Tài liệu Nghiên cứu ứng dụng mô hình số mô phỏng xử lý nền đất yếu bằng phương pháp cố kết hút chân không khi xây dựng công trình giao thông

TÓM TẮT NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SỐ MÔ PHỎNG XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG PHƯƠNG PHÁP CỐ KẾT HÚT CHÂN KHÔNG KHI XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG Học viên: Lê Quý Bửu Nam Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số: 85.80.205 Khóa: K36.XGT - Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN TÓM TẮT: Mô hình số giải pháp xử lý nền đất yếu bằng phương pháp cố kết chân không được thực hiện dựa trên lý thuyết cố kết thấm theo phương pháp phần tử hữu hạn. Trên cơ sở áp dụng cho công trình giao thông trên nền đất yếu ở khu vực Thành phố Đà Nẵng, luận văn sẽ đưa ra một số kết luận về trình tự xây dựng mô hình tính cho bài toán cố kết chân không, xây dựng các phương trình về mối quan hệ giữa thời gian cố kết (t) với chiều dày nền đất yếu (H) và độ cố kết (U). Từ khóa: Đất yếu, cố kết chân không, công trình giao thông, mô hình số, xử lý nền, Thành phố Đà Nẵng RESEARCH APPLICATION OF DIGITAL MODEL MODEL SIMULATING THE PROCESS OF SOIL LAND BY METHOD OF FACILIZING VACUUM WITHOUT CONSTRUCTION OF TRAFFIC WORKS . ABSTRACT: A numerical model of solutions to handle soft ground by the vacuum consolidation method is made based on the theory of finite consolidation by finite element method. Based on the application for traffic works on soft ground in the area of Da Nang City, the paper will give some conclusions about the model building sequence for the problem of vacuum consolidation, construction of equation on the relationship between consolidation time (t) and soft soil thickness (H) and consolidation (U). Keywords: Soft ground, vacuum consolidation, transport works, digital model, ground treatment, Da Nang City MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................................. LỜI CAM ĐOAN....................................................................................................................... MỤC LỤC................................................................................................................................... DANH MỤC HÌNH ................................................................................................................... DANH MỤC BẢNG.................................................................................................................. MỞ ĐẦU ...................................................................................................................................1 1.Lý do lựa chọn đề tài ............................................................................................................1 2.Đối tượng nghiên cứu ...........................................................................................................1 3.Phạm vi nghiên cứu ..............................................................................................................1 4.Mục tiêu nghiên cứu .............................................................................................................2 4.1.Mục tiêu tổng quát .............................................................................................................2 4.2.Mục tiêu cụ thể ...................................................................................................................2 5.Phương pháp nghiên cứu......................................................................................................2 6.Bố cục của đề tài ...................................................................................................................2 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU VÀ PHƯƠNG PHÁP CỐ KẾT CHÂN KHÔNG XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU ......................................................................................3 1.1.Tổng quan về đất yếu trong xây dựng công trình ..........................................................3 1.1.1.Nguồn gốc và các loại đất yếu thường gặp .................................................................3 1.1.2.Sự phân bố các vùng đất yếu trong nước.....................................................................3 1.1.2.1.Đồng bằng Bắc bộ .......................................................................................................4 1.1.2.2.Đồng bằng ven biển miền Trung ...............................................................................4 1.1.2.3.Đồng bằng Nam bộ .....................................................................................................4 1.1.3.Phân bố và tính chất nền đất yếu tại Đà Nẵng và các khu vực lân cận ...................5 1.1.3.1.Phân bố của các lớp đất yếu .......................................................................................5 1.1.3.2.Tính chất nền đất yếu trong khu vực ........................................................................6 1.2.Tổng quan về phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu ..............................7 1.2.1.Lược sử phát triển công nghệ bơm hút chân không xử lý nền đất yếu ....................7 1.2.2.Tình hình nghiên cứu phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu trên thế giới và ở Việt Nam ...................................................................................................................7 1.2.3.Tình hình ứng dụng phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu trên thế giới và ở Việt Nam ...................................................................................................................9 1.3.Lý thuyết phương pháp cố kết chân không ................................................................. 