Phát triển lới giải cố kết thấm trong điều kiện hút chân không ứng dụng xử lý nền nhà máy điện nhơn trạch II, đồng nai

Một bài toán xuất phát từ thực tế với ý muốn phân tích, so sánh, đánh giá tính hiệu quả của việc gia cố đất nền thông qua mức độ ảnh hưởng của các thông số đầu vào như : chiều cao gia tả

MAI TRỌNG MẪN

PHÁT TRIỂN LỜI GIẢI CỐ KẾT THẤM TRONG ĐIỀU KIỆN HÚT CHÂN KHÔNG - ỨNG DỤNG XỬ LÝ NỀN NHÀ MÁY ĐIỆN NHƠN TRẠCH II, ĐỒNG NAI

CHUYÊN NGÀNH : ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2010

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS TRẦN TUẤN ANH

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sỹ gồm:

1 GS TSKH NGUYỄN VĂN THƠ

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

- -

Tp.HCM, ngày 02 tháng 07 năm 2010

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên : MAI TRỌNG MẪN Phái : Nam

Ngày, tháng, năm sinh : 14 - 09 - 1984 Nơi sinh: Đăk Lăk

Chuyên ngành : ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG MSHV : 00908547

- Chương 2 : Phát triển lời giải cố kết thấm trong điều kiện hút chân không

- Chương 3 : Kiểm chứng kết quả của lời giải với số liệu quan trắc hiện trường từ công trình thực tế

- Chương 4 : Ứng dụng lời giải giải tích để tối ưu hóa bài toán xử lý nền bằng phương pháp gia tải trước kết hợp giếng thấm

- Kết luận và đề xuất phương hướng nghiên cứu tiếp theo

III - NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 25 – 01 – 2010

IV - NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 02 – 07 - 2010

V - CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS TRẦN TUẤN ANH

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN QL CHUYÊN NGÀNH CN BỘ MÔN

TS Trần Tuấn Anh PGS.TS Võ Phán

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS Trần Tuấn Anh, với vai trò là giáo viên

hướng dẫn đã dành nhiều thời gian quý báu hướng dẫn tận tình, định hướng cho tôi hoàn

thành nội dung luận văn Thạc sĩ này

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban quản lý dự án Nhà máy điện Nhơn Trạch 2 đã

cung cấp cho tôi các số liệu quan trắc thực tế, giúp tôi có cơ sở dữ liệu để thực hiện luận

văn

Xin gửi lời cám ơn đến tất cả các thầy cô giảng viên của khoa Xây dựng, bộ môn

Địa cơ nền móng, trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh, đã giảng dạy và

cung cấp những kiến thức bổ ích trong chương trình đào tạo, giúp tôi hoàn thiện kiến

thức làm nền tảng cho việc thực hiện và hoàn thành tốt Luận văn

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình đã chăm lo và động viên tinh thần

để tôi yên tâm học tập Xin cảm ơn tất cả các anh chị, các bạn học viên, các đồng nghiệp

ở cơ quan đã ủng hộ trong suốt quá trình học tập để tôi có thể hoàn tất được chương trình

học cũng như hoàn thành Luận văn thạc sĩ này

Học viên cao học

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Tên đề tài:

“Phát triển lời giải cố kết thấm trong điều kiện hút chân không - Ứng dụng

xử lý nền Nhà máy điện Nhơn Trạch II, tỉnh Đồng Nai”

Tóm tắt đề tài:

Xuất phát từ nhu cầu ứng dụng công nghệ gia tải trước kết hợp bơm hút chân

không vào việc thi công xử lý nền đất yếu, đã và đang được áp dụng ngày càng rộng rãi tại Việt Nam Cùng với những đặc tính ưu việt về mặt công nghệ của phương pháp hút chân không, đã mang lại hiệu quả xử lý nền đất yếu, nhất là về phương diện thời gian thi công Một bài toán xuất phát từ thực tế với ý muốn phân tích, so sánh, đánh giá tính hiệu quả của việc gia cố đất nền thông qua mức độ ảnh hưởng của các thông số đầu vào như : chiều cao gia tải, cường độ hút chân không, chiều sâu xử lý, … Từ đó có thể đưa ra các phương pháp hoặc khuyến cáo, tiến đến đề xuất một công cụ tính toán bằng lời giải toán học giải tích để ứng dụng trong thiết kế, thi công xử lý nền đường đất yếu bằng phương pháp gia tải trước đắp đất kết hợp bơm hút chân không, giúp cho các kỹ sư có thể so sánh chọn lựa các giải pháp thiết kế, thi công hiệu quả và kinh tế hơn

Việc nghiên cứu được dựa trên cơ sở lý thuyết của các tác giả trong và ngoài nước,

và các quy trình, quy phạm hiện nay Kết quả nghiên cứu được tác giả kiểm chứng so sánh với số liệu quan trắc của hai công trình thực tế, để làm cơ sở đánh giá tính ứng dụng của

đề tài

Mục tiêu cuối cùng được kỳ vọng là tìm ra được một công cụ tính toán bằng một lời giải toán học giải tích, sử dụng tính toán độ cố kết cho nền đất yếu được xử lý bất thấm, giếng cát, … gia tải trước kết hợp bơm hút chân không để làm cơ sở xác định phương pháp gia tải hiệu quả nhất, phục vụ nhu cầu của các kỹ sư thiết kế, thi công công trình bằng công nghệ tiên tiến này

SUMMARY OF THESIS Title:

“To expand the analytical consolidation solutions including the effects of vacuum preloading – applied for soil improvement work of Nhon Trach II power plant, Dong Nai Province”

