BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
PHẠM QUANG ĐÔNG
NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP CỐ KẾT CHÂN KHÔNG
XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU ĐỂ XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH
Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
Mã số : 62-58-60-01
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI – 2015
Công trình được hoàn thành tại:
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
Người hướng dẫn khoa học: 1. GS.TS TRỊNH MINH THỤ
2. GS.TS NGUYỄN CHIẾN
Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:
Luận án được bảo vệ trước hội đồng chấm luận án cấp trường họp tại:
Trường Đại học Thủy lợi – 175 Tây Sơn – Đống Đa – Hà Nội
Vào hồi …..giờ…..ngày…..tháng…..năm…..
Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Quốc gia
hoặc thư viện Đại học Thủy lợi - 175 Tây Sơn - Đống Đa - Hà Nội
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Phương pháp cố kết chân không được ứng dụng thành công trên thế giới và Việt Nam bước đầu ứng dụng, bởi phương pháp này có những ưu điểm như: Thời gian thi công ngắn, tiết kiệm được vật liệu gia tải, công tác dỡ tải sau xử lý gọn, thi công không gây ô nhiễm môi trường, đặc biệt phù hợp khi xử lý nền trên diện rộng, dài.
Việt Nam đã ứng dụng phương pháp này để xử lý nền cho một số công trình, với công nghệ và trang thiết bị do các đơn vị nước ngoài phụ trách. Việc am hiểu, chủ động được công nghệ và xây dựng được mối quan hệ giữa các thông số của nền đất trong quá trình cố kết chân không cho một số loại đất yếu ở Việt Nam mang ý nghĩa thời sự và cần thiết. Vì vậy đề tài “Nghiên cứu ứng dụng phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu để xây dựng công trình” có ý nghĩa khoa học và thực tiễn to lớn. 2. Mục đích của đề tài
- Xác định quy luật biến thiên áp lực nước lỗ rỗng và biến dạng (lún) của nền đất yếu trong quá trình cố kết chân không.
- Xây dựng mối quan hệ giữa chỉ số dẻo (PI), độ cố kết (U), chiều dày nền đất yếu xử lý (H) và thời gian cố kết (t) khi xử lý nền bằng phương pháp cố kết chân không. 3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
- Đất yếu ven sông, ven biển khu Đình Vũ – Hải Phòng, Duyên Hải – Trà Vinh, Nhơn Trạch – Đồng Nai, Nhiệt điện Thái Bình – Thái Bình.
- Các loại đất yếu khu vực khác có các chỉ tiêu cơ lý tương đồng.
4. Nội dung nghiên cứu
(1) Nghiên cứu tổng quan về các giải pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu trên thế giới và ở Việt Nam. Đánh giá tồn tại về kỹ thuật và chỉ ra vấn đề mà luận án tập trung giải quyết. (2) Ứng dụng cơ sở lý thuyết, tính toán đưa ra các thông số của quá trình cố kết chân không cho loại đất yếu nghiên cứu để làm cơ sở đối chiếu, so sánh với kết quả thực nghiệm mô hình vật lý (MHVL) và hiện trường. (3) Nghiên cứu lắp đặt, vận hành hệ thống, các thiết bị thí nghiệm để chủ động về công nghệ cố kết chân không. (4) Nghiên cứu thực nghiệm về quy luật biến thiên áp lực nước lỗ rỗng
2
(ALNLR) và biến dạng của nền đất trong quá trình cố kết chân không bằng các MHVL. Kết quả nghiên cứu được đối chiếu, so sánh với kết quả tính toán từ mô hình số để xem xét sự phù hợp của mô hình số tính toán. (5) Để khẳng định sự hợp lý của mô hình số tiến hành tính toán, kiểm tra, so sánh với kết quả thực nghiệm của các công trình thực tế. (6) Ứng dụng mô hình số được chọn tính toán cho một số loại đất yếu, xây dựng mối quan hệ giữa chỉ số dẻo, độ cố kết, chiều dày nền đất yếu xử lý và thời gian cố kết khi xử lý nền bằng phương pháp cố kết chân không. 5. Phương pháp nghiên cứu
(1) Phương pháp tính toán, phân tích lý thuyết: Nghiên cứu bài toán cố kết chân không, nghiên cứu các nội dung liên quan đến việc giải bài toán cố kết chân không. (2) Phương pháp thực nghiệm: Thí nghiệm MHVL để xác định quá trình biến thiên ALNLR và biến dạng tại các vị trí và độ sâu nghiên cứu trong quá trình cố kết chân không. (3) Phương pháp thống kê: Xử lý số liệu thí nghiệm, xử lý thống kê để xác lập các đường quan hệ giữa các yếu tố nghiên cứu. (4) Phương pháp phần tử hữu hạn: Lựa chọn, sử dụng mô hình số để tính toán xây dựng mối quan hệ giữa các thông số của quá trình cố kết chân không. (5) Phương pháp chuyên gia: Tổ chức hội thảo, báo cáo khoa học nhằm tổng hợp các ý kiến đóng góp của các chuyên gia, các nhà khoa học về lĩnh vực nghiên cứu. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
a) Ý nghĩa khoa học Các nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cố kết chân không ở Việt Nam còn ít, vì vậy kết quả nghiên cứu của luận án về quy luật biến đổi ALNLR và biến dạng lún, trong điều kiện đất yếu Việt Nam theo phương pháp này để làm cơ sở đưa ra các dự đoán khi xử lý nền đất yếu cho các công trình thực tế.
Hiện nay chưa có phần mềm chuyên dụng nào ứng dụng cho bài toán cố kết chân không, vì vậy việc lựa chọn được phần tử hữu hạn phù hợp có ý nghĩa khoa học.
