Nhóm SV Lớp 49C4 Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên lần XXII
MỤC LỤC
I. Tính cấp thiết của đề tài 3
II. Nội dung nghiên cứu đề tài 4
III. Phương pháp nghiên cứu 5
I.1. Quá trình cố kết lớp đất đơn giản 6
I.2. Quá trình cố kết lớp đất phức tạp 9
II. Lý thuyết cố kết thấm 1 hướng của TERZAGHI 11
II.1. Các giả thiết của Terzaghi 11
II.2. Lập phương trình vi phân cố kết thấm 11
II.3. Điều kiện biên bài toán 13
II.4. Giải phương trình vi phân cố kết thấm 13
II.5. Các trường hợp chú ý 14
I. Phương pháp gia tải trước 15
I.1. Nguyên lý chất tải trước 16
I.2. Các bước gia tải trước 17
I.3. Ưu nhược điểm của phương pháp gia tải trước 18
I.4. Ứng dụng của phương pháp gia tải trước tại Việt Nam 19
II. Phương pháp cố kết chân không 19
II.1. Khái niệm phương pháp gia tải trước bằng hút chân không 19
II.2. Tiến hành phương pháp gia tải trước bằng chân không 20
II.3. Ứng dụng thực tế của phương pháp cố kết chân không trong các công trình
XD hiện nay 28
III. Ứng dụng của việc sử dụng bấc thấm trong phương pháp gia tải trước và hút
chân không 30
III.1. Khái niệm 30
III.2. Phương pháp thi công bấc thấm 32
Trang 1
Nhóm SV Lớp 49C4 Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên lần XXII
III.3. Ứng dụng của bấc thấm trong phương pháp gia tải trước 33
III.4. Ứng dụng của việc sử dụng bước thấm trong phương pháp hút chân không
II. Kiến nghị 54
ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU TỐC ĐỘ CỐ KẾT CỦA NỀN ĐẤT YẾU XỬ LÝ BẰNG
PHƯƠNG PHÁP GIA TẢI TRƯỚC VÀ HÚT CHÂN KHÔNG
MỞ ĐẦU
I. Tính cấp thiết của đề tài
Nước ta đang bước vào thời kỳ công nghiệp hoá hiện đại hoá, các khu công nghiệp
tập trung, cơ sở hạ tầng kỹ thuật, khu đô thị mới… đang được xây dựng với tốc độ ngày
càng lớn. Nền móng của các công trình xây dựng nhà ở, đường sá, đê điều, đập chắn
nước và một số công trình khác trên nền đất yếu thường đặt ra hàng loạt các vấn đề phải
giải quyết như: sức chịu tải của nền thấp, độ lún lớn và độ ổn định của cả diện tích lớn.
Việt Nam được biết đến là nơi có nhiều đất yếu, đặc biệt lưu vực sông Hồng và sông Mê
Trang 3
Nhóm SV Lớp 49C4 Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên lần XXII
Kông. Nhiều thành phố và thị trấn quan trọng được hình thành và phát triển trên nền đất
yếu với những điều kiện hết sức phức tạp của đất nền, dọc theo các dòng sông và bờ biển.
Thực tế này đã đòi hỏi phải hình thành và phát triển các công nghệ thích hợp và tiên tiến
để xử lý nền đất yếu. Việc xử lý nền đất yếu là vấn đề bức thiết và quan trọng hàng đầu
trong ngành Xây dựng hiện đại. Xử lý nền đất yếu nhằm mục đích làm tăng sức chịu tải
của nền đất, cải thiện một số tính chất cơ lý của nền đất yếu như: Giảm hệ số rỗng, giảm
tính nén lún, tăng độ chặt, tăng trị số modun biến dạng, tăng cường độ chống cắt của
đất… đảm bảo điều kiện khai thác bình thường cho công trình.
Một số các phương pháp như : gia tải trước, tầng đệm cát, gia cố nền đường, bệ
phản áp, sử dụng vật liệu nhẹ (sử dụng phụ gia để gia cố nền đất, nền đất bằng vật liệu
nhẹ); thay bằng lớp đầm chặt, thả đá hộc (với chiều dày lớp bùn không sâu); thoát nước
cố kết (bấc thấm, giếng bao cát, cọc cát, giếng cát, cọc đá dăm, dự ép chân không, chân
không chất tải dự ép liên hợp); nền móng phức tạp (hạ cọc bê tông, hạ cọc bằng chấn
động, cọc xi măng đất, cọc đất – vôi – xi măng, cọc bê tông có lẫn bột than); cọc cứng
(cọc ống mỏng chế tạo tại chỗ); cọc cừ tràm hoặc cọc tre….
Hiện nay có 2 phương pháp cố kết trước được dùng và phổ biến hơn cả đó là:
• Nhận xét và đánh giá các kết quả thu được.
CHƯƠNG I
LÝ THUYẾT CHUNG VỀ CỐ KẾT
Cố kết là quá trình nền đất lún xuống theo thời gian và dần chặt lại. Quá trình cố
kết chia làm hai giai đoạn:
+ Cố kết sơ cấp: là quá trình nước trong đất thoát ra ngoài, lỗ rỗng trong đất thu
hẹp lại, làm cho đất dần chặt lại.
+ Cố kết thứ cấp: là quá trình nước trong đất đã thoát hết ra ngoài nhưng các hạt đất
vẫn tiếp tục di chuyển trượt lên nhau đến vị trí ổn định hơn.
Trang 5
Nhóm SV Lớp 49C4 Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên lần XXII
Để đánh giá độ cố kết của đất nền người ta đưa ra tỷ số quá cố kết OCR là tỷ số
giữa ứng suất cố kết trước và ứng suất nén hiệu quả theo phương đứng hiện tại.
OCR =
'
vo
'
p
σ
σ
Đất cố kết thường có OCR = 1
Đất quá cố kết có OCR > 1
Đất chưa cố kết có OCR<1I. Quá trình cố kết
I.1. Quá trình cố kết lớp đất đơn giản
Hình 1
Hình 1a thể hiện lò xo với pittông có van đóng mở trong một bình hình trụ. Biểu đồ
ứng suất theo chiều sâu thể hiện hình 1b. Đất được thay thể bởi lò xo, ở trạng thái cân
bằng ứng suất hiệu quả ban đầu σ’
vo
. Cùng thời gian, nước bị ép ra ngoài qua van, và áp
∂
∂
+
- qdt =
dz
z
q
∂
∂
dt (a)
Trong đó : q – Lưu lượng nước thấm qua phân tố đất.
Vì tính thấm tuân theo định luật Darcy (Giả thiết 5), ta có :
,ki
F
q
v ==
Vì F = 1x1
Nên v = q = ki = k
z
uk
z
h
n
∂
∂
=
∂
∂
γ
( vì h =
V
r
∂
∂
trong khoảng thời gian đó.
Diễn giải ta có :
dz
t
dtdz
t
dtV
t
dt
t
V
h
r
∂
∂
+
=
+∂
∂
=
∂
∂
=
∂
∂
ε
Nhóm SV Lớp 49C4 Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên lần XXII
Cuối cùng
dtdz
t
ua
dt
t
V
r
.
1
0
∂
∂
+
=
∂
∂
ε
( c )
So sánh (b) và (c) nhận được : (d)
Rút gọn ta có :
2
2
z
u
C
t
u
v
- Hệ số rỗng tự nhiên .
•
n
γ
- Trọng lượng riêng của nước (0.01 N/cm
3
).
Từ công thức (f) thấy rằng , hệ số cố kết C
v
tỷ lệ thuận với hệ số thấm k và tỷ lệ
nghịch với hệ số ép co a. Như vậy C
v
là hệ số đặc trưng cho mức độ cố kết của đất. Đất
càng khó thấm, hệ số cố kết càng bé. Kết quả nghiên cứu cho thấy phạm vi biến thiên của
C
v
như sau:
• Đất sét có tính dẻo thấp : C
v
= 1.10
5
÷ 6.10
4
cm
2
/năm.
• Đất sét có tính dẻo vừa : C
v
= 6.10
4
h
n
∂
∂
=
∂
∂
γ
)
Tại z = 0 với mọi t có u = 0.
Trang 8
dtdz
t
ua
dtdz
z
uk
n
1
0
2
2
∂
∂
+
=
∂
∂
π
H - Khoảng cách thoát nước lớn nhất.
Nếu trường hợp một mặt thoát nước thì H bằng chiều dài lớn nhất đất.
Nếu trường hợp hai mặt thoát nước thì H bằng ½ chiều dài lớn nhất đất
t - Thời gian cố kết.
I.2. Quá trình cố kết lớp đất phức tạp
Hình 3
Trang 9
Nhóm SV Lớp 49C4 Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên lần XXII
Khi lớp đất điển hình sẽ phức tạp hơn mô hình đơn giản trong hình a–c. Cho phép
ta tăng số lượng lò xo, pitông, và van thể hiện hình d ta có thể biết ứng suất hiệu quả ban
đầu σ’
vo
của lớp đất và áp lực nước lỗ rỗng tạo ra Δu, liên quan đến lực bên ngoài tác
dụng lên pittông Δσ trong hình c. Cho phép thoát nước qua mỗi pittông và van vì vậy cả
thoát nước bên trong cũng như thoát nước ở đỉnh và đáy. Để nước bị ép ra khỏi các ống
trụ 2, 3 và 4, cần một số nước trong các ống trụ 1 và 5 thoát nước trước.
Tương tự như vậy, trước khi nước có thể ép thoát ra khỏi đất trong ống trụ 3 một số
nước trong ống trụ 2 và 4 thoát ra trước . Bởi vì tất cả van đều mở, nên khi chịu tác dụng
ứng suất bên ngoài Δσ , nước bắt đầu thoát ngay lập tức từ đỉnh và đáy hình trụ.
Sẽ dẫn đến kết quả áp lực nước lỗ rỗng giảm ngay và ứng suất hiệu quả tăng trong
hình trụ 1 và 5.
Với hai lớp thoát nước trên mô hình hình d-f có thể thấy sự giảm áp lực nước lỗ
rỗng, tại thời điểm t
1
có sự thay đổi của đỉnh và đáy lớp.
Đó là nguyên nhân hướng thoát nước theo chiều dài hình trụ nhiều hơn đáng kể so
với hình trụ 1 và 5. Sẽ dẫn đến sự giảm áp lực nước lỗ rỗng và tăng ứng suất hiệu quả
trong hình trụ 1 và 5 trên hình f.
Tại trung tâm lớp thoát nước hai hướng được mô hình ở hình d-f có thể thấy sự
Sự thay đổi thể tích rỗng = lượng nước thoát ra
Xét một phân tố đất dx.dy.dz cách tại chiều sâu z so mặt đất tự nhiên:
Hình 4
II.2. Lập phương trình vi phân cố kết thấm
Phương trình Terzaghi được xây dựng dựa vào thể tích nước thoát ra của một phân
tố đất chịu nén. Theo định luật Darcy, ta biết lưu lượng dòng thấm phụ thuộc vào độ dốc
thuỷ lực và tính thấm của đất. Độ dốc thuỷ lực tạo ra dòng thấm có liên quan đến áp lực
nước lỗ rỗng dư.
Trang 11
Nhóm SV Lớp 49C4 Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên lần XXII
z
i
=
z
u
∂
∂
(
g.
u
w
ρ
)=
z
u
g
w
∂
∂
.
=
.
1
ρ
dxdydzdt
kd
Qvao
=
)(
1
2
2
z
u
z
u
w
∂
∂
+
∂
∂
ρ
dxdydzdt
2
2
1
z
u
g
dzS
ve
11
1
'
1 +
=
+
−=∆=
σ
Hệ số a
v
xác định từ đường cong :
Hình 5
Trang 12
'''
12
21
σσ
σ
−
−
=−=
ee
d
d
a
e
v
Nhóm SV Lớp 49C4 Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên lần XXII
z
u
g
k
w
∂
∂−
ρ
.dzdt =
.
1
0
t
u
e
a
v
∂
∂
+
−
dtdz
t
u
z
u
c
v
∂
∂
bằng H hoặc Hdr.
Tất nhiên khi t = ∞, Δu = 0, hoặc áp lực lỗ rỗng tiêu tán hoàn toàn.
II.4. Giải phương trình vi phân cố kết thấm
Có nhiều cách giải khác nhau, một số theo phương pháp toán học chính xác, số
khác thì gần đúng. Ví dụ Harr (1966) trình bày lời giải gần đúng bằng cách dùng phương
pháp sai phân hữu hạn. Terzaghi (1925), cho lời giải toán học chính xác dưới dạng chuỗi
số Fourier mở rộng.
Nghiệm của phương trình như sau :
)().()''(
2
0
112
TfzfU
n
∑
∞
=
−=
σσ
Trong đó: Z và T là thông số không thứ nguyên. Số hạng đầu Z là thông số hình
dạng, và bằng z/H. Số hạng thứ hai T là nhân tố thời gian có liên quan đến hệ số cố kết C
v
xác định theo:
T là nhân tố thời gian có liên quan đến hệ số cố kết C
v
xác định theo:
Trang 13
Nhóm SV Lớp 49C4 Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên lần XXII
2
dr
II.5. Các trường hợp chú ý
Trường hợp hai mặt thoát nước đường thoát nước bằng một nửa chiều dày H của
lớp đất sét, hoặc 2H/2 = H
dr
.
Nếu chỉ có một mặt thoát nước, đường thoát nước vẫn là H
dr
nhưng bằng chiều dày
H của lớp đất.
Trang 14
Nhóm SV Lớp 49C4 Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên lần XXII
CHƯƠNG II
CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU
Định nghĩa và đặc trưng của nền đất yếu trình bày trong 22TCN 262-2000 và
TCXD245:2000 “là đất yếu nếu ở trạng thái tự nhiên, độ ẩm của chúng gần bằng hoặc
cao hơn giới hạn chảy, hệ số rỗng lớn, lực dính c theo cắt quả cắt nhanh không thoát
nước từ 0.15 daN/cm
2
trở xuống, góc nội ma sát từ 00 đến 100 hoặc lực dính từ kết quả
cắt cánh hiện trường Cu ≤ 0.35 daN/cm
2
”.
Phần lớn các nước trên thế giới thống nhất về định nghĩa nền đất yếu theo sức
kháng cắt không thoát nước Su và trị số xuyên tiêu chuẩn N như sau:
- Đất rất yếu: Su ≤ 12.5 kPa hoặc N ≤ 2
- Đất yếu: Su ≤ 25 kPa hoặc N ≤ 4
Các vấn đề đặt ra với nền đất yếu :
Móng của đường bộ, đường sắt, nhà cửa và các dạng công trình khác đặt trên nền
đất yếu thường đặt ra những bài toán sau cần phải giải quyết:
+ Độ lún: Độ lún có trị số lớn, ma sát âm tác dụng lên cọc do tính nén của nền đất.
bê tông khối là giải pháp phổ biến nhất. Tuy nhiên không dễ đạt được một tải trọng lớn,
đạt độ cao tới 5-6m. Do vậy cường độ chất tải trước thường chỉ đạt khoảng 80-100kPa,
tức là thích hợp với các công trình vừa và thấp tầng. Các công trình cao tầng hoặc các
công trình lớn vừa đòi hỏi phải chất tải trước lớn hơn nhiều và do vậy khó thực hiện.
Chất tải trước cũng có thể thực hiện theo một số giai đoạn để nền đất có thể gia
tăng sức bền đáng kể trước khi tiếp tục chất tải. Ứng suất do chất tải trước gây ra được
tính theo độ lún mong muốn bằng công thức:
S
f
= mv.qn.H= mv.qs.H.U(t)
Trong đó:
mv là hệ số biến đổi thể tích của đất tại hiện trường cho khoảng ứng suất thích hợp
qn và qs - ứng suất do tải trọng thực của công trình và do chất tải trước gây ra
H- chiều dày lớp đất chịu nén
U(t) - độ cố kết tại thời gian t.
Do vậy, ứng suất cần đạt do chất tải trước có thể tính theo phương trình sau:
qs=qn/U(t)
Độ cố kết theo lý thuyết kinh điển Tezzaghi được tính gần đúng bằng công thức:
π
T
U 2
=
Trang 16
Nhóm SV Lớp 49C4 Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên lần XXII
Trong đó :
T (hệ số thời gian) = cv. t/H
dr
; với T<0.2 .
Cv - hệ số cố kết .
h
Trang 17
Nhóm SV Lớp 49C4 Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên lần XXII
6-9m. Giải pháp cọc cát đã được áp dụng để xử lý nền móng một số công trình ở TP. Hồ
Chí Minh, Vũng Tàu, Hải Phòng, Hà Nội.
Hình 6
I.3. Ưu nhược điểm của phương pháp gia tải trước
Ưu điểm :
- Phương pháp gia tải trước tăng nhanh sức chịu tải của nền đất.
- Phương pháp gia tải trước tăng nhanh thời gian cố kết.
- Phương pháp gia tải trước tăng nhanh độ lún ổn định theo thời gian.
Trang 18
Nhóm SV Lớp 49C4 Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên lần XXII
- Phương pháp gia tải trước đơn giản, dễ làm lại kinh tế và thích hợp với các công
trình vừa và thấp tầng.
Nhược điểm:
Hiệu quả không cao đối với các công trình cao tầng phải sử móng sâu.
I.4. Ứng dụng của phương pháp gia tải trước tại Việt Nam
Ứng dụng cho thiết kế hạ tầng cơ sở cần phát triển lún cố kết nhanh hơn như móng
công trình đê chắn sóng, tuyến đường giao thông, đất đắp nền đường cầu vượt, nền móng
bể chứa chất lỏng trên vùng đầm lầy, nền băng sân bay,… Các dự án minh họa đã áp
dụng hầu hết là quan trọng như móng Cảng hàng không quốc tế Kansai, Dự án phát triển
Cảng Hanneda, biển đảo cảng Kobe, nhà máy nhiệt điện Matsura, đường ngầm ngày nay
thuộc vịnh biển Tokyo ở tân đảo biển đã bị tàn phá. Các phương pháp xử lý này được áp
dụng với tỷ lệ cao hầu hết rơi vào các dự án có quy mô lớn.
Phương pháp gia tải trước được dùng để xử lý nền móng của Rạp xiếc trung ương
Hà Nội, Viện nhi Thụy Điển (Hà Nội), Trường Đại Học Hàng Hải (Hải phòng) và một số
công trình tại phía Nam.
II. Phương pháp cố kết chân không
II.1. Khái niệm phương pháp gia tải trước bằng hút chân không
Phương pháp nén trước bằng chân không là một trong những phương pháp gia cố
thấm như minh họa trên Hình 11a đến 11b.
Hiệu quả của phương pháp phụ thuộc rất lớn vào việc cách ly vùng chân không
trong khu vực giảm áp và sự phân bố chân không trong các đường thoát nước. Do đó,
đường thoát nước được thiết kế sao cho có thể chịu được áp lực chân không; bất kỳ
đường thoát nước nào bị hỏng cũng kéo theo hậu quả rất xấu, như sự phá hoại nền đường
hay độ cố kết không đạt yêu cầu.
Mỗi công ty xử lý nền sẽ chọn ra hệ thống chân không riêng cho mình từ kiểu thoát
nước đến các kiểu kết nối vào hệ thống chân không. Do đó, việc thi công thông thường
được tiến hành theo các hướng dẫn cơ bản từ chủ đầu tư.
Ngoài việc tác dụng lực hút chân không, cần phải gia tải trên vùng giảm áp nhằm
gia tăng ứng suất tổng trên nền đất yếu, kết quả sẽ tăng tốc quá trình cố kết và giảm thời
gian cố kết. Tuy nhiên cũng lưu ý rằng, việc gia tải cũng có giới hạn vì độ ổn định của
nền đắp cũng như trong phương pháp PVD gia tải trước. Do đó để gia tải lớn cần phải
đắp theo giai đoạn hay đặt thêm bệ phản áp nhằm tăng độ ổn định trong quá trình cố kết
như trên Hình 12a và 12b. Do bề dày nền đắp giảm (do lực hút), bệ phản áp (nếu cần) có
thể nhỏ hơn, ngắn hơn so với trong trường hợp sử dụng phương pháp bấc thấm thông
thường.
Trang 20
Nhóm SV Lớp 49C4 Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên lần XXII
Hình 7 Các kiểu Phương pháp cố kết chân không
(a) Phương pháp cố kết chân không cách ly bằng vải
(b) Phương pháp cố kết chân không bằng ống hút trực tiếp
Trang 21
Nhóm SV Lớp 49C4 Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên lần XXII
Hình 8 Các mặt cắt tiêu biểu phương pháp cố kết chân không
với các bề dày đắp khác nhau
(a)Nền đường đắp đến 4m
(b) Nền đắp cao hơn 4m
Trang 22
Nhóm SV Lớp 49C4 Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên lần XXII
trongphương pháp cố kết chân không
Trang 24
Nhóm SV Lớp 49C4 Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên lần XXII
Trang 25
8.Lắp lớp không thấm 9.Đắp gia tải
10.Giảm áp
7.Lắp vải bảo vệ
1.Dọn dẹp mặt bằng
2.Thi công đệm cát 3.Lắp đặt PVD
4.Lắp ống chân không 5.Thoát nước ngang thứ cấp
6 Lắp bấc thấm ngang
Copyright: Tài liệu đại học ©