Abstract:

Derived demand for technology application combined surcharge and vacuum preloading on the soft soil foundation construction, has been increasingly widely deployed in Vietnam Along with the preeminent particularities in terms of technology of vacuum method, bringing effective soft soil foundation treatment, especially terms of execution time A problem proceeded from practically, along with accord to analyze, compare and estimate the effectiveness the of improvement of soil, through the level of influence of input parameters such as : surcharge height, vacuum intensity, treatment depth, From which can make methods or recommendations, progress to propose a calculator by analysis mathematical, for applications in the design and construction works by combined surcharge and vacuum preloading method, help engineers can compare, set together select design solutions, construction efficiency and more

The study was based on the theory of the in country authors and abroad, available processes, rules Research results are verified authors compared data monitoring of two work practices, as a basis to assess applications of the subject

The ultimate purpose is expected to be finding a calculator with a mathematical analysis solution, using calculation the consolidation for soft soil foundations is processed PVDs, sand wells, … is effected combination the surcharge and vacuum preloading for basis to determine the method of preloading the most effective, to serve need of design engineers, constructor by this advanced technology

CHƯƠNG MỞ ĐẦU 0.1 Đặt vấn đề

Để đạt được những mục tiêu trong công cuộc phát triển kinh tế, thì yêu cầu

về công tác đầu tư và xây dựng cơ sở hạ tầng ngày càng được đẩy mạnh Số lượng

và quy mô của các khu công nghiệp, cảng và nhà máy được xây dựng tại các khu vực duyên hải, hoặc châu thổ để tận dụng các thuận lợi về địa điểm và vị trí địa lý càng ngày càng lớn

Ở nước ta, từ các khu vực châu thổ Bắc bộ, Thanh - Nghệ Tĩnh, ven biển Trung bộ, đến đồng bằng Nam Bộ đều có những vùng đất yếu Để xây dựng các công trình dân dụng và công nghiệp có tải trọng lớn trong khu vực này cần phải có các biện pháp xử lý nền trước khi xây dựng công trình

Các biện pháp xử lý gia cố nền đất yếu truyền thống đã được áp dụng và thành công như đắp gia tải trước bằng nền đắp trên lớp đệm cát, kết hợp cắm bấc thấm, giếng cát, cọc cát Gần đây, việc áp dụng các biện pháp xử lý nền tiên tiến trên thế giới vào các công trình trong nước cũng mang đến những thành công vượt mong đợi về hiệu quả và thời gian

Phương pháp gia cố đất nền bằng gia tải trước đắp đất kết hợp bơm hút chân không đã được áp dụng vào một số công trình tại nước ta và cho thấy rất nhiều ưu điểm, thực sự rất có triển vọng là một trong các phương pháp xử lý nền hiệu quả được áp dụng phổ biển trong tương lai

Đối với nước ta, có thể nói xử lý nền bằng bơm hút chân không là một phương pháp mới, mới cả về công nghệ thi công cũng như phương pháp thiết kế, có thể gây

ra không ít khó khăn cho các kỹ sư địa kỹ thuật khi gặp phương pháp này

Đề tài luận văn này nghiên cứu về nguyên tắc làm việc và đưa ra các lời giải giải tích tính toán áp lực nước lỗ rỗng và độ cố kết của nền đất Các kết quả đạt

được có thể được ứng dụng hiệu quả trong thiết kế và thi công phương pháp gia cố nền đất bằng gia tải trước đắp đất kết hợp bơm hút chân không

0.2 Nội dung nghiên cứu

Nguyên cứu nguyên tắc làm việc của nền được gia tải trước kết hợp với giếng thấm

Xây dựng một lời giải giải tích cho phương trình cố kết thấm của nền đất yếu dưới dạng mô hình lăng trụ thấm đối xứng trục trong điều kiện gia tải đất đắp kết hợp bơm hút chân không

Ứng dụng lời giải giải tích vào việc tính toán áp lực nước lỗ rỗng, độ cố kết,

độ lún của nền, so sánh với các giá trị quan trắc từ công trình thực tế (Nhà Máy Điện Chu Trình Hỗn Hợp Nhơn Trạch 2 và Cảng Thiên Tân, Trung quốc) nhằm kiểm chứng độ chính xác và khả dụng của lời giải được xây dựng

Ứng dụng lời giải giải tích như là một công cụ để đưa ra các tính toán nhanh chóng đánh giá nhằm tối ưu hóa bài toán thiết kế và thi công xử lý nền bằng phương pháp gia tải trước bằng đất đắp kết hợp bơm hút chân không cho một khu vực Nhà máy điện Nhơn Trạch 2

0.3 Mục đích - ý nghĩa của đề tài

Những kết quả đạt được có thể được tóm tắt thành quy trình trong công tác thiết kế và theo dõi quá trình nghiệm thu trong các công trình sử dụng công nghệ bơm hút chân không phục vụ cho người kỹ sư địa kỹ thuật

Những kết quả trên cũng đưa ra một công cụ mới đơn giản và nhanh chóng để tính mức độ khả thi, hiệu quả đầu tư của một dự án áp dụng phương pháp gia cố nền đất bằng gia tải trước đắp đất kết hợp bơm hút chân không

0.4 Hạn chế của đề tài nghiên cứu

Do thời gian thực hiện có hạn nên đề tài không đề cập đến các vấn đề về sức chịu tải của đất

TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về đất yếu

1.1.1 Khái niệm về đất yếu

Đất yếu nói chung là những loại đất có khả năng chịu tải thấp hay không có khả năng chịu tải, có tính nén lún lớn, hầu như bảo hòa nước