Để có cơ sở đưa ra các dự đoán ban đầu về quá trình cố kết khi xử lý nền bằng phương pháp cố kết chân không, việc xây dựng được mối quan hệ giữa các thông số độ cố kết, thời gian cố kết, chỉ số dẻo và chiều dày nền đất yếu xử lý là cần thiết.
3
b) Ý nghĩa thực tiễn Với kết quả nghiên cứu xác định được quy luật biến thiên các thông số của nền đất, đồng thời xác lập được mối quan hệ của chúng khi xử lý nền đất yếu bằng phương pháp cố kết chân không, giúp cho các cán bộ địa kỹ thuật có được công cụ để đưa ra các dự đoán ban đầu về quá trình cố kết khi xử lý nền đất yếu theo phương pháp này. 7. Những đóng góp mới của luận án
(1) Thiết lập và thí nghiệm MHVL cỡ lớn là mô hình đầu tiên ứng dụng phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu cho loại đất yếu ven biển được thực hiện tại phòng thí nghiệm Địa kỹ thuật, trường Đại học Thủy lợi để nghiên cứu quá trình biến thiên ALNLR và biến dạng của nền đất tại các vị trí và độ sâu nghiên cứu khác nhau.
(2) Lựa chọn được bộ phần mềm phù hợp để tính toán cố kết chân không kết hợp gia tải cho cả bài toán trong phòng và hiện trường.
(3) Xây dựng được các biểu đồ về mối quan hệ giữa chỉ số dẻo, độ cố kết, chiều dày nền đất yếu xử lý và thời gian cố kết khi xử lý nền đất yếu bằng phương pháp cố kết chân không. 8. Bố cục của luận án
Mở đầu Chương 1: Tổng quan về phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu và lý thuyết của phương pháp Chương 2: Nghiên cứu thực nghiệm phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu bằng mô hình vật lý Chương 3: Mô hình tính cho bài toán cố kết chân không Chương 4: Xây dựng mối quan hệ giữa các thông số của bài toán cố kết chân không Kết luận và kiến nghị Danh mục các tài liệu khoa học đã công bố Danh mục các tài liệu tham khảo
4
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP CỐ KẾT CHÂN KHÔNG XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU VÀ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP
1.1. Nền đất yếu
Có rất nhiều quan niệm khác nhau về nền đất yếu, nhưng có thể tóm lại rằng, nền đất yếu là nền đất không thuận lợi cho việc xây dựng công trình. Xây dựng công trình trên nền đất yếu đòi hỏi phải xử lý nền thật tốt để đảm bảo an toàn cho việc xây dựng và vận hành. 1.2. Tổng quan về nghiên cứu và ứng dụng phương pháp cố kết chân không 1.2.1. Tình hình ứng dụng phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu trên thế giới
Phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu lần đầu tiên được giới thiệu vào năm 1952 bởi tiến sĩ W. Kjellman, năm 1980 cố kết chân không được cải tiến bằng sự kết hợp với gia tải trước và bấc thấm. Năm 1989, hãng xây dựng Menard (Pháp) lần đầu tiên áp dụng thành công sự cải tải tiến này, từ đó phương pháp này đã được ứng dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới. Từ năm 1997 Công ty xây dựng Cofra của Hà Lan đã cải tiến bỏ đi lớp màng bảo vệ thi công phức tạp và dễ bị hư hại, tuy nhiên phải đắp thêm gia tải để bù cho sự chênh lệch áp suất khí quyển bị gỡ bỏ đi. Thi công theo phương pháp cố kết chân không, cơ bản có thể phân thành 2 loại chính là thi công có màng kín khí và không có màng kín khí.
1.2.2. Tình hình nghiên cứu phương pháp cố kết chân không Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng ảnh hưởng đến quá trình cố kết chân không, các yếu tố ảnh hưởng này được nhiều tác giả nghiên cứu từ các kết quả thực nghiệm trong phòng và hiện trường của các công trình thực tế. Kết quả của các nghiên cứu này cũng đã chỉ ra rằng tùy thuộc vào loại đất, cấp áp lực, loại bấc thấm, khoảng cách bấc thấm ảnh hưởng đến độ cố kết của nền. Tuy nhiên ngoài các điều kiện trên tạo ra sự khác biệt của các kết quả nghiên cứu, hệ số cố kết theo phương ngang và mức độ xáo trộn quanh vùng bấc thấm là nhân tố chính ảnh hưởng đến quá trình cố kết dẫn đến sự khác biệt này. 1.2.3. Tình hình nghiên cứu ứng dụng phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu ở Việt Nam
5
Phương pháp xử lý nền bằng cố kết chân không bước đầu được ứng dụng cho một số công trình ở Việt Nam. Trên cơ sở của những kết quả ứng dụng cho thấy đây là một phương pháp mới, hiệu quả. Tuy nhiên, đến nay việc thiết kế và thi công theo phương pháp này chủ yếu do các đơn vị nước ngoài nắm giữ, vì vậy cần có các nghiên cứu về bản chất của quá trình cố kết và nắm bắt được công nghệ thi công phù hợp với điều kiện địa chất và thực tiễn để có thể ứng dụng rộng rãi trong xử lý nền các công trình xây dựng ở Việt Nam.