12 1.3.1.Bài toán cố kết thấm.................................................................................................... 12 1.3.2.Phương trình vi phân cơ bản ...................................................................................... 14 1.3.3.Các phương pháp giải bài toán cố kết thấm ............................................................. 15 1.3.3.1.Phương pháp cố kết nén lún tương đương ............................................................ 15 1.3.3.2.Phương pháp Barron – Terzaghi ............................................................................ 17 1.4.Các phương pháp dự báo lún......................................................................................... 18 1.4.1.Phương pháp Hybebol................................................................................................. 18 1.4.2.Phương pháp Asaoka .................................................................................................. 19 1.4.3.Phương pháp ba điểm.................................................................................................. 20 Kết luận chương 1 ................................................................................................................. 22 Chương 2 LỰA CHỌN MÔ HÌNH SỐ TÍNH TOÁN VÀ TƯƠNG QUAN GIỮA CÁC THÔNG SỐ CỦA QUÁ TRÌNH XỬ LÝ CỐ KẾT CHÂN KHÔNG ........... 23 2.1.Đặc điểm phân bố, tính chất cơ lý và cấu trúc nền đất yếu khu vực nghiên cứu.... 23 2.2.Mô hình tính cho bài toán cố kết chân không ............................................................. 31 2.3.1.Mô hình số tính toán ................................................................................................... 31 2.3.2.Tính toán kiểm tra cho công trình thực tế ................................................................ 34 2.3.2.1.Giới thiệu công trình ................................................................................................ 34 2.3.2.2.Điều kiện địa chất nền ............................................................................................. 35 2.3.2.3.Kết quả tính toán ...................................................................................................... 38 2.3.2.4.Kết quả thực nghiệm công trình ............................................................................. 39 2.3.2.5.So sánh kết quả tính toán và thực nghiệm............................................................. 40 2.3.Tương quan áp lực bơm với ứng suất – biến dạng ..................................................... 41 2.4.Tương quan áp lực bơm với áp lực nước lỗ rỗng ....................................................... 45 2.5.Sự thay đổi khoảng cách bấc thấm ............................................................................... 45 Kết luận chương 2 ................................................................................................................. 48 Chương 3 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SỐ TÍNH TOÁN XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU CHO CÔNG TRÌNH G IAO THÔNG CAO TỐC ĐÀ NẴNG – QUẢNG NG ÃI . 49 3.1.Giới thiệu công trình tính toán ...................................................................................... 49 3.2.Đặc điểm cấu trúc nền công trình ................................................................................. 51 3.3.Trình tự tính toán ............................................................................................................ 51 3.4.Kết quả tính toán ............................................................................................................. 53 3.5.Đánh giá hiệu quả xử lý bằng phương pháp cố kết chân không ............................... 55 3.6.Xác định hàm hồi quy đa biến các quan hệ ................................................................. 55 3.6.1.Đặt vấn đề ..................................................................................................................... 55 3.6.2.Kết quả tính toán.......................................................................................................... 56 3.6.3.Xây dựng mối quan hệ giữa thời gian cố kết (t) với chiều dày nền đất yếu (H) và độ cố kết (U) .......................................................................................................................... 57 Kết luận chương 3 ................................................................................................................. 59 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................................... 60 I.Kết luận ................................................................................................................................ 60 II.Kiến nghị ............................................................................................................................ 