Terzaghi và Peck (1967) đã định nghĩa sét rất yếu khi cường độ nén đơn qunhỏ hơn 25 kPa và yếu khi nó lớn hơn 25kPa và nhỏ hơn 50 kPa Cũng có một số nhà nghiên cứu cho rằng sét yếu có sức chống cắt su <40 kPa Hệ số rỗng của sét yếu e>1 và giới hạn lỏng wl > 50%

Đất yếu là một trong những đối tượng nghiên cứu và xử lý rất phức tạp, đòi hỏi công tác khảo sát, điều tra, nghiên cứu, phân tích và tính toán rất công phu Để

xử lý đất yếu đạt hiệu quả cao cũng phải có yếu tố tay nghề thiết kế và bề dày kinh nghiệm xử lý của tư vấn trong việc lựa chọn giải pháp hợp lý

1.1.2 Nhận dạng đất yếu

Các loại nền đất yếu thường gặp

 Đất sét mềm: gồm các loại đất sét hoặc á sét tương đối chặt, ở trạng thái bão hòa nước, có cường độ thấp;

 Bùn: Các loại đất tạo thành trong môi trường nước, thành phần hạt rất mịn (<200µm) ở trạng thái luôn no nước, hệ số rỗng rất lớn, rất yếu về mặt chịu lực;

 Than bùn: Là loại đất yếu có nguồn gốc hữu cơ, được hình thành do kết quả phân hủy các chất hữu cơ có ở các đầm lầy (hàm lượng hữu cơ từ 20 – 80%);

 Cát chảy: Gồm các loại cát mịn, kết cấu hạt rời rạc, có thể bị nén chặt hoặc pha loãng đáng kể

Một số chỉ tiêu phân biệt loại đất mềm yếu:

Chỉ tiêu Hàm lượng nước tự

nhiên (%)

Độ rỗng tự nhiên

Cường độ chịu cắt (Kpa)

Chỉ tiêu

Loại đất

Hàm lượng nước tự nhiên (%)

Độ rỗng

tự nhiên

Hệ số co ngót (Mpa-1)

Độ bão hoà (%)

1.1.3 Vị trí của nền đất yếu tại Việt Nam

Nền đất yếu thường gặp ở khu vực miền duyên hải (bãi bồi ven sông, biển) hoặc ở các thung lũng thuộc vùng núi… có chung đặc tính là lượng nước tự nhiên lớn (≥ 35%) độ lún cao, cường độ chịu cắt thấp (< 35Kpa), hệ số rỗng lớn (e ≥ 1,0)

và độ thoát nước kém Ở nước ta, các khu vực châu thổ Bắc bộ, Thanh - Nghệ Tĩnh, ven biển Trung bộ, đến đồng bằng Nam Bộ đều có những vùng đất yếu

Đối với các công trình được xây dựng trên nền đất yếu này, trước khi tiến

hành thi công cần phải sử dụng các biện pháp xử lý nền đất, nhằm gia tăng cường

độ của nền cũng như giảm độ lún khi xây dựng công trình lên nền đất

1.2 Phương pháp xử lý nền bằng gia tải trước kết hợp giếng thấm

Một trong những phương pháp xử lý nền được sử dụng phổ biến trên thế giới

là phương pháp gia tải trước kết hợp với các thiết bị thoát nước thẳng đứng (giếng thấm)

1.2.1 Kỹ thuật gia tải trước

Gia tải trước là quá trình nén trước nền đất trước khi xây dựng công trình Nếu tải trọng nén trước tác dụng tạm thời lớn hơn tải trọng thường xuyên của công trình thì phần chênh lệch được gọi là gia tải

Hình 1.1: Xử lý nền bằng phương pháp gia tải trước

Phương pháp gia tải trước đơn giản nhất là phương pháp sử dụng đất đắp Khi tải trọng đặt trên nền đất yếu, đầu tiên toàn bộ tải trọng sẽ do nước lỗ rỗng gánh chịu Áp lực nước lỗ rỗng sẽ giảm dần khi nước lỗ rỗng thấm theo phương thẳng đứng ra khỏi nền đất làm cho nền đất cố kết

Hình 1.2: Kết quả độ lún do quá trình gia tải trước

Tải trọng tạm thời có thể được dỡ bỏ khi nền đất có độ lún đạt được giá trị độ lún cuối cùng với cấp tải trọng thiết kế Sau đó, nếu xây dựng công trình lên nền đất

này dộ lún cố kết sẽ không còn đáng kể Ngoài ra, với sự gia tăng về cường độ cũng như tốc độ gia tải thì độ lún thứ cấp sẽ được giảm đáng kể Điều này được giải thích

là, khi sử dụng tải trọng gia tải trước lớn hơn tải trọng làm việc của công trình, đất nền luôn luôn nằm trong trạng thái quá cố kết và tính lún thứ cấp của đất quá cố kết thì nhỏ hơn rất nhiều so với đất cố kết thường Điều này có ý nghĩa rất lớn trong thực tế (Johnson, 1970) Tuy nhiên phần gia tải chỉ có thể dỡ đi khi áp lực nước lỗ rỗng trong đất tiêu tán hoàn toàn