Các nghiên cứu về phương pháp cố kết chân không ở Việt Nam còn ít, các công trình nghiên cứu chủ yếu từ kết quả của các công trình xử lý hiện trường, chưa có các mô hình thực nghiệm trong phòng để nghiên cứu thông số biến đổi ALNLR và biến dạng lún của nền, chưa có các mô hình số phù hợp để kiểm tra so sánh. 1.3. Lý thuyết phương pháp cố kết chân không
1.3.1. Bài toán cố kết thấm Bản chất của quá trình cố kết thấm là sự giảm hệ số rỗng của đất nền do nước trong đất được ép thoát ra ngoài bằng hiện tượng thấm, nhờ đó các hạt đất tì chặt trực tiếp lên nhau, gia cố được sự liên kết của cấu trúc đất.
Nếu nguyên lý của phương pháp đầm nén cơ học bình thường sử dụng lực tác dụng của tải trọng để gia tăng ứng suất tổng từ đó tăng ứng suất hiệu quả, thì bản chất của cố kết chân không là giảm ứng suất dư trong lỗ rỗng, từ đó tăng ứng suất hiệu quả mà không thay đổi ứng suất tổng (hình 1.12).
Hình 1.12. Nguyên lý cố kết chân không
6
1.3.2. Phương trình vi phân cơ bản Terzaghi cho rằng phương trình vi phân cơ bản của hiện tượng cố kết thấm có dạng:
(1-1)
Theo N. Carrillo bài toán cố kết 3 hướng có dạng:
(1-2)
Trong đó: Cv - hệ số cố kết theo phương đứng; Cr - hệ số cố kết theo phương bán kính; u – áp lực nước lỗ rỗng dư.
1.3.3. Các phương pháp giải bài toán cố kết thấm Để giải bài toán cố kết thấm có phương pháp cố kết nén lún tương đương và phương pháp Barron – Terzaghi. Các nhà khoa học đã giải lại bài toán của Barron – Terzaghi áp dụng cho bài toán cố kết chân không, trong số đó có lời giải của đại học Wollongong.
Giá trị trung bình ALNLR tại thời điểm t xác định bằng công thức 1-33:
(1-33)
Độ cố kết trung bình và thời gian xác định theo công thức:
2;
(1-35)
- Trong đó: Cvh= Ch/Cv=kh/kv; L=l/de; l: Chiều dài bấc thấm; Th=Cht/de
hệ số nở hông; pva - áp suất chân không. 1.4. Phương pháp dự báo lún 1.4.1. Phương pháp Asaoka Theo phương pháp này, độ lún cuối cùng được dự báo dựa vào số liệu quan trắc thực tế. Số liệu này có thể mô hình hóa gần đúng thành đường thẳng (hình 1.20). (1-36) St+Δ = βSi+A Trong đó:
β - độ dốc của đường thẳng hồi quy mô phỏng chính xác nhất; A - giao điểm kéo dài của đường thẳng mô phỏng với trục tung;
7
Sau khi xác định được đường thẳng hồi quy mô phỏng, giá trị độ lún cuối theo Asaoka tính bằng:
(1-37)
Hình 1.20. Đường thẳng Asaoka
1.4.2. Phương pháp điểm uốn Hệ số điểm uốn lý thuyết và thực nghiệm được xác định theo phương trình:
(1-40)
(1-41)
Giá trị độ lún cuối sẽ được xác định dựa vào tỉ lệ:
(1-42)
Kết luận chương 1
Phương pháp cố kết chân không được nghiên cứu, ứng dụng thành công trên thế giới và Việt Nam bước đầu ứng dụng phương pháp này, với công nghệ và trang thiết bị chủ yếu từ các đơn vị nước ngoài, các nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cố kết không nhiều, một số ít các công trình được ứng dụng. Vì vậy, để chủ động về công nghệ và ứng dụng phù hợp trong điều kiện đất yếu Việt Nam, cần có các nghiên cứu về quy luật biến đổi các thông số của nền đất bằng các MHVL. Trong luận án này, tác giả đề xuất sử dụng MHVL cỡ lớn để nghiên cứu quy luật biến thiên ALNLR và biến dạng của nền tại các vị trí và độ sâu nghiên cứu. Chương 2
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM PHƯƠNG PHÁP CỐ KẾT CHÂN KHÔNG XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ 2.1. Mục đích nghiên cứu
Mục đích của nghiên cứu thực nghiệm trong phòng là xác định quy luật biến thiên độ lún và ALNLR cho loại đất nghiên cứu tại các vị trí và độ sâu khác nhau trong quá trình cố kết chân không.
8
2.2. Mô hình nghiên cứu
2.2.1. Giới thiệu mô hình Mô hình thí nghiệm là MHVL được xây dựng tại phòng thí nghiệm Địa kỹ thuật Trường Đại học Thủy lợi - Hà Nội. Mô hình gồm khối hộp hình chữ nhật có kích thước (2,0x1,0x1,2) m và các thiết bị quan trắc ALNLR, biến dạng lún, hệ thống bơm chân không…Sơ họa mô hình thí nghiệm ở hình 2.1.
Hình 2.1. Sơ họa mô hình thí nghiệm
MHVL mô phỏng một khối đất của loại đất yếu nghiên cứu. Trong đó, bấc thấm loại CT-D910 có kích thước (100x4) mm được bố trí với khoảng cách hiệu quả (1,0x1,0) m, có chiều dài xuyên suốt khối đất. Các Piezometer (PIE) quan trắc ALNLR được bố trí ở các độ sâu nghiên cứu tại vị trí cạnh bấc thấm và giữa hai bấc thấm, các Tenxomet (TEN) quan trắc lún được bố trí ở ngay trên mặt tại vị trí cạnh bấc thấm và giữa hai bấc thấm. Lớp cát dày 0,2 m trên mặt khối đất vừa có nhiệm vụ tiêu thoát nước, vừa có nhiệm vụ gia tải.
