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
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI - 2015
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
quả, số liệu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công
trình nào khác. Tác giả hoàn toàn chịu trách nhiệm về tính xác thực và nguyên bản
của luận án.
Tác giả luận án Phạm Quang Đông
ii
LỜI CẢM ƠN
Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và trân trọng đến GS.TS Trịnh
Minh Thụ và GS.TS Nguyễn Chiến là hai thầy hướng dẫn trực tiếp đã tận tình chỉ bảo,
hướng dẫn và giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận án.
Tác giả xin chân thành cảm ơn đến Ban giám hiệu, khoa Công trình, các thầy
giáo tổ bộ môn Địa kỹ thuật - Trường Đại học Thủy lợi, đặc biệt là thầy giáo TS.
Hoàng Việt Hùng đã tạo những điều kiện thuận lợi, đóng góp ý kiến quý báu cho
tác giả trong quá trình nghiên cứu.
Tác giả tỏ lòng biết ơn đến các anh chị em ở công ty FECON và TEINCO đã
tạo điều kiện, giúp đỡ tác giả thu thập tài liệu, số liệu, cung cấp những thông tin cần
thiết liên quan đến quá trình nghiên cứu, thực hiện luận án, giúp tác giả khảo sát,
tham quan và tiếp cận công trình nơi xử lý nền bằng phương pháp mà tác giả đang
nghiên cứu.
Tác giả cũng bày tỏ lòng biết ơn đến các anh chị em phòng thí nghiệm Địa kỹ
thuật Trường Đại học Thủy lợi, đã tạo những điều kiện thuận lợi, giúp đỡ, động
viên trong quá trình thực hiện các nghiên cứu thực nghiệm của luận án.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến đơn vị nơi tác giả đang công
tác là Trường Cao Đẳng Công Nghệ - Kinh Tế và Thủy lợi Miền Trung, đã tạo
những điều kiện thuận lợi, giúp đỡ, động viên để tác giả yên tâm tập trung nghiên
cứu và hoàn thành luận án của mình.
1.4. Phương pháp dự báo lún 31
1.4.1. Phương pháp Asaoka 31
1.4.2. Phương pháp điểm uốn (Inflection point) 32
Kết luận chương 1 35
iv
Chương 2: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM PHƯƠNG PHÁP CỐ KẾT CHÂN
KHÔNG XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ 36
2.1. Mục đích nghiên cứu 36
2.2. Mô hình nghiên cứu 36
2.2.1. Giới thiệu mô hình 36
2.2.2. Mẫu đất thí nghiệm 39
2.2.3. Thiết bị thí nghiệm 41
2.3. Quy trình thí nghiệm 45
2.3.1. Chuẩn bị máng thí nghiệm hình hộp và chế bị mẫu 45
2.3.2. Xác định các chỉ tiêu cơ lý của đất trước khi thí nghiệm 45
2.3.3. Cắm bấc thấm 45
2.3.4. Lắp đặt thiết bị quan trắc ALNLR 46
2.3.5. Tạo lớp mặt thoát nước và lắp đặt thệ thống thu nước 46
2.3.6. Làm kín mô hình thí nghiệm 46
2.3.7. Lắp đặt các đồng hồ đo lún và áp lực chân không 47
2.3.8. Kết nối và kích hoạt các đầu đo ALNLR 47
2.3.9. Kết nối hệ thống máy bơm và hoạt động mô hình 47
2.4. Kết quả thực nghiệm các MHVL 48
2.4.1. Kết quả thực nghiệm của MHVL1 48
2.4.2. Kết quả thực nghiệm của MHVL2 51
2.4.3. Kết quả thực nghiệm của MHVL3 54
2.5. Hiệu quả kỹ thuật của cố kết chân không 57
2.5.1. Hiệu quả kỹ thuật của MHVL1 57
2.5.2. Hiệu quả kỹ thuật của MHVL2 59
4.3.2. Độ cố kết khi chiều dày nền đất yếu xử lý là 15 m 98
vi
4.3.3. Độ cố kết khi chiều dày nền đất yếu xử lý là 20 m 98
4.3.4. Độ cố kết khi chiều dày nền đất yếu xử lý là 25 m 99
4.3.5. Độ cố kết khi chiều dày nền đất yếu xử lý là 30 m 100
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) 100
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 102
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 106
Kết luận chương 4 111
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 112
CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ 114
TÀI LIỆU THAM KHẢO 115
vii