1.2.2 Giếng thấm

a Giới thiệu

Lún cố kết luôn gây ra nhiều vấn đề với nền móng công trình, hệ số thấm của đất yếu thường rất nhỏ nên độ lún cố kết chỉ kết thúc sau một thời gian rất lâu Để rút ngắn thời gian cố kết người ta dùng kỹ thuật giếng thấm cộng với phương pháp gia tải trước Giếng thấm là đường thoát nước nhân tạo được cắm vào nền đất yếu, dưới tác dụng của gia tải, gradient thủy lực của nước trong lỗ rỗng gia tăng làm nước thấm theo phương ngang vào các giếng thấm và sau đó nước sẽ thấm tự do một cách nhanh chóng theo giếng thấm đi lên trên bề mặt Như vậy dùng giếng thấm sẽ rút ngắn chiều dài đường thấm cho nên thời gian cố kết cũng được rút ngắn một cách đáng kể Hơn nữa thông thường hệ số thấm theo phương ngang lớn hơn hệ

số thấm theo phương đứng cho nên thời gian kết thúc cố kết sẽ được rút ngắn lại Giếng thấm có hai chức năng rõ rệt :

 Rút ngắn thời gian cố kết

 Tăng sức chống cắt

Hình 1.3: Gia tải trước với giếng thấm

D.J.Moran (kỹ sư người Mỹ) là người đầu tiên đề nghị sử dụng giếng cát vào năm 1925 và được thi công thử nghiệm một vài năm sau đó tại California

Phương pháp giếng cát có một số nhược điểm nhất định Cát được sử dụng trong giếng cát phải được chọn lựa kỹ lưỡng để có hệ số thấm tốt nhất cho nên phải vận chuyển cát từ những nguồn thích hợp xa vị trí công trường Ngoài ra, trong khi thi công rất có khả năng giếng cát bị đứt đoạn không bảo đảm được vai trò thoát nước do lỗi trong thi công hoặc do chuyển vị ngang của nền lớn Người ta đã bắt đầu nghĩ ra cách thay thế vật liệu thuận lợi hơn để thi công giếng thấm

Tại Thụy Điển vào giữa thập niên 1930, Kjellman bắt đầu tiến hành thử nghiệm giếng thấm chế tạo sẵn hoàn toàn bằng các tông Tuy nhiên với vật liệu giếng thấm này vấn đề nảy sinh là sự phá hoại nhanh chóng bấc thấm khi thi công vào nền đất Vào năm 1971, Wager cải thiện bấc thấm Kjellman bằng cách sử dụng lõi làm bằng chất dẻo (polyethylene) nhằm thay thế lõi bằng các tông Một thời kì mới mở ra đối với giếng thấm, một số lượng bấc thấm chế tạo sẵn đã xuất hiện Thi công cắm bấc thấm được cải thiện về tốc độ và chiều sâu cắm Ngày nay bấc thấm được xem là vật liệu chính phổ biến dùng để xử lý nền đất có độ sâu lớn, được áp dụng rộng rãi cho các dự án đường, cảng, sân bay…

Bấc thấm thường có bề rộng 100mm, dày 3  5mm Lõi bấc thấm là một loại chất dẻo, có nhiều rãnh nhỏ để làm khe thoát nước hoặc để đỡ võ lớp bọc khi có áp

lực ép vào bấc thấm Bao quanh lõi là lớp vỏ bằng vải địa kỹ thuật bằng nhựa tổng hợp hoặc dạng dệt từ sợi nhựa tổng hợp Vỏ có tác dụng làm bộ lọc nước, hạn chế các hạt đất đi qua làm tắc nghẽn khe thoát nước Với kỹ thuật sản xuất bấc thấm hiện nay, lưu lượng tháo nước của bấc thấm có thể đạt 80m3  140m3/năm cao hơn rất nhiều so với độ thấm của đất yếu

Hình 1.4: Hình dạng bấc thấm và ống cắm bấc thấm điển hình

b Vùng ảnh hưởng của giếng thấm

Thời gian để đạt được độ cố kết là hàm số phụ thuộc vào bình phương đường kính có hiệu de của giếng thấm Thông số này có thể được không chế theo ý muốn

vì nó phụ thuộc vào khoảng cách giữa các giếng thấm và sơ đồ bố trí giếng thấm Giếng thấm thường được bố trí theo sơ đồ lưới hình tròn hoặc lưới tam giác đều

(Hình 1.5)

Hình 1.5: Sơ đồ bố trí bấc thấm trong nền

Đường kính vùng ảnh hưởng của giếng thấm được xác định như sau:

 d = 1.13S lưới hình vuông

 d = 1.05S lưới tam giác

Bố trí giếng thấm theo lưới hình vuông thuận tiện cho việc thi công hơn và thường được chọn, tuy nhiên lưới tam giác cho sự cố kết thấm giữa các giếng đồng đều hơn

c Các đặc trưng của giếng thấm

1 Đường kính tương đương

Trong lý thuyết cố kết thấm theo phương ngang giếng thấm có hình trụ tròn, trong khi đó bấc thấm có tiết diện hình chữ nhật nên cần phải quy đổi thành tiết diện tròn với đường kính tương đương sao cho khả năng thoát nước bằng nhau Hansbo (1979) đề nghị đường kính tương đương bấc thấm có thể xác định theo công thức sau:

Hình 1.6: Quy đổi đường kính tương đương của bấc thấm

2 Khả năng thoát nước

Mục đích của việc sử dụng bấc thấm là làm tiêu tán nhanh áp lực nước lỗ rỗng

và tháo nước lỗ rỗng trong nền đất yếu ra ngoài Vì vậy khả năng thoát nước của bấc thấm càng cao thì hiệu quả của bấc thấm càng lớn Khả năng thoát nước phụ thuộc vào nhiều lý do:

 Áp lực ngang của đất: Khi áp lực ngang của đất lên phần bấc thấm tăng, khả năng lọc nước của lõi thấm sẽ giảm xuống do sự giảm diện tích mặt cắt ngang dòng chảy

 Độ lún của nền đất lớn: Trong quá trình lún của nền đất sẽ kéo theo bấc thấm cùng lún theo, chuyển vị này sẽ làm cho bấc thấm bị uốn cong, gấp chồng làm giảm

đi khả năng dẫn nước của bấc thấm

 Sự tắt đường thoát nước: Trong quá trình lọc nước của lõi thấm từ đất nền vào giếng thấm dẫn đến sự tích tụ các hạt mịn trong nền vào trong lõi thấm Khi sự tích tụ này đủ lớn có thể sẽ gây ra hiện tượng nghẽn lõi thấm

 Thời gian: Khả năng thoát nước có thể giảm do sự lão hóa của thiết bị thoát nước Sự hư hại bấc thấm có thể xảy ra do các quá trình sinh hóa diễn ra trong nền đất

 Gradient thủy lực: Khả năng thoát nước sẽ khác nhau khi gradient thủy lực thay đồi và sẽ nhỏ hơn khi có gradient thủy lực quá lớn Điều này có thể do sự mất

mát năng lượng của dòng chảy vì hiện tượng chảy rối khi dòng chảy có gradient thủy lực khá lớn

3 Vùng xáo trộn

Một yếu tố cần xét đến trong trong quá trình tính toán sự làm việc của bấc thấm, đó là ảnh hưởng của vùng xáo trộn do công tác thi cắm bấc thấm gây ra Vùng xáo trộn (smear zone) này sẽ gây ảnh hưởng đến quá trình thấm thoát nước do làm thay đổi hệ số thấm nguyên thủy của đất, dẫn đến thay đổi tốc độ cố kết của nền Thông thường bấc thấm được thi công bởi một ống thép chuyên dùng, ống thép được thiết kế sao cho giảm tối đa sự xáo trộn cho nền đất Vì vậy tiết diện ngang của ống thép có tiết diện hình oval hoặc hình chữ nhật với kích thước vừa đủ để tránh hiện tượng ma sát giữa bấc thấm và ống thép Tuy nhiên ống thép tiết diện tròn cũng khá phổ biến

Đường kính vùng đất bị xáo trộn tùy thuộc vào ống thép được sử dụng thi công bấc thấm và kích thước bộ phận neo bấc thấm trong đất Từ thí nghiệm, Bergado (1991) chỉ ra rằng, với ống thép thi công có đường kính nhỏ hơn thì nền sẽ

cố kết nhanh hơn (vùng đất xáo trộn cũng nhỏ hơn)

Với mục đích thiết kế, Jamiolkowski và Lancellotta (1981) đưa ra công thức tính đường kính vừng đất xáo trộn như sau:

2

Trong đó là đuòng kính tương đương của ống thép:

Với là bề rộng, chiều dài của tiết diện ống thép

Bergado đã tiến hành thí nghiệm hiện trường và nhận xét với

= (2 ÷ 3) là phù hợp

Hình 1.7: Vùng đất bị xáo trộn xung quanh ống Madrel (Bergado ,1996)

1.3 Giới thiệu phương pháp gia tải trước bằng công nghệ hút chân không

Mặc dù những phương pháp xử lý gia cố nền đất yếu bằng giếng cát, bấc thấm với gia tải trước đã trở nên phổ biến và được áp dụng thành công ở nhiều công trình Tuy nhiên, cùng với sự khang hiếm vật liệu đất đắp hiện nay và với yêu cầu ngày càng cao về tiến độ thi công, … đã làm nẩy sinh nhu cầu cần có một biện pháp

xử lý mới hơn trong phương pháp gia tải trước

Ý tưởng xử lý đất yếu bằng phương pháp bơm hút chân đã được đặt ra từ thập niên 60, nhưng chỉ trong thời gian gần đây, khi công nghệ thi công bằng phương pháp này được áp dụng và thành công trong các công trình lớn thì nó mới được ghi nhận và đánh giá như một công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực xử lý đất yếu

1.3.1 Nguyên tắc hoạt động của bơm hút chân không

Sơ đồ hoạt động của hệ thống bơm hút chân không được mô tả trong Hình

1.8

Hình 1.8: Sơ đồ hoạt động của hệ thống bơm hút chân không

Các nguyên tắc hoạt động của bơm hút chân không

 Loại bỏ áp lực không khí trong đất nền, từ một môi trường đóng kín (bao gồm phía trên là màng kín khí, bên dưới và xung quanh là môi trường đất độ thấm nhỏ bão hòa nước)

 Duy trì hệ thống thoát nước hiệu quả dưới màng để tống nước và không khí

ra khỏi đất trong suốt thời gian bơm

 Giữ cho môi trường không bão hoà nước bên dưới màng

 Duy trì áp suất chân không liên tục trong suốt quá trình xử lý

 Neo chặt và bịt kín hệ thống ở chu vi ngoại biên của vùng xử lý

 Kết quả cuối cùng nước sẽ được hút ra khỏi nền và đất sẽ cố kết lại

1.3.2 Phân tích ưu khuyết điểm của phương pháp gia tải trước bơm hút chân không so với phương pháp giả tải trước thông thường

Hình 1.9: Ứng suất trong phương pháp gia tải chân không và đắp đất

b Nhược điểm

 Yêu cầu máy móc và kỹ thuật thi công cao, dẫn đến giá thành đắt,

 Bị giới hạn về áp lực hút chân không và độ sâu gia cố, hiệu quả thấp đối với nền gồm các tầng cát với hệ số thấm cao nằm xen kẹp,