Các MHVL được xây dựng cho trường hợp có bấc thấm (MHVL1, MHVL2) và không có bấc thấm (MHVL3). Sơ đồ bố trí các thiết bị quan trắc lún và ALNLR tại các vị trí nghiên cứu ở các MHVL thể hiện ở hình 2.2, 2.3 và 2.4.
9
Hình 2.2. Sơ đồ bố trí thiết bị MHVL1
Hình 2.3. Sơ đồ bố trí thiết bị MHVL2
Hình 2.4. Sơ đồ bố trí thiết bị MHVL3
2.2.2. Mẫu đất thí nghiệm Đất thí nghiệm được lấy tại khu ven biển Pvtex Đình Vũ - Hải Phòng, mẫu đất thí nghiệm được chế bị từ loại đất này, có các chỉ tiêu cơ lý tương đồng với loại đất cần nghiên cứu là bùn sét pha nhẹ. Để đánh giá hiệu quả của phương pháp, trước khi thí nghiệm lấy mẫu xác định các chỉ tiêu cơ lý của đất. Sức chống cắt không thoát nước của đất theo độ sâu trước khi thí nghiệm thể hiện ở hình 2.7.
10
2.2.3. Thiết bị thí nghiệm Thiết bị thí nghiệm mô hình (hình 2.1) gồm: Hệ thống bơm tạo chân không, đầu đo ALNLR (Piezometer), đầu đọc số liệu (Datalogger), thiết bị đo biến dạng, màng làm kín khí, bấc thấm, hệ thống thu nước đấu nối với bấc thấm và máy bơm. Hầu hết các thiết bị này là thiết bị được sử dụng cho các công trình khi xử lý tại hiện trường.
Hình 2.7. Su của đất theo độ sâu trước thí nghiệm
Hình 2.8. Đầu đo ALNLR - Geokon Hình 2.10. Đầu đọc số liệu - Geokon
Hình 2.13. Hệ thống bơm chân không Hình 2.20. Mô hình vật lý 2.3. Quy trình thí nghiệm
(1) Chuẩn bị máng thí nghiệm hình hộp và chế bị mẫu. (2) Xác định các chỉ tiêu cơ lý của đất trước khi thí nghiệm. (3) Cắm bấc thấm. (4) Lắp đặt thiết bị quan trắc ALNLR. (5) Tạo lớp mặt thoát nước và lắp đặt hệ thống thu nước. (6) Làm kín mô hình thí nghiệm. (7) Lắp đặt các đồng hồ đo lún và áp lực chân không. (8) Kết nối và kích hoạt các đầu đo ALNLR. (9) Kết nối hệ thống máy bơm và hoạt động mô hình.
11
2.4. Kết quả thực nghiệm các MHVL
2.4.1. Kết quả thực nghiệm của MHVL1 Quan hệ giữa độ lún và thời gian của MHVL1 trong quá trình cố kết chân không thể hiện ở hình 2.21. Do điều kiện trang thiết bị nên trong MHVL1 chỉ tạo được áp lực chân không trong nền tối đa khoảng 36 kPa.
Hình 2.21. Quan hệ giữa độ lún thực nghiệm và thời gian của MHVL1
Kết quả từ hình 2.21 cho thấy, lún mặt phát triển khá nhanh trong ngày đầu gia tải. Sau đó tốc độ lún giảm dần và gần như ổn định từ 16 ngày sau khi gia tải. Độ lún tại vị trí giữa 2 bấc thấm nhỏ hơn so với độ lún cạnh bấc thấm, tuy nhiên sự chênh lệch này rất nhỏ.
Để dự báo độ lún cuối cùng dựa trên số liệu thực nghiệm của MHVL1, sử dụng phương pháp dự báo Asaoka. Kết quả dự báo cho thấy sự phù hợp của phương pháp với sai số khá bé giữa độ lún dự báo và thực nghiệm tại vị trí cạnh bấc thấm và giữa 2 bấc thấm lần lượt là 0,9% và 0,7%.
Quan hệ giữa ALNLR và thời gian của MHVL1 trong quá trình cố kết chân không thể hiện ở hình 2.24.
Hình 2.24. Quan hệ giữa ALNLR thực nghiệm và thời gian của MHVL1
12
Từ hình 2.24 cho thấy, ALNLR ở các độ sâu nghiên cứu trong nền trước khi gia tải là ALNLR tĩnh. ALNLR dư suy giảm khá nhanh trong ngày đầu gia tải, sau đó giảm dần và gần như ổn định sau 16 ngày sau khi gia tải. Giá trị ALNLR dư tại vị trí cạnh bấc thấm lớn hơn vị trí giữa 2 bấc thấm trong ngày đầu gia tải, sau đó sự chênh lệch này nhỏ dần và có xu hướng tiệm cận nhau. Càng gần mặt đất hơn thì ALNLR dư suy giảm nhiều hơn.
2.4.2. Kết quả thực nghiệm MHVL2 Quan hệ giữa độ lún thực nghiệm và thời gian của MHVL2 trong quá trình cố kết chân không thể hiện ở hình 2.25. Do điều kiện trang thiết bị nên áp lực chân không tạo được trong MHVL2 khoảng 41 kPa.
Hình 2.25. Quan hệ giữa độ lún thực nghiệm và thời gian của MHVL2
Hình 2.25 cho thấy, độ lún phát triển rất nhanh trong ngày đầu gia tải. Sau đó tốc độ lún giảm dần và gần như ổn định sau 20 ngày gia tải. Độ lún tại vị trí cạnh bấc thấm lớn hơn vị trí giữa 2 bấc thấm, tuy nhiên sự chênh lệch này rất bé.