MỤC LỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý phương pháp MVC 11
Hình 1.2. Thi công phương pháp MVC 12
Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý phương pháp không có màng kín khí 12
Hình 1.4. Thi công không có màng kín khí 13
Hình 1.5. Sân bay Suvarnabhumi, Thái Lan 14
Hình 1.6. Khu dân cư Steiger Eiland Ijburg, Hà Lan 14
Hình 1.7. Nhà máy điện nguyên tử Singori, Hàn Quốc 15
Hình 1.8. Sơ đồ trạm xử lý nước Pusan, Hàn Quốc 15
Hình 1.9. Mô hình tỉ lệ lớn để thí nghiệm cố kết có và không có áp lực chân không 16
Hình 1.10. Nguyên lý gia tải nén trước 20
Hình 1.11. Bản chất của cố kết thấm 21
r
) theo Barron 28
Hình 1.18. Quan hệ giữa F(n) 29
Hình 1.19. Đường kính chuyển đổi của bấc thấm 30
Hình 1.20. Đường thẳng Asaoka 32
Hình 1.21. Điểm uốn 33
Hình 1.22. Đạo hàm U(T
v
) 33
Hình 1.23. Hệ số điểm uốn lý thuyết 34
Hình 1.24. Hệ số điểm uốn thực nghiệm 34
Hình 2.1. Sơ họa mô hình thí nghiệm 37
Hình 2.2. Sơ đồ bố trí thiết bị MHVL1 38
viii
Hình 2.3. Sơ đồ bố trí thiết bị MHVL2 38
Hình 2.4. Sơ đồ bố trí thiết bị MHVL3 39
Hình 2.5. Mẫu đất khu ven biển PVtex Đình Vũ - Hải Phòng 40
Hình 2.6. Chế bị mẫu đất nghiên cứu 40
Hình 2.7. Biểu đồ biến đổi sức chống cắt không thoát nước (S
u
) của đất theo độ sâu
trước thí nghiệm 41
Hình 2.8. Đầu đo ALNLR kiểu dây rung - Geokon 42
Hình 2.9. Sơ đồ cấu tạo đầu đo ALNLR kiểu dây rung 42
Hình 2.10. Đầu đọc số liệu - Geokon LC 2x4 43
Hình 2.11. Bàn đo lún, đồng hồ đo lún và bộ gá đỡ 44
Hình 2.12. Bấc thấm và hệ thống ống đấu nối 44
Hình 2.13. Lắp đặt các thiết bị của máy bơm 44
Hình 2.14. Lắp đặt bấc thấm trên mô hình thí nghiệm 46
Hình 2.37. Quan hệ giữa sức chống cắt không thoát nước (Su) và độ sâu sau thí
nghiệm của MHVL2 60
Hình 2.38. Quan hệ giữa sức chống cắt không thoát nước (Su) trước và sau thí
nghiệm với độ sâu của MHVL2 60
Hình 2.39. Quan hệ giữa sức chống cắt không thoát nước (S
u
) và độ sâu sau thí
nghiệm của MHVL3 62
Hình 2.40. Quan hệ giữa sức chống cắt không thoát nước (S
u
) trước và sau thí
nghiệm với độ sâu của MHVL3 62
Hình 3.1. Sơ đồ trình tự giải bài toán cố kết chân không 67
Hình 3.2. Sơ đồ khối đất nghiên cứu thực nghiệm 68
Hình 3.3. Điều kiện biên trong mô đun SEEP/W của các MHVL 68
Hình 3.4. Điều kiện biên trong mô đun SIGMA/W của các MHVL 68
Hình 3.5. Quan hệ giữa độ lún tính toán và thời gian của MHVL1 69
Hình 3.6. Quan hệ giữa ALNLR tính toán và thời gian của MHVL1 69
Hình 3.7. Quan hệ giữa độ lún tính toán và thời gian của MHVL2 70
Hình 3.8. Quan hệ giữa ALNLR tính toán và thời gian của MHVL2 71
Hình 3.9. Quan hệ giữa độ lún tính toán và thời gian của MHVL3 71
Hình 3.10. Quan hệ giữa ALNLR tính toán và thời gian của MHVL3 72
Hình 3.11. Quan hệ giữa độ lún tính toán và thực nghiệm với thời gian của MHVL1
73
x
Hình 3.12. Quan hệ giữa ALNLR tính toán và thực nghiệm với thời gian của MHVL1
73
Hình 3.13. Quan hệ giữa độ lún tính toán và thực nghiệm với thời gian của MHVL2
74
Hình 3.30. Điều kiện biên trong mô đun SEEP/W 86
Hình 3.31. Quan hệ giữa độ lún tính toán và thời gian của công trình nhà máy nhiệt
điện Duyên Hải 3 – Trà Vinh 87
Hình 3.32. Quan hệ giữa ALNLR tính toán và thời gian của công trình nhà máy
nhiệt điện Duyên Hải 3 – Trà Vinh 87
Hình 3.33. Quan hệ giữa độ lún thực nghiệm và thời gian của công trình nhà máy
nhiệt điện Duyên Hải 3 – Trà Vinh 88
Hình 3.34. Quan hệ giữa ALNLR thực nghiệm và thời gian của công trình nhà máy
nhiệt điện Duyên Hải 3 – Trà Vinh 88
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 89
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 89
Hình 3.37. Mặt bằng các vùng xử lý của công trình nhà máy nhiệt điện Nhơn Trạch 2
