Độ tin cậy của giải pháp xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm cho nhà máy xử lý khí Cà Mau

Độ tin cậy của giải pháp xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp hút chân không tại nhà máy xử lý khí Cà Mau phương pháp tính toán thiết kế ngẫu nhiên ..... Kết luận tính toán thiết kế x

LỜI CẢM ƠN

Đây là bản thuyết minh luận văn thạc sĩ của tôi với đề tài: “Độ tin cậy của giải pháp xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm cho nhà máy xử lý khí Cà Mau” Là

sản phẩm của tôi sau 2 năm học tập và nghiên cứu tại Khoa Công trình, Trường Đại

học Thủy lợi Hà Nội Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới hai thầy TS Phạm Quang Tú và GS.TS Trịnh Minh Thụ là người định hướng, hướng dẫn và

chỉ bảo tận tình tôi trong suốt thời gian làm luận văn Hai thầy không chỉ hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn mà còn cho tôi tiếp cận với lĩnh vực khoa học mới mà trước đây tôi chưa có cơ hội tiếp cận Các thầy là tấm gương sáng của tôi về niềm say mê nghiên cứu khoa học, tinh thần trách nhiệm, tận tụy, quan tâm tới mọi người,…

Tôi chân thành cảm ơn tới Ban giám hiệu, các cán bộ Phòng Đại học và Sau Đại học, Khoa Công trình Trường Đại học Thủy lợi đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu tại Trường

Tôi chân thành cảm ơn tới các thầy cô giảng dạy lớp Cao học 22ĐKT-11 đã truyền dạy kiến thức cho chúng tôi trong quá trình học tập

Nhân đây tôi cũng bày tỏ sự cảm ơn chân thành tới Ban giám hiệu Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh, các bạn đồng nghiệp nơi tôi công tác đã động viên, tạo điều kiện cho tôi học tập, nghiên cứu Đặc biệt cảm ơn sâu sắc tới gia đình của tôi đã luôn luôn động viên tinh thần, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi bước vào con đường học vấn

Bắc Ninh, tháng 11 năm 2015

Tác giả luận văn

Nguyễn Văn Tuấn

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN CAM KẾT Kính gửi: - Ban Giám hiệu Trường Đại học Thủy lợi;

- Phòng Đào tạo ĐH và Sau ĐH – Trường Đại học Thủy lợi

Tên tôi là: Nguyễn Văn Tuấn

viên cao học đợt năm 2015, tôi đã được nhận đề tài “Độ tin cậy của giải pháp

xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm cho nhà máy xử lý khí Cà Mau” dưới sự hướng

dẫn của thầy TS Phạm Quang Tú và GS.TS Trịnh Minh Thụ

Tôi xin cam đoan luận văn là kết quả nghiên cứu của tôi, không sao chép của

ai Nội dung luận văn có tham khảo và sử dụng các tài liệu, thông tin được đăng tải trên các tài liệu và các trang website theo danh mục tài liệu tham khảo của luận văn

Bắc Ninh, tháng 11 năm 2015

Tác giả luận văn

Nguyễn Văn Tuấn

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục đích của đề tài 2

3 Nội dung nghiên cứu 2

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

5 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 3

6 Cấu trúc của luận văn 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 5

1.1 Tổng quan về nền đất yếu 5

1.1.1 Khái niệm về đất yếu và các tính chất của đất yếu 5

1.1.2 Các loại đất yếu thường gặp [6] 6

1.1.3 Những vấn đề kỹ thuật khi xây dựng công trình trên đất yếu 6

1.2 Các phương pháp xử lý nền đất yếu phổ biến [6] 7

1.2.1 Giải pháp thay thế nền 7

1.2.1.1 Nội dung phương pháp 7

1.2.1.2 Phạm vi áp dụng 8

1.2.2 Nhóm giải pháp cơ học 9

1.2.2.1 Làm chặt đất trên mặt bằng đầm rơi 9

1.2.2.2 Làm chặt đất trên mặt bằng phương pháp đầm lăn 10

1.2.2.3 Làm chặt đất trên mặt bằng phương pháp đầm rung 11

1.2.3 Nhóm giải pháp hóa học 11

1.2.3.1 Gia cố nền bằng phương pháp trộn vôi 12

1.2.3.2 Gia cố nền bằng phương pháp trộn xi măng (cọc đất –xi măng) 12

1.2.3.3 Phương pháp gia cố nền bằng phương pháp phụt vữa xi măng 14

1.2.4 Nhóm các phương pháp vật lý gia cố nền đất yếu 14

1.2.5 Nhóm giải pháp thủy lực học 15

1.2.5.1 Phương pháp gia cố bằng giếng cát, cọc cát 15

1.2.5.2 Phương pháp gia cố bằng bấc thấm (PVD) 16

1.2.5.3 Phương pháp cố kết hút chân không 18

1.3 Tổng quan phương pháp tính toán thiết kế dùng trong xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp hút chân không 20

1.3.1 Tính toán thiết kế xử lý nền bằng bấc thấm theo phương pháp truyền thống (phương pháp tất định) 20

1.3.2 Phương pháp tính toán thiết kế ngẫu nhiên 20

1.4 Giới thiệu một số công cụ trong tính toán thiết kế ngẫu nhiên 21

1.4.1 Phần mềm OpenFTA 21

1.4.1.1 Giới thiệu phần mềm [19] 21

1.4.1.2 Sử dụng phần mềm 21

1.4.2 Phần mềm BestFit 21

1.4.2.1 Giới thiệu phần mềm [20] 21

1.4.2.2 Sử dụng phần mềm trong thiết kế bấc thấm 22

1.4.3 Phần mềm MatLab 22

1.4.3.1 Giới thiệu phần mềm [18] 22

1.4.3.2 Sử dụng MatLab trong thiết kế bấc thấm 22

1.5 Kết luận Chương 1 23

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY 24

2.1 Lý thuyết xác suất thống kê 24

2.1.1 Các khái niệm cơ bản về xác suất 24

2.1.1.1 Định nghĩa xác suất theo tần suất 25

2.1.1.2 Xác suất có điều kiện 25

2.1.1.3 Công thức xác suất đầy đủ và công thức Bayes 25

2.1.1.4 Các tính chất của xác suất 26

2.1.2 Các đại lượng ngẫu nhiên và hàm phân phối của nó 27

2.1.2.1 Biến ngẫu nhiên 27

2.1.2.2 Hàm mật độ xác suất và hàm phân phối tích lũy của biến ngẫu nhiên 27

2.1.2.3 Các đặc trưng của biến ngẫu nhiên 29

2.1.2.4 Hàm phân phối 31

2.1.3 Kiểm định Chi bình phương (Chi-square test) 33

2.1.3.1 Khái niệm độc lập (independence) 33

2.1.3.2 Tìm hàm phân phối phù hợp nhất của tập dữ liệu dựa vào kiểm định Chi bình phương 33

2.2 Phân tích rủi ro và phân tích tối ưu 35

2.2.1 Định nghĩa phân tích rủi ro và phân tích tối ưu 35

2.2.1.1 Định nghĩa phân tích rủi ro [5] 35

2.2.1.2 Định nghĩa phân tích tối ưu [5] 36

2.2.2 Các bước trong phân tích rủi ro và phân tích tối ưu [5] 36

2.2.3 Các loại bất định trong địa kỹ thuật [17] 38

2.2.4 Khái niệm và phân loại hệ thống [5] 39

2.2.4.1 Khái niệm hệ thống 39

2.2.4.2 Phân loại hệ thống 39

2.2.5 Cây sự cố (Fault tree) [5] 40

2.2.6 Hàm tin cậy và các cấp độ tính toán [5] 41

2.2.6.1 Hàm tin cậy 41

2.2.6.2 Các cấp độ tính toán 42

2.3 Kết luận Chương 2 43

CHƯƠNG 3: ĐỘ TIN CẬY CỦA GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG BẤC THẤM KẾT HỢP HÚT CHÂN KHÔNG CHO NHÀ MÁY XỬ LÝ KHÍ CÀ MAU 45

3.1 Giới thiệu về dự án nhà máy xử lý khí Cà Mau 45

3.1.1 Giới thiệu chung [11] 45

3.1.2 Điều kiện địa chất khu vực xây dựng dự án 46

3.1.3 Phạm vi xử lý nền bằng bấc thấm kết hợp hút chân không 48

3.1.4 Yêu cầu độ cố kết cho phép và tiến độ thi công 51

3.2 Cơ sở lý thuyết của hai bài toán cơ bản trong xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp hút chân không 51