Kết quả sử dụng phương pháp Asaoka để dự báo độ lún cuối cùng đã cho thấy sự phù hợp của phương pháp này với sai số 10,3% và 11,6% tương ứng cho vị trí cạnh bấc thấm và giữa 2 bấc thấm. Quan hệ giữa ALNLR thực nghiệm và thời gian của MHVL2 trong quá trình cố kết chân không thể hiện ở hình 2.28.
Hình 2.28. Quan hệ giữa ALNLR thực nghiệm và thời gian của MHVL2
13
Kết quả từ hình 2.28 cho thấy, tại thời điểm trước khi gia tải ALNLR ở các độ sâu nghiên cứu là ALNLR tĩnh. ALNLR dư suy giảm rất nhanh trong ngày đầu gia tải, sau đó giảm dần và gần như ổn định sau 20 ngày gia tải. Giá trị ALNLR dư tại vị trí cạnh bấc thấm lớn hơn vị trí giữa 2 bấc thấm, tuy nhiên sự chênh lệch này nhỏ dần và ở giai đoạn gia tải cuối là rất bé.
2.4.3. Kết quả thực nghiệm MHVL3 Quan hệ giữa độ lún thực nghiệm và thời gian của MHVL3 trong quá trình cố kết chân không thể hiện ở hình 2.29. Do điều kiện trang thiết bị nên áp lực chân không tạo được trong MHVL3 khoảng 40 kPa.
Hình 2.29. Quan hệ giữa độ lún thực nghiệm và thời gian của MHVL3
Từ hình 2.29 cho thấy, lún mặt phát triển khá chậm trong quá trình cố kết chân không, giá trị độ lún tại các vị trí chênh lệch nhau rất bé. Tại thời điểm kết thúc gia tải (26 ngày) đường cong quá trình lún vẫn còn dốc, chưa ổn định.
Độ lún cuối cùng dự báo theo Asaoka tại vị trí cách biên khối đất 0,5 m và 1,0 m là là 7,53 cm và 7,72 cm. Độ lún thực nghiệm tại thời điểm kết thúc gia tải (26 ngày) tại các vị trí trên lần lượt là 5,37 cm và 5,57 cm, lúc này đường cong lún vẫn còn dốc, chưa ổn định vì vậy giá trị dự báo lún theo Asaoka là phù hợp. Quan hệ giữa ALNLR thực nghiệm và thời gian của MHVL3 trong quá trình cố kết chân không thể hiện ở hình 2.32.
Hình 2.32. Quan hệ giữa ALNLR thực nghiệm và thời gian của MHVL3
14
Kết quả từ hình 2.32 cho thấy, ALNLR ở các độ sâu nghiên cứu trước khi gia tải là ALNLR tĩnh. ALNLR dư bắt đầu suy giảm sau khoảng 1 ngày gia tải. Do không có bấc thấm quá trình tiêu tán ALNLR dư diễn ra khá chậm, tại thời điểm kết thúc gia tải đường cong quá trình tiêu tán ALNLR dư vẫn còn dốc, chưa ổn định. Giá trị ALNLR dư tại các vị trí có cùng độ sâu trong nền chênh lệch nhau rất nhỏ trong quá trình cố kết chân không. 2.5. Hiệu quả kỹ thuật của cố kết chân không
Để đánh giá hiệu quả của phương pháp cố kết chân không, sau khi kết thúc thí nghiệm tiến hành lấy mẫu xác định các chỉ tiêu của đất để so sánh với trước thí nghiệm. Sức chống cắt không thoát nước trước và sau thí nghiệm của các MHVL được trình bày trên hình 2.36, 2.38 và 2.40.
Hình 2.36. Su trước và sau thí nghiệm của MHVL1
Hình 2.38. Su trước và sau thí nghiệm của MHVL2
Hình 2.40. Su trước và sau thí nghiệm của MHVL3
Từ các chỉ tiêu cơ lý và sức chống cắt không thoát nước của đất trước và sau khi xử lý của các MHVL cho thấy: Góc ma sát trong () tăng (1,84-2,87) lần, cường độ lực dính (C) tăng (3,17-4,53) lần, hệ số thấm (k) giảm (6,28- 14,51) lần, sức chống cắt không thoát nước trung bình tại vị trí cạnh bấc thấm và giữa hai bấc thấm tăng lần lượt (7,71-9,07) lần và (4,71-6,53) lần. Kết luận chương 2
(1) Chủ động được quy trình sử dụng các thiết bị, lắp đặt và vận hành công nghệ cố kết chân không. (2) Xác định được sự hiệu quả của vật thoát nước thẳng đứng (bấc thấm) khi xử lý nền bằng phương pháp cố kết chân không thông qua 2 mô hình thực nghiệm có và không có bấc thấm khi cố kết với cùng cấp áp lực chân không cho loại đất yếu nghiên cứu ven biển là
15
bùn sét pha nhẹ. (3) Thí nghiệm xác định được quá trình biến thiên độ lún, ALNLR tại vị trí cạnh bấc thấm và giữa 2 bấc thấm ở các độ sâu nghiên cứu cho loại đất yếu là bùn sét pha nhẹ, kết quả thực nghiệm từ các MHVL đã cho thấy sự phù hợp với lý thuyết. (4) Phương pháp Asaoka dùng dự báo lún khi có kết quả thực nghiệm là phù hợp.
