Nghiên cứu ảnh hưởng của vùng xáo trộn đến nền đất yếu được xử lý bằng giếng cát cho bãi chứa vật liệu - nhà máy chế tạo ống thép tỉnh Tiền Giang

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA VÙNG XÁO TRỘN ĐẾN<br /> NỀN ĐẤT YẾU ĐƯỢC XỬ LÝ BẰNG GIẾNG CÁT CHO<br /> BÃI CHỨA VẬT LIỆU- NHÀ MÁY CHẾ TẠO ỐNG THÉP<br /> TỈNH TIỀN GIANG<br /> <br /> VÕ PHÁN*<br /> NGUYỄN HOÀNG TÂN**<br /> <br /> <br /> Research Influence Of Smear Zone For Soft Soil Treated By Sand Drain<br /> In Storage Yards – Steel Pile Factory In Tien Giang Province.<br /> Abstract: Treating soft soil by sand drain is a simple and common method,<br /> it make ground has a stable settlement quickly and reduces time of process<br /> of treating soft soil. However, in process of treating soft soil, smear zone is<br /> created and it effect on soft soil which is being treated. This paper show<br /> research of influnce of smear zone of sand drain for soft soil treated by<br /> sand drain with preloading. Finite element method is used in this<br /> reasearch by Plaxis program 2D v8.5.<br /> <br /> 1. GIỚI THIỆU * công đến nền đất yếu là cần thiết, để từ đó có<br /> Khi thi công công trình trên nền đất yếu thì thể sử dụng hiệu quả phƣơng pháp giếng cát<br /> độ lún cố kết của nền là một vấn đề đáng quan trong xử lí nền đất yếu.<br /> tâm nhất. Do đó cần có biện pháp để giải quyết 2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU<br /> độ lún đảm bảo công trình xây đƣợc ổn định và 2.1. Cơ sở lý thuyết tính toán giếng cát<br /> giếng cát là một biện pháp xử lí nền hiệu quả, 2.1.1. Lý thuyết cố kết theo phương đứng của<br /> đơn giản, thông dụng và kinh tế. Giếng cát đƣợc Tezaghi<br /> thiết kế nhằm tăng tốc độ thoát nƣớc của nền, Lƣu lƣợng dòng thấm ra khỏi phân tố phải<br /> giúp nền mau đạt đến độ lún ổn định, việc bố trí bằng sự thay đổi thể tích lỗ rỗng :<br /> giếng cát dựa trên tính toán thiết kế. Tuy nhiên,  2h  e 1<br /> kv 2 <br /> trong quá trình thi công tạo giếng có những tác  z  t 1 e<br /> động đến nền đất xung quanh thiết bị thi công Nếu hệ số cố kết đƣợc định nghĩa là<br /> và vùng xáo trộn đƣợc hình thành, gây ảnh k<br /> hƣởng ít nhiều đến của nền đất yếu đang đƣợc Cv  (1)<br /> mv  w<br /> xử lý. Vì vậy, việc tìm hiểu rõ hơn về ảnh<br /> hƣởng của vùng xáo trộn gây ra bởi quá trình thi Độ cố kết trung bình của nền :<br /> 8   2 <br /> U o  1  2 exp  Tv  (2)<br /> <br /> *<br /> Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM<br /> 268 Lý Thường Kiệt, Q.10, TP.Hồ Chí Minh.<br />  4 <br /> DD : 0913867008 Trong đó :<br /> Email: vphan54@yahoo.com Cvt<br /> **<br /> Công ty TNHH Kỹ Thuật Gouvis Tv  (3)<br /> h2<br /> 3C - 4C Cư Xá Phan Đăng Lưu, P.3,<br /> Q.Bình Thạnh, TP.Hồ Chí Minh.<br /> h : Là chiều dài đƣờng thấm;<br /> DD: 0984890093 Cv : Hệ số cố kết theo phƣơng đứng;<br /> Email: hoangtan07@gmail.com t : Thời gian cố kết;<br /> <br /> 52 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2015<br />  k : Hệ số thấm đứng của đất; Trong thực tế quá trình cố kết của giếng cát<br /> mv: Hệ số nén tƣơng đối. là một bài toán đối xứng hình trụ (3D) nhƣng<br /> 2.1.2. Lời giải lăng trụ cố kết của Hansbo khi sử dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn thì để<br /> (1981) : đơn giản trong việc mô phỏng bài toán, thƣờng<br /> Phƣơng trình áp lực nƣớc lỗ rỗng trung bình chuyển bài toán về dạng phẳng (2D). Việc<br /> khi xét xáo trộn và cản giếng : chuyển từ 3D sang 2D bằng cách xem giếng cát<br /> w  nhƣ một tƣờng thấm phẳng. Từ đó, tính quy đổi<br /> u re2 z (4) hệ số thấm ngang của đất trong mô hình đối<br /> 2kh t<br /> xứng hình trụ sang hệ số thấm ngang tƣơng<br /> Theo Terzaghi<br /> đƣơng của đất trong mô hình phẳng.<br />   ' u<br />  mv  mv 2.2.1. Phƣơng pháp 1: Theo Hird (1992):<br /> t t t B là phân nửa bề rộng của mô hình dạng phẳng,<br /> Từ đó ta có phƣơng trình áp lực nƣớc lỗ rỗng R là bán kính vùng ảnh hƣởng của giếng cát trong<br /> trung bình : mô hình đối xứng trụ. Trong điều kiện giữ nguyên<br />  w 2 u dạng hình học của mô hình thì B = R.<br /> u re z mv<br /> 2kh t Phƣơng pháp của Hird (1992) qui đổi hai hệ<br /> Độ cố kết thấm theo phƣơng ngang : số thấm trong vùng xáo trộn và không xáo trộn<br /> thành một hệ số thấm duy nhất gọi là gọi hệ số<br />  8Th <br /> U h  1  exp   (5) thấm tƣơng đƣơng.<br />  z  Ảnh hƣởng cản giếng đƣợc xem là độc lập.<br /> Trong đó : 2B<br /> Qw  q (10)<br /> Ct<br /> Th  h 2 (6)  R2 w<br /> 4re Trong đó :<br /> kh Qw – lƣu lƣợng của giếng cát trong mô hình<br /> Ch  (7) dạng phẳng.<br /> mv  w<br /> qw – lƣu lƣợng của giếng cát trong mô hình<br /> n 3 kh 2kh z2 dạng đối xứng hình trụ.<br />  z  ln   ln s  (lz  ) (8)<br /> s 4 ks qw 2 Hệ số thấm tƣơng đƣơng của đất trong mô<br /> r r hình dạng phẳng:<br /> n e ; s s (9) 2 B 2 kha<br /> rw rw khp  (11)<br /> n k 3<br /> kh : Hệ số thấm của đất theo phƣơng ngang 3 R 2 (ln( )  ha ln( s)  )<br /> trong vùng không xáo trộn;<br /> s ksa 4<br /> ks : Hệ số thấm của đất theo phƣơng ngang Trong đó:<br /> trong vùng xáo trộn; khp – Hệ số thấm ngang tƣơng đƣơng của đất<br /> Ch: Hệ số cố kết theo phƣơng ngang; trong mô hình dạng phẳng.<br /> re : Bán kính vùng ảnh hƣởng của giếng cát; kha – Hệ số thấm ngang của đất của vùng<br /> rw: Bán kính của giếng cát; không xáo trộn trong mô hình đối xứng hình trụ.<br /> rs : Bán kính vùng xáo trộn của giếng cát; ksa – Hệ số thấm ngang của đất của vùng xáo<br /> s = rs/rw : Hệ số mở rộng vùng xáo trộn. trộn trong mô hình đối xứng hình trụ.<br /> 2.2. Mô phỏng bài toán giếng cát theo n = re/rw ; s = rs/rw<br /> phƣơng pháp phần tử hữu hạn. Khi xét ảnh hƣởng của vùng xáo trộn s ≠ 1,<br /> <br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2015 53<br /> còn khi không có ảnh hƣởng của vùng xáo trộn không xáo trộn trong mô hình đối xứng hình trụ.<br /> thì s =1. ksa – Hệ số thấm ngang của đất của vùng xáo<br /> 2.2.3. Phƣơng pháp 2: Theo Indraratna và trộn trong mô hình đối xứng hình trụ.<br /> Redana (1997): n = re/rw ; s = rs/rw<br /> Phƣơng pháp này xem xét cả 2 nhân tố là hệ Theo Indraratna và Redana (2005):<br /> số thấm của đất và khoảng cách của giếng cát, 2 ( n  s )3<br /> vùng xáo trộn đƣợc mô hình một cách rõ ràng. <br /> 3 n2 (n  1)<br /> Trong mô hình dạng phẳng thì cùng một lớp đất<br /> 2( s  1) 1<br /> sẽ có 2 giá trị hệ số thấm là trong vùng xáo trộn  2 [n(n  s  1)  ( s 2  s  1)]<br /> và vùng không xáo trộn. n (n  1) 3<br /> Hệ số thấm tƣơng đƣơng của đất trong mô 3. ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN CHO BÃI<br /> hình dạng phẳng (chỉ xét ảnh hƣởng của vùng CHỨA VẬT LIỆU – NHÀ MÁY CHẾ TẠO<br /> xáo trộn ): ỐNG THÉP TỈNH TIỀN GIANG<br /> 3.1. Giới thiệu công trình<br /> khp' <br />  (12) Nhà máy chế tạo ống thép do Công ty cổ<br /> khp khp n k 3<br /> (ln( )  ha ln( s)  )   phần sản xuất ống thép dầu khí Việt Nam<br /> kha s ksa 4 (PVPIPE) đầu tƣ xây dựng tại khu công nghiệp<br /> Hệ số thấm tƣơng đƣơng của đất trong mô dịch vụ Dầu khí Soài Rạp, huyện Gò Công<br /> hình dạng phẳng trong vùng không xáo trộn Đông, tỉnh Tiền Giang<br /> đƣợc tính theo công thức của Hird el at.1992 với Khu đất xây dựng nhà máy có diện tích 46.4<br /> B = R và s =1. ha nằm về phía Đông Nam Khu công nghiệp.<br /> 2kha Phía Đông Bắc là bờ sông<br /> khp <br /> n k 3 Soài Rạp dài 595m. Ba mặt còn lại là đƣờng<br /> 3(ln( )  ha ln(1)  )<br /> 1 ksa 4 nội bộ. Khu công nghiệp và đất trống chƣa sử<br /> 2kha dụng. Diện tích sử dụng đất của nhà máy hiện<br />  (13) tại là 22.9 ha, trong đó diện tích nhà xƣởng 4.2<br /> 3<br /> 3(ln(n)  ) ha, diện tích bãi chứa ống thành phẩm 12 ha.<br /> 4<br /> Trong đó : Khu vực bãi chứa ống có tải trọng khai thác<br /> khp – Hệ số thấm ngang qui đổi của đất trong 3 T/m2. Do đó cần xử lý nền đất yếu khu vực<br /> mô hình dạng phẳng trong vùng không xáo trộn. bãi chứa để đảm bảo tính ổn định của nền trong<br /> quá trình khai thác.<br /> k’hp - Hệ số thấm ngang qui đổi của đất trong<br /> 3.2. Thông số thiết kế của giếng cát xử lý<br /> mô hình dạng phẳng trong vùng xáo trộn.<br /> nền đất yếu<br /> kha – Hệ số thấm ngang của đất của vùng<br /> <br /> Bảng 1: Thông số tính toán giếng cát<br /> Bố trí giếng cát Hình vuông<br /> Khoảng cách giữa các giếng cát (m) 1.5<br /> Bán kính vùng ảnh hƣởng giếng cát : re (m) 0.8475<br /> Bán kính giếng cát : rw (m) 0.2<br /> n = re / rw 4.2375<br /> Hệ số thấm đứng của đất yếu kv (m/ngày) 3.629E-05<br /> <br /> <br /> 54 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2015<br />  Bảng 2: Chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất hố khoan BH19:<br /> <br /> Lớp 4 : Sét<br /> Lớp 3 : Sét dẻo thấp đến<br /> dẻo thấp đến dẻo cao,<br /> Lớp 1 : Lớp 2: Bùn dẻo cao xám màu xám<br /> Giếng<br /> STT Tên Ký hiệu Đơn vị Cát đắp Cát san sét trạng nâu, xanh vàng<br /> Cát<br /> lắp thái chảy vàng,trạng thái ,trạng thái<br /> dẻo cứng đến dẻo cứng<br /> nửa cứng đến nửa<br /> cứng<br /> 1 Chiều dày lớp đất m 2.4 3.3 10.6 7.7 13.2<br /> 2 Dung trọng tự nhiên ɣunsat kN/m3 18 18 8.14 16.16 15.35 18<br /> 3 Dung trọng bão hòa ɣsat kN/m<br /> 3<br /> 19 19 14.91 19.98 19.49 20<br /> 4 Modul đàn hồi Eref kN/m<br /> 2<br /> 20000 20000 500 6800 5100 800<br /> 5 Hệ số Poison ν 0.3 0.3 0.35 0.3 0.3 0.3<br /> 6 Lực dính c kN/m3 1 3 5.6 21.5 30.7 1<br /> 7 Góc ma sát trong φ 0<br /> 30 30 3 18.5 18.5 30<br /> 8 Góc giãn nở ψ 0<br /> 0 0 0 0 0 0<br /> Hệ số thấm ngang kx m/ngày 1 1 6.16E-06 3.46E-06 10<br /> 9<br /> Hệ số thấm đứng ky m/ngày 1 1 3.08E-06 1.73E-06 10<br /> 10 Phần tử tiếp xúc R inter 1 1 0.7 0.8 0.8 1<br /> 11 Ứng xử đất Type Drained Drained Undrained Undrained Undrained Drained<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1: Mặt cắt địa chất công trình<br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2015 55<br />  3.3. Qui đổi hệ số thấm lớp đất yếu<br /> Bảng 3: Hệ số thấm tƣơng đƣơng lớp đất yếu ( lớp 2) theo Hird<br /> <br /> Vùng xáo trộn kha (m/ngày) ksa (m/ngày) khp (m/ngày)<br /> <br /> s = rs/rw = 1 7.258E-05 3.629E-05 6.972E-05<br /> s = rs/rw = 2 7.258E-05 3.629E-05 3.488E-05<br /> s = rs/rw = 3 7.258E-05 3.629E-05 2.699E-05<br /> s = rs/rw = 4 7.258E-05 3.629E-05 2.326E-05<br /> <br /> Bảng 4: Hệ số thấm tƣơng đƣơng lớp đất yếu (lớp 2) theo Indraratna<br /> <br /> Vùng xáo trộn kha (m/ngày) ksa (m/ngày) α β khp (m/ngày) k'hp (m/ngày)<br /> <br /> s = rs/rw = 1 7.258E-05 3.629E-05 0.38914 0 6.972E-05 0<br /> s = rs/rw = 2 7.258E-05 3.629E-05 0.12846 0.26068 6.972E-05 1.509E-05<br /> s = rs/rw = 3 7.258E-05 3.629E-05 0.02173 0.36741 6.972E-05 1.507E-05<br /> s = rs/rw = 4 7.258E-05 3.629E-05 0.00015 0.38899 6.972E-05 1.357E-05<br /> <br /> 3.4. Mô hình nền xử lý bằng giếng cát trong Plaxis v8.5:<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2 : Mô hình nền xử lý bằng giếng cát<br /> <br /> 4. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN<br /> 4.1. Độ lún của cả nền theo Hird, Indraratna<br /> và so sánh giữa các phƣơng pháp mô phỏng<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3: Biểu đồ độ lún của nền theo thời gian Hình 4 : Biểu đồ độ lún của nền theo thời gian<br /> theo Hird khi thay đ i vùng xáo trộn theo Indraratna khi đ i vùng xáo trộn<br /> <br /> <br /> 56 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2015<br />  Hình 8: Biểu đồ áp lực nước lỗ rỗng theo<br /> Indraratna khi thay đ i vùng xáo trộn<br /> Hình 5: So sánh độ lún của nền giữa các phương<br /> pháp mô phỏng khi không có vùng xáo trộn 4.3. Độ cố kết lớp đất yếu (lớp 2) theo các<br /> phƣơng pháp mô phỏng:<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 6: So sánh độ lún của nền giữa các<br /> phương pháp mô phỏng khi vùng xáo trộn s = 2 Hình 9 : So sánh độ cố kết lớp đất yếu theo các<br /> phương pháp mô phỏng khi s = 1<br /> 4.2. Áp lực nƣớc lỗ rỗng tại điểm giữa lớp<br /> đất yếu (lớp 2) theo Hird, Indraratna:<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 7: Biểu đồ áp lực nước lỗ rỗng theo Hird Hình 10: So sánh độ cố kết lớp đất yếu theo các<br /> khi thay đ i vùng xáo trộn phương pháp mô phỏng khi s = 3<br /> <br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2015 57<br />  5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 2. Khi xét đến vùng xáo trộn kiến nghị dùng<br /> 5.1. Kết luận phƣơng pháp mô phỏng theo Indraratna cho nền<br /> 1. Khi vùng xáo trộn đƣợc mở rộng, nó làm có 1 lớp đất yếu nằm ở trên cùng.<br /> giảm độ lún nền tại cùng thời điểm khi không có<br /> vùng xáo trộn, mức độ tiêu tán áp lực nƣớc lỗ<br /> rỗng trong lớp đất yếu đƣợc xử lý chậm đi, độ TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> cố kết nền đất yếu giảm, làm tăng thời gian thi<br /> công xử lý nền để đạt độ lún yêu cầu. [1]. Trần Quang Hộ, Công trình trên nền đất<br /> 2. Từ kết quả phân tích số và mô phỏng bằng yếu, Nhà xuất bản Đại học quốc gia TP.HCM,<br /> plaxis 2D cho thấy khi không xét đến ảnh hƣởng năm 2009. (Tr. 294 – 314 )<br /> của vùng xáo trộn thì phƣơng pháp mô phỏng [2]. Châu Ngọc Ẩn, Cơ học đất, Nhà xuất<br /> theo Hird hay Indraratna và Redana đều cho kết bản Đại học quốc gia TP.HCM, năm 2010<br /> quả độ lún, độ cố kết gần giống với giải tích. [3]. I. Wayan Redana, Effectiveness of<br /> Khi xét đến vùng xáo trộn thì phƣơng pháp mô vertical drains in soft clay with special<br /> phỏng theo Indraratna cho kết quả độ lún nhỏ reference to smear effect, University of<br /> hơn 5% - 10% so với theo Hird. Khi hoàn thành Wollongong (1999). (Tr 1 - 126)<br /> đợt gia tải, áp lực nƣớc lỗ rỗng ban đầu dùng [4]. C. Rujikiatkamjorn, B. Indraratna, C.<br /> phƣơng pháp mô phỏng theo Indraratna cho kết Jian, Numerical modelling of soft soil stabilized<br /> quả lớn hơn 2% -3% so với theo Hird và by vertical drains, combining surcharge and<br /> Indraratna thể hiện rõ ràng hơn sự tiêu tán áp vacuum preloading for a storage yard,<br /> lực nƣớc lỗ rỗng chậm đi. Độ cố kết nền đất yếu University of Wollongong (2007).<br /> dùng phƣơng pháp mô phỏng theo Indraratna [5]. Parsa-Pajouh A., Fatahi H., Khabbaz B,<br /> gần với giải tích hơn, chênh lệch 3% - 4% so Numerical Analysis to Quantify the Influence of<br /> với giải tích. Smear Zone Characteristics on Preloading<br /> 3. Đây chỉ là các khảo sát thuần túy trên phần Design in Soft Clay, School of Civil and<br /> mềm và chƣa có số liệu đo thực tế kiểm chứng. Environmental Engineering, University of<br /> 5.2. Kiến nghị Technology Sydney (UTS), Sydney, Australia.<br /> 1. Công trình đƣợc nghiên cứu, phân tích [6]. Tuan Anh Tran, Toshiyuki Mitachi,<br /> nhƣng chƣa xét đến sự ảnh hƣởng của cản giếng Finite element modeling of peaty soft ground<br /> cát và sự thay đổi của vùng xáo trộn theo độ preconsolidated by vertical drains under<br /> sâu nên cần mở rộng nghiên cứu vấn đề này. vacuum-surcharge preloading.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Người phản biện: PGS.TS. ĐOÀN THẾ TƢỜNG<br /> <br /> <br /> 58 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2015<br />