3.2.1 Độ lún ổn định 51

3.2.2 Độ cố kết của nền gia cố bấc thấm 53

3.2.2.1 Độ cố kết theo phương đứng U v 53

3.2.2.2 Độ cố kết theo phương ngang Uh 53

3.2.3 Độ lún cố kết theo thời gian 55

3.2.4 Độ lún còn lại sau thời gian t 55

3.3 Tính toán thiết kế xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp hút chân không theo phương pháp truyền thống (TCVN 9355-2013) 55

3.3.1 Các thông số đầu vào theo phương pháp truyền thống 56

3.3.1.1 Các thông số cao độ 56

3.3.1.2 Địa tầng và các chỉ tiêu cơ lý của đất nền 56

3.3.1.3 Tải trọng tính toán khi xử lý nền 57

3.3.1.4 Phạm vi ảnh hưởng lún 58

3.3.1.5 Các thông số của bấc thấm và các thông số thoát nước 58

3.3.2 Tính độ lún sau thời gian xử lý theo phương pháp truyền thống 58

3.3.2.1 Độ lún giai đoạn thi công cắm bấc thấm 61

3.3.2.2 Độ lún sau giai đoạn hút chân không 61

3.3.3 Lựa chọn khoảng cách giữa tim các bấc thấm theo tiêu chuẩn 61

3.3.3.1 Tính độ lún ổn định với tải trọng khai thác 62

3.3.3.2 Độ cố kết của nền với tải trọng khai thác sau thời gian xử lý và lựa chọn khoảng cách bấc thấm 63

3.3.4 Thời gian xử lý nền theo phương pháp truyền thống 63

3.3.5 Kết luận tính toán thiết kế xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp hút chân không theo phương pháp truyền thống (TCVN 9355-2013) 64

3.3.6 Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp thiết kế tất định 65

3.3.6.1 Ưu điểm của phương pháp thiết kế tất định 65

3.3.6.2 Nhược điểm của phương pháp thiết kế tất định 65

3.4 Độ tin cậy của giải pháp xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp hút chân không tại nhà máy xử lý khí Cà Mau (phương pháp tính toán thiết kế ngẫu nhiên) 66

3.4.1 Phân tích các số liệu đầu vào theo phương pháp ngẫu nhiên 66

3.4.1.1 Địa tầng và các chỉ tiêu cơ lý của đất nền 66

3.4.1.2 Tải trọng tính toán khi xử lý nền 71

3.4.1.3 Phạm vi ảnh hưởng lún 71

3.4.1.4 Các thông số của bấc thấm và các thông số thoát nước theo phương pháp ngẫu nhiên 71

3.4.2 Tính độ lún sau thời gian xử lý theo phương pháp ngẫu nhiên 73

3.4.2.1 Độ lún giai đoạn thi công cắm bấc thấm 73

3.4.2.2 Độ lún sau giai đoạn hút chân không 73

3.4.3 Tính độ cố kết của nền sau thời gian xử lý theo phương pháp ngẫu nhiên77 3.4.3.1 Quan hệ giữa độ cố kết và thời gian xử lý 77

3.4.3.2 Xác suất độ cố kết trung bình >90% 77

3.4.3.3 Tính thời gian xử lý theo phương pháp ngẫu nhiên 79

3.4.4 Phân tích rủi ro và phân tích tối ưu 83

3.4.4.1 Mô tả hệ thống 83

3.4.4.2 Cây sự cố (Fault tree) 84

3.4.4.3 Hàm tin cậy 87

3.4.4.4 Phân tích rủi ro 87

3.4.4.5 Phân tích tối ưu 89

3.4.4.6 Kết quả và bình giải 91

3.4.5 Kết luận tính toán thiết kế xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp hút chân không theo phương pháp ngẫu nhiên 97

3.4.6 Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp thiết kế ngẫu nhiên 97

3.4.6.1 Ưu điểm của phương pháp thiết kế ngẫu nhiên 97

3.4.6.2 Nhược điểm của phương pháp thiết kế ngẫu nhiên 98

3.5 So sánh giữa phương pháp tính tất định (tiêu chuẩn) và phương pháp tính toán ngẫu nhiên 98

3.5.1 Lựa chọn khoảng cách bấc thấm, tính toán độ cố kết và độ lún dự báo 98

3.5.2 Thời gian cần xử lý (thời gian cố kết) 99

3.5.3 Ảnh hưởng của hệ số cố kết C v tới thời gian cố kết 99

3.6 Kết luận Chương 3 102

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 104

1 Kết luận và kiến nghị 104

2 Một số điểm còn tồn tại 105

3 Hướng nghiên cứu tiếp theo 106

TÀI LIỆU THAM KHẢO 107

CÁC PHỤ LỤC 109

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Bảng phân phối xác suất của biến ngẫu nhiên rời rạc 29

Bảng 2.2: Kiểm định Chi bình phương của phân phối chuẩn và phân phối Logarit [14] 35

Bảng 3.1: Tổng hợp thông số kỹ thuật của các hạng mục thuộc nhà máy 48

Bảng 3.2: Yêu cầu kỹ thuật của công tác xử lý nền 51

Bảng 3.3: Bảng tổng hợp chỉ tiêu cơ lý các lớp đất tính toán theo TCVN 9355-2013 56

Bảng 3.4: Bảng tổng hợp chỉ tiêu cơ lý các lớp đất tính toán theo TCVN 9355-2013 57

Bảng 3.5: Bảng tổng hợp tải trọng tính toán giai đoạn thi công bấc thấm 57

Bảng 3.6: Bảng tổng hợp tải trọng tính toán giai đoạn gia tải chân không 58

Bảng 3.7: Các thông số bấc thấm 59

Bảng 3.8: Các thông số thoát nước theo phương pháp truyền thống 60

Bảng 3.9: Độ lún của nền sau 30 ngày thi công bấc thấm theo phương pháp truyền thống 61

Bảng 3.10: Độ lún của nền sau 150 ngày thi công bấc thấm và hút chân không theo phương pháp truyền thống 61

Bảng 3.11: Bảng tổng hợp tải trọng tính toán giai đoạn khai thác 62

Bảng 3.12: Độ lún ổn định của nền với tải trọng khai thác 63

Bảng 3.13: Độ cố kết của nền dưới tải trọng khai thác sau thời gian xử lý 63

Bảng 3.14: Thời gian xử lý nền và độ cố kết theo phương pháp truyền thống 64

Bảng 3.15: Kết luận kết quả tính toán theo phương pháp truyền thống 65

Bảng 3.16: Bảng tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý đất nền trong tính toán theo phương pháp ngẫu nhiên 70

Bảng 3.17: Các thông số thoát nước theo phương pháp ngẫu nhiên 72

Bảng 3.18: Độ lún của nền sau 30 ngày thi công bấc thấm theo phương pháp ngẫu nhiên 73Bảng 3.19: Độ lún của nền sau 150 ngày thi công bấc thấm và hút chân không theo phương pháp ngẫu nhiên 74Bảng 3.20: Độ cố kết trung bình và xác suất đạt và không đạt độ cố kết 90% 78Bảng 3.21: Độ cố kết sau các giai đoạn xử lý 79Bảng 3.22: Kết quả tính thời gian cố kết theo phương pháp ngẫu nhiên với các khoảng cách bấc thấm 80Bảng 3.23: Bảng tổng hợp kết quả tính toán các chi phí với các khoảng cách bấc thấm 91Bảng 3.24: Bảng tổng hợp kết quả tính toán chi phí với các độ lún dự báo 93Bảng 3.25: Bảng so sánh khoảng cách bấc thấm, độ cố kết, độ lún dự báo theo phương pháp tính toán tất định và ngẫu nhiên 98Bảng 3.26: Bảng so sánh thời gian cố kết theo phương pháp truyền thống và ngẫu nhiên 99Bảng 3.27: Bảng tổng hợp kết quả tính toán theo phương pháp ngẫu nhiên với các trường hợp khác nhau 100Bảng 3.28: Ảnh hưởng hệ số biến đổi của hệ số cố kết Cv tới thời gian cố kết 101