Chương 3 MÔ HÌNH TÍNH CHO BÀI TOÁN CỐ KẾT CHÂN KHÔNG 3.1. Mô hình số tính toán
Trong nội dung luận án, tác giả sử dụng hai mô đun SEEP/W và SIGMA/W của phần mềm GeoStudio 2004 để tính toán ứng dụng xác định ALNLR và biến dạng lún của nền tại các vị trí và độ sâu nghiên cứu để kiểm tra với các kết quả thực nghiệm trong phòng và kết quả thực nghiệm hiện trường của các công trình thực tế. 3.2. Mô phỏng bài toán cố kết chân không
Trình tự các bước tính toán bài toán cố kết chân không bằng việc tích hợp hai mô đun SEEP/W và SIGMA/W của phần mềm Geostudio được thực hiện ở sơ đồ hình 3.1.
Hình 3.1. Sơ đồ trình tự giải bài toán cố kết chân không
16
3.3. Tính toán ứng dụng cho các MHVL
Mô phỏng và tính toán cho khối đất có kích thước như khối đất đã được thực nghiệm theo sơ đồ bài toán phẳng. Tải trọng gia tải trước gồm lớp cát 0,2 m có trọng lượng thể tích tự nhiên 16 kN/m3, áp lực gia tải chân không được lấy trung bình trong quá trình gia tải chân không, do đó áp lực được chọn trong quá trình tính toán là 32 kPa cho MHVL1 và 38 kPa cho MHVL2, MHVL3, thời gian gia tải là 26 ngày. 3.4. So sánh kết quả thực nghiệm và tính toán các MHVL Độ lún, ALNLR tính toán và thực nghiệm của MHVL1 với thời
gian được trình bày trên hình 3.11 và 3.12.
Hình 3.11. Quan hệ giữa độ lún tính toán và thực nghiệm với thời gian của MHVL1
Hình 3.12. Quan hệ giữa ALNLR tính toán và thực nghiệm với thời gian của MHVL1 Độ lún, ALNLR tính toán và thực nghiệm với thời gian của MHVL2 được trình bày trên hình 3.13 và 3.14.
17
Hình 3.13. Quan hệ giữa độ lún tính toán và thực nghiệm với thời gian của MHVL2
Hình 3.14. Quan hệ giữa ALNLR tính toán và thực nghiệm với thời gian của MHVL2 Độ lún, ALNLR tính toán và thực nghiệm với thời gian của MHVL3
được trình bày trên hình 3.15 và 3.16.
Hình 3.15. Quan hệ giữa độ lún tính toán và thực nghiệm với thời gian của MHVL3
18
Hình 3.16. Quan hệ giữa ALNLR tính toán và thực nghiệm với thời gian của MHVL3
Hình 3.11 đến 3.16 cho thấy sự phù hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm đó là độ lún, ALNLR tính toán và thực nghiệm tại vị trí cạnh bấc thấm lớn hơn vị trí giữa hai bấc thấm. Giá trị độ lún, ALNLR tính toán và thực nghiệm không có sự chênh lệch lớn trong quá trình cố kết chân không. Kết quả này cho thấy sự phù hợp của mô hình số sử dụng tính toán.
3.5. Tính toán kiểm tra cho các công trình thực tế
3.5.1. Công trình Pvtex Đình Vũ – Hải Phòng
Độ lún, ALNLR tính toán và thực nghiệm với thời gian của công trình
Pvtex Đình Vũ – Hải Phòng được trình bày trên hình 3.25 và 3.26.
Hình 3.25. Quan hệ giữa độ lún tính toán và thực nghiệm với thời gian của công trình Pvtex Đình Vũ – Hải Phòng
19
Hình 3.26. Quan hệ giữa ALNLR tính toán và thực nghiệm với thời gian của công trình Pvtex Đình Vũ – Hải Phòng
3.5.2. Công trình nhiệt điện Duyên Hải 3 – Trà Vinh Độ lún, ALNLR tính toán và thực nghiệm với thời gian của công trình nhà máy nhiệt điện Duyên Hải 3 – Trà Vinh được trình bày trên hình 3.35 và 3.36.
Hình 3.35. Quan hệ giữa độ lún tính toán và thực nghiệm với thời gian của công trình nhà máy nhiệt điện Duyên Hải 3 – Trà Vinh
Hình 3.36. Quan hệ giữa ALNLR tính toán và thực nghiệm với thời gian của công trình nhà máy nhiệt điện Duyên Hải 3 – Trà Vinh
20
3.5.3. Công trình nhiệt điện Nhơn Trạch 2 – Đồng Nai Kết quả độ lún tính toán và thực nghiệm với thời gian của công trình nhà máy nhiệt điện Nhơn Trạch 2 – Đồng Nai được trình bày trên hình 3.43.
Hình 3.43. Quan hệ giữa độ lún tính toán và thực nghiệm với thời gian của công trình nhà máy nhiệt điện Nhơn Trạch 2 – Đồng Nai
Từ hình 3.25, 3.26, 3.35, 3.36 và 3.43 cho thấy, độ lún và ALNLR tính toán phản ánh khá sát với kết quả thực nghiệm, tại các thời điểm không có sự chênh lệch lớn giữa kết quả tính toán và thực nghiệm trong quá trình cố kết chân không. Kết quả này cho thấy mô hình số sử dụng trong tính toán là phù hợp. Kết luận chương 3
(1) Đưa ra được trình tự giải bài toán cố kết chân không bằng sự kết hợp 2 mô đun SEEP/W và SIGMA/W của phần mềm Geostudio. (2) Ứng dụng tính toán kiểm tra cho 3 mô hình thực nghiệm trong phòng, kết quả tính toán đã cho thấy sự phù hợp khi sử dụng 2 mô đun này. (3) Khẳng định sự phù hợp của mô hình số thông qua tính toán, so sánh với kết quả của các công trình thực tế.
