TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018
VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 425
PHƯƠNG PHÁP TÍNH LÚN THEO THỜI GIAN CHO NỀN ĐẤT YẾU
ĐƯỢC GIA CỐ TRỤ ĐẤT XI MĂNG
THE METHOD TO CALCULATE THE SETTLEMENT AS FUNCTION OF TIME
FOR THE SOFT SOIL IMPROVED BY SOIL CEMENT COLUMNS
PGS. TS. Lê Bá Vinh, PGS. TS. Võ Phán
Trường Đại Học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM
ThS. Nguyễn Tấn Bảo Long
Trường Đại Học Tiền Giang
TÓM TẮT
Dự tính độ lún theo thời gian của nền là việc rất cần thiết trong các dự án có sử
dụng trụ đất xi măng để gia cố nền đất yếu. Tuy nhiên, trong các tiêu chuẩn Việt
Nam hiện nay vẫn chưa có hướng dẫn cụ thể về phương pháp tính lún theo thời gian
cho nền đất yếu được gia cố trụ đất xi măng. Bài báo này đề xuất một phương pháp
tính phù hợp, có xét đến tính thấm của đất xi măng để dự tính độ lún theo thời gian
của nền đất yếu được gia cố trụ đất xi măng.
ABSTRACT
Estimate the settlement as function of time for the soft soil improved by soil cement
columns is very necessary for the projects which used the cement columns to
improved the soft soil. However, arccording to the current standards of Viet Nam
have not yet the method to calculate the settlement as function of time for the soft
soil improved by soil cement columns. This paper proposes a method which takes
into account the soil cement permeability to estimate the settlement as function of
time for the soft soil improved by soil cement columns.
1. GIỚI THIỆU
Ngày nay công nghệ đất trộn xi măng đã rất phổ biến và đem lại hiệu quả cao
trong việc xử lý nền đất yếu, đặc biệt là trong ngành giao thông. Do đó việc dự tính độ
lún theo thời gian của nền đất yếu được gia cố trụ đất xi măng là rất cần thiết, làm cho
việc kiểm soát độ lún của nền hiệu quả hơn và góp phần làm cơ sở cho việc thanh, quyết
toán trong các công trình chờ lún. Tuy nhiên, các quan điểm trong các phương pháp tính
hiện nay vẫn chưa thống nhất và trong tiêu chuẩn Việt Nam vẫn chưa có hướng dẫn cụ
thể việc tính lún theo thời gian cho nền đất yếu được gia cố trụ đất xi măng. Trong bài
báo này tác giả đề xuất phương pháp tính lún theo thời gian cho nền đất yếu được gia cố
trụ đất xi măng, có xét đến tính thấm của đất xi măng, sau đó tác giả sử dụng số liệu
quan trắc thực tế và phương pháp phần tử hữu hạn để kiểm chứng lại công thức giải tích
đã đề xuất.
TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018
426 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM
2. PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT TÍNH LÚN THEO THỜI GIAN CHO NỀN ĐẤT
YẾU ĐƯỢC GIA CỐ TRỤ ĐẤT XI MĂNG
Xét nền đất yếu được gia cố trụ đất xi măng như hình 1 và xem hệ số thấm của trụ
không lớn hơn hệ số thấm của đất xung quanh. Do mô đun biến dạng của khối gia cố
lớn hơn mô đun biến dạng của đất tự nhiên nên hệ số nén lún tương đối của khối gia cố
nhỏ hơn hệ số nén lún tương đối của đất tự nhiên, điều này làm cho hệ số cố kết của
khối gia cố tăng lên, làm quá trình cố kết một chiều xảy ra nhanh hơn.
Hình 1. Nền gia cố trụ đất xi măng
Giả thuyết rằng không xảy ra thấm ngang và hệ số thấm của trụ bằng với hệ số thấm
của đất xung quanh và bằng kv1. Khi đó hệ số cố kết của khối gia cố được tính như sau:
Cvkgc=kv1/(a0kgc.γn) (1)
Từ đó hệ số nén lún tương đối của khối gia cố được xác định như sau:
a0kgc=β/Ekgc (2)
Mô đun biến dạng của khối gia cố được xác định như sau:
Ekgc=a.Ecol + (1-a).Esoil ( với a là tỷ diện tích thay thế của đất xi măng).
Hệ số cố kết của cả nền gia cố được xác định như sau:
(3)
2
2
=
∑
vi
i
td
v
C
h
H
C
h2
h
1
CVkgc kV1
CV2 kV2
TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018
VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 427
Nhân tố thời gian Tv được xác định như sau:
Do mô hình thoát nước 2 biên nên độ cố kết Ut được xác định như sau:
Độ lún theo ổn định của nền gia cố được xác định như sau:
(6)
Với: Cc – chỉ số nén;
H – bề dày lớp đất;
e0 – hệ số rỗng ban đầu, ứng với ứng suất bản thân;
p0 - ứng suất do trọng lượng bản thân;
∆p - ứng suất gây lún.
Từ đó ta có thể xác định độ lún theo thời gian của nền gia cố như sau:
St = Ut . S∞ (7)
3. KIỂM CHỨNG PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT BẰNG CÁC MÔ HÌNH
3.1. Kiểm chứng bằng mô hình thí nghiệm của Jinchun Chai
Bảng 1. Thông số vật liệu trong thí nghiệm của Jinchun Chai
h1
(m)
h2
(m)
as
(%)
Es
(kN/m2)
Ec
(kN/m2) νs Cv
(m2/s) Cc a0
(m2/kN)
kv
(m/ngày)
6,5 1,5 21,7
1,05.10
3
70.10
3
0,33
0,035 0,4 4,98.10
-
5
2,67.10
-
4
Hình 2. Mô hình thí nghiệm của Jinchun Chai
t
h
C
T
td
v
v2
=
v
T
teU 4
2
2
8
1
π
π
−
−≈
∆+
+
=
∞
0
0
log
1p
pp
e
HC
Sc
(4)
(5)
TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018
428 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM
Trong phần này tác giả sử dụng kết quả quan trắc từ mô hình thí nghiệm của
Jinchun Chai để so sánh với kết quả tính toán từ công thức đề xuất. Thí nghiệm được
tiến hành tại Shaowa-Biraki, Fukuoka, Nhật Bản. Theo đó các trụ đất xi măng được tạo
ra với hàm lượng 140 kg/m3, đường kính 1 m, dài 6,5 m, tỷ diện tích thay thế 21,7%, tỷ
lệ chiều sâu gia cố 76%, khối đắp là đá phong hóa có trọng lượng riêng là 19 kN/m3 như
trong hình 2. Các thông số vật liệu được lấy theo thí nghiệm của Jinchun Chai như trong
bảng 1.
Trình tự tính độ lún theo thời gian từ phương pháp giải tích đề xuất:
Mô đun biến dạng của khối gia cố được xác định như sau:
Ekgc = a.Ec + (1-a).Es = 16x103 (kN/m2)
Hệ số nén lún tương đối của khối gia cố được xác định như sau:
a0kgc = β/Ekgc = 4,98x10-5 m2/kN (với β = 0,67)
Hệ số cố kết của khối gia cố được xác định như sau:
Cvkgc = kv/(a0kgc.γn) = 0,5357 m2/ngày
Hệ số cố kết của cả nền gia cố:
Từ đó ta tính được Tv, Uv theo thời gian.
Độ lún theo ổn định của nền gia cố:
Bảng 2. Kết quả tính toán độ lún bằng phương pháp giải tích đề xuất
Ngày
S(t) (m) Ngày S(t) (m) Ngày S(t) (m)
0 0,0000 20 0,0236 130 0,2314
1 0,0053 21 0,0242 140 0,2382
2 0,0075 22 0,0248 150 0,2441
3 0,0091 23 0,0253 160 0,2492
4 0,0106 24 0,0259 170 0,2536
5 0,0118 25 0,0264 180 0,2575
6 0,0129 26 0,0269 190 0,2608
ngày/m4179,0
C
h
H
C2
2
vi
i
2
td
v=
=
∑
m282,0
p
pp
log
e1
HC
S
0
0c =
∆+
+
=
∞
(m
2
/ngày)
TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018
VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 429
7 0,0140 27 0,0362 200 0,2637
8 0,0149 28 0,0436 210 0,2662
9 0,0158 29 0,0499 220 0,2683
10 0,0167 30 0,0554 230 0,2702
11 0,0175 40 0,0946 240 0,2718
12 0,0183 50 0,1217 250 0,2732
13 0,0190 60 0,1439 260 0,2745
14 0,0198 70 0,1630 270 0,2755
15 0,0204 80 0,1783 280 0,2764
16 0,0211 90 0,1922 290 0,2772
17 0,0218 100 0,2042 300 0,2779
18 0,0224 110 0,2146 400 0,2813
19 0,0230 120 0,2236 500 0,2822
Kết quả quan trắc độ lún theo thời gian từ mô hình thí nghiệm của Jinchun Chai
được thể hiện trong hình 3.
Hình 3. Kết quả quan trắc lún từ mô hình thí nghiệm của Jinchun Chai
3.2. Kiểm chứng bằng phương pháp Phần tử hữu hạn
Trong phần này tác giả sử dụng các thông số vật liệu như bảng 3 để phân tích lún
theo thời gian, sau đó so sánh với kết quả thu được từ phương pháp giải tích đề xuất.