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 0.1: Cấu trúc Luận văn 4

Hình 1.1: Thay thế nền bằng cát 8

Hình 1.2: Làm chặt đất trên mặt bằng đẩm rơi 9

Hình 1.3: Làm chặt đất trên mặt bằng phương pháp đầm lăn 10

Hình 1.4: Làm chặt đất bằng phương pháp đầm rung 11

Hình 1.5: Công nghệ thi công cọc đất-xi măng theo phương pháp MG 13

Hình 1.6: Dây truyền công nghệ thi công trụ đất-xi măng đơn pha 14

Hình 1.7: Cọc cát trong nền đất yếu 15

Hình 1.8: Thi công cắm bấc thấm 16

Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý phương pháp MCV 18

Hình 2.1: Biểu đồ Venn của hệ xác suất đầy đủ 26

Hình 2.2: Hàm mật độ xác suất của biến ngẫu nhiên X 28

Hình 2.3: Hàm phân phối tích lũy của biến ngẫu nhiên X 28

Hình 2.4: Các hàm mật độ xác suất với các giá trị µ,  khác nhau 31

Hình 2.5: Các hàm phân phối tích lũy với các giá trị µ,  khác nhau 32

Hình 2.6: Các bước trong quản lý rủi ro và phân tích tối ưu 37

Hình 2.7: Lựa chọn khoảng cách bấc thấm tối ưu 37

Hình 2.8: Các loại bất định trong địa kỹ thuật (Van Gelder, 2005) 39

Hình 2.9: Hệ thống các bóng đèn mắc nối tiếp và song song 40

Hình 2.10: Các cây sự cố với hệ thống nối tiếp và song song 41

Hình 2.11: Hàm trạng thái giới hạn trong mặt phẳng R-L 42

Hình 3.1: Mặt cắt địa chất điển hình trong khu vực [8] 49

Hình 3.2: Tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý của đất nền theo độ sâu [8] 50

Hình 3.3: Phân phối của khối lượng thể tích ướt Vùng 1 67

Hình 3.4: Phân phối của hệ số rỗng tự nhiên e0 Vùng 1 67

Hình 3.5: Phân phối của hệ số cố kết theo phương đứng Cv Vùng 1 68

Hình 3.6: Phân phối của áp lực tiền cố kết pc Vùng 1 68

Hình 3.7: Phân phối của tỉ số A = Ch/Cv 68

Hình 3.8: Phân phối của khối lượng thể tích ướt Vùng 2 69

Hình 3.9: Phân phối của hệ số rỗng tự nhiên e0 Vùng 2 69

Hình 3.10: Phân phối của tỉ số kh/ks 71

Hình 3.11: Biểu đồ Histogram của độ lún sau 150 ngày xử lý với khoảng cách các bấc thấm d=1,0m 74

Hình 3.12: Biểu đồ Histogram của độ lún sau 150 ngày xử lý với khoảng cách các bấc thấm d=1,1m 75

Hình 3.13: Biểu đồ Histogram của độ lún sau 150 ngày xử lý với khoảng cách các bấc thấm d=1,2m 75

Hình 3.14: Biểu đồ Histogram của độ lún sau 150 ngày xử lý với khoảng cách các bấc thấm d=1,3m 76

Hình 3.15: Biểu đồ Histogram của độ lún sau 150 ngày xử lý với khoảng cách các bấc thấm d=1,4m 76

Hình 3.16: Độ cố kết trung bình với thời gian xử lý khác nhau 77

Hình 3.17: Xác suất tích lũy của độ cố kết trung bình 78

Hình 3.18: Biểu đồ Histogram của thời gian xử lý với d=1,0m 81

Hình 3.19: Biểu đồ Histogram của thời gian xử lý với d=1,1m 81

Hình 3.20: Biểu đồ Histogram của thời gian xử lý với d=1,2m 82

Hình 3.21: Biểu đồ Histogram của thời gian xử lý với d=1,3m 82

Hình 3.22: Biểu đồ Histogram của thời gian xử lý với d=1,4m 83

Hình 3.23: Cây sự cố thời gian cố kết vượt quá thời gian dự báo 85

Hình 3.24: Cây sự cố độ lún sau thời gian xử lý vượt quá thời gian dự báo 86

Hình 3.25: Quan hệ giữa khoảng cách bấc thấm và các chi phí 92

Hình 3.26: Quan hệ giữa độ lún dự báo và chi phí (trường hợp giá cát mua thêm bằng 1,5 lần cát bơm hút ban đầu) 94Hình 3.27: Quan hệ giữa độ lún dự báo và chi phí (trường hợp giá cát mua thêm bằng 2,0 lần cát bơm hút ban đầu) 95Hình 3.28: Quan hệ giữa độ lún dự báo và chi phí (trường hợp giá cát mua thêm bằng 2,5 lần cát bơm hút ban đầu) 96Hình 3.29: Quan hệ giữa độ lún dự báo và chi phí (trường hợp giá cát mua thêm bằng 3,0 lần cát bơm hút ban đầu) 96Hình 3.30: Ảnh hưởng hệ số biến đổi của hệ số cố kết Cv tới thời gian cố kết 101

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa nước ta hiện nay, đòi hỏi phải xây dựng hàng loạt các công trình dân dụng, công nghiệp, giao thông, thủy lợi Nhiều công trình không có khả năng lựa chọn linh hoạt địa điểm xây dựng, các công trình bắt buộc phải xây dựng trên nền đất yếu Khi xây dựng công trình trên nền đất yếu thì hàng loạt các vấn đề phát sinh như: độ lún tuyệt đối lớn và kéo dài, chênh lệch lún lớn quá giới hạn cho phép, mất ổn định,…, do vậy mà trước khi xây dựng bắt buộc phải cải tạo, gia cố nền đất yếu (gọi chung là xử lý nền đất yếu) Hiện nay, có nhiều phương pháp như: thay thế nền, làm chặt đất bằng cơ học, trộn các chất kết dính vào trong đất, cọc cát, giếng cát, bấc thấm, hút chân không,….Trong số các phương pháp thì phương pháp xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp hút chân không là phương pháp có nhiều ưu điểm như: thời gian thi công nhanh do thời gian gia tải ngắn; giảm khối lượng cát đáng kể do không cần cát chất tải, giảm chi phí cho thi công đắp và dỡ tải, tiết kiệm tài nguyên và thân thiện với môi trường; hiệu quả xử lý nền cao, kiểm soát chất lượng thi công tốt; đã được

áp dụng khá nhiều trong các dự án; giá thành ưu việt đặc biệt là khi diện tích xử lý rộng

Hiện nay, việc tính toán xử lý nền bằng bấc thấm thoát nước kết hợp gia tải

và hút chân không được áp dụng theo [1] (phương pháp tất định) Theo phương pháp này các giá trị thiết kế của tải trọng, các thông số đất nền, bấc thấm,…được xem là hằng số, có thể là giá trị trung bình hoặc giá trị lấy theo xác suất thống kê (theo trạng thái giới hạn I và II) Thực tế, các thông số đầu vào có thể biến đổi ngẫu nhiên, chẳng hạn như các chỉ tiêu cơ lý của đất nền Do vậy, mà thiết kế theo phương pháp tất định có thể dẫn đến việc dự báo độ lún cuối cùng, thời gian cố kết sai lệch Rủi ro trong việc chậm tiến độ, lún dư kéo dài và nhiều hơn dự báo có thể làm ảnh hưởng đến hiệu quả, tiến độ của dự án và gây thiệt hại lớn về kinh tế Theo

đó, việc tìm ra được phương pháp tính toán thiết kế khắc phục được những nhược

điểm của phương pháp truyền thống hết sức cần thiết, có ý nghĩa thực tiễn và ý nghĩa khoa học

Phương pháp tính toán thiết kế ngẫu nhiên (hay theo lý thuyết xác suất thống

kê hoặc bất định) là phương pháp tính toán thiết kế dựa trên sự biến thiên của các tham số đầu vào (tải trọng và sức kháng), từ đó tìm ra được xác suất xảy ra hiện tượng Đây là phương pháp thiết kế theo xu hướng hiện đại và được nhiều nước tiên tiến trên thế giới áp dụng (Hà Lan, Đức, Anh, Na Uy,…) [17].Theo phương pháp này, các thông số đầu vào được mô phỏng bằng quy luật phân phối của chúng và các biến đầu ra cũng có quy luật biến đổi nhất định Ngoài ra, tính toán rủi ro dựa trên các hàm tin cậy có thể được thiết lập cho từng phương án thiết kế Trên cơ sở

đó người thiết kế sẽ lựa chọn được phương án thiết kế tối ưu

Chính những ưu điểm của phương pháp tính toán thiết kế ngẫu nhiên, tác giả

đã quyết định lựa chọn đề tài nghiên cứu: “Độ tin cậy của giải pháp xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm cho nhà máy xử lý khí Cà Mau”

kế, lựa chọn được phương án thiết kế tối ưu

3 Nội dung nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu của đề tài là:

- Tính toán thiết kế xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm theo các tiêu chuẩn hiện hành, ưu nhược điểm của phương pháp;

- Nghiên cứu lý thuyết độ tin cậy;

- Sử dụng lý thuyết độ tin cậy và các phần mềm ứng dụng hiện có để tính toán, phân tích lựa chọn khoảng cách bấc thấm tối ưu, dự báo độ lún tối ưu cho nhà máy xử lý khí Cà Mau

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu của đề tài: Phương pháp tính toán trong thiết kế xử

lý nền đất yếu bằng bấc thấm theo tiêu chuẩn và lý thuyết độ tin cậy;

- Phạm vi nghiên cứu: Luận văn chỉ đi nghiên cứu phương pháp tính toán trong thiết kế xử lý nền đất yếu cho nhà máy xử lý khí Cà Mau mà không đi vào công tác thi công

5 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp khảo sát, thu thập số liệu thực tế của dự án nhà máy xử lý khí

6 Cấu trúc của luận văn

Luận văn được tổ chức thành: Phần mở đầu, 3 chương, phần Kết luận và kiến nghị, các phần này được sơ họa qua Hình 01

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu Mục 1.1: tổng quan về nền đất yếu Mục 1.2: Các phương pháp xử lý nền đất yếu phổ biến Mục 1.3: Tổng quan phương pháp tính toán thiết kế dùng trong xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp hút chân không Mục 1.4: Một số công cụ trong tính toán thiết kế ngẫu nhiên Mục 1.5: Kết luận Chương 1

Chương 2: Lý thuyết độ tin cậy Mục 2.1: Lý thuyết về xác suất thống kê Mục 2.2: Phân tích rủi ro và phân tích tối ưu Mục 2.3: Kết luận Chương 2

Chương 3: Độ tin cậy của giải pháp xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp hút chân không cho nhà máy xử lý khí Cà Mau Mục 3.1: Giới thiệu về nhà máy xử

lý khí Cà Mau Mục 3.2: Cơ sở lý thuyết của hai bài toán cơ bản trong xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp hút chân không Mục 3.3: Tính toán thiết kế xử lý nền

đất yếu bằng bấc thấm kết hợp hút chân không theo phương pháp truyền thống Mục 3.4: Độ tin cậy của giải pháp xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp hút chân không tại nhà máy xử lý khí Cà Mau Mục 3.5: So sánh giữa phương pháp tính toán tất định và phương pháp tính toán ngẫu nhiên Mục 3.6: Kết luận Chương 3

1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Chương này, tác giả trình bày tổng quan về vấn đề nghiên cứu Mục 1.1 là tổng quan về nền đất yếu Mục 1.2 là các phương pháp xử lý nền đất yếu phổ biến Mục 1.3 là tổng quan phương pháp tính toán thiết kế dùng trong xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp hút chân không Mục 1.4 là một số công cụ trong tính toán thiết kế ngẫu nhiên Mục 1.5 là kết luận Chương 1

1.1 Tổng quan về nền đất yếu

1.1.1 Khái niệm về đất yếu và các tính chất của đất yếu

Có nhiều quan niệm khác nhau về đất yếu, nhìn từ góc độ xây dựng, nếu sức chịu tải của nền đất không đáp ứng được yêu cầu của tải trọng, phải xử lý mới có thể thi công và vận hành công trình bình thường thì gọi là đất yếu

Theo [3] tiêu chuẩn 22TCN 262-2000 và [1] tiêu chuẩn TCVN 9355-2013, đất yếu là đất ở trạng thái tự nhiên, độ ẩm của đất gần bằng hoặc cao hơn giới hạn chảy, hệ số rỗng lớn (đất sét: e≥1,5; đất á sét: e≥1), lực dính C theo thí nghiệm cắt nhanh không thoát nước nhỏ hơn 0,15 daN/cm2 (tương đương kG/cm2), góc nội ma sát φ<100

, hoặc lực dính từ kết quả thí nghiệm cắt cánh hiện trường Cu<0,35 daN/cm2, có sức chống mũi xuyên theo kết quả xuyên tĩnh qc <0,1MPa, có chỉ số xuyên tiêu chuẩn SPT là N 5

Theo quan điểm xây dựng của một số nước [7], đất yếu được xác định theo tiêu chuẩn về sức kháng cắt không thoát nước Suvà hệ số xuyên tiêu chuẩn N như sau:

- Đất rất yếu: Su ≤12,5 kPa hoặc N ≤2;

- Đất yếu: Su ≤25 kPa hoặc N ≤4

Nhìn chung các loại đất yếu thường có những đặc điểm sau:

- Đất sét có lẫn hữu cơ hoặc nhiều hoặc ít;

- Hàm lượng nước cao và trọng lượng đơn vị thể tích nhỏ;

- Tính thấm nước rất nhỏ;

- Cường độ chống cắt nhỏ và tính nén lún cao

Với những đặc tính nêu trên, nếu không có các biện pháp xử lý phù hợp thì việc xây dựng công trình trên đất yếu sẽ rất khó khăn hoặc không thể đảm bảo an toàn công trình

1.1.2 Các loại đất yếu thường gặp [6]

- Đất sét mềm: Gồm các loại đất sét hoặc á sét, ở trạng thái bão hòa nước, có cường độ thấp;

- Đất bùn: Các loại đất tạo thành trong môi trường nước, thành phần hạt rất mịn Ở trạng thái bão hòa nước, hệ số rỗng rất lớn, rất yếu về mặt chịu lực;

- Đất 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 Loại đất này khi chịu tải trọng động thì chuyển sang trạng thái chảy gọi là cát chảy;

- Đất bazan: Là loại đất yếu có độ rỗng lớn, khối lượng riêng khô bé, khả năng thấm nước cao, dễ bị lún sụt

1.1.3 Những vấn đề kỹ thuật khi xây dựng công trình trên đất yếu

Chi phí xử lý nền móng khi xây dựng công trình trên nền đất yếu thường chiếm một tỷ trọng lớn trong toàn bộ giá thành xây dựng công trình

Bài toán cần đặt ra để giải quyết khi xây dựng công trình trên nền đất yếu là:

- Độ lún tuyệt đối và chênh lệch lún: Độ lún tuyệt đối có giá trị lớn và kéo dài, nhưng chênh lệch lún giữa các bộ phận của kết cấu mới là vấn đề quan trọng Nhiều trường hợp do chênh lệch lún đã làm phá hủy kết cấu, gây nứt, vỡ …;

- Ổn định tổng thể: Do cường độ đất nền không đủ khả năng chịu tải dẫn đến phá hoại Bài toán phải giải quyết là tính toán tính sức chịu tải của móng, ổn định

của nền đắp, ổn định của mái dốc, áp lực đất lên tường chắn, sức chịu tải ngang của cọc…;

- Bên cạch đó, số liệu đầu vào phục vụ thiết kế xử lý đất yếu là hết sức quan trọng, bao gồm: phương pháp khảo sát, phương pháp thí nghiệm và thiết bị thí nghiệm, lựa chọn thông số đầu vào ứng với các trạng thái làm việc, lựa chọn mô hình tính,

* Mục đích của xử lý nền:

- Làm tăng sức chịu tải của nền đất;

- Cải thiện một số tính chất cơ lý của nền đất yếu như: Giảm hệ số rỗng, giảm tính nén lún, tăng độ chặt, tăng trị số mô đun biến dạng, tăng cường độ chống cắt của đất ;

- Đối với công trình thủy lợi, việc xử lý nền đất yếu còn làm giảm tính thấm của đất, đảm bảo ổn định cho khối đất đắp

Bất kỳ biện pháp xử lý nào nếu làm tăng được cường độ liên kết giữa các hạt đất và làm tăng được độ chặt của đất nền thì đều thoả mãn được ba mục đích trên

Hiện nay có rất nhiều phương xử lý nền đất yếu, tuy nhiên tác giả chỉ đề cập tới một số phương pháp được áp dụng phổ biến Nhìn chung có thể xếp các phương pháp xử lý nền đất yếu vào một số nhóm phương pháp sau (dựa theo nguyên lý)