 Rất khó làm kín khí nên gây thất thoát áp lực hút

Tuy nhiên với kỹ thuật ngày càng hoàn thiện công nghệ bơm hút chân không

đã và đang dần trở nên phổ biến trên thế giới

1.3.3 Kết hợp gia tải trước bằng đắp đất và bơm hút chân không

Thông thường phương pháp hút chân không được lựa chọn cho công trình cần

độ gia tải lớn, yêu cầu về thời gian thi công nhanh Phương pháp hút chân không có nhược điểm là áp lực gia tải hạn chế bởi hiệu suất bơm hút (chỉ đạt 70  80 kPa), nên thường được kết hợp với biện pháp gia tải trước đắp đất

Thông thường, giai đoạn bơm hút chân không sẽ được áp dụng trước làm cho đất nền tăng sức chịu tải, sau đó mới triển khai giai đoạn gia tải đắp đất theo nhiều cấp tiếp theo

Ngoài ra, để giảm các chuyển vị ngang nằm ở chu vi khu vực xử lý khi tiến hành hút chân không, việc gia tải bằng đất đắp phải được cân nhắc sao cho có khuynh hướng làm triệt tiêu chuyển vị này

1.3.4 Một số công trình thực tế áp dụng phương pháp thi công gia tải trước bơm hút chân không

Việc nghiên cứu triển khai ứng dụng công nghệ gia tải bơm hút chân không đã được triển khai và thành công ở nhiều nước trên thế giới

Trung Quốc là nước đã tiến hành thử nghiệm đầu tiên do thiếu vật liệu đắp gia tải trước Một số công trình quy mô lớn đã được sử dụng công nghệ này như cảng Xingang, Tianjing, Trung Quốc Tại Nhật Bản, phương pháp này được sử dụng thường xuyên trong xây dựng công trình từ những năm 1960 đến 1980

Tại Việt Nam, công nghệ gia tải hút chân không chưa được phổ biến Công trình đầu tiên áp dụng phương pháp này là nhà máy khí điện, đạm Cà Mau (diện tích xử lý 130.000m2) nằm ở điểm cực nam Việt Nam, gần thành phố Cà Mau, bao gồm hai nhà máy, mỗi nhà máy có công suất 720MW

Sau đó, công trình nhà máy khí điện đạm Hiệp Phước, Cần Giờ  TP HCM có quy mô nhỏ hơn (diện tích xử lý 90.000m2), cũng được áp dụng công nghệ thi công này

Gần đây nhất là Dự án Đường cao tốc Thành Phố Hồ Chí Minh – Long Thành – Dầu Giây

Dự án Nhà Máy Điện Chu Trình Hổn Hợp Nhơn Trach 2 đang được sử dụng công nghệ này (diện tích xử lý khoảng 9.3 ha ) Công trình này đặt tại Nhơn Trạch,

tỉnh Đồng Nai Các kết quả đo quan trắc của công trình này được sử dụng để so

sánh với các kết quả nghiên cứu trong đề tài luận văn này

1.4 Cơ sở lý thuyết

Ở trạng thái tự nhiên, khối đất trong nền luôn chịu các tác động của các yếu

tố : áp lực bản thân khung hạt đất và áp lực nước lỗ rỗng thủy tĩnh (đối với đất bão hòa nước)

 Áp lực do tải trọng bản thân của khung hạt: ’

 Áp lực nước thủy tĩnh (đất bão hòa nước) : wz

 Áp lực lỗ rỗng trong đất : u = wz

Khi bơm hút tạo áp lực chân không, thông qua hệ thống lõi thấm đứng thì áp lực nước lỗ rỗng của các điểm trong nền đất sẽ chịu lực hút chân không Nước trong đất sẽ thấm và thoát ra ngoài theo hệ thống lõi thấm đứng và các ống dẫn để thoát ra khỏi nền Nền đất sẽ được cố kết lại

Trước khi hút chân không :

Hình 1.10: Áp lực phân bố theo độ sâu trước và sau khi hút chân không

Áp lực lỗ rỗng sau khi hút chân không là :

Lộ trình ứng suất của đất nền trong quá trình bơm hút chân không và gia tải đắp đất

Trong quá trình giai tải trước trong nền đất, lộ trình ứng suất của một điểm

trong nền được biểu diển trên biểu đồ (p’,q’) như trên hình 2.11

Với ứng suất chính hữu hiệu p’

=1

3( ′ + 2 ′ )

Và ứng suất lệch q’

= ′ − ′ Trong đó ′ , ′ là các ứng suất chính

Trong trường hợp gia tải trước đắp đất : giai đoạn đắp gia tải, ứng suất theo

lộ trình đường cong AB trên biểu đồ (p', q'), nền có khả năng phá hoại nếu điểm B

chạm vào đường phá hoại Quá trình cố kết theo đường BC

Trường hợp gia tải trước chân không : ứng suất đơn giản theo đường AE bên dưới đường K0 là đường ứng suất hữu hiệu đẳng hướng

Hình 1.11: Lộ trình ứng suất của đất nền trong quá trình bơm hút chân không và

gia tải đắp đất

So sánh 2 lộ trình ứng suất ABC, AE ứng với 2 trường hợp gia tải đắp đất và gia tải hút chân không và đường AD trên đường K0 cho ta thấy đường AE có ưu điểm hơn vì ngày càng xa đường phá hoại Kf, còn lộ trình theo đường ABC ở giai đoạn đắp đất, đường cong AB có khuynh hướng tiến vào đường Kf nên bị hạn chế tải trọng để không bị phá hoại Biện pháp khắc phục là phải phân nhỏ lớp đắp thành nhiều lớp, vừa đắp vừa chờ đất cố kết theo đường BC