Chương 4 XÂY DỰNG MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC THÔNG SỐ CỦA BÀI TOÁN CỐ KẾT CHÂN KHÔNG 4.1. Đặt vấn đề
Luận án sử dụng mô hình số đã được lựa chọn, tính toán ứng dụng cho các loại đất yếu của các công trình thực tế đã giới thiệu ở chương 3 và đất yếu công trình nhà máy nhiệt điện Thái Bình, khi xử lý nền với các chiều dày đất yếu từ 10 m đến 30 m. Qua đó xây dựng mối quan hệ giữa thời gian cố kết (t) với chỉ số dẻo (PI), độ cố kết (U) và chiều dày nền đất yếu xử lý (H) nhằm phục vụ việc xác định nhanh yêu cầu thời gian gia tải chân không cần thiết để đạt được độ cố kết theo yêu cầu của công tác xử lý nền đất yếu.
21
Hình 4.2. Quan hệ giữa độ cố kết và thời gian khi chiều dày nền đất yếu xử lý là 15 m
Hình 4.1. Quan hệ giữa độ cố kết và thời gian khi chiều dày nền đất yếu xử lý là 10 m
Hình 4.3. Quan hệ giữa độ cố kết và thời gian khi chiều dày nền đất yếu xử lý là 20 m
Hình 4.4. Quan hệ giữa độ cố kết và thời gian khi chiều dày nền đất yếu xử lý là 25 m
Hình 4.5. Quan hệ giữa độ cố kết và thời gian khi chiều dày nền đất yếu xử lý là 30 m
4.2. Các chỉ tiêu cơ lý của các loại đất đất yếu tính toán Chỉ tiêu cơ lý của các loại đất yếu được lấy từ các bảng 3.3, 3.4, 3.5 và 4.1. 4.3. Kết quả tính toán Quan hệ giữa độ cố kết và thời gian của các loại đất yếu ứng với các chiều dày nền đất yếu xử lý thể hiện ở hình 4.1 đến 4.5.
Kết quả từ hình 4.1 đến 4.5 cho thấy, độ cố kết và thời gian cố kết của các loại đất yếu phụ thuộc vào chỉ số dẻo và chiều dày nền đất yếu xử lý. Đất yếu có chỉ số dẻo càng lớn thì thời gian cố kết càng dài. 4.4. Xây dựng mối quan hệ giữa thời gian cố kết (t) với chỉ số dẻo (PI), độ cố kết (U) và chiều dày nền đất yếu xử lý (H)
Trường hợp 1: Xây dựng mối quan hệ trên khi chiều dày nền đất yếu xử lý đã được xác định. Trường hợp 2: Xây dựng mối quan hệ trên khi độ cố kết xác định.
22
4.4.1. Mối quan hệ giữa thời gian cố kết với chỉ số dẻo và độ cố kết khi
chiều dày nền đất yếu xử lý xác định
Quan hệ giữa thời gian cố kết với chỉ số dẻo và độ cố kết của các loại đất yếu ứng với các chiều dày nền đất yếu xử lý được thể hiện ở hình 4.6 đến 4.10.
Hình 4.6. Quan hệ giữa thời gian cố kết với chỉ số dẻo và độ cố kết khi chiều dày nền đất yếu xử lý là 10 m
Hình 4.7. Quan hệ giữa thời gian cố kết với chỉ số dẻo và độ cố kết khi chiều dày nền đất yếu xử lý là 15 m
Hình 4.8. Quan hệ giữa thời gian cố kết với chỉ số dẻo và độ cố kết khi chiều dày nền đất yếu xử lý là 20 m
Hình 4.10. Quan hệ giữa thời gian cố kết với chỉ số dẻo và độ cố kết khi chiều dày nền đất yếu xử lý là 30 m
Hình 4.9. Quan hệ giữa thời gian cố kết với chỉ số dẻo và độ cố kết khi chiều dày nền đất yếu xử lý là 25 m
4.4.2. Mối quan hệ giữa thời gian cố kết với chỉ số dẻo và chiều dày
nền đất yếu xử lý khi độ cố kết xác định
Quan hệ giữa thời gian cố kết với chỉ số dẻo và chiều dày nền đất yếu
xử lý khi độ cố kết xác định được thể hiện ở hình 4.11 đến 4.14.
Hình 4.12. Quan hệ giữa thời gian cố kết với chỉ số dẻo và chiều dày nền đất yếu khi độ cố kết là 85%
Hình 4.11. Quan hệ giữa thời gian cố kết với chỉ số dẻo và chiều dày nền đất yếu khi độ cố kết là 80%
Hình 4.14. Quan hệ giữa thời gian cố kết với chỉ số dẻo và chiều dày nền đất yếu khi độ cố kết là 95%
23
Hình 4.13. Quan hệ giữa thời gian cố kết với chỉ số dẻo và chiều dày nền đất yếu khi độ cố kết là 90%
Ghi chú: t10, t15, t20, t25, t30, t80, t85, t90, t95 là thời gian cố kết (t) khi chiều dày nền đất yếu xử lý từ 10m đến 30 m và độ cố kết từ 80% đến 95%.