1.2.1 Giải pháp thay thế nền

1.2.1.1 Nội dung phương pháp

Để tận dụng khả năng các lớp dưới của đất nền, người ta thường đào bỏ lớp đất yếu ở phía trên giáp với móng và thay thế bằng đất, đá có cường độ chống cắt lớn hơn, dễ thi công và là vật liệu địa phương

Các loại vật liệu thay thế:

- Vật liệu thay thế là cát: Thuận lợi cho thi công bằng bơm cát, thời gian cố kết rút ngắn;

- Vật liệu thay thế là đất, đá: Phương pháp thay thế bằng đất đất, đá sẽ kinh

tế hơn nếu tận dụng được vật liệu địa phương

ra không kịp đắp như than bùn, bùn sét (độ sệt B >1) hoặc bùn cát mịn thì có thể áp dụng giải pháp bỏ đá chìm đến đáy lớp đất yếu hoặc bỏ đá kết hợp với đắp quá tải

để nền tự lún đến đáy lớp đất yếu;

- Tận dụng khả năng phân cách của vải địa kỹ thuật có thể lót một lớp vải vào hố đào để vừa ngăn chặn được hiện tượng lún chìm đồng thời vải còn có tác dụng phân bố lại tải trọng của công trình phía trên xuống

1.2.2 Nhóm giải pháp cơ học

Nguyên tắc cơ bản của nhóm giải pháp cơ học là sử dụng tác động cơ học (tĩnh, động) làm giảm hệ số rỗng của đất nền Dựa vào vị trí của đất được làm chặt lại chia ra các phương pháp làm chặt đất trên mặt và các phương pháp làm chặt đất dưới sâu Sau đây tác giả chỉ nêu một số phương pháp làm chặt đất trên mặt

1.2.2.1 Làm chặt đất trên mặt bằng đầm rơi

a) Nội dung phương pháp

Dùng đầm là vật nặng rơi làm chặt đất, vật làm đầm thường làm bằng bê tông cốt thép hoặc bằng gang, với khối lượng từ 2 đến 4 tấn, cho rơi từ độ cao 4 đến

1.2.2.2 Làm chặt đất trên mặt bằng phương pháp đầm lăn

a) Nội dung phương pháp

Dùng đầm lăn, xe lu để làm chặt đất Phương pháp này thường được sử dụng khi làm đường giao thông Tuỳ thuộc vào trọng lượng xe lu và số lần đầm mà chiều sâu làm chặt đất có thể đạt (0,5÷0,6)m Khi dùng đầm lăn có mặt nhẵn, do chiều dày lớp đất được đầm nhỏ nên hiệu suất đầm thường thấp, chất lượng đầm không đều

Hình 1.3: Làm chặt đất trên mặt bằng phương pháp đầm lăn

ta còn dùng đầm lăn bánh hơi để đầm chặt cả đất dính và đất rời Mức độ đầm chặt phụ thuộc vào số lượt đầm, chiều dày lớp đất đầm, áp suất bánh xe, tải trọng đặt trên xe, tốc độ di chuyển của xe cũng như độ ẩm và cấu tạo của đất Muốn đất được đầm chặt như nhau ở mọi nơi thì yêu cầu tải trọng đầm phải phân bố đều lên các bánh xe, không phụ thuộc vào độ gồ ghề của mặt đất và sức chịu tải của đất tại các

vị trí đầm

1.2.2.3 Làm chặt đất trên mặt bằng phương pháp đầm rung

a) Nội dung phương pháp

Dùng các chấn động tạo ra các dao động liên tục có tần số cao và biên độ nhỏ, làm cho tính toàn khối của đất bị phá hoại, các hạt cát di chuyển đến lấp những chỗ trống giữa các hạt có kích thước lớn hơn Tác dụng của đầm rung lớn nhất khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng khi mà tần số dao động của máy trùng với tần số dao động của đất đầm

Hình 1.4: Làm chặt đất bằng phương pháp đầm rung

b) Phạm vi áp dụng

Phương pháp làm chặt đất bằng đầm rung chủ yếu dùng để nén chặt đất cát Nếu hàm lượng hạt sét trong đất nhỏ hơn 6% thì hiệu quả nén chặt thường gấp từ 4 đến 5 lần so với các phương pháp đầm nén khác Chiều dày lớp đất được làm chặt bằng đầm rung thường thay đổi từ 0,3 đến 1,5m đôi khi đến 2,0m

1.2.3 Nhóm giải pháp hóa học

Đó là các phương pháp bơm hóa chất hoặc trộn , chất kết dính vào trong đất

để làm tăng cường độ của đất Vật liệu bơm vào có thể là xi măng, nước thủy tinh, Sau đây tác giả chỉ trình bày các phương pháp được dùng phổ biến trong nhóm này

1.2.3.1 Gia cố nền bằng phương pháp trộn vôi

a) Nội dung phương pháp

Khi trộn vôi vào đất, vôi có tác dụng hút ẩm, làm giảm độ ẩm của đất và đóng vai trò là chất kết dính liên kết các hạt đất Khi tác dụng với nước, vôi chưa tôi

có khả năng ngưng kết và đông cứng nhanh trong vòng (5÷10) phút Khi hydrat hoá, vôi chưa tôi có khả năng hấp phụ một khối lượng nước lớn (từ 32% đến 100% khối lượng ban đầu) nên nhanh chóng làm nền đất khô ráo, dẫn đến đất nền được nén chặt

b) Phạm vi áp dụng

Để gia cố nền đất yếu ở dưới sâu, người ta sử dụng cọc vôi hoặc cọc đất-vôi Vôi tác dụng với nước sẽ tăng thể tích nên tiết diện các cọc vôi sẽ tăng lên làm đất xung quanh cọc nén chặt lại Cọc đất-vôi, ngoài tác dụng làm tăng độ chặt của nền còn có độ bền nén, lực dính và góc ma sát trong khá lớn dẫn đến sức chịu tải tổng hợp của khối đất gia cố tăng lên

1.2.3.2 Gia cố nền bằng phương pháp trộn xi măng (cọc đất –xi măng)

a) Nguyên lý phương pháp

Khi trộn xi măng vào đất sẽ xảy ra quá trình kiềm và sau đó là quá trình thứ sinh Quá trình kiềm là quá trình thuỷ phân và hydrat hoá xi măng, được coi là quá trình chủ yếu hình thành nên độ bền của đất gia cố Quá trình kiềm sẽ tạo ra một lượng lớn hydroxyt canxi, làm tăng độ pH của nước lỗ rỗng trong đất, tạo điều kiện thúc đẩy quá trình thứ sinh

b) Mô tả công nghệ

Công nghệ trộn sâu (Deep mixing method - DM) là công nghệ trộn chất kết dính với đất tại chỗ dưới sâu để tăng khả năng chịu tải của nền đất yếu Tùy thuộc vào vật liệu kết dính và phương pháp trộn mà nó được phân thành các loại khác nhau

Theo thiết bị trộn, có 2 kiểu là phương pháp trộn kiểu tia (JG) và phương pháp trộn cơ khí (MG) Theo vật liệu trộn, có kiểu trộn ướt (vữa) và kiểu trộn khô (phun xi măng khô)

Trong phương pháp trộn khô, dùng dòng không khí dùng để dẫn xi măng bột vào đất (độ ẩm của đất cần phải không nhỏ hơn 20%) Trong phương pháp trộn ướt, vữa xi măng là chất kết dính được bơm qua cần khoan Trộn khô chủ yếu dùng cải thiện tính chất của đất dính, trộn ướt thường dùng trong đất rời lẫn đất dính

Quy trình công nghệ thi công trộn cơ (MG) gồm các bước sau: Định vị thiết

bị trộn; xuyên đầu trộn xuống độ sâu thiết kế đồng thời phá tơi đất; rút đầu trộn lên, đồng thời phun chất kết dính vào đất; đầu trộn quay và trộn đều xi măng với đất; kết thúc thi công (xem Hình 1.5)

