa kĩ thuật, hệ thống thu nước

Hình 2.4: Bố trí thiết bị cho mô hình thí nghiệm

a) Đầu đo áp lực nước lỗ rỗng (piezometer)

Piezometer là thiết bị được lắp đặt trong nền đất tại một độ sâu bất kỳ trong quá trình xử lý nền Đầu đo áp lực nước lỗ rỗng (ALNLR) được nối với đầu đọc datalogger

và số liệu sẽ được ghi vào trong bộ nhớ máy Thiết bị đo ALNLR phổ biến gồm hai loại là kiểu dây rung và kiểu ống đứng

Trong MHVL sử dụng 02 đầu đo ALNLR kiểu dây rung của hãng Encardio Rite, model EPP-30V, Ấn Độ đặt tại vị trí cách biên trái 150mm; 02 piezometer PIE1, PIE2 ở độ sâu lần lượt là 1.0m và 0.5m Nguyên lý làm việc của đầu đo là một dây kim loại ở trạng thái căng nối với một màng mỏng Khi có áp lực nước tác dụng vào màng, dây sẽ rung theo một tần số xác định Giá trị của tần số phụ thuộc vào độ lớn của lực Dây này được đặt trong cuộn dây và tạo ra dòng điện (hình 2.5)

Hình 2.5: Đầu đo áp lực nước lỗ rỗng (piezometer)

b) Đầu đọc số liệu (datalogger)

Datalogger là thiết bị đọc và ghi toàn bộ số liệu vào bộ nhớ khi kết nối hoạt động với đầu đo ALNLR Datalogger của hãng Geokon, Mỹ, model GK-403 Đầu đọc

số liệu sẽ ghi nhận giá trị dòng điện và chuyển sang tần số (hình 2.7)

d) Vải địa kĩ thuật

Vải địa kĩ thuật phân cách giữa lớp đất yếu và lớp đệm cát, giúp cho việc thoát

PIE 1 PIE 2

nước từ dưới lên của nền đất yếu Các thông số kỹ thuật của vải địa kĩ thuật không dệt ART9 (hình 2.8) chi tiết ở phụ lục PL01 đảm bảo các yêu cầu theo tiêu chuẩn TCVN9355:2012 [17]

e) Bấc thấm

Bấc thấm được sản xuất bằng loại vật liệu tổng hợp gồm lõi thấm và vỏ lọc Lõi thấm là một loại chất dẻo có nhiều rãnh 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 lọc có tác dụng làm bộ lọc nước, hạn chế các hạt đất di chuyển qua làm tắc nghẽn khe thoát nước Các thông số kỹ thuật của bấc thấm VID65 (phụ lục PL02) đảm bảo các yêu cầu theo tiêu chuẩn [15] (hình 2.9)

2.2 Tính toán độ lún của nền đất yếu xử lý bằng bấc thấm kết hợp gia tải trước theo tcvn 9355:2012

Độ cố kết U đạt được sau thời gian t kể từ lúc đắp xong xác định theo công thức sau [17]:

hi - chiều dày các lớp đất yếu nằm trong phạm vi vùng chịu nén Ha;

D – đường kính ảnh hưởng của bấc thấm; PVD bố trí theo kiểu ô vuông thì D = 1.13L; PVD bố trí theo kiểu tam giác thì D = 1.05L;

L – khoảng cách giữa các tim bấc thấm;

H – chiều dài bấc thấm hoặc nửa chiều dài bấc thấm tương ứng với thoát nước một hoặc hai phía;

thoát nước của bấc thấm đạt được ngoài hiện trường theo công thức sau:

với bùn cát 

Độ lún cố kết của nền đắp trên đất yếu được gia cố bằng bấc thấm sau thời gian

t được xác định như sau:

St = Sc.U (2.7) Trong đó:

U – độ cố kết của nền đất yếu sau khi đã được gia cố bằng bấc thấm

2.3 Tính toán và đánh giá độ cố kết theo kết quả quan trắc áp lực nước lỗ

Trong đó:

G, K - hệ số hồi quy tuyến tính trong bảng hiệu chuẩn

2.3.2 Đánh giá độ cố kết theo kết quả quan trắc áp lực nước lỗ rỗng

a) Cơ sở dữ liệu phục vụ đánh giá [12]

- Dựa trên kết quả quan trắc áp lực nước lỗ rỗng và mực nước ngầm

- Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tăng lên do quá trình gia tải và tiêu tán dần về

giá trị “0” khi cố kết đạt 100%

- Độ cố kết theo áp lực nước:

Trong đó:

EPWP (Excess pore pressure) - áp lực nước lỗ rỗng thặng dư;

- Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư:

Trong đó:

PWP (Pore water pressure): áp lực nước lỗ rỗng;

SWP (Static water pressure): áp lực nước tĩnh

b) Độ cố kết theo kết quả quan trắc áp lực nước lỗ rỗng [12]

Trong đó: