Nghiên cứu xây dựng mối quan hệ giữa các thông số của bài toán cố kết chân không

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MỐI QUAN HỆ GIỮA<br /> CÁC THÔNG SỐ CỦA BÀI TOÁN CỐ KẾT CHÂN KHÔNG<br /> <br /> PHẠM QUANG ĐÔNG*<br /> <br /> <br /> Study on developing relationship between parameters of vacuum<br /> consolidation<br /> Abstract: The paper presents results of developing the correlation<br /> between the consolidation time and some other parameters (plastic<br /> index, consolidation degree,..) in the process of vacuum consolidation.<br /> The study is carried out for the soils of 4 regions (Đình Vũ, Hải<br /> Phòng-Duyên Hải, Trà vinh, Thái Bình, Nhơn Trạch, Đồng Nai) and<br /> the modul Seep and Sigma of software Geostudio is used calculating<br /> enter-data for developing the correlations. This is first step in the<br /> automatization of designing the vacuum consolidation method for soft<br /> soil improvement.<br /> <br /> <br /> <br /> 1. GIỚI THIỆU MÔ HÌNH SỐ Trong bài này, tác giả sử dụng chức năng tích<br /> TÍNH TOÁN * hợp của 2 mô đun Seep và Sigma của phần<br /> Để giải các bài toán cố kết, ngoài phƣơng mềm Geostudio để tính toán ứng dụng trong<br /> pháp tính toán bằng lý thuyết truyền thống thì xây dựng mối quan hệ giữa các thông số của<br /> việc ứng dụng các phần mềm địa kỹ thuật để quá trình cố kết chân không cho các loại đất<br /> tính toán cho từng bài toán cố kết đƣợc các hãng yếu nghiên cứu. Sự phù hợp của mô hình số<br /> phần mềm quan tâm phát triển. Tuy nhiên, đến này đã đƣợc kiểm chứng với kết quả thực<br /> nay chƣa có phần mềm chuyên dụng nào ứng nghiệm của các mô hình vật lý và kết quả xử<br /> dụng cho bài toán cố kết chân không. Vì vậy lý hiện trƣờng, kết quả nghiên cứu này đã<br /> việc lựa chọn đƣợc mô hình số phù hợp có ý đƣợc tác giả công bố trên kỷ yếu hội thảo<br /> nghĩa khoa học. quốc gia “Hạ tầng giao thông với phát triển<br /> Một số phần mềm địa kỹ thuật hiện nay có bền vững” [1,2,3,12].<br /> thể cho phép mô phỏng trực tiếp hoặc quy đổi 2. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN CÁC LOẠI<br /> áp lực chân không, nhƣng để đảm bảo độ tin ĐẤT YẾU<br /> cậy của mô hình số đƣợc lựa chọn tính toán 2.1. Giới thiệu đất yếu tính toán<br /> cần có kiểm chứng cho sự phù hợp của nó. Trong nội dung bài này giới thiệu 4 loại đất<br /> yếu tính toán thuộc loại bùn sét, sét pha của khu<br /> *<br /> Trường Cao đẳng Công nghệ, Kinh tế và Thủy lợi vực Đình Vũ – Hải phòng; Nhiệt điện Thái<br /> miền Trung Bình; Duyên Hải – Trà Vinh; Nhơn Trạch –<br /> 14 Nguyễn Tất Thành, thành phố Hội An, tỉnh Đồng Nai, chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất tính<br /> Quảng Nam toán thể hiện ở bảng 2.1; 2.2; 2.3; 2.4<br /> ĐT: 0905381521 [2,4,5,6,7,8,9,10,11].<br /> Email: dongckt@gmail.com<br /> <br /> <br /> 44 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2017<br />  Bảng 2.1. Chỉ tiêu cơ lý các lớp đất tính toán của loại đất yếu Đình Vũ - Hải Phòng<br /> <br /> <br /> Giá trị của lớp đất<br /> Các chỉ tiêu đất nền Ký hiệu Đơn vị<br /> 1 2 3<br /> Trọng lƣợng thể tích tự γ kN/m 3<br /> 16 17,90 19,60<br /> nhiên<br /> Cƣờng độ lực dính C kPa 0 11,10 24,10<br /> Góc ma sát trong  độ 30 10,11 15,50<br /> Hệ số thấm k m/s 5,4.10-5 2,9.10-8 3,8.10-8<br /> Hệ số nở hông  - 0,175 0,31 0,260<br /> Mô đun biến dạng E kPa 13750 5978 11070<br /> Chỉ số dẻo PI % - 24,64 18,10<br /> <br /> Bảng 2.2. Chỉ tiêu cơ lý các lớp đất tính toán của loại đất yếu Duyên Hải - Trà Vinh<br /> <br /> Giá trị của lớp đất<br /> Các chỉ tiêu đất nền Ký hiệu Đơn vị<br /> 1 2 3 4<br /> Trọng lƣợng thể tích tự γ kN/m3 16,0 16,4 19,8 19,3<br /> nhiên<br /> Cƣờng độ lực dính C kPa 0 6,3 - 56,6<br /> Góc ma sát trong  độ 30 1,6 37 24<br /> Hệ số thấm k m/s 5,39.10-5 2,90.10-8 1,43.10-6 5,62.10-9<br /> Hệ số nở hông  - 0,175 0,27 0,28 0,29<br /> Mô đun biến dạng E kPa 13750 3380 15185 13670<br /> Chỉ số dẻo PI % - 18,4 - 18,7<br /> <br /> Bảng 2.3. Chỉ tiêu cơ lý các lớp đất tính toán của loại đất yếu Nhơn Trạch - Đồng Nai<br /> <br /> Giá trị của lớp đất<br /> Các chỉ tiêu đất nền Ký hiệu Đơn vị<br /> 1 2 3<br /> 3<br /> Trọng lƣợng thể tích tự nhiên γ kN/m 16,0 14,17 19,0<br /> Cƣờng độ lực dính C kPa 0 4,60 26,0<br /> Góc ma sát trong  độ 30 2,6 13,6<br /> Hệ số thấm k m/s 5,39.10-5 2,94.10-8 0,31.10-9<br /> Hệ số nở hông  - 0,175 0,27 0,30<br /> Mô đun biến dạng E kPa 13750 230 16000<br /> Chỉ số dẻo PI % - 33,8 20,9<br /> <br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2017 45<br />  Bảng 2.4. Chỉ tiêu cơ lý các lớp đất tính toán của loại đất yếu Nhiệt điện Thái Bình<br /> <br /> Giá trị của lớp đất<br /> Các chỉ tiêu đất nền Ký hiệu Đơn vị<br /> 1 2 3<br /> Trọng lƣợng thể γ kN/m3 16,00 17,80 18,70<br /> tích tự nhiên<br /> Cƣờng độ lực dính C kPa 0 18,20 25,10<br /> Góc ma sát trong  độ 30 14,53 16,30<br /> Hệ số thấm k m/s 5,39.10-5 5,20.10-8 4,30.10-8<br /> Hệ số nở hông  - 0,175 0,28 0,26<br /> Mô đun biến dạng E kPa 10000 3548 11147<br /> Chỉ số dẻo PI % - 27,63 18,60<br /> <br /> 2.2. Điều kiện biên tính toán trƣớc 0,5 m có trọng lƣợng thể tích 16 kN/m3 và<br /> Để xây dựng đƣợc mối quan hệ giữa các áp lực gia tải chân không trung bình 55 kPa<br /> thông số của quá trình cố kết, khi tính toán cho trong vòng 10 ngày; giai đoạn 2 sau 10 ngày trở<br /> các loại đất yếu nêu trên, tác giả tính toán cho đi, lớp cát gia tải trƣớc tăng thêm 1,0 m và áp<br /> cùng điều kiện biên giống nhƣ các công trình lực gia tải chân không trung bình là 89 kPa,<br /> thực tế đã thực hiện gồm: Loại bấc thấm thông chiều dày đất yếu xử lý (10-30) m.<br /> dụng có kích thƣớc (4x100) mm; khoảng cách 2.3. Kết quả tính toán<br /> bấc thấm hiệu quả 1,0 m; Tải trọng gia tải gồm Độ cố kết tính toán của các loại đất yếu ứng với các<br /> hai giai đoạn, giai đoạn 1 gồm lớp cát gia tải chiều dày nền đất yếu xử lý thể hiện ở bảng 2.1 [2].<br /> <br /> Bảng 2.1. Độ cố kết tính toán của các loại đất yếu<br /> <br /> Chỉ số dẻo Chiều dày nền đất Thời gian để đạt % độ cố kết (ngày)<br /> Loại đất yếu<br /> PI (%) yếu xử lý (m) 80% 85% 90% 95%<br /> 10 13,78 19,11 26,76 37,07<br /> 15 18,40 25,86 35,52 47,29<br /> Duyên Hải<br /> 18,40 20 20,13 30,12 44,25 60,89<br /> Trà Vinh<br /> 25 23,33 36,20 52,78 77,72<br /> 30 25,55 39,01 59,62 90,70<br /> 10 18,61 25,99 35,46 46,82<br /> 15 23,69 32,71 44,38 58,46<br /> Đình Vũ<br /> 24,64 20 27,25 40,65 58,29 81,45<br /> Hải Phòng<br /> 25 28,14 43,75 65,59 93,73<br /> 30 31,82 50,10 75,28 109,17<br /> 10 22,30 30,75 41,42 53,64<br /> 15 29,38 38,93 51,02 65,17<br /> Nhiệt điện<br /> 27,63 20 32,56 47,61 66,49 90,46<br /> Thái Bình<br /> 25 36,98 54,50 76,10 102,66<br /> 30 40,33 62,47 91,07 126,70<br /> <br /> <br /> 46 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2017<br />  Chỉ số dẻo Chiều dày nền đất Thời gian để đạt % độ cố kết (ngày)<br /> Loại đất yếu<br /> PI (%) yếu xử lý (m) 80% 85% 90% 95%<br /> 10 28,33 39,00 51,01 62,69<br /> 15 36,06 47,35 60,77 77,99<br /> Nhơn Trạch<br /> 33,80 20 40,16 55,43 78,11 106,27<br /> Đồng Nai<br /> 25 46,18 65,25 90,39 128,32<br /> 30 48,72 72,10 103,85 151,06<br /> <br /> 140<br /> Quan hệ giữa độ cố kết và thời gian cố kết ứng 120<br /> <br /> <br /> với các chiều dày nền đất yếu xử lý của các loại 100<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> §é cè kÕt (%)<br /> 80<br /> <br /> đất yếu thể hiện ở hình 2.1, 2.2; 2.3, 2.4 và 2.5 [2]. 60<br /> §Êt yÕu §×nh Vò - H¶i Phßng<br /> §Êt yÕu nhiÖt ®iÖn Th¸i B×nh<br /> 40<br /> §Êt yÕu Duyªn H¶i - Trµ Vinh<br /> 20 §Êt yÕu Nh¬n Tr¹ch - §ång Nai<br /> 160<br /> 0<br /> 140<br /> 120 -20<br /> <br /> 100 -40<br /> §é cè kÕt (%)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140<br /> 80 Thêi gian (ngµy)<br /> 60<br /> §Êt yÕu §×nh Vò - H¶i Phßng<br /> 40 §Êt yÕu nhiÖt ®iÖn Th¸i B×nh<br /> 20 §Êt yÕu Duyªn H¶i - Trµ Vinh<br /> <br /> 0<br /> §Êt yÕu Nh¬n Tr¹ch - §ång Nai<br /> Hình 2.4. Quan hệ giữa độ cố kết và thời gian<br /> -20<br /> -40 khi chiều dày nền đất yếu xử lý 25 m<br /> -60<br /> 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70<br /> Thêi gian (ngµy)<br /> 140<br /> <br /> 120<br /> <br /> <br /> Hình 2.1. Quan hệ giữa độ cố kết và thời gian 100<br /> §é cè kÕt (%)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 80<br /> <br /> khi chiều dày nền đất yếu xử lý 10 m 60 §Êt yÕu §×nh Vò - H¶i Phßng<br /> §Êt yÕu nhiÖt ®iÖn Th¸i B×nh<br /> 40 §Êt yÕu Duyªn H¶i - Trµ Vinh<br /> §Êt yÕu Nh¬n Tr¹ch - §ång Nai<br /> 20<br /> 160 0<br /> 140<br /> -20<br /> 120<br /> 100 -40<br /> 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160<br /> §é cè kÕt (%)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 80 Thêi gian (ngµy)<br /> 60 §Êt yÕu §×nh Vò - H¶i Phßng<br /> 40 §Êt yÕu nhiÖt ®iÖn Th¸i B×nh<br /> §Êt yÕu Duyªn H¶i - Trµ Vinh<br /> 20<br /> Hình 2.5. Quan hệ giữa độ cố kết và thời gian<br /> §Êt yÕu Nh¬n Tr¹ch - §ång Nai<br /> 0<br /> -20<br /> -40 khi chiều dày nền đất yếu xử lý 30 m<br /> -60<br /> 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90<br /> Thêi gian (ngµy)<br /> <br /> <br /> 3. XÂY DỰNG MỐI QUAN HỆ GIỮA<br /> Hình 2.2. Quan hệ giữa độ cố kết và thời gian CÁC THÔNG SỐ CỦA BÀI TOÁN CỐ KẾT<br /> khi chiều dày nền đất yếu xử lý 15 m CHÂN KHÔNG<br /> Để thuận lợi trong việc đƣa ra đƣợc dự đoán<br /> về quá trình biến đổi các thông số của quá trình<br /> 140<br /> 120<br /> 100<br /> cố kết khi xử lý nền bằng phƣơng pháp cố kết<br /> §é cè kÕt (%)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 80<br /> 60<br /> 40<br /> §Êt yÕu §×nh Vò - H¶i Phßng<br /> §Êt yÕu nhiÖt ®iÖn Th¸i B×nh<br /> chân không, thông qua các kết quả tính toán cho<br /> các loại đất yếu nêu trên, tác giả tiến hành xây<br /> §Êt yÕu Duyªn H¶i - Trµ Vinh<br /> 20 §Êt yÕu Nh¬n Tr¹ch - §ång Nai<br /> 0<br /> -20 dựng mối quan hệ giữa thời gian cố kết (t), với<br /> chỉ số dẻo (PI), độ cố kết (U) và chiều dày nền<br /> -40<br /> -60<br /> 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120<br /> Thêi gian (ngµy)<br /> đất yếu xử lý (H) cho 2 trƣờng hợp [2]:<br /> Trƣờng hợp 1: Xây dựng mối quan hệ trên<br /> Hình 2.3. Quan hệ giữa độ cố kết và thời gian khi chiều dày nền đất yếu xử lý đã đƣợc xác<br /> khi chiều dày nền đất yếu xử lý 20 m định: H = (10-30) m<br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2017 47<br />  Có thể coi thời gian cố kết (t) là hàm của chỉ<br /> số dẻo (PI), độ cố kết (U%) với chiều dày nền<br /> đất yếu xử lý (H) là hằng số.<br /> Trƣờng hợp 2: Xây dựng mối quan hệ trên<br /> khi độ cố kết xác định.<br /> Có thể coi thời gian cố kết (t) là hàm của chỉ<br /> số dẻo (PI), chiều dày nền đất yếu xử lý (H) với<br /> độ cố kết (U%) là hằng số.<br /> Kết quả xây dựng mối quan hệ giữa các<br /> thông số của quá trình cố kết ứng các chiều dày Hình 2.8. Quan hệ giữa thời gian cố kết với<br /> nền đất yếu xử lý H = (10-30) m đƣợc thể hiện ở chỉ số dẻo và độ cố kết khi chiều dày nền đất<br /> hình 2.6, 2.7, 2.8, 2.9 và 2.10 [2]. yếu xử lý là 20 m<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2.9. Quan hệ giữa thời gian cố kết với<br /> chỉ số dẻo và độ cố kết khi chiều dày nền đất<br /> Hình 2.6. Quan hệ giữa thời gian cố kết với<br /> yếu xử lý là 25 m<br /> chỉ số dẻo và độ cố kết khi chiều dày nền đất<br /> yếu xử lý là 10 m<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2.10. Quan hệ giữa thời gian cố kết với<br /> chỉ số dẻo và độ cố kết khi chiều dày nền đất<br /> yếu xử lý là 30<br /> <br /> Kết quả xây dựng mối quan hệ giữa các<br /> Hình 2.7. Quan hệ giữa thời gian cố kết với thông số của quá trình cố kết ứng các độ cố kết<br /> chỉ số dẻo và độ cố kết khi chiều dày nền đất U = 80%, 85%, 90%, 95% đƣợc thể hiện ở hình<br /> yếu xử lý là 15 m 2.11, 2.12, 2.13, và 2.14 [2].<br /> <br /> <br /> 48 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2017<br />  Hình 2.14. Quan hệ giữa thời gian cố kết với<br /> Hình 2.11. Quan hệ giữa thời gian cố kết với chỉ số dẻo và chiều dày nền đất yếu khi độ<br /> chỉ số dẻo và chiều dày nền đất yếu khi độ cố cố kết là 95%<br /> kết là 80%<br /> Kết quả từ hình 2.6 đến 2.14 cho mối quan<br /> hệ giữa thời gian cố kết với chỉ số dẻo, chiều<br /> dày nền đất yếu và độ cố kết của các loại đất<br /> yếu khi xử lý nền bằng phƣơng pháp cố kết<br /> chân không. Mối quan hệ này đƣợc biểu diễn<br /> thông qua các phƣơng trình t 80 đến t95 và t10 đến<br /> t30 ứng với chiều dày nền đất yếu xử lý từ 10 m<br /> đến 30 m và độ cố kết từ 80% đến 95%.<br /> Ghi chú:<br /> - t80, t85, t90, t95 là thời gian (t) để đạt đƣợc độ<br /> cố kết tƣơng ứng 80%, 85%, 90%, 95%.<br /> - t10, t15, t20, t25, t30 là thời gian cố kết (t) khi<br /> Hình 2.12. Quan hệ giữa thời gian cố kết với<br /> chiều dày nền đất yếu xử lý 10 m, 15 m, 20 m,<br /> chỉ số dẻo và chiều dày nền đất yếu khi độ cố<br /> 25 m, 30m.<br /> kết là 85%<br /> KẾT LUẬN<br /> Từ kết các quả tính toán, xây dựng mối quan<br /> hệ giữa các thông số của quá trình cố kết cho<br /> các loại đất yếu Duyên Hải - Trà Vinh, Đình<br /> Vũ - Hải Phòng, Nhiệt điện Thái Bình, Nhơn<br /> Trạch - Đồng Nai từ mô hình số phù hợp đã<br /> đƣợc kiểm nghiệm, tác giả đƣa ra đƣợc các kết<br /> luận sau:<br /> - Xây dựng đƣợc các phƣơng trình t 80, t85, t90,<br /> t95 và t10, t15, t20, t25, t30 về mối quan hệ giữa thời<br /> gian cố kết với chỉ số dẻo, độ cố kết và chiều<br /> dày nền đất yếu xử lý của các loại đất yếu khi<br /> độ cố kết và chiều dày nền đất yếu xử lý đƣợc<br /> Hình 2.13. Quan hệ giữa thời gian cố kết với<br /> xác định.<br /> chỉ số dẻo và chiều dày nền đất yếu khi độ cố<br /> - Dựa vào các phƣơng trình t 80 , t 85 , t 90, t 95<br /> kết là 90%<br /> và t 10, t15, t20, t25, t30, đƣa ra đƣợc các dự đoán<br /> <br /> ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2017 49<br /> về thời gian cố kết, độ cố kết cho loại đất sét 3. Bùi Văn Trƣờng, Phạm Quang Đông và<br /> yếu có chỉ số dẻo từ 18,4% đến 33,8% khi xử nnk (2013), ”Nghiên cứu thực nghiệm trong<br /> lý nền bằng phƣơng pháp cố kết chân không, phòng phƣơng pháp cố kết bằng bấc thấm trong<br /> với các chiều dày nền đất yếu xử lý khác nhau xử lý nền đất yếu”, đề tài NCKH đặc thù năm<br /> từ 10 m đến 30 m, ứng với loại bấc thấm, 2012, ĐHTL, Hà Nội.