CHƯƠNG 2 PHÁT TRIỂN LỜI GIẢI CỐ KẾT THẤM TRONG ĐIỀU

KIỆN HÚT CHÂN KHÔNG 2.1 Mô hình lăng trụ thấm đối xứng trục

Hình 2.1: Mô hình lăng trụ thấm đối xứng trục

Năm 1935, L Rendulic đã đề nghị phương trình vi phân cố kết đối xứng trục

để xác định trị số áp lực nước lỗ rỗng khi dùng giếng cát như sau :

= +1 + (2.2)

Với : Cr , Cz là hệ số cố kết hướng tâm và hệ số cố kết đứng

Phần thấm xuyên tâm :

= +1 (2.3) Phần thấm đứng :

Với : M = (2m + 1)π/2

u i áp lực nước lỗ rỗng ban đầu

u t áp lực nước lỗ rỗng tại thời điểm t

=

Theo như các phân tích ở mục 1.2.2, đối với nền đất yếu có bố trí các thiết bị

thoát nước thẳng đứng như giếng cát, bấc thấm…lưu lượng thấm xuyên tâm lớn hơn rất nhiều so với phần thấm đứng vì vậy để giải quyết được bài toán cố kết cho lăng

trụ thấm đối xứng trục cần phải giải được phương trình 2.3

R.A Barron, năm 1948, đã giải bài toán cố kết cho lăng trụ thấm đối xứng trục theo hai giả thiết khác nhau sau đây:

 Giả thiết biến dạng thẳng đều

 Giả thiết biến dạng tự do cho rằng biến dạng của đất nền phát triển tự nhiên theo sự tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng

Kết quả độ cố kết trung bình theo hai giả thiết trên xấp xỉ nhau Vì vậy Hansbo cho rằng dù giả thiết biến dạng tự do cho kết quả gần thực tế hơn giả thiết biến dạng đều thẳng đứng đi chăng nữa thì cũng không cần thiết phải dùng lời giải phức tạp (theo giả thiết biến dạng tự do) để xác định độ cố kết

Lời giải của Barron (1948) trong điều kiện lý tưởng không xét đến độ cản trở của giếng cũng như độ xáo trộn của đất có kết quả như sau:

Giả thiết đất không bị xáo trộn có thể chấp nhận được trong trường hợp khoan

lỗ để tạo giếng thấm Tuy nhiên trong quá trình thi công bấc thấm việc sử dụng ống thép bịt đầu (ống Mandrel) để đưa bấc thấm vào nền đất làm cho đất xung quanh khu vực giếng thấm bị xáo trộn và hệ số thấm giảm đi rất đáng kể Ngoài ra theo

thời gian tốc độ thoát nước của bấc thấm diễn ra rất chậm (sức cản thấm) Như vậy việc phân tích bài toán cố kết thấm đối xứng trục của giếng thấm có kể đến độ xáo trộn của đất và sức cản thấm của bấc thấm là rất quan trọng

Năm 1981, S Hanbo phát triển từ lời giải của W Kjellman xây dựng lời giải của bài toán cố kết theo hướng xuyên tâm khi xét đến độ dốc thủy lực ban đầu, sự xáo trộn và sự cản thấm của giếng

= exp (−8 ) (2.9)

= 1 − exp (−8 ) (2.10) Với :

k h , k s (m/day) hệ số thấm xuyên tâm và hệ số thấm vùng xáo trộn

q w (m3/day) lưu lượng thoát nước của giếng

2.3 Phát triển lời giải giải tích cho lăng trụ thấm trong điều kiện gia tải trước đắp đất kết hợp bơm hút chân không

Các lời giải của Barron và Hansbo được sử dụng cho bài toán lăng trụ cố kết thấm trong điều kiện gia tải trước bằng đất đắp Vì vậy cần có một lời giải mới về bài toán này trong điều kiện gia tải trước bằng đất đắp kết hợp với bơm hút chân không để áp dụng trong thiết kế và thi công các công trình xử lý nền bằng công nghệ hút chân không ngày càng nhiều hiện nay

Khi bơm hút chân không, áp lực nước lỗ rỗng tự nhiên bị mất đi một lượng bằng đúng áp lực hút chân không p0 Hiện nay với kỹ thuật hiện đại người ta có thể tạo ra máy bơm công suất lớn áp lực bơm hút đạt đến ≈ 80 kPa

Hình 2.2: Phân bố áp lực chân không theo chiều sâu

Áp lực hút tác dụng vào nền đất thông qua lõi thấm sẽ bị mất mát lực hút nên hiệu suất hút chân không càng sâu trong nền càng giảm Theo các nhà nghiên cứu (Chu, Bo, v.v…) ứng suất chân không sẽ giảm đều tuyến tính dọc theo chuyền dài

của lõi thấm Gọi k 1 là hệ số tổn thất áp lực chân không, chiều dày lõi thấm càng

lớn, k 1 càng lớn

2.3.2 Những giả thiết ban đầu

1 Đất nền đồng nhất và bão hòa hoàn toàn;

2 Dòng chảy trong đất thành từng lớp và tuân theo định luật Darcy;

3 Tính thấm của đất không đổi trong suốt quá trình cố kết và hệ số nén m v không đổi trong quá trình cố kết;

4 Tại biên ngoài của phần tử lăng trụ thấm vận tốc dòng chảy bằng không (biên ngoài không thấm, các lăng trụ thấm đơn làm việc độc lập);