Kết quả từ hình 4.6 đến 4.14 cho thấy, mối quan hệ giữa thời gian cố kết với chỉ số dẻo, chiều dày nền đất yếu và độ cố kết của các loại đất yếu khi xử lý nền bằng phương pháp cố kết chân không. Mối quan hệ này được biểu diễn thông qua các phương trình t80 đến t95 và t10 đến t30 ứng với chiều dày nền đất yếu xử lý từ 10 m đến 30 m và độ cố kết từ 80% đến 95%.
Kết luận chương 4
(1) Xây dựng được các phương trình t80, t85, t90, t95 và t10, t15, t20, t25, t30 về mối quan hệ giữa thời gian cố kết với chỉ số dẻo, độ cố kết và chiều dày nền đất yếu xử lý của các loại đất yếu, ứng với từng độ cố kết và chiều dày nền đất yếu xử lý được xác định. (2) Dựa vào các phương trình t80, t85, t90, t95 và t10, t15, t20, t25, t30, đưa ra được các dự đoán về thời gian cố kết, độ cố kết cho loại đất sét yếu có chỉ số dẻo từ 18,4% đến 33,8% khi xử lý nền
24
bằng phương pháp cố kết chân không, với các chiều dày nền đất yếu xử lý khác nhau từ 10 m đến 30 m, ứng với loại bấc thấm, khoảng cách bấc thấm và cấp tải trọng gia tải xác định trước.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ I. Các kết quả đạt được của luận án
(1) Tác giả luận án đã xây dựng được mô hình thí nghiệm cỡ lớn đầu tiên ở Việt Nam tại phòng thí nghiệm Địa kỹ thuật - trường Đại học Thủy lợi, để nghiên cứu quá trình biến đổi ALNLR và biến dạng (lún) của nền, tại các vị trí và độ sâu khác nhau khi cố kết chân không. (2) Chủ động được quy trình sử dụng các thiết bị, lắp đặt và vận hành công nghệ cố kết chân không xử lý nền đất yếu để có thể triển khai rộng rãi hơn cho các ngành xây dựng khác nhau. (3) Từ nghiên cứu MHVL và mô hình số đã tìm được tính hiệu quả của việc cố kết chân không kết hợp bấc thấm tăng nhanh quá trình cố kết (32,3-36,4)% so với không có bấc thấm. (4) Bằng các kết quả thực nghiệm trong phòng đã đánh giá được hiệu quả kỹ thuật của phương pháp cố kết chân không, góc ma sát trong của đất tăng (1,84-2,87) lần, cường độ lực dính tăng (3,17-4,53) lần, sức chống cắt không thoát nước tăng (4,71-9,07) lần. (5) Lựa chọn được mô hình số phù hợp là Geo Studio bằng việc tích hợp 2 mô đun SEEP/W và SIGMA/W của phần mềm này để tính toán, phân tích, đối chiếu so sánh với kết quả thực nghiệm trong phòng và hiện trường đã khẳng định được sự phù hợp của mô hình số này. (6) Xây dựng được mối quan hệ giữa thời gian cố kết với độ cố kết, chỉ số dẻo và chiều dày nền đất yếu xử lý khi cố kết chân không. II. Một số tồn tại và hướng tiếp tục nghiên cứu
(1) Các MHVL mô phỏng cho khối đất có điều kiện làm việc giống hiện trường, tuy nhiên chưa xét đến ảnh hưởng của các phân tố lân cận theo mô hình bài toán không gian do vậy cần xem xét sự ảnh hưởng này thông qua các sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm tiếp theo. (2) Do điều kiện trang thiết bị thí nghiệm còn hạn chế, việc thí nghiệm với các cấp áp lực chân không lớn hơn chưa được thực hiện. (3) Để hoàn thiện công nghệ xử lý nền bằng bấc thấm gia tải kết hợp cố kết chân không cần có thêm các nghiên cứu về biến dạng ngang, quá trình biến đổi áp lực chân không theo độ sâu trong nền, thấm biên…
CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ 1. Nguyễn Chiến, Phạm Quang Đông (2009), "Kết quả bước đầu về nghiên cứu bố trí hợp lý bấc thấm khi xử lý nền đất yếu bằng phương pháp cố kết chân không", Tạp chí KHKT Thủy lợi và Môi Trường, (24), 72-79.
2. Nguyễn Chiến, Tô Hữu Đức, Phạm Quang Đông (2011), "Một số kết quả nghiên cứu thí nghiệm công trình về phương pháp cố kết chân không xử lý nền đường cao tốc Long Thành - Dầu Giây", Tạp chí KHKT Thủy lợi và Môi trường, (32), 77-83.
3. Nguyễn Chiến, Phạm Quang Đông (2012), "Ứng dụng phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu khi xây dựng công trình thủy lợi vùng ven biển", Tạp chí Địa kỹ thuật, (2), 3-9.
4. Phạm Quang Đông, Bùi Văn Trường, Trịnh Minh Thụ (2013), "Nghiên cứu quá trình biến đổi ALNLR và biến dạng của nền đất yếu khi cố kết chân không bằng MHVL", Tạp chí Địa kỹ thuật, (2), 12-21.
5. Phạm Quang Đông, Trịnh Minh Thụ, Nguyễn Chiến (2013), ”Các kết quả bước đầu nghiên cứu xử lý nền đất yếu bằng phương pháp cố kết chân không”, Hạ tầng giao thông Việt Nam với phát triển bền vững, 17-8-2013, Đà Nẵng, Việt Nam, NXB Xây Dựng, Hà Nội.
6. Bùi Văn Trường, Phạm Quang Đông (2013), ”Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng phương pháp cố kết bằng bấc thấm trong xử lý nền đất yếu”, Hội thảo khoa học thường niên lần thứ 1, 06-12- 2013, trường ĐHTL, Hà Nội.