<br /> khoảng cách bấc thấm và cấp tải trọng gia tải 4. Fecon - Shanghai Harbour (2009),<br /> xác định trƣớc. Technical design for soil improvement of Dinh<br /> KIẾN NGHỊ Vu Polyester Plant Project.<br /> Kết quả bài báo tác giả chỉ xây dựng mối 5. Fecon - Shanghai Harbour (2009),<br /> quan hệ giữa các thông số nêu trên ứng các Technical design for soil improvement of Nhon<br /> chiều dày nền đất yếu xử lý H = (10-30) m với Trach 2 Combined Cycle Power Project.<br /> độ cố kết U = (80-95)% với khoảng cách bấc 6. Fecon - Shanghai Harbour (2010), Monitoring<br /> thấm hiệu quả là 1,0 m và loại bấc thấm thông data of Dinh Vu Polyester Plant Project.<br /> dụng có kích thƣớc (4x100) mm và cấp tải 7. Fecon - Shanghai Harbour (2010),<br /> trọng xác định đã đƣợc ứng dụng rộng rãi khi Monitoring data of Nhon Trach 2 Combined<br /> xử lý cho các hiện trƣờng nghiên cứu, cần xây Cycle Power Project.<br /> dựng mối quan hệ này cho các cấp gia tải khác 8. Fecon (2012), Report on additional<br /> nhau để có thể đƣa ra đƣợc các dự đoán về geotechnical investigation of Thai Binh 1<br /> quá trình cố kết cho các trƣờng hợp gia tải thermal power plant.<br /> khác nhau. 9. Fecon - Shanghai Harbour (2013),<br /> Cần tổng quát mối quan hệ trên thành Unloading report of zone A-3 of Duyen Hai 3<br /> phƣơng trình chung để thuận lợi hơn cho quá Thermal Power Plant Project.<br /> trình đƣa ra các dự đoán ban đầu về quá trình 10. Power Engineering Coonsulting Joint<br /> cố kết khi xử lý nền bằng phƣơng pháp cố kết Stock Company 3 (2013), Design report of soil<br /> chân không. improvement of Duyen Hai 3 Thermal Power<br /> Plant Project.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO 11. Power Engineering Coonsulting Joint<br /> Stock Company 3 (2013), Geotechnical<br /> 1. Phạm Quang Đông, Bùi Văn Trƣờng, engineering investigation report of Duyen Hai 3<br /> Trịnh Minh Thụ (2013), "Nghiên cứu quá trình Thermal Power Plant Project.<br /> biến đổi ALNLR và biến dạng của nền đất yếu 12. Phạm Quang Đông (2016), “Ứng dụng<br /> khi cố kết chân không bằng MHVL", Tạp chí mô đun Seep và Sigma của phần mềm<br /> Địa kỹ thuật, (2), 12-21. Geostudio để giải quyết bài toán cố kết chân<br /> 2. Phạm Quang Đông (2015), Nghiên cứu không”, Kỷ yếu hội thảo quốc gia Hạ tầng giao<br /> phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất thông với phát triển bền vững, 523-533.<br /> yếu để xây dựng công trình, Luận án tiến sĩ kỹ<br /> thuật, ĐHTL, Hà Nội.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Người phản biện: PGS,TS ĐOÀN THẾ TƢỜNG<br /> <br /> <br /> <br /> 50 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2017<br />