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 61 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Cố kết thấm bằng HCK ...............................................................................................12 Hình 1.2. Đường quá trình lún của nền. .....................................................................................14 Hình 1.3. Quan hệ Uv (Tv) theo Terzaghi ...................................................................................18 Hình 1.4. Đồ thị xác định các thông số α,β ................................................................................19 Hình 1.5. Dự đoán độ lún cuối cùng theo phương pháp Asaoka ............................................20 Hình 2.1. Sơ đồ phân chia các cấp cấu trúc nền ĐBVB Quảng Nam - Đà Nẵng .................25 Hình 2.2. Bản đồ cấu trúc nền ĐBVB Quảng Nam - Đà Nẵng tỉ lệ 1/50.000 (thu nhỏ) ......26 Hình 2.3. Cấu trúc địa chất nhóm 1 ............................................................................................30 Hình 2.4. Cấu trúc địa chất nhóm 2 ............................................................................................30 Hình 2.5. Cấu trúc địa chất nhóm 3 ............................................................................................30 Hình 2.6. Cấu trúc địa chất nhóm 4 ............................................................................................30 Hình 2.7. Giới thiệu giao diện phần mềm Msettle ....................................................................32 Hình 2.8. Giới thiệu giao diện phần mềm Plaxis ......................................................................32 Hình 2.9. Giới thiệu giao diện phần mềm Geostudio 2012 .....................................................33 Hình 2.10. Giới thiệu giao diện phần mềm FoSSA ..................................................................34 Hình 2.11. Mặt bằng các vùng xử lý của công trình Pvtex Đình Vũ – Hải Phòng ...............35 Hình 2.12. Mặt cắt địa chất vùng 1 của công trình Pvtex Đình Vũ - Hải Phòng ..................36 Hình 2.13. Điều kiện biên trong mô đun SEEP/W ở pha tính toán ........................................37 Hình 2.14. Điều kiện biên trong mô đun SIGMA/W ở pha tính toán ....................................37 Hình 2.15. Quan hệ giữa độ lún tính toán và thời gian của công trình Pvtex Đình Vũ – Hải Phòng .......................................................................................................................................38 Hình 2.16. Quan hệ giữa ALNLR tính toán và thời gian của công trình Pvtex Đình Vũ – Hải Phòng....................................................................................................................................38 Hình 2.17. Quan hệ giữa độ lún thực nghiệm và thời gian của công trình Pvtex Đình Vũ – Hải Phòng .............................................................................................................................39 Hình 2.18. Quan hệ giữa ALNLR thực nghiệm và thời gian của công trình Pvtex Đình Vũ – Hải Phòng .............................................................................................................................39 Hình 2.19. Quan hệ giữa độ lún tính toán và thực nghiệm với thời gian của công trình Pvtex Đình Vũ – Hải Phòng.........................................................................................................40 Hình 2.20. Quan hệ giữa ALNLR tính toán và thực nghiệm với thời gian của công trình Pvtex Đình Vũ – Hải Phòng ...............................................................................................40 Hình 2.21. Điều kiện biên trong mô đun SEEP/W nhóm 1 và nhóm 2 ..................................42 Hình 2.22. Điều kiện biên trong mô đun SEEP/W nhóm 3 và nhóm 4 ..................................42 Hình 2.23. Điều kiện biên trong mô đun SIGMA/W nhóm 1 và nhóm 2 ..............................42 Hình 2.24. Điều kiện biên trong mô đun SIGMA/W nhóm 3 và nhóm 4 ..............................43 Hình 2.25. Quan hệ giữa độ lún tính toán với thời gian nhóm 1 .............................................43 Hình 2.26. Quan hệ giữa độ lún tính toán với thời gian nhóm 2 ............................................ 43 Hình 2.27. Quan hệ giữa độ lún tính toán với thời gian nhóm 3 .............................................44 Hình 2.28. Quan hệ giữa độ lún tính toán với thời gian nhóm 4 .............................................44 Hình 2.29. Quan hệ giữa độ lún tính toán với thời gian nhóm 1,2,3,4 ...................................44 Hình 2.30. Quan hệ giữa ALNLR tính toán với thời gian nhóm 1,2,3,4 ...............................45 Hình 2.31. Quan hệ giữa độ lún và ALNLR tính toán với thời gian nhóm 1 ........................46 Hình 2.32. Quan hệ giữa độ lún và ALNLR tính toán với thời gian nhóm 2 ........................46 Hình 2.33. Quan hệ giữa độ lún và ALNLR tính toán với thời gian nhóm 3 ........................47 Hình 2.34. Quan hệ giữa độ lún và ALNLR tính toán với thời gian nhóm 4 ........................47 Hình 3.1. Cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi (ảnh: Google) .......................................................49 Hình 3.2. Sơ đồ trình tự giải bài toán cố kết chân không dự án đường Cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi .................................................................................................................................51 Hình 3.3. Điều kiện biên trong mô đun SEEP/W dự án đường Cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi ....................................................................................................................................52 Hình 3.4. Điều kiện biên trong mô đun SIGMA/W dự án đường Cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi ....................................................................................................................................52 Hình 3.5. Quan hệ giữa độ lún tính toán và thời gian dự án đường Cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi ....................................................................................................................................53 Hình 3.6. Quan hệ giữa ALNLR tính toán và thời gian dự án đường Cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi .................................................................................................................................53 Hình 3.7. Quan hệ giữa đô lún tính toán dự án đường Cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi và độ lún cấu trúc nền IAr4..........................................................................................................54 Hình 3.8. Quan hệ giữa ALNLR tính toán dự án đường Cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi và ALNLR cấu trúc nền IAr4.............................................................................................54 Hình 3.9. Quan hệ giữa độ cố kết và thời gian khi chiều dày nền đất yếu thay đổi .............56 Hình 3.10. Quan hệ giữa thời gian cố kết với chiều dày nền đất yếu và độ cố kết...............57 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Một số công trình ứng dụng phương pháp có màng kín khí (MVC) ....................10 Bảng 1.2. Một số công trình ứng dụng phương pháp không có màng kín khí ......................11 Bảng 2.1. Đặc điểm phân bố đất yếu khu vực nghiên cứu.......................................................23 Bảng 2.2. Các chỉ tiêu cơ lý của đất yếu ....................................................................................24 Bảng 2.3. Thuyết minh các cấp cấu trúc nền vùng đồng bằng ven biển Quảng Nam – Đà Nẵng ..........................................................................................................................................29 Bảng 2.4. Khoảng cách và chiều dài bấc thấm xử lý cho các vùng ........................................35 Bảng 2.5. Chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất của công trình Pvtex Đình Vũ – Hải Phòng .........36 Bảng 3.1. Tính chất cơ lý của các lớp đất tại gói số 1 dự án đường cao tốc Đà Nẵng Quảng Ngãi ....................................................................................................................................50 Bảng 3.2. Lựa chọn mặt cắt tính toán dự án đường Cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi..........51 Bảng 3.3. So sánh kết quả tính toán theo các phương pháp khác nhau ..................................55 Bảng 3.4. Độ cố kết và thời gian ứng với các chiều dày đất yếu cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi ....................................................................................................................................57 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do lựa chọn đề tài Trong sự nghiệp công nghiệp hóa – hiện đại hóa của đất nước, nhu cầu phát triển cơ sở hạ tầng đóng vai trò rất quan trọng, đặc biệt là cơ sở hạ tầng giao thông. Nhiều tuyến đường đi qua khu vực phân bố đất yếu, do đất yếu có sức chịu tải thấp nên việc đảm bảo độ ổn định của nền đắp trở nên khó khăn. Bên cạnh đó, đất yếu có khả năng nén lún khá lớn, độ thoát nước nhỏ nên nền đắp thường bị lún mạnh và kéo dài, đòi hỏi kỹ thuật xử lý phức tạp, tốn kém. Để xây dựng nền đường đắp trên nền đất yếu, cần phải áp dụng các giải pháp xử lý để tăng sức chịu tải, giảm độ lún, đảm bảo điều kiện khai thác bình thường cho công trình. Hiện nay, việc áp dụng các giải pháp như đệm cát, giếng cát, cọc cát, bấc thấm, vải địa kĩ thuật,…để xử lý nền đường đất yếu đã và đang mang lại những hiệu quả nhất định. Tuy nhiên, trong điều kiện nguồn vật liệu gia tải khan hiếm như hiện nay và hướng tới giải pháp xử lý bền vững nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường trong thi công cũng như yêu cầu rút ngắn thời gian thi công thì việc nghiên cứu, áp dụng công nghệ mới trong xử lý nền đất yếu là cần thiết và cấp bách. Một trong những giải pháp xử lý mà thế giới áp dụng thành công là phương pháp cố kết hút chân không. Ở Việt Nam, phương pháp cố kết hút chân không bước đầu ứng dụng đã và đang mang lại những hiệu quả nhất định. Tuy nhiên công nghệ và trang thiết bị thi công theo phương pháp này chủ yếu từ các đơn vị nước ngoài, chính vì vậy các nghiên cứu về phương pháp này ở Việt Nam còn hạn chế, mặt khác các nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng của phương pháp này như ảnh hưởng của hệ số xáo trộn, chiều sâu ảnh hưởng của bấc thấm, chiều sâu ảnh hưởng của áp lực chân không, thấm biên, phạm vi biên ảnh hưởng của khu vực xử lý… còn nhiều tranh cãi, chưa hoàn thiện cho nên cần có các nghiên cứu khác nhằm hoàn thiện phương pháp này, đặc biệt ứng dụng phù hợp với từng trường hợp đất yếu ở Việt Nam. Do vậy đề tài “Nghiên cứu ứng dụng mô hình số mô phỏng xử lý nền đất yếu bằng phương pháp cố kết hút chân không khi xây dựng công trình giao thông” có tính cấp thiết và ý nghĩa thực tiễn. 2. Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu diễn biến thay đổi ứng suất – biến dạng trong nền đất yếu xử lý bằng phương pháp cố kết chân không. 3. Phạm vi nghiên cứu Nền đường đắp trên nền đất yếu ở địa bàn thành phố Đà Nẵng và các khu vực lân cận. 2 4. Mục tiêu nghiên cứu 4.1. Mục tiêu tổng quát Thông qua việc mô phỏng nhằm xác định sự biến đổi ứng suất – biến dạng, áp lực nước lỗ rỗng theo chiều sâu nền đất yếu tương ứng với áp lực bơm hút chân không, tính chất nền đất yếu khác nhau và các vấn đề liên quan. 4.2. Mục tiêu cụ thể - Xác định quy luật biến thiên áp lực nước lỗ rỗng, biến thiên ứng suất - biến dạng và biến dạng lún của nền đất yếu trong quá trình cố kết chân không cho loại đất yếu nghiên cứu. - Xác định biên ảnh hưởng biến dạng lún của khu vực xử lý khi xử lý bằng phương pháp cố kết chân không. - Xác định hàm hồi quy đa biến các quan hệ. 5. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp tính toán, phân tích lý thuyết: Nghiên cứu bài toán cố kết chân không, nghiên cứu các nội dụng liên quan đến việc giải bài toán cố kết chân không. - Phương pháp thống kê: Xử lý thống kê để xác lập các đường quan hệ giữa các yếu tố nghiên cứu. - Phương pháp mô phỏng số bằng 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. 6. Bố cục của đề tài Ngoài phần Mở đầu; Kết luận, kiến nghị, luận văn gồm 3 chương: Chương 1: Tổng quan về đất yếu và phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu. Chương 2: Lựa chọn mô hình số tính toán và tương quan giữa các thông số của quá trình xử lý cố kết chân không. Chương 3: Ứng dụng mô hình số tính toán xử lý nền đất yếu cho công trình giao thông cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi. 3 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU VÀ PHƯƠNG PHÁP CỐ KẾT CHÂN KHÔNG XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU 1.1. Tổng quan về đất yếu trong xây dựng công trình 1.1.1. Nguồn gốc và các loại đất yếu thường gặp Đất yếu [4,8,10] có nhiều nguồn gốc khác nhau (khoáng vật hoặc hữu cơ) và có điều kiện hình thành khác nhau (trầm tích ven biển, vịnh biển, đầm hồ, đồng bằng châu thổ, vùng đầm lầy có mực nước ngầm cao, vùng có nước tích đọng thường xuyên…), nói chung đất yếu có các đặc trưng sau: Sức chịu tải nhỏ, hệ số rỗng lớn (e>1), đất ở trạng thái bão hòa ho ặc gần bão hòa, tính thấm nước kém (hệ số thấm nhỏ) và thay đổi theo sự biến dạng của đất yếu, tính biến dạng (lún) lớn khi chịu tác động của tải trọng ngoài. Các loại đất yếu thường gặp ở nước ta là bùn, than bùn, sét mềm, hữu cơ. Sét mềm là các loại đất sét, á sét tương đối chặt, bão hòa nước, thường được bồi tự trong nước theo những cách khác nhau như: Bồi tích ven biển, đầm phá, cửa sông, ao hồ… Đất sét gồm các hạt nhỏ như thạch anh, các khoáng vật sét. Đặc điểm quan trọng của sét mềm là tính dẻo được tạo thành bởi thành phần khoáng vật của nhóm hạt có kích thước nhỏ hơn 0,002mm và hoạt tính của chúng đối với nước. Sét mềm có trạng thái từ dẻo chảy đến chảy. Bùn là các lớp đất mới được tạo thành trong môi trường nước ngọt hoặc nước biển, gồm các hạt rất mịn (<200µm), bản chất khoáng vật thay đổi và thường có kết cấu tổ ong. Bùn có thể là á cát, á sét, sét, luôn no nước, có hàm lượng hữu cơ thường nhỏ hơn 10% và rất yếu về mặt chịu lực. Than bùn có nguồn gốc hữu cơ được hình thành ở đầm lầy nơi đọng nước thường xuyên hoặc có mực nước ngầm cao, các loại thực vật phát triển, thối rữa, phân hủy tạo thành các trầm tích hữu cơ lẫn trầm tích khoáng vật. Than bùn có độ ẩm cao, bị nén lún lâu dài, không đều. 1.1.2. Sự phân bố các vùng đất yếu trong nước Do lịch sử địa chất, diện phân bố đất yếu ở nước ta khá rộng từ vùng núi trung du đến các đồng bằng, ở cả 3 miền Bắc bộ, Trung bộ và Nam bộ. Ở vùng núi và trung du, đất yếu nằm trong dãi trũng rộng, vùng hồ, thung lung… có cấu trúc 4 không phức tạp, đồng nhất, chiều dày không lớn. Ở các vùng đồng bằng, nền đất yếu khá phổ biến, cấu trúc phức tạp, đa dạng, không đồng nhất, chiều dày lớn, thành phần trầm tích, trạng thái và tính chất cơ lý của đất yếu cũng rất khác nhau. 1.1.2.1. Đồng bằng Bắc bộ Đồng bằng Bắc bộ có diện tích khoảng 15.000km2 . Địa hình bị chia cắt bởi hệ thống sông suối, kênh mương chằng chịt. Đồng bằng Bắc bộ được hình thành trên một miền võng rộng lớn, từ chế độ biển, sang chế độ vũng hồ, kết thúc ở chế độ trầm tích kỷ thứ tư. Vùng này thuộc địa hình bồi tụ, chiều dày rất lớn, từ vài mét đến hơn trăm mét. Các tạo thành Đệ Tứ được phân chia ra các chu kỳ trầm tích với tổ hợp cộng sinh. Các chu kỳ đó được bắt đầu bởi các tướng hạt thô lục địa, tương ứng với các pha biển lùi cực đại và kết thúc bởi các tướng hạt mịn châu thổ hoặc biển vịnh ven bờ. Nói chung, c ấu tạo lớp trong vùng rất phức tạp, chúng thường xen kẽ nhau hoặc xen kẽ các lớp có khả năng chịu lực tốt hơn. 1.1.2.2. Đồng bằng ven biển miền Trung Là đồng bằng mài mòn bồi tụ điển hình. Trầm tích kỷ thứ Tư ở đây thường thấy ở vùng thung lũng các sông và thường là loại phù sa bồi tích. Vùng duyên hải thuộc vùng trầm tích phát triển trên các đ ầm phá cạn dần, bồi tích trong điều kiện lắng đọng tĩnh. 1.1.2.3. Đồng bằng Nam bộ Căn cứ vào chiều dày lớp đất yếu [9], có thể chia vùng đất yếu đồng bằng Nam bộ thành các khu vực sau: - Khu vực có lớp đất yếu dày 1-30m, gồm các vùng ven thành phố Hồ Chí Minh, thượng nguồn các sông Vàm Cỏ Đông, Vàm Cỏ Tây, phía Tây Đồng Tháp Mười, rìa quanh vùng Bảy Núi đến ven biển Hà Tiên, Rạch Giá, rìa đông bắc đồng bằng từ Vũng Tàu đến Biên Hòa. - Khu vực có lớp đất yếu dày 5-30m, phân bổ kế cận các vùng trên và chiếm đại bộ phận đồng bằng và khu vực trung tâm Đồng Tháp Mười. - Khu vực có lớp đất yếu dày 15-30m chủ yếu thuộc các tỉnh Cửu Long, Bến Tre tới các tỉnh duyên hải Hậu Giang, Tiền Giang … 5 Nguồn gốc các tầng đất yếu là các loại trầm tích châu thổ (sông, bãi bồi, tam giác châu), trầm tích bờ, vũng vịnh và đều thuộc loại trầm tích kỷ thứ tư. 1.1.3. Phân bố và tính chất nền đất yếu tại Đà Nẵng và các khu vực lân cận 1.1.3.1. Phân bố của các lớp đất yếu Qua hồ sơ địa chất các công trình đã và đang triển khai trên địa bàn thành phố Đà Nẵng thu thập được đồng thời tham khảo các tài liệu địa chất khu vực, nhận thấy đia hình khu vực nghiên cứu có các dạng sau: địa hình bóc mòn tổng hợp, địa hình tích tụ do hỗn hợp sông - biển, địa hình tích tụ do hỗn hợp biển đầm lầy, địa hình tích tụ do biển, địa hình tái tích tụ do gió. Với sự đa dạng của các dạng địa hình như vậy thì cấu trúc địa chất khu vực cũng khá đa dạng về nguồn gốc cũng như loại đất đá cấu tạo nên bề mặt địa hình. Đặc biệt với sự xuất hiện của các lớp đất yếu có thành phần khác nhau như sét, sét pha, cát pha, bùn sét pha, bùn cát pha chứa hữu cơ, cát mịn bão hòa có trạng thái chảy đến dẻo mềm,… trong đó chủ yếu là các loai sét pha dẻo mềm, các loại bùn hầu hết chỉ phân bố trên tầng mặt hoặc đôi chổ nằm bên dưới lớp cát mỏng. Có thể nhận thấy sự đa dạng các yếu tố địa hình khu vực có ảnh hưởng rất lớn đến phân bố cả lớp đất yếu. Trên đia bàn thành phố Đà Nẵng, thông thường các khu vực có địa chất đất yếu thường nằm ở các vị trí ruộng trũng, đầm lầy ao hồ, bãi bồi ven sông, vịnh biển. Tùy theo cao trình xuất hiện lớp đất yếu, có thể phân chia khu vực đất yếu thành 02 loại: - Loại phân bố trên bề mặt tự nhiên (không xét đến lớp đất đắp phủ, đất trồng mùn hữu cơ,…): Loại này phân bổ dọc theo các thung lũng hẹp của các sông, suối, hồ, đầm lầy những nơi có lưu vực trũng thấp. Diện phân bố của loại này thường không rộng, kéo dài theo hướng dòng chảy. Địa chất khu vực này thường có mặt các lớp bùn sét pha lẫn hữu cơ, sét pha, cát pha ở trạng thái dẻo chảy. Chiều dày địa chất đất yếu loại này thường từ 4m đến trên 10m nhưng không quá 20m. 6 - Loại phân bố dưới sâu: Loại này thường nhiều loại địa chất xen kẽ lẫn nhau rất phức tạp, phân bố xen thung lung của các sông cách bờ sông hiện trạng từ 2–5 (Km), sát nên gồm nhiều trầm tích có nguồn gốc tổng hợp, không phản ánh rỏ quy luật phân bố. Tại những khu vực này, đất yếu thường gặp là bùn sét pha, sét pha, sét ở trạng thái dẻo mềm, dẻo chảy kẹp với các lớp đất dính, chiều dày trung bình từ 3m – 5m. 1.1.3.2. Tính chất nền đất yếu trong khu vực Đất yếu phân bố ở khu vực thành phố Đà Nẵng và các khu vực lân cận có thể chia thành ba nhóm chính sau: - Đất sét, sét pha, cát pha dẻo mềm đến chảy. - Đất bùn sét, bùn sét pha, bùn cát pha trạng thái dẻo mềm đến chảy. - Đất cát mịn, cát bụi trạng thái dẻo đến chảy. Nói chung, đất mềm dính (sét, sét pha cát, cát pha sét) thường đặc trưng bằng hệ số rỗng, độ sệt, hệ số nén lún, hệ số thấm tương đối thấp. Ngược lại, khối lượng tự nhiên, khối lượng thể tích khô, góc ma sát trong, lực dính kết, sức chịu tải, mô đun biến dạng… tương đối cao. Nếu như thành tạo trầm tích loại sét, sét pha, thuộc nhóm đất mềm dính có các đặc trưng cơ lý biến đổi có quy luật nói trên thì bùn sét, bùn sét pha cát, bùn cát pha, than bùn của nhóm đất có thành phần, trạng thái, tính chất đặc biệt ở độ sâu lớn hơn lại có những tính chất cơ lý biến đối theo quy luật ngược lại. Một điểm đáng lưu ý nữa là trong loại đất này thường có một lượng vật chất hữu cơ cao. Do đó, bùn sét, bùn sét pha thường có giới hạn chảy và giới hạn dẻo cao hơn so với các giới hạn đó của đất loai sét, sét pha. Tuy vậy, chỉ số dẻo lại không khác nhau là mấy giữa hai loại đất này. Mặt khác ở bùn sét, bùn sét pha các loại có hê số rỗng lớn nhưng hệ số thấm gần như tương đương với giá trị hệ số thấm của đất loại sét, sét pha các loại [11]. Trình tự nén chặt cao hơn của đất loại đất sét, sét pha cát, cát pha sét nằm trên so với thành tạo đất bùn, bùn sét pha, bùn cát pha, than bùn nằm bên dưới cũng quan sát thấy rõ. Trong điều kiện địa hình cao, mực nước ngầm nằm sâu, khả năng thoát nước từ trong ra thuận lợi… thì tại những nơi phân bố bùn cát pha, cát pha, sét 7 pha có các chỉ tiêu cơ lý không khác nhau là mấy so với giá trị tương ứng của các loại đất sét, sét pha có cùng thành phần thạch học. Do vậy, để đạt đến khả năng phù hợp với mọi tính năng xây dựng công trình thì cần phải có biện pháp xử lý nền đất yếu cho phù hợp đồng thời phải có thời gian quan trắc xem xét từng phương pháp xử lý để đi đến thống nhất các giải pháp hợp lý ứng với từng loại đất yếu khác nhau. 1.2. Tổng quan về phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu 1.2.1. Lược sử phát triển công nghệ bơm hút chân không xử lý nền đất yếu Công nghệ bơm hút chân không xử lý nền đất yếu (HCK) lần đầu tiên được giới thiệu là vào năm 1952 bởi tiến sĩ W. Kjellman. Sau đó bài toán cố kết hút chân không được nghiên cứu lại bởi giáo sư Cognon với một số nguyên tắc lý thuyết cơ bản mới. Đến những năm 70, HCK được ứng dụng rộng rãi, đặc biệt là ở Nga và Nhật. Vào thời điểm bấy giờ HCK được bổ sung một lớp tường chống thấm bao quanh khu vực xử lý nhằm hạn chế nước ngầm từ khu vực xung quanh, đồng thời gia tăng áp lực nén đứng của dòng thấm. Tuy nhiên cách bố trí này sớm bộc lộ khuyết điểm là khá tốn kém. Năm 1989 hãng xây dựng Menard (Pháp) dựa trên nghiên cứu và phát minh của giáo sư J.M. Cognon lần đầu tiên áp dụng phương pháp cố kết MVC (Menard Vacuum Consolidation) trên diện tích 390 (m2) của một trường huấn luyện phi công ở Ambes, Pháp. Việc bố trí tường chống thấm không còn nữa mà thay vào đó là lớp gia tải bằng đất và sự chênh lệch giữa áp suất khí quyển với áp suất chân không dưới màng kín khí bao phủ bề mặt diện tích xử lý. Từ sau đó phương pháp này đã được ứng dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới. 1.2.2. Tình hình nghiên cứu phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu trên thế giới và ở Việt Nam Phương pháp xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp hút chân không và gia tải trước [1,2,3,5,6,7] đã và đang được áp dụng nhiều nơi trên thế giới. Mặc dù vậy, việc tính toán thiết kế vẫn đang được hoàn thiện. Hiện chưa có một cơ sở lý thuyết tính toán nào được thực hiện cho toàn bộ công tác xử lý nền bằng phương pháp này. 8 Áp lực chân không hiệu quả dọc theo bấc thấm có bị suy giảm theo chiều sâu hay không, vấn đề này vẫn còn nhiều tranh luận qua các kết quả nghiên cứu. Theo Chu và nnk (2000), Indraratna và nnk (2005) chỉ ra rằng áp lực chân không hiệu quả giảm dần theo chiều sâu bấc thấm [18,19,21,22,32,33]. Tuy nhiên nhiều nghiên cứu từ các công trình thực tế, Bo và nnk (2003) [20] lại cho rằng áp lực chân không hiệu quả không suy giảm theo chiều sâu bấc thấm. Hầu hết các nghiên cứu đều quan tâm đến vấn đề biến dạng và biến đổi ALNLR trong quá trình cố kết chân không của nền (Rujikiatkamjorn và nnk (2006) [23,24], Indraratna và nnk (2006) [25,26,27], Mohamedelhassan và nnk [28], Chamari [29], Chu [30], Shang và nnk [31], 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. Tại Việt Nam, hơn một thập kỷ trở lại đây, phương pháp cố kết chân không cũng đã được áp dụng. Tuy nhiên các công trình nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng cũng như cơ sở lý thuyết tính toán đến phương pháp trong thời gian qua không nhiều, một số ít bài báo và công trình khoa học đã được công bố. Một nghiên cứu về phương pháp này do tác giả Nguyễn Thị Nụ [14] - Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Việt Nam, dựa trên kết quả xử lý của công trình nhà máy nhiệt điện Long Phú – Sóc Trăng trên nền đất yếu có bề dày 15-18m, bố trí bấc thấm hình vuông với khoảng cách 1,0x1,0m. Áp lực hút chân không được thực hiện là 70-80kPa với thời gian duy trì hút chân không từ 150 đến170 ngày, chiều cao gia tải trước từ 0,68 đến 2,88m. Trong quá trình xử lý nền đất yếu, tiến hành quan trắc địa kỹ thuật ngoài hiện trường, độ lún quan trắc cho kết quả khá phù hợp với độ lún dự báo. Độ cố kết của nền sau xử lý đạt trên 90% và độ lún dư nhỏ hơn so với độ lún của yêu cầu thiết kế. Từ kết quả nghiên cứu có thể thấy phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cố kết chân không đạt được hiệu quả đối với nền đất yếu tại nhà máy Nhiệt điện Long Phú - Sóc Trăng. Đây là cơ sở để áp dụng lý thuyết tính toán xử lý nền đất yếu bằng phương pháp cố kết chân không ở Việt Nam. 9 Nghiên cứu tiếp theo là của nhóm tác giả Vũ Bảo Ngọc và nnk [12,13] đã công bố kết quả về công nghệ thi công cố kết chân không theo phương p háp có màng và kết quả thực nghiệm về lún của công trình Nhơn Trạch - Đồng Nai 2 và kết quả lún, ALNLR cho công trình Pvtex Đình Vũ - Hải Phòng. Trong nghiên cứu này nhóm tác giả chỉ giới thiệu về công nghệ thi công mà chưa quan tâm đến các yếu tố ảnh hưởng đến thông số cố kết của nền. Qua tổng quan về tình hình nghiên cứu trên thế giới và ở Việt Nam cho thấy các công trình nghiên cứu về phương pháp này còn ít, các nghiên cứu chủ yếu từ kết quả xử lý của một số công trình thực tế, chưa có các mô hình thực n ghiệm trong phòng về 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. 1.2.3. Tình hình ứng dụng phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu trên thế giới và ở Việt Nam Phương pháp cố kết chân không đã và đang phát triển mạnh trên thế giới, đã có nhiều thành tựu rất lớn trong nghiên cứu, thiết kế và xây dựng. Một số công trình xử lý nền bằng cố kết chân không theo phương pháp MVC ở các nước trên thế giới như ở bảng 1.1 10 Bảng 1.1. Một số công trình ứng dụng phương pháp có màng kín khí (MVC) Năm Tên công trình Nước 2001 Hamburg Đức 2001 Bang Bo Thái Lan 1999 Jangyoo STP Hàn Quốc 1999 1997 1996 Quebec Wismar Khimae PS 1996 RN1 1995 Kuching Canada Đức Hàn Quốc Pháp quốc Hải ngoại Malaysia 1995 Khimae STP Hàn Quốc 1994 1994 1993 1992 A 837 Phase 2 Lubeck A837 - Phase 1 Ipoh Gopeng Pháp Đức France Malaysia Pháp quốc Hải ngoại Pháp quốc Hải ngoại 1992 Lamentin 1991 Lamentin 1990 Ambes Pháp 1990 1990 1990 Eurotunnel Ambes Lomme Pháp Pháp Pháp 1989 Ambes Pháp Loại công trình Kho hàng sân bay Đường vào nhà máy điện Nhà máy xử lý nước thải Cầu Cảng Trạm bơm Đường vòng Đơn vị tư vấn IGB – Dr Maybaum Phạm vi (m2 ) 238,000 Seatac 30,000 KECC 70,000 QDOT Steinfeld & Part KECC 1,000 15,000 20,000 CETE Fort de France Cầu tàu Nhà máy xử lý nước thải Đường cao tốc Cảng Đường cao tốc Đường cao tốc SCETAU ROUTE INROS 6,150 ACER 12,000 KECC 83,580 10,000 22,500 LCPC 44,500 ZAIDUN LEENG 2,600 Đường cao tốc BRGM 7,805 Sân bay CEBTP 17,692 Mecasol 17,550 SETEC CETE Bordeaux FONDASOL 56,909 21,106 8,130 Bể chứa dầu Đường Đường Kho hàng Trạm kiểm tra sân bay Test area 390 Từ năm 1997 Công ty xây dựng Cofra của Hà Lan nghiên cứu cải tiến cố kết chân không theo hướng đơn giản hóa, 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. Hướng cải tiến mới này đã cho ra đời ba phương p háp bố trí mới, 11 nhanh chóng được chấp nhận và thi công tại nhiều công trình lớn trên thế giới. Các phương pháp bố trí mới đó là Vertical drain, Beaudrain, Beaudrain-S. Về bản chất, tính hiệu quả của phương pháp MVC, Vertical drain, Beaudrain, Beaudrain-S và các biện pháp thi công khác của cố kết chân không có thể coi là tương đương nhau. Sự khác nhau chủ yếu là thiết bị, cách bố trí và thời gian cố kết. Một số công trình xử lý theo phương pháp Beaudrain-S ở các nước trên thế giới như ở bảng 1.2. Bảng 1.2. Một số công trình ứng dụng phương pháp không có màng kín khí Năm Tên công trình Nước 2008 Baanhoek Sliedrecht Hà Lan 4500 2008 Waddinxveen Hà Lan 2000 2008 Quay wall IHC, Krimpen a/d IJssel Hà Lan 2500 2007 Randeburgseweg, Reeuwijk, Hà Lan 4500 2006 Bremerhaven Đức 62000 2005 Suvarnabhumi airport Thailand 400000 2005 Parking Ikea Delft Hà Lan 3700 2005 Ter Aar Hà Lan 1800 2004 Railway Betuwelijn Gorinchem Hà Lan 4400 Phạm vi (m2 ) Phương pháp cố kết chân không bước đầu được ứng dụng ở Việt Nam, công trình đầu tiên ứng dụng thành công là nhà máy khí điện đạm Cà Mau trên diện tích 90 ha, ngoài ra còn có các công trình khác như: Nhà máy sợi Polyester Đình Vũ, Nhà máy điện chu trình hỗn hợp Nhơn Trạch 2 - Đồng Nai, Cảng Đình Vũ - Hải Phòng, đường cao tốc Long Thành - Dầu Giây, công trình bể chứa ven sông Sài Gòn, nhà máy Nhiệt điện Long Phú 1 (Sóc Trăng), nhà máy Nhiệt điện Duyên Hải 1 (Trà Vinh), nhà máy Nhiệt điện Thái Bình 2, khu liên hợp thép Formosa Hà Tĩnh....đã dùng công nghệ cố kết chân không theo phương pháp có màng và không có màng kín khí để cố kết nền đất rất nhanh chỉ trong thời gian rất ng ắn. Trên cơ sở của những kết quả ứng dụng ban đầu 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 12 thực tiễn để có thể ứng dụng rộng rãi trong xử lý nền các công trình xây dựng ở Việt Nam. 1.3. Lý thuyết phương pháp cố kết chân không 1.3.1. Bài toán cố kết thấm Bài toán cố kết thấm đã được nghiên cứu từ đầu thế kỷ 20 và không ngừng được hoàn thiện cho tới hiện nay. Nhìn chung các giải pháp đều phát triển lên từ nền móng cơ bản là phương trình c ủa Terzaghi. Về cơ bản bài toán cố kết thấm cũng có thể giải quyết được nhờ phương trình liên tục về chuyển động của các pha trong đất nền. Trong tổng thể, đất là một tổ hợp phức tạp của ba pha chính là thể rắn, thể lỏng và thể khí. Về nguyên tắc cả ba pha này đều tham gia vào quá trình chịu tải của đất với các mức độ khác nhau. Thành phần chính chịu tải trọng là thể rắn (hạt đất). Khi đất ổn định, ứng suất tác dụng lên hạt đất bằng ứng suất max mà tải trọng và trọng lượng bản thân của khối đất có thể gây ra, gọi là ứng suất tổng. Thành phần chịu tải thứ hai là nước nằm trong lỗ rỗng. Khi giải bài toán cố kết thấm, có thể coi nước trong lỗ rỗng là không chịu nén. Phần ứng suất mà nước trong lỗ rỗng chịu gọi là ứng suất lỗ rỗng dư , còn phần ứng suất mà các hạt đất phải chịu là ứng suất hiệu quả . Ứng suất tổng có giá trị bằng giá trị của ứng suất dư và ứng suất hiệu quả. Thành phần chịu tải cuối cùng là khí nằm trong đất, tuy nhiên tỉ lệ thường là vô cùng nhỏ, có thể bỏ qua. Khi giải phương trình liên tục về chuyển động của các pha cần lưu ý rằng lượng khí thường xuyên hòa tan hoặc tách rời khỏi nước trong lỗ rỗng tùy theo các điều kiện nhiệt độ, áp suất. Khi giải bài toán cố kết thấm, hiện tại hầu hết đều giải bài toán ở dạng hai pha để đơn giản hóa và cũng vì ảnh hưởng của pha khí là quá nhỏ. Hình 1.1. Cố kết thấm bằng HCK 13 Bản chất của hiện tượng cố kết thấm là sự giảm hệ số rỗng của đất nền bằng cách trục xuất bớt nước trong lỗ rỗng 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 (hình 1.1). Nếu nguyên lý của phương pháp đ ầm nén cơ học bình thường sử dụng lực tác dụng của tải trọng để gia tăng ứng suất tổng từ đó tăng thêm ứng suất hiệu quả, thì bản chất của cố kết thấm bằng hút chân không là giảm ứng suất dư trong lỗ rỗng, từ đó tăng ứng suất hiệu quả mà không thay đổi ứng suất tổng. HCK nhờ áp suất chân không tạo sự chênh lệch áp suất giữa các vùng trong đất nền, từ đó nảy sinh dòng thấm cưỡng bức đem nước ngầm trong đất rút ra ngoài. Việc sắp xếp lại cấu trúc liên kết giữa các hạt đất được tiến hành bằng trọng lượng bản thân hạt đất, và có thể được hỗ trợ nhờ gia tải khi phần lớn nước trong lỗ rỗng bị trục xuất. Bản chất và tác dụng của việc cố kết đất nền trước khi xây dựng nói chung và bằng HCK nói riêng có thể được giải thích trên hình 1.2. Nếu trước khi xây dựng công trình mà không gia cố nền, thì sau khi đặt công trình lên, tải trọng công trình (p) gia tăng áp lực lên nền, khiến quá trình cố kết xảy ra do nước vẫn bị đẩy khỏi lỗ rỗng. Kết quả là đất nền bị lún tương đối nhanh, có thể gây ra hiện tượng lún không đều, từ đó có thể dẫn đến nứt, gẫy kết cấu. Tại thời điểm t2, đất nền cố kết hoàn toàn và đạt độ lún cuối Sc(p). Nếu không có sự thay đổi về tải trọng, nền ổn định và không tiếp tục lún nữa. Gia cố nền trước khi xây dựng được tiến hành bằng cách gia tải trước có giá trị bằng tổng tải trọng công trình (p) với một siêu tải (f), tổng siêu tải (p+f) sẽ khiến nền lún nhanh hơn và mau chóng đạt được giá trị S(p+f) xấp xỉ giá trị độ lún cuối Sc(p) tại thời điểm t1, sớm hơn t2. Nếu tại thời điểm này bắt đầu xây dựng, đặt công trình lên nền thì độ lún dư trong các năm tiếp theo của công trình là tương đối nhỏ và không gây nguy hại cho kết cấu. Có thể thấy, siêu tải (f) càng lớn, thời gian cố kết t1 càng ngắn.