5 Lõi thấm tương đối dài, dòng thấm theo phương đứng được bỏ qua, giả thuyết chỉ

có thấm xuyên tâm xảy ra (thấm ngang hướng từ biên ngoài vào trong lõi);

6 Lý thuyết cố kết hướng tâm (theo Barron 1948, Hansbo 1981) được áp dụng

7 Trên cơ sở giả thuyết biến dạng đều thẳng đứng (của Kjellman, Barron năm

1948), tất cả biến dạng đứng tại chiều sâu z trong quá trình cố kết được giả định là

bằng nhau và biến dạng nén chỉ xảy ra theo phướng đứng

2.3.3 Xây dựng lời giải tính áp lực nước lỗ rỗng

Từ định luật Darcy :

= → = Với :

v (m/s) : vận tốc thấm tương đối  chiều dài của dòng chảy trên một đơn

vị thời gian;

q o (m3) : lưu lượng đơn vị  lượng nước thoát qua một diện tích trong

thời gian t = 1 đơn vị;

k (m/day): hệ số thấm k = K/ (với K  độ thấm,  độ nhớt)

i (rad): radian thủy lực (i= h/l = )

A (m2) : diện tích bề mặt thấm qua phân tố đang xét, A= 2 .r.dz

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

Hình 2.3: Lát cắt phân tố chiều dày dz

Trên phân tố đang xét, tại điểm cách trục một khoảng r , lượng thấm xuyên

tâm được xác định như sau :

Lưu lượng thấm xuyên tâm qua mặt cắt r trong một đơn vị thời gian :

= 2 (2.11)

Với : q r (m3/day): lượng nước thấm xuyên tâm trong khối đất

u (m3/day): áp lực nước lỗ rỗng tại điểm đang xét

k h (m3/day): hệ số thấm ngang (xuyên tâm)

 w (m3/day): dung trọng nước

Tốc độ giảm thể tích của lát cắt trong phạm vi r e  r trong phương đứng

Trong đó V (m3) và ℰ là dung tích và biến dạng đứng tương đối của khối đất

Bỏ qua độ nén của nước, ta có (2.11) = (2.12) :

Trong vùng không xáo trộn, r s ≤ r ≤ r e , ta có phương trình :

=2

(2.13) Trong vùng xáo trộn, r w ≤ r ≤ rs , ta có phương trình :

=2

(2.14) Trong đó :

Với : u s (kPa): áp lực nước lỗ rỗng trong vùng xáo trộn

k s (m/day): hệ số thấm ngang (xuyên tâm) trong vùng xáo trộn

Phân tích sự thấm trong lõi thấm đứng, xét mặt cắt ngang của lát cắt chiều dày dz của lõi thấm tròn với bán kính r w , sự thay đổi dòng thấm đứng của nước theo thời gian,

theo phương z , từ mặt vào đến mặt ra của lát cắt có thể diễn giải như sau :

=

= (2.15)

Trong đó :

q z (m3/day): lượng nước thấm theo phương đứng trong lõi thấm

q w (m3/day): lưu lượng thấm qua giếng tại điểm đang xét (mặt cắt z)

k w (m/day): hệ số thấm của giếng (nếu không có sự cản giếng k w = )

A w (m2): Diện tích mặt cắt của giếng

i w: gradian thủy lực của giếng tại điểm đang xét

u w (kPa): áp lực nước lỗ rỗng của giếng tại điểm đang xét

Xét điểm tại r = r w , u s = u w , dòng chảy xuyên tâm vào bên trong, hướng tâm từ

bên ngoài vào lõi thấm của lát cắt phân tố được xác định theo công thức (2.11)

Giải phương trình (2.18) ta thu được được :

Tính ∫ , biến đổi tích phân ta có :

= 12

−

( ) =1

Vậy với rs ≤ r ≤ r e, ta có áp lực nước lỗ rỗng theo công thức (2.23)

Bình quân hàm u z theo phương r, ta có hàm áp lực nước lỗ rỗng trung bình tại độ sâu z:

Lấy tích phân hàm u z theo r, theo phương trình dưới đây :

( 2 − 1)2+

2

ℰ( − 1)(2 − )− 1 − (1 − )

cắm bấc thấm thì có thể bỏ qua hiện tượng cản thấm của giếng

= −

Giả thuyết gia tải đất đắp và bơm hút chân không một cách tức thời, ta có áp lực nước

lỗ rỗng ban đầu = = tại thời điểm = 0 là điều kiện biên của phương trình Thế = vào phương trình trên ta thu được :

→ = − ln( + )

= −

2

+++

2.3.4 Xây dựng hàm áp lực nước lỗ rỗng theo thời gian

Lời giải trên được áp dụng cho trường hợp quá trình gia tải chân không và gia tải đắp đất được tiến hành tức thời Trong thi công thực tế thì quá trình bơm hút chân không có thể được xem như tiến hành tức thời, nhưng quá trình đắp đất gia tải phải mất một khoảng thời gian nhất định để đạt tới tải trọng thiết kế Sơ đồ gia tải

đắp đất theo thời gian như hình 2.6 (Ramp loading)

Hình 2.6: Tải trọng phụ thuộc vào thời gian

Giả thiết rằng với sự tăng lên của tải trọng gây ra sự tăng lên của áp lực nước

lỗ rỗng trong nền đất

=  = 

Trong mục 3.3.3 ta tìm được hàm áp lực nước lỗ rỗng: