Nghiên cứu ảnh hưởng của vùng xáo trộn đến nền đất yếu được xử lý bằng giếng cát cho bãi chứa vật liệu- Nhà máy chế tạo ống thép tỉnh Tiền Giang - Võ Phán

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2015 52 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA VÙNG XÁO TRỘN ĐẾN NỀN ĐẤT YẾU ĐƯỢC XỬ LÝ BẰNG GIẾNG CÁT CHO BÃI CHỨA VẬT LIỆU- NHÀ MÁY CHẾ TẠO ỐNG THÉP TỈNH TIỀN GIANG VÕ PHÁN * NGUYỄN HOÀNG TÂN** Research Influence Of Smear Zone For Soft Soil Treated By Sand Drain In Storage Yards – Steel Pile Factory In Tien Giang Province. Abstract: Treating soft soil by sand drain is a simple and common method, it make ground has a stable settlement quickly and reduces time of process of treating soft soil. However, in process of treating soft soil, smear zone is created and it effect on soft soil which is being treated. This paper show research of influnce of smear zone of sand drain for soft soil treated by sand drain with preloading. Finite element method is used in this reasearch by Plaxis program 2D v8.5. 1. GIỚI THIỆU * Khi thi công công trình trên nền đất yếu thì độ lún cố kết của nền là một vấn đề đáng quan tâm nhất. Do đó cần có biện pháp để giải quyết độ lún đảm bảo công trình xây đƣợc ổn định và giếng cát là một biện pháp xử lí nền hiệu quả, đơn giản, thông dụng và kinh tế. Giếng cát đƣợc thiết kế nhằm tăng tốc độ thoát nƣớc của nền, giúp nền mau đạt đến độ lún ổn định, việc bố trí giếng cát dựa trên tính toán thiết kế. Tuy nhiên, trong quá trình thi công tạo giếng có những tác động đến nền đất xung quanh thiết bị thi công và vùng xáo trộn đƣợc hình thành, gây ảnh hƣởng ít nhiều đến của nền đất yếu đang đƣợc xử lý. Vì vậy, việc tìm hiểu rõ hơn về ảnh hƣởng của vùng xáo trộn gây ra bởi quá trình thi * Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM 268 Lý Thường Kiệt, Q.10, TP.Hồ Chí Minh. DD : 0913867008 Email: vphan54@yahoo.com ** Công ty TNHH Kỹ Thuật Gouvis 3C - 4C Cư Xá Phan Đăng Lưu, P.3, Q.Bình Thạnh, TP.Hồ Chí Minh. DD: 0984890093 Email: hoangtan07@gmail.com công đến nền đất yếu là cần thiết, để từ đó có thể sử dụng hiệu quả phƣơng pháp giếng cát trong xử lí nền đất yếu. 2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Cơ sở lý thuyết tính toán giếng cát 2.1.1. Lý thuyết cố kết theo phương đứng của Tezaghi Lƣu lƣợng dòng thấm ra khỏi phân tố phải bằng sự thay đổi thể tích lỗ rỗng : 2 2 1 1 v h e k z t e       Nếu hệ số cố kết đƣợc định nghĩa là (1)v v w k C m   Độ cố kết trung bình của nền : 2 2 8 1 exp (2) 4 o vU T           Trong đó : 2 (3)vv C t T h  h : Là chiều dài đƣờng thấm; Cv : Hệ số cố kết theo phƣơng đứng; t : Thời gian cố kết; ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2015 53 k : Hệ số thấm đứng của đất; mv: Hệ số nén tƣơng đối. 2.1.2. Lời giải lăng trụ cố kết của Hansbo (1981) : Phƣơng trình áp lực nƣớc lỗ rỗng trung bình khi xét xáo trộn và cản giếng : 2 (4) 2 w e z h u r k t      Theo Terzaghi ' v v u m m t t t          Từ đó ta có phƣơng trình áp lực nƣớc lỗ rỗng trung bình : 2 2 w e z v h u u r m k t       Độ cố kết thấm theo phƣơng ngang : 8 1 exp (5)hh z T U          Trong đó : 2 (6) 4 h h e C t T r  (7)hh v w k C m   223 ln ln ( ) (8) 4 2 h h z s w k kn z s lz s k q        ; (9)e s w w r r n s r r   kh : Hệ số thấm của đất theo phƣơng ngang trong vùng không xáo trộn; ks : Hệ số thấm của đất theo phƣơng ngang trong vùng xáo trộn; Ch: Hệ số cố kết theo phƣơng ngang; re : Bán kính vùng ảnh hƣởng của giếng cát; rw: Bán kính của giếng cát; rs : Bán kính vùng xáo trộn của giếng cát; s = rs/rw : Hệ số mở rộng vùng xáo trộn. 2.2. Mô phỏng bài toán giếng cát theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn. Trong thực tế quá trình cố kết của giếng cát là một bài toán đối xứng hình trụ (3D) nhƣng khi sử dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn thì để đơn giản trong việc mô phỏng bài toán, thƣờng chuyển bài toán về dạng phẳng (2D). Việc chuyển từ 3D sang 2D bằng cách xem giếng cát nhƣ một tƣờng thấm phẳng. Từ đó, tính quy đổi hệ số thấm ngang của đất trong mô hình đối xứng hình trụ sang hệ số thấm ngang tƣơng đƣơng của đất trong mô hình phẳng. 2.2.1. Phƣơng pháp 1: Theo Hird (1992): B là phân nửa bề rộng của mô hình dạng phẳng, R là bán kính vùng ảnh hƣởng của giếng cát trong mô hình đối xứng trụ. Trong điều kiện giữ nguyên dạng hình học của mô hình thì B = R. Phƣơng pháp của Hird (1992) qui đổi hai hệ số thấm trong vùng xáo trộn và không xáo trộn thành một hệ số thấm duy nhất gọi là gọi hệ số thấm tƣơng đƣơng. Ảnh hƣởng cản giếng đƣợc xem là độc lập. 2 2 (10)w w B Q q R  Trong đó : Qw – lƣu lƣợng của giếng cát trong mô hình dạng phẳng. qw – lƣu lƣợng của giếng cát trong mô hình dạng đối xứng hình trụ. Hệ số thấm tƣơng đƣơng của đất trong mô hình dạng phẳng: 2 2 2 (11) 3 3 (ln( ) ln( ) ) 4 ha hp ha sa B k k kn R s s k    Trong đó: khp – Hệ số thấm ngang tƣơng đƣơng của đất trong mô hình dạng phẳng. kha – Hệ số thấm ngang của đất của vùng không xáo trộn trong mô hình đối xứng hình trụ. ksa – Hệ số thấm ngang của đất của vùng xáo trộn trong mô hình đối xứng hình trụ. n = re/rw ; s = rs/rw Khi xét ảnh hƣởng của vùng xáo trộn s ≠ 1, ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2015 54 còn khi không có ảnh hƣởng của vùng xáo trộn thì s =1. 2.2.3. Phƣơng pháp 2: Theo Indraratna và Redana (1997): Phƣơng pháp này xem xét cả 2 nhân tố là hệ số thấm của đất và khoảng cách của giếng cát, vùng xáo trộn đƣợc mô hình một cách rõ ràng. Trong mô hình dạng phẳng thì cùng một lớp đất sẽ có 2 giá trị hệ số thấm là trong vùng xáo trộn và vùng không xáo trộn. Hệ số thấm tƣơng đƣơng của đất trong mô hình dạng phẳng (chỉ xét ảnh hƣởng của vùng xáo trộn ): ' (12) 3 (ln( ) ln( ) ) 4 hp hp hahp ha sa k k knk s k s k       Hệ số thấm tƣơng đƣơng của đất trong mô hình dạng phẳng trong vùng không xáo trộn đƣợc tính theo công thức của Hird el at.1992 với B = R và s =1. 2 3 3(ln( ) ln(1) ) 1 4 2 (13) 3 3(ln( ) ) 4 ha hp ha sa ha k k kn k k n      Trong đó : khp – Hệ số thấm ngang qui đổi của đất trong mô hình dạng phẳng trong vùng không xáo trộn. k’hp - Hệ số thấm ngang qui đổi của đất trong mô hình dạng phẳng trong vùng xáo trộn. kha – Hệ số thấm ngang của đất của vùng không xáo trộn trong mô hình đối xứng hình trụ. ksa – Hệ số thấm ngang của đất của vùng xáo trộn trong mô hình đối xứng hình trụ. n = re/rw ; s = rs/rw Theo Indraratna và Redana (2005): 3 2 2 2 2 ( ) 3 ( 1) 2( 1) 1 [ ( 1) ( 1)] ( 1) 3 n s n n s n n s s s n n              3. ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN CHO BÃI CHỨA VẬT LIỆU – NHÀ MÁY CHẾ TẠO ỐNG THÉP TỈNH TIỀN GIANG 3.1. Giới thiệu công trình Nhà máy chế tạo ống thép do Công ty cổ phần sản xuất ống thép dầu khí Việt Nam (PVPIPE) đầu tƣ xây dựng tại khu công nghiệp dịch vụ Dầu khí Soài Rạp, huyện Gò Công Đông, tỉnh Tiền Giang Khu đất xây dựng nhà máy có diện tích 46.4 ha nằm về phía Đông Nam Khu công nghiệp. Phía Đông Bắc là bờ sông Soài Rạp dài 595m. Ba mặt còn lại là đƣờng nội bộ. Khu công nghiệp và đất trống chƣa sử dụng. Diện tích sử dụng đất của nhà máy hiện tại là 22.9 ha, trong đó diện tích nhà xƣởng 4.2 ha, diện tích bãi chứa ống thành phẩm 12 ha. Khu vực bãi chứa ống có tải trọng khai thác 3 T/m 2. Do đó cần xử lý nền đất yếu khu vực bãi chứa để đảm bảo tính ổn định của nền trong quá trình khai thác. 3.2. Thông số thiết kế của giếng cát xử lý nền đất yếu Bảng 1: Thông số tính toán giếng cát Bố trí giếng cát Hình vuông Khoảng cách giữa các giếng cát (m) 1.5 Bán kính vùng ảnh hƣởng giếng cát : re (m) 0.8475 Bán kính giếng cát : rw (m) 0.2 n = re / rw 4.2375 Hệ số thấm đứng của đất yếu kv (m/ngày) 3.629E-05 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2015 55 Bảng 2: Chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất hố khoan BH19: STT Tên Ký hiệu Đơn vị Cát đắp Lớp 1 : Cát san lắp Lớp 2: Bùn sét trạng thái chảy Lớp 3 : Sét dẻo thấp đến dẻo cao xám nâu, vàng,trạng thái dẻo cứng đến nửa cứng Lớp 4 : Sét dẻo thấp đến dẻo cao, màu xám xanh vàng ,trạng thái dẻo cứng đến nửa cứng Giếng Cát 1 Chiều dày lớp đất m 2.4 3.3 10.6 7.7 13.2 2 Dung trọng tự nhiên ɣunsat kN/m 3 18 18 8.14 16.16 15.35 18 3 Dung trọng bão hòa ɣsat kN/m 3 19 19 14.91 19.98 19.49 20 4 Modul đàn hồi Eref kN/m 2 20000 20000 500 6800 5100 800 5 Hệ số Poison ν 0.3 0.3 0.35 0.3 0.3 0.3 6 Lực dính c kN/m 3 1 3 5.6 21.5 30.7 1 7 Góc ma sát trong φ 0 30 30 3 18.5 18.5 30 8 Góc giãn nở ψ 0 0 0 0 0 0 0 Hệ số thấm ngang kx m/ngày 1 1 6.16E-06 3.46E-06 10 Hệ số thấm đứng ky m/ngày 1 1 3.08E-06 1.73E-06 10 10 Phần tử tiếp xúc 1 1 0.7 0.8 0.8 1 11 Ứng xử đất Drained Drained Undrained Undrained Undrained DrainedType 9 R inter Hình 1: Mặt cắt địa chất công trình ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2015 56 3.3. Qui đổi hệ số thấm lớp đất yếu Bảng 3: Hệ số thấm tƣơng đƣơng lớp đất yếu ( lớp 2) theo Hird Vùng xáo trộn kha (m/ngày) ksa (m/ngày) khp (m/ngày) s = rs/rw = 1 7.258E-05 3.629E-05 6.972E-05 s = rs/rw = 2 7.258E-05 3.629E-05 3.488E-05 s = rs/rw = 3 7.258E-05 3.629E-05 2.699E-05 s = rs/rw = 4 7.258E-05 3.629E-05 2.326E-05 Bảng 4: Hệ số thấm tƣơng đƣơng lớp đất yếu (lớp 2) theo Indraratna Vùng xáo trộn kha (m/ngày) ksa (m/ngày) α β khp (m/ngày) k'hp (m/ngày) s = rs/rw = 1 7.258E-05 3.629E-05 0.38914 0 6.972E-05 0 s = rs/rw = 2 7.258E-05 3.629E-05 0.12846 0.26068 6.972E-05 1.509E-05 s = rs/rw = 3 7.258E-05 3.629E-05 0.02173 0.36741 6.972E-05 1.507E-05 s = rs/rw = 4 7.258E-05 3.629E-05 0.00015 0.38899 6.972E-05 1.357E-05 3.4. Mô hình nền xử lý bằng giếng cát trong Plaxis v8.5: Hình 2 : Mô hình nền xử lý bằng giếng cát 4. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN 4.1. Độ lún của cả nền theo Hird, Indraratna và so sánh giữa các phƣơng pháp mô phỏng Hình 3: Biểu đồ độ lún của nền theo thời gian theo Hird khi thay đ i vùng xáo trộn Hình 4 : Biểu đồ độ lún của nền theo thời gian theo Indraratna khi đ i vùng xáo trộn ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2015 57 Hình 5: So sánh độ lún của nền giữa các phương pháp mô phỏng khi không có vùng xáo trộn Hình 6: So sánh độ lún của nền giữa các phương pháp mô phỏng khi vùng xáo trộn s = 2 4.2. Áp lực nƣớc lỗ rỗng tại điểm giữa lớp đất yếu (lớp 2) theo Hird, Indraratna: Hình 7: Biểu đồ áp lực nước lỗ rỗng theo Hird khi thay đ i vùng xáo trộn Hình 8: Biểu đồ áp lực nước lỗ rỗng theo Indraratna khi thay đ i vùng xáo trộn 4.3. Độ cố kết lớp đất yếu (lớp 2) theo các phƣơng pháp mô phỏng: Hình 9 : So sánh độ cố kết lớp đất yếu theo các phương pháp mô phỏng khi s = 1 Hình 10: So sánh độ cố kết lớp đất yếu theo các phương pháp mô phỏng khi s = 3 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2015 58 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1. Kết luận 1. Khi vùng xáo trộn đƣợc mở rộng, nó làm giảm độ lún nền tại cùng thời điểm khi không có vùng xáo trộn, mức độ tiêu tán áp lực nƣớc lỗ rỗng trong lớp đất yếu đƣợc xử lý chậm đi, độ cố kết nền đất yếu giảm, làm tăng thời gian thi công xử lý nền để đạt độ lún yêu cầu. 2. Từ kết quả phân tích số và mô phỏng bằng plaxis 2D cho thấy khi không xét đến ảnh hƣởng của vùng xáo trộn thì phƣơng pháp mô phỏng theo Hird hay Indraratna và Redana đều cho kết quả độ lún, độ cố kết gần giống với giải tích. Khi xét đến vùng xáo trộn thì phƣơng pháp mô phỏng theo Indraratna cho kết quả độ lún nhỏ hơn 5% - 10% so với theo Hird. Khi hoàn thành đợt gia tải, áp lực nƣớc lỗ rỗng ban đầu dùng phƣơng pháp mô phỏng theo Indraratna cho kết quả lớn hơn 2% -3% so với theo Hird và Indraratna thể hiện rõ ràng hơn sự tiêu tán áp lực nƣớc lỗ rỗng chậm đi. Độ cố kết nền đất yếu dùng phƣơng pháp mô phỏng theo Indraratna gần với giải tích hơn, chênh lệch 3% - 4% so với giải tích. 3. Đây chỉ là các khảo sát thuần túy trên phần mềm và chƣa có số liệu đo thực tế kiểm chứng. 5.2. Kiến nghị 1. Công trình đƣợc nghiên cứu, phân tích nhƣng chƣa xét đến sự ảnh hƣởng của cản giếng cát và sự thay đổi của vùng xáo trộn theo độ sâu nên cần mở rộng nghiên cứu vấn đề này. 2. Khi xét đến vùng xáo trộn kiến nghị dùng phƣơng pháp mô phỏng theo Indraratna cho nền có 1 lớp đất yếu nằm ở trên cùng. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Trần Quang Hộ, Công trình trên nền đất yếu, Nhà xuất bản Đại học quốc gia TP.HCM, năm 2009. (Tr. 294 – 314 ) [2]. Châu Ngọc Ẩn, Cơ học đất, Nhà xuất bản Đại học quốc gia TP.HCM, năm 2010 [3]. I. Wayan Redana, Effectiveness of vertical drains in soft clay with special reference to smear effect, University of Wollongong (1999). (Tr 1 - 126) [4]. C. Rujikiatkamjorn, B. Indraratna, C. Jian, Numerical modelling of soft soil stabilized by vertical drains, combining surcharge and vacuum preloading for a storage yard, University of Wollongong (2007). [5]. Parsa-Pajouh A., Fatahi H., Khabbaz B, Numerical Analysis to Quantify the Influence of Smear Zone Characteristics on Preloading Design in Soft Clay, School of Civil and Environmental Engineering, University of Technology Sydney (UTS), Sydney, Australia. [6]. Tuan Anh Tran, Toshiyuki Mitachi, Finite element modeling of peaty soft ground preconsolidated by vertical drains under vacuum-surcharge preloading. Người phản biện: PGS.TS. ĐOÀN THẾ TƢỜNG