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

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