Hình 1.5: Công nghệ thi công cọc đất-xi măng theo phương pháp MG

Công nghệ thi công trộn tia (JG): Là công nghệ trộn ximăng với đất tại chỗ dưới sâu Trước tiên đưa cần khoan đến đáy cọc dự kiến thì dừng lại và bắt đầu vữa bơm vữa ximăng phụt ra thành tia ở đầu mũi khoan, vừa bơm vữa vừa xoay cần khoan rút lên Tia nước và phun vữa ra với áp suất cao (200 - 400 atm), vận tốc lớn (100m/s) làm cho các phần tử đất xung quanh lỗ khoan bị xói tơi ra, hòa trộn với vữa phụt, sau đó đông cứng tạo thành một cọc (cột) đồng nhất Theo lịch sử phát triển, đã có 3 công nghệ S, D và T ra đời nhằm đạt được mục tiêu tạo cọc có đường kính lớn hơn và chất lượng trộn đồng đều hơn

Hình 1.6: Dây truyền công nghệ thi công trụ đất-xi măng đơn pha

c) Phạm vi áp dụng

Cọc đất xi măng được sử dụng trong nhiều loại công trình khác nhau như gia

cố nền móng công trình, gia cố thành hố đào, tường hầm, chống thấm,…Tuy nhiên đối với nền đất yếu ven biển và đất có hàm lượng hữu cơ cao xử lý theo phương pháp này là không phù hợp

1.2.3.3 Phương pháp gia cố nền bằng phương pháp phụt vữa xi măng

a) Nội dung phương pháp

Phun vào các lỗ rỗng của đất đá một lượng vữa xi măng cần thiết để sau khi đông cứng có tác dụng làm giảm tính thấm và tăng sức chịu tải của nền

b) Phạm vi áp dụng

Phương pháp này được sử dụng rộng rãi đối với công trình thuỷ lợi, thích hợp với các loại cát, đất sỏi và các nền đá nứt nẻ, đặc biệt hiệu quả khi kích thước khe nứt lớn hơn 0,15mm, tốc độ thấm lớn hơn 0,1cm/s nhưng không vượt quá 0,22cm/s

1.2.4 Nhóm các phương pháp vật lý gia cố nền đất yếu

Trong nhóm này gồm có các phương pháp gia cố nền bằng phương pháp điện thấm, phương pháp điện hóa học, phương pháp nhiệt Do tại Việt Nam các phương pháp này ít được sử dụng nên tác giả sẽ không trình bày trong luận văn này

1.2.5 Nhóm giải pháp thủy lực học

Đối với các nền đất sét yếu, do hệ số thấm của đất sét nhỏ nên quá trình cố kết của nền ở điều kiện bình thường cần rất nhiều thời gian, trong khi đó, các công trình xây dựng lại đòi hỏi phải thi công nhanh, đảm bảo tiến độ yêu cầu Do vậy, người ta thường dùng các thiết bị tiêu nước thẳng đứng kết hợp với biện pháp gia tải trước để làm tăng nhanh quá trình cố kết của đất nền

1.2.5.1 Phương pháp gia cố bằng giếng cát, cọc cát

a) Nội dung phương pháp

Nguyên lý làm việc của giếng cát là, dưới tác dụng của tải trọng ngoài, trong đất sẽ xuất hiện gradient thuỷ lực làm cho nước lỗ rỗng thoát ra theo phương ngang

về phía các thiết bị tiêu nước, sau đó chảy tự do theo phương đứng dọc theo thiết bị

về phía các lớp đất dễ thấm nước Như vậy, việc đặt các giếng cát có tác dụng làm tăng tốc độ thoát nước của đất và dẫn đến giảm thời gian hoàn thành cố kết

Giếng cát đóng vai trò thoát nước là chính nên gia cố nền bằng giếng cát thường phải đi kèm với biện pháp gia tải để nước thoát ra nhanh

b) Phạm vi áp dụng

Giếng cát được sử dụng rộng rãi để tăng nhanh quá trình cố kết của đất nền, làm cho nền có khả năng biến dạng đều và nhanh chóng đạt đến giới hạn ổn định về lún, rút ngắn thời gian chờ, thời gian thi công

Hình 1.7: Cọc cát trong nền đất yếu

1.2.5.2 Phương pháp gia cố bằng bấc thấm (PVD)

a) Nội dung phương pháp

Bấc thấm là thiết bị tiêu nước thẳng đứng chế tạo sẵn, gồm nhiều loại, có chiều rộng thường từ (100200)mm, dày từ (35)mm Lõi của bấc là một băng chất dẻo được bọc bởi lớp vải địa kỹ thuật không dệt Để cắm bấc thấm vào nền đất, người ta dùng một máy chuyên dụng tự hành Sau khi thi công bấc thấm, người ta cũng tiến hành gia tải nén trước giống như đối với giếng cát Để nước thoát ra dễ dàng từ đầu bấc thấm người ta thường phủ lên phía trên mặt lớp đất yếu một lớp vải địa kỹ thuật và trên lớp vải này đắp một lớp cát hạt to là lớp thấm nước

Hình 1.8: Thi công cắm bấc thấm

b) Ưu điểm của phương pháp

- Tốc độ lắp đặt bấc thấm (cắm bấc thấm vào đất yếu) đạt trung bình 5000m/ngày/máy Vì tốc độ lắp đặt nhanh làm giảm giá thành công trình Đây là

ưu điểm vượt trội nhất so với các phương pháp tiêu thoát nước khác;

- Trong quá trình lắp đặt bấc thấm, không được để xảy ra hiện tượng đứt bấc thấm Trong thực tế có thể bị đứt đoạn nếu như tốc độ rút ống quá nhanh;

- Bấc thấm đặt trong nền đất yếu sẽ không xảy ra hiện tượng bị cắt trượt do lún cố kết gây ra;

- Sự vấy bẩn mặt bằng thi công ít hơn nhiều so với việc thi công cọc cát, giếng cát;

- Không yêu cầu nước phục vụ thi công; chiều sâu cắm bấc có thể đạt tới 40m;

- Dễ dàng kiểm tra được chất lượng; thoát nước tốt trong các điều kiện khác nhau;

- Bấc thấm là sản phẩm được chế tạo trong nhà máy công nghệ và chất lượng

ổn định

c) Nhược điểm của phương pháp

- Trong quá trình thi công bấc thấm dễ bị gẫy ở đoạn lân cận trên và dưới mặt đất tự nhiên Khi bị gẫy bấc thấm gần như không có tác dụng thoát nước;

- Vải lọc dễ bị tắc khi đất xung quanh là loại đất mịn, do đó thường đặt ở giữa lớp đất cần thoát nước và lớp đất dưới đó thì mới hạn chế được hiện tượng này Tuy nhiên bấc thấm lại được cắm xuyên qua các lớp đất khác nhau và chủ yếu là dùng trong vùng đất yếu thành phần hạt mịn lớn nên nếu không thí nghiệm đầy đủ

sẽ rất dễ bị tắc trong quá trình hoạt động

d) Phạm vi áp dụng

Biện pháp này được sử dụng khá rộng rãi cho các nền đường cao tốc xây dựng trên đất yếu có yêu cầu tăng nhanh tốc độ cố kết để đảm bảo ổn định nền khối đắp

Khi sử dụng biện pháp này cần phải có đủ các điều kiện sau: (1) Nền đắp phải đủ cao và phải đắp kết hợp gia tải trước để có tải trọng đủ gây ra áp lực (ứng suất) nén trong phạm vi cố kết của đất yếu lớn hơn hoặc bằng 1,2 lần áp lực tiền cố kết vốn tồn tại tương ứng ở độ sâu đó; (2) Đất yếu phải là loại bùn có độ sệt B>0,75 mới nên xử lý bằng bấc thấm

1.2.5.3 Phương pháp cố kết hút chân không

a) Nội dung phương pháp

Hút chân không (HCK) là phương pháp xử lý nền bằng cách bơm hút nước

ra khỏi đất nền kết hợp với gia tải để cố kết đất; nhờ đó mà giảm được độ lún và tăng khả năng chịu tải của đất nền Hiện nay trên thế giới có rất nhiều công ty xây dựng triển khai công nghệ HCK, mỗi một công ty lại có những cải tiến riêng, những thiết bị riêng để phù hợp với các công trình xây dựng mà công ty đó thực hiện Vì vậy trong thực tế có nhiều biện pháp thi công HCK khác nhau Tuy nhiên các phương pháp này đều dùng gia tải để hỗ trợ quá trình rút nước khỏi nền Về cơ bản

có thể phân thành hai loại chính là thi công HCK có màng kín khí và không có màng kín khí