– Đồng Nai 90
Hình 3.38. Mặt cắt địa chất của công trình nhà máy nhiệt điện Nhơn Trạch 2 –
Đồng Nai [14] 91
Hình 3.39. Điều kiện biên mô đun SIGMA/W 92
Hình 3.40. Điều kiện biên mô đun SEEP/W 92
Hình 3.41. Quan hệ giữa độ lún tính toán và thời gian của công trình nhà máy nhiệt
điện Nhơn Trạch 2 – Đồng Nai 93
Hình 3.42. Quan hệ giữa độ lún thực nghiệm và thời gian của công trình nhà máy
nhiệt điện Nhơn Trạch 2 – Đồng Nai 93
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 94
Hình 4.1. Quan hệ giữa độ cố kết và thời gian khi chiều dày nền đất yếu xử lý 10 m
98
xii
Hình 4.2. Quan hệ giữa độ cố kết và thời gian khi chiều dày nền đất yếu xử lý 15 m
Bảng 2.1. Các chỉ tiêu cơ lý của đất trước thí nghiệm 40
Bảng 2.2. Sức chống cắt không thoát nước của đất theo độ sâu trước thí nghiệm 41
Bảng 2.3. Kết quả độ lún dự báo theo Asaoka MHVL1 49
Bảng 2.4. Kết quả độ lún dự báo theo Asaoka của MHVL2 52
Bảng 2.5. Kết quả độ lún dự báo theo Asaoka MHVL3 55
Bảng 2.6. Các chỉ tiêu cơ lý của đất sau thí nghiệm của MHVL1 57
Bảng 2.7. Sức chống cắt không thoát nước sau thí nghiệm của MHVL1 58
Bảng 2.8. Các chỉ tiêu cơ lý của đất sau thí nghiệm MHVL2 59
Bảng 2.9. Sức chống cắt không thoát nước của đất theo độ sâu sau thí nghiệm của
MHVL2 60
Bảng 2.10. Các chỉ tiêu cơ lý của đất sau thí nghiệm MHVL3 61
Bảng 2.11. Sức chống cắt không thoát nước của đất theo độ sâu sau thí nghiệm của
MHVL3 62
Bảng 3.1. Khoảng cách và chiều dài bấc thấm xử lý cho các vùng [30] 77
Bảng 3.2. Chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất của công trình Pvtex Đình Vũ – Hải Phòng
78
Bảng 3.3. Chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất tính toán tại công trình Pvtex Đình Vũ –
Hải Phòng 79
Bảng 3.4. Chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất của công trình nhà máy nhiệt điện Duyên
Hải 3 – Trà Vinh 85
Bảng 3.5. Chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất của công trình nhà máy nhiệt điện Nhơn
Trạch 2 – Đồng Nai 92
Bảng 4.1.Chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất tại công trình nhà máy nhiệt điện Thái Bình
97
Bảng 4.2. Độ cố kết, chỉ số dẻo và thời gian của các loại đất yếu 101
xiv
Bảng 4.3. Độ cố kết, chỉ số dẻo và thời gian khi chiều dày nền đất yếu xử lý 10 m
102
Bảng 4.4. Độ cố kết, chỉ số dẻo và thời gian khi chiều dày nền đất yếu xử lý là 15 m
C
s
C
v
C
d
e
d
w
e
0
F
n
F
s
F
w
g
G
G
s
- Hệ số vùng xáo trộn
- Hệ số kháng giếng
- Gia tốc trọng trường
- Độ bão hòa của đất
- Tỷ trọng
- Chiều dày lớp đất thứ i
- Đường thoát nước lớn nhất
- Hệ số thấm phương bán kính
- Hệ số thấm ngang vùng xáo trộn
- Hệ số thấm phương đứng
- Chiều dài bấc thấm
- Chỉ số chảy
- Mô hình vật lý
xvi
MVC
p
vac
PIE
PVD
q
w
S
c
, S
t
S
u
- Thời gian
- Nhân tố thời gian
- Thiết bị quan trắc lún
- Áp lực nước lỗ rỗng dư
- Độ cố kết theo phương bán kính
- Độ cố kết theo phương đứng
- Trọng lượng thể tích tự nhiên
- Trọng lượng thể tích khô
- Trọng lượng riêng của nước
- Hệ số nở hông
- Ứng suất
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Một phần lớn lãnh thổ Việt Nam có thành tạo đất yếu, đặc biệt là các vùng
đồng bằng ven sông, ven biển. Ở những vùng này có đất đai trù phú, dân cư đông
đúc, và có vị trí quan trọng trong nền kinh tế quốc dân. Với việc đẩy mạnh xây
dựng và hoàn thiện cơ sở hạ tầng nhằm đáp ứng sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện
đại hóa đất nước và ứng phó với biến đổi khí hậu toàn cầu, đã và đang đòi hỏi xây
dựng hàng loạt các công trình dân dụng, công nghiệp, giao thông và thủy lợi trên
các vùng đất này.
Vì thế nhiều thành phố, khu công nghiệp, cảng biển, khu du lịch, đường giao
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
- 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.
- Ứng dụng cơ sở lý thuyết, phương pháp tính toán thiết kế giải pháp cố kết
chân không, tính toán đưa ra các thông số của quá trình cố kết cho loại đất yếu
nghiên cứu để làm cơ sở đối chiếu, so sánh với kết quả thực nghiệm của MHVL và
hiện trường.
- Nghiên cứu lắp đặt, vận hành hệ thống, các thiết bị thí nghiệm để chủ động
về công nghệ cố kết chân không.
- Nghiên cứu thực nghiệm về quy luật biến thiên ALNLR và biến dạng của
nền đất trong quá trình cố kết chân không bằng các MHVL. Kết quả nghiên cứu
thực nghiệm trong phòng 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.
- Sử dụng mô hình số được chọn, tính toán ứng dụng cho các công trình thực
tế, so sánh kết quả tính toán với kết quả thực nghiệm công trình của chúng với nhau
để khẳng định sự hợp lý của mô hình số.
3
- Ứng dụng mô hình số được chọn tính toán cho một số loại đất yếu tương
đồng. 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
- 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.
- 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 trong nền trong quá trình cố kết
chân không.
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 (2,4m
3
) 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 (tích hợp giữa mô đun Seep/W và
Sigma/W của phần mềm GeoStudio) 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.
5
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: Trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu, ứng dụng
phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu trên thế giới và Việt Nam. Cơ sở
lý thuyết bài toán cố kết thấm bằng phương pháp cố kết chân không và phương
pháp dự báo lún.
Chương 2: Nghiên cứu thực nghiệm phương pháp cố kết chân không xử lý nền
đất yếu bằng MHVL: Chương này giới thiệu các các thiết bị và nguyên lý hoạt động
XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU VÀ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP
1.1. Nền đất yếu
Khi xây dựng các công trình thì đặc tính chịu tải của nền đất có ý nghĩa quyết
định đến sự ổn định của công trình trong quá trình vận hành dưới tác dụng của các
tải trọng thường xuyên, tạm thời và cả tải trọng đặc biệt, tránh được các hậu quả
khôn lường do các hiện tượng lún, lún không đều, sạt, trượt… Tuy nhiên do yêu cầu
về dân sinh và giao thông, rất nhiều công trình không có khả năng lựa chọn linh
hoạt địa điểm thi công như công trình xây dựng đô thị ven sông, ven biển, đường
giao thông, đê điều, cầu, cảng… Các công trình này bắt buộc phải được xây dựng
trên nền đất có đặc tính chịu tải kém, gọi chung là nền đất yếu [2].
Có rất nhiều quan niệm khác nhau về nền đất yếu. Nếu nền đất không đủ khả
năng chịu tải, không đủ độ bền và có độ biến dạng lớn, cần phải gia cố mới có thể
thi công và vận hành công trình thì gọi là đất yếu [12]. Đây là một quan niệm mang
tính vận dụng cao, được chấp nhận rộng rãi, tuy nhiên quan niệm này lại không có
hạn định rõ ràng vì đối với một số công trình, một nền cụ thể có thể coi là nền đất
yếu, nhưng đối với một số công trình khác thì không. Điểm này gây khó khăn cho
việc quy hoạch xây dựng công trình.
Một quan niệm khác cho rằng, đất yếu là đất có khả năng chịu tải nhỏ (vào
khoảng (50-100) kPa), có tính nén lún lớn, hầu như bão hòa nước, có hệ số rỗng lớn
(e > 1), mô đun biến dạng thấp (E < 5000 kPa) [5].
Đối với xây dựng đường ô tô, theo tiêu chuẩn 22TCN262-2000, nền đất yếu
có thể là đất sét, sét pha bụi mềm, bùn, than bùn và đất hữu cơ. Tất cả các loại đất
này được được bồi tụ trong nước một cách khác nhau, với đất sét mềm được bồi tụ
ở bờ biển hoặc gần biển. Ở trạng thái tự nhiên độ ẩm của chúng thường bằng hoặc
lớn hơn giới hạn chảy, hệ số rỗng lớn (đất sét mềm e ≥ 1,5; đất sét pha e ≥ 1), cường
độ lực dính theo kết quả cắt nhanh không thoát nước nhỏ hơn 15 kPa, góc ma sát
Copyright: Tài liệu đại học ©