Màng kín khí thông thường là màng địa kỹ thuật (geo-membrane) bao kín toàn bộ khu vực thi công Trong quá trình bơm hút, mực nước ngầm hạ xuống và không khí cũng được rút ra, tạo một vùng áp suất nhỏ hơn áp suất khí quyển trong lớp đất gia tải nằm dưới màng, từ đó hình thành một gia tải phụ do sự chênh lệch về áp suất không khí ở trên và dưới màng kín khí (Hình 1.9) Đại diện của nhóm phương pháp thi công HCK có màng kín khí là phương pháp MCV (Menard Vacuum Consolidation)

Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý phương pháp MCV

Nguyên tắc của nhóm phương pháp thi công không có màng kín khí (VCM) dựa trên việc đơn giản hóa phương pháp MVC bằng cách bỏ đi màng kín khí, cũng

là bỏ đi sự trợ giúp của áp suất khí quyển Thay vào đó, nhóm phương pháp này yêu cầu đắp lớp gia tải cao hơn để bù đắp sự thiếu hụt về áp lực gia tải Nhìn chung nhóm phương pháp này thi công đơn giản, nhưng khối lượng gia tải lại tương đối lớn Đại diện cho nhóm thi công HCK không có màng kín khí là phương pháp Beaudrain (hệ thống ống tập trung nước được thi công lắp đặt ngầm dưới mặt đất)

và phương pháp Beaudrain-S (hệ thống ống tập trung nước được thi công lắp đặt nổi trên mặt đất, sau đó đắp lớp gia tải phủ lên trên)

b) Ưu điểm của phương pháp

Khi sử dụng bấc thấm để truyền áp lực chân không vào trong đất, vùng đất xung quanh có xu hướng chuyển dịch vào bên trong khu vực hút chân không, trong khi với biện pháp gia tải truyền thống sẽ làm cho đất có xu hướng đẩy trồi ra ngoài Chính sự hút vào bên trong này sẽ làm giảm độ dịch chuyển đất ra ngoài khi kết hợp với gia tải thường làm giảm thiểu nguy cơ mất ổn định mái dốc trong quá trình thi công nền đắp Bên cạnh đó, thời gian để tạo ra áp lực chân không đạt ổn định 60kPa-70kPa (tương đương 4m nền đắp) chỉ trong 6-8 ngày, nhanh hơn rất nhiều khi phải gia tải để tạo ra áp lực tương đương

c) Trình tự thi công cơ bản đối với hút chân không

 Vét hữu cơ, tạo mặt bằng thi công;

 Lớp đệm cát thoát nước, cắm PVD (chiều cao khoảng 0.5m);

 Rãnh, đường ống, bấc thấm ngang và tấm bảo vệ (vải địa kỹ thuật);

 Lắp màng và xử lý bờ bao;

 Lắp đặt bơm và máy phát điện;

 Bơm hút chân không đến cấp áp lực khoảng 30 kPa (khoảng 7-14 ngày);

 Kiểm tra, xử lý vùng kín, xử lý đất nền;

 Đắp nền và lắp đặt thiết bị quan trắc theo thiết kế;

 Bơm hút chân không theo áp lực thiết kế (70kPa) và quan trắc

* Đối với VCM loại không có màng thì bước 3 sẽ được thi công thêm các ống dẫn (tube) liên kết với đầu PVD và bước 4 không thi công màng

1.3 Tổng quan phương pháp tính toán thiết kế dùng trong xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp hút chân không

Hai nguyên lý tính toán xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp hút chân không hiện nay là phương pháp tính toán thiết kế tất định và tính toán thiết kế ngẫu nhiên Ở mục này tác giả sẽ giới thiệu tổng quan về hai phương pháp, nội dung cụ thể của từng phương pháp sẽ được trình bày trong Chương 3 của luận văn

1.3.1 Tính toán thiết kế xử lý nền bằng bấc thấm theo phương pháp truyền thống (phương pháp tất định)

Theo các tiêu chuẩn thiết kế bấc thấm hiện hành TCVN 9355-2013 1, 22TCN 262-2000 3, thì việc tính toán được tiến hành với các giá trị thiết kế của tải trọng, các thông số đất nền, bấc thấm,…được xem là hằng số, có thể là giá trị trung bình hoặc giá trị lấy theo xác suất thống kê (trạng thái giới hạn I hoặc II) Thực tế, các thông số đầu vào có thể biến đổi ngẫu nhiên, chẳng hạn như các chỉ tiêu cơ lý của đất nền Do vậy, mà thiết kế theo phương pháp tất định có thể dẫn đến việc dự báo độ lún cuối cùng, thời gian cố kết sai lệch Rủi ro trong việc chậm tiến

độ, lún dư kéo dài và nhiều hơn dự báo có thể làm ảnh hưởng đến hiệu quả, tiến độ của dự án và gây thiệt hại lớn về kinh tế

1.3.2 Phương pháp tính toán thiết kế ngẫu nhiên

Phương pháp tính toán thiết kế ngẫu nhiên (hay theo lý thuyết xác suất thống

kê hoặc bất định) là phương pháp tính toán thiết kế dựa trên sự biến thiên của các tham số đầu vào (tải trọng và sức kháng), từ đó tìm ra được xác suất xảy ra hiện tượng Đây là phương pháp thiết kế theo xu hướng hiện đại và được nhiều nước tiên tiến trên thế giới áp dụng (Hà Lan, Đức, Anh, Na Uy,…) [17]

Theo phương pháp này, các thông số đầu vào được mô phỏng bằng quy luật phân phối của chúng và các biến đầu ra cũng có quy luật biến đổi nhất định Ngoài

ra, tính toán rủi ro dựa trên các hàm tin cậy có thể được thiết lập cho từng phương

án thiết kế Trên cơ sở đó người thiết kế sẽ lựa chọn được phương án thiết kế tối ưu

Trong luận văn này tác giả sẽ đi tính toán theo hai phương pháp, chỉ ra những ưu nhược điểm của từng phương pháp và đưa ra phương án thiết kế tối ưu nhờ phương pháp ngẫu nhiên

1.4 Giới thiệu một số công cụ trong tính toán thiết kế ngẫu nhiên

1.4.2 Phần mềm BestFit

1.4.2.1 Giới thiệu phần mềm [20 ]

BestFit là phần mềm ứng dụng để tìm phân phối phù hợp nhất cho tập dữ liệu do công ty Palisade của Mỹ thiết kế BestFit cung cấp một môi trường linh hoạt, dễ sử dụng bằng cách chỉ cần nhập dữ liệu vào BestFit, kích nút chạy BestFits

sẽ tiến hành kiểm tra trên 28 loại phân phối để tìm được phân phối phù hợp nhất cho tập dữ liệu Ngoài ra người dùng có thể xem kết quả như các biểu đồ, các phân tích thống kê

1.4.2.2 Sử dụng phần mềm trong thiết kế bấc thấm

Thiết kế bằng phương pháp ngẫu nhiên thì công việc đầu tiên là phải tìm được quy luật phân phối và các đặc trưng phân phối của các dữ liệu đầu vào Ví dụ như trong thiết kế bấc thấm các thông số đầu vào ở đây là hệ số cố kết, tỷ số hệ số

cố kết đứng và ngang, tỷ số hệ số thấm, hệ số rỗng, các chỉ số nén của đất, áp lực tiền cố kết,… BestFits sẽ tiến hành kiểm tra trên 28 loại phân phối để tìm được phân phối phù hợp nhất và các đặc trưng phân phối cho tập dữ liệu

1.4.3 Phần mềm MatLab

1.4.3.1 Giới thiệu phần mềm [18]

MatLab là phần mềm cung cấp môi trường tính toán số và lập trình, do công

ty MathWorks thiết kế MatLab cho phép tính toán số với ma trận, vẽ đồ thị hàm

số hay biểu đồ thông tin, thực hiện thuật toán, tạo các giao diện người dùng và liên kết với những chương trình máy tính viết trên nhiều ngôn ngữ lập trình khác

Với thư viện Toolbox, MatLab cho phép mô phỏng tính toán, thực nghiệm nhiều mô hình trong thực tế và kỹ thuật

1.4.3.2 Sử dụng MatLab trong thiết kế bấc thấm

Trong thiết kế bấc thấm sử dụng MatLab để:

 Lập các mã code tính toán thời gian cố kết, độ lún cố kết, xác suất của các phá hủy của các hàm trạng thái giới hạn, tính toán rủi ro;

 Vẽ các biểu đồ của thời gian cố kết và độ lún cố kết như biểu đồ histogram, biểu đồ mật độ xác suất, biểu đồ xác suất tích lũy, biểu đồ rủi ro, biểu đồ giá thành của phương án thiết kế,…

Tóm lại, với MatLab việc tính toán cũng như vẽ các biểu đồ rất thuận tiện và nhanh chóng Người dùng có thể xây dựng được nhiều phương án thiết kế khác nhau, đánh giá chi phí thực hiện cũng như rủi ro của từng phương phương án, lựa chọn được phương án thiết kế tối ưu Trong luận văn tác giả dùng phần mềm này để tính toán và phân tích

1.5 Kết luận Chương 1

Qua Chương 1 tác giả đã rút ra một số kết luận sau:

 Các quan điểm khác nhau về nền đất yếu và khi xây dựng công trình cần phải

có giải pháp gia cố mới có thể thi công và vận hành được;

 Một số loại đất yếu thường gặp và tính chất xây dựng của chúng;

 Những vấn đề kỹ thuật khi xây dựng công trình trên đất yếu;

 Có nhiều phương pháp xử lý nền đất yếu, mỗi phương pháp có những ưu điểm, nhược điểm, phạm vi áp dụng khác nhau Để lựa chọn được phương pháp hợp lý thì phải dựa vào điều kiện địa chất công trình khu vực xây dựng, loại công trình xây dựng, yêu cầu tiến độ xây dựng,…

 Tính toán thiết kế xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm có hai phương pháp là phương pháp truyền thống theo tiêu chuẩn hiện hành (phương pháp tất định)

và phương pháp ngẫu nhiên (phương pháp bất định) Tính toán thiết kế ngẫu nhiên có nhiều ưu điểm vượt trội là khắc phục được những nhược điểm của phương pháp tất định, cho phép người thiết kế có thể lựa chọn được phương

án thiết kế tối ưu (là phương án mà có tổng chi phí là nhỏ nhất);

 Giới thiệu một số công cụ điển hình trong tính toán thiết kế ngẫu nhiên như OpenFTA, BestFit, Matlab Các công cụ này sẽ được dùng trong luận văn của tác giả với bài toán tính toán thiết kế bấc thấm

2 CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY

Chương này được kết cấu làm 3 mục Mục 2.1 Lý thuyết xác suất thống kê,

đó là nền tảng của lý thuyết độ tin cậy Mục 2.2 Phân tích rủi ro và phân tích tối ưu Mục 2.3 là kết luận của chương

2.1 Lý thuyết xác suất thống kê

2.1.1 Các khái niệm cơ bản về xác suất

Xác suất của một sự kiện (hay tình huống giả định) là khả năng xảy ra sự kiện (hay tình huống giả định) đó, được đánh giá dưới dạng một số thực nằm giữa 0

và 1

Khi một sự kiện không thể xảy ra thì xác suất của nó bằng 0 Ví dụ như xác suất của sự kiện “có người sống trên sao Thổ” bằng 0, nếu dựa theo hiểu biết hiện nay

Khi một sự kiện chắc chắn đã hoặc sẽ xảy ra thì xác suất của nó bằng 1(hay còn viết là 100%) Ví dụ như sự kiện “tôi được sinh ra từ trong bụng mẹ” có xác suất bằng 1

Khi một sự kiện có thể xảy ra và cũng có thể không xảy ra, và chúng ta không biết nó có chắn chắn xảy ra hay không, thì chúng ta có thể coi xác suất của

nó lớn hơn 0 và nhỏ hơn 1 Sự kiện nào được coi là càng dễ xảy ra thì có xác suất càng lớn (càng gần 1), và ngược lại nếu càng khó xảy ra thì xác suất càng nhỏ (càng gần 0)

Lịch sử phát triển của định nghĩa xác suất qua nhiều giai đoạn, bắt đầu từ định nghĩa theo quan niệm đồng khả năng, theo tần suất rồi đến định nghĩa theo hình học… Định nghĩa hiện đại nhất cho tới nay là định nghĩa xác suất của Konmogorov (nhà toán học Nga vĩ đại của thế kỷ 19) dựa trên lý thuyết độ đo [15] Tuy nhiên, trong hầu hết các lĩnh vực ứng dụng, định nghĩa xác suất theo tần suất tỏ

ra phù hợp nhất

2.1.1.1 Định nghĩa xác suất theo tần suất

Tần suất của sự kiện: Giả sử ta tiến hành N phép thử với cùng một hệ điều

kiện thấy có N(A) lần xuất hiện sự kiện A Số N(A) được gọi là tần số xuất hiện sự kiện A và tỉ số:

fn(A) = N(A)/N (2.1) gọi là tần suất xuất hiện sự kiện A Ta nhận thấy rằng khi N thay đổi N(A) thay đổi vì thế fn(A) cũng thay đổi Ngay cả khi tiến hành dãy N phép thử khác với cùng một điều kiện thì tần số và tần suất của N lần thử này cũng có thể khác tần số

và tần suất của N lần thử trước Tuy nhiên tần suất có tính ổn định nghĩa là khi số phép thử N khá lớn tần suất biến đổi rất nhỏ xung quanh một giá trị xác định

Định nghĩa xác suất theo tần suất: Xác suất của một sự kiện là trị số ổn định

của tần suất khi số phép thử tăng lên vô hạn

( )( ) lim

2.1.1.2 Xác suất có điều kiện

Xét hai sự kiện A và B trong một phép thử được tiến hành ứng với một bộ điều kiện nào đó Việc xuất hiện sự kiện này đôi khi ảnh hưởng đến xác suất xuất hiện của sự kiện kia và ngược lại

Định nghĩa: Xác suất của sự kiện A với giả thiết sự kiện B đã xảy ra là xác

suất có điều kiện của A với điều kiện B Ta kí hiệu xác suất này là P(A/B)

( )( / )

2.1.1.3 Công thức xác suất đầy đủ và công thức Bayes

a) Công thức xác suất đầy đủ (Total Probability Theorem)

Một hệ gồm n biến cố: Φ1, Φ2, , Φn lập thành một hệ đầy đủ các biến cố nếu: là các biến cố không giao nhau và hợp của của chúng là một biến cố chắc chắn xảy ra

Khi đó một biến cố E xuất hiện trong hệ đầy đủ sẽ có thể tìm được xác suất của nó theo công thức:

b) Công thức Bayes (The Bayes' Theorem)

Công thức Bayes được coi là hệ quả của công thức xác suất đầy đủ:

1

( / ) ( ) ( / )

Tính chất 3: Với hai sự kiện Avà B, ta sẽ ký hiệu sự kiện “cả Avà B đều xảy

ra” bằng A∩B và sự kiện “ít nhất một trong hai sự kiện A hoặc B xảy ra” bằng

A∪B Khi đó nếu hai sự kiện Avà B không thể cùng xảy ra, thì xác suất của sự kiện

“xảy ra A hoặc B” bằng tổng các xác suất của Avà của B:

P(A∩B) = 0⇒P(A∪B) =P(A) +P(B) (2.8)

Tính chất 4: Nếu A và B là sự kiện tùy ý thì:

P(A∪B) =P(A) +P(B) – P(AB) (2.9)

2.1.2 Các đại lượng ngẫu nhiên và hàm phân phối của nó

2.1.2.1 Biến ngẫu nhiên

a) Khái niệm biến ngẫu nhiên

Biến ngẫu nhiên X là một đại lượng nhận các giá trị nào đó phụ thuộc vào

các yếu tố ngẫu nhiên, nghĩa là với mọi giá trị thực x  R thì X < x là một biến cố

ngẫu nhiên

b) Phân loại biến ngẫu nhiên

Người ta phân các biến ngẫu nhiên thành hai loại:

+ Biến ngẫu nhiên rời rạc: Nếu nó chỉ nhận một số hữu hạn hoặc vô hạn đếm

được các giá trị Nghĩa là có thể liệt kê các giá trị thành một dãy x 1 , x 2 , x 3,…

+ Biến ngẫu nhiên liên tục: Nếu các giá trị của nó có thể lấp đầy một hoặc

một số các khoảng hữu hạn hoặc vô hạn và xác suất P(X=a) bằng không với mọi a

2.1.2.2 Hàm mật độ xác suất và hàm phân phối tích lũy của biến ngẫu nhiên

a) Hàm mật độ xác suất pdf (probability density distribution)

f(x) gọi là hàm mật độ xác suất của biến ngẫu nhiên liên tục X, xác định trên