Ứng dụng giếng cát kết hợp gia tải trước để xử lý nền đất yếu cho khu vực Ninh Kiều, TP. Cần Thơ

h lún cho nền đất yếu, rút ngắn thời gian thi công khi xử lý nền đất yếu có chiều dày lớn. Trong quá trình nghiên cứu tác giả đã sử dụng phương pháp giải tích, phương pháp quan trắc và phần mềm plaxis 2D v8.5 để tính toán thời gian cố kết và độ lún ổn định của nền. Ngoài ra, tác giả còn tiến hành phân tích sự ảnh hưởng của các thông số như đường kính, chiều dài, khoảng cách và sơ đồ bố trí lưới của giếng cát để đánh giá sự thay đổi về mức độ cố kết của nền đất dẫn đến thay đổi độ lún ổn định dưới đất nền. ABSTRACT This paper presents the solution application processing soft soil with sand wells preloading combined to calculate the soft ground, shorten construction time soft ground when handling large thickness. During the study authors have used methods of data analysis, monitoring methods and plaxis 2D v8.5 software to calculate the time of consolidation and stability of foundation settlement. In addition the author also analyzed the influence of parameters such as diameter, length, distance and grid layout of sand wells to evaluate the change in the level of ground consolidation led to replace stable exchange settlement under the ground. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Đất yếu là loại đất có sức chịu tải nhỏ và tính nén lún lớn thường gặp ở nước ta, đặc biệt là ở các tỉnh Đồng bằng Sông Cửu Long. Khi xây dựng nền đắp trên đất yếu nếu không được khảo sát thiết kế cẩn thận và có biện pháp xử lý thích đáng thì nền đường xây dựng trên đó thường dễ bị mất ổn định, bị lún nhiều và lún kéo dài, ảnh hưởng xấu đến việc khai thác sử dụng mặt đường, công trình trên đường và các công trình xây dựng xung quanh. Trong những năm vừa qua, cùng với sự phát triển công nghệ, các dự án xây dựng giao thông ở nước ta đã áp dụng nhiều phương pháp trên thế giới để xử lý nền đất yếu, chẳng hạn: giếng cát, bấc thấm, cọc đất trộn xi măng, cọc đất trộn vôi, cọc bê tông, sàn giảm tải Tuy nhiên, để đảm bảo cả về kinh tế và kỹ thuật thì sử dụng phương pháp giếng cát kết hợp gia tải trước là phương án hợp lý và có tính khả thi, dễ thi công. Vấn đề đặt ra trong bài báo này là việc tính toán và ứng dụng các yếu tố như đường TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 427 kính, chiều dài, khoảng cách và sơ đồ bố trí lưới giếng cát sẽ ảnh hưởng như thế nào đến nền đất yếu dưới nền đường để mang lại hiệu quả cao nhất. 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nghiên cứu lý thuyết: Cơ sở lý thuyết tính toán giếng cát Lý thuyết về tốc độ thời gian cố kết trong bài toán một chiều lần đầu tiên được đề nghị bởi Terzaghi (1925) 2 2 2 2 2 2 z uC y uC x uC t u vzvyvx ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ = ∂ ∂ (1) Nếu bài toán thấm xem xét trong điều kiện chỉ có thấm thẳng đứng, phương trình thấm một chiều có dạng: 2 2 z uC t u vz ∂ ∂ = ∂ ∂ (2) Phương trình (2) là phương trình vi phân cố kết thấm một chiều theo lý thuyết cố kết của Terzaghi. Độ cố kết được giải theo Carrilo (1942) cho độ cố kết tổng hợp Uv,h, của thấm đứng Uv và thấm ngang Uh Uv,h=1 - (1 – Uv).(1 – Uh) (3) Trong đó: * Uv : Độ cố kết trung bình do thoát nước theo phương đứng Uv = f(Tv). Thành phần này được xác định theo bài toán cố kết thấm một chiều. * Uh : Độ cố kết trung bình do thoát nước theo phương ngang Uh = f(Th) Đối với bài toán giếng cát, đây là thành phần cố kết hướng tâm, được xác định như sau: ( )     − −= nF 8T exp1U hh Phương pháp quan trắc: Xem xét chuyển vị lún của công trình thực tế. Mô phỏng bằng phần mềm Plaxis 2D v8.5: Sử dụng phần mềm Plaxis 2D mô phỏng và tính toán mặt cắt điển hình về giải pháp kỹ thuật xử lý nền đắp công trình đường Mậu Thân, thành phố Cần Thơ. TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 428 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 3. ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN CHO CÔNG TRÌNH ĐƯỜNG MẬU THÂN, THÀNH PHỐ CẦN THƠ 3.1. Giới thiệu công trình 1. Tên dự án: Đường Mậu Thân, thành phố Cần Thơ. 2. Địa điểm xây dựng: Quận Ninh Kiều, thành phố Cần Thơ. 3. Chủ đầu tư: Sở GTVT thành phố Cần Thơ. 3.2. Đặc điểm địa chất Bảng 1. Các chỉ tiêu cơ lý của đất STT TÊN Kí hiệu Đơn vị Đất đắp Giếng cát Lớp 1: Lớp 2: 1 Mô hình MC MC MC MC 2 Dung trọng tự nhiên kN/m3 18 18 15,7 17,6 3 Dung trọng bão hòa kN/m3 20 20 16,2 18,4 4 Modul đàn hồi Eref kN/m2 7.000 7.000 1.050 2.400 6 Hệ số Poison v 0,3 0,3 0,35 0,33 7 Lực dính c kN/m3 1 1 7,54 17,45 8 Góc ma sát trong 0 30 30 2002’ 606’ 9 Góc dãn nở 0 0 0 0 0 10 Hệ số thấm ngang Kh m/ngày 8,64 8,64 1,59E-02 0,00458 11 Hệ số thấm đứng kv m/ngày 8,64 8,64 1,59E-02 0,00458 12 Phần tử tiếp xúc Rinter 1 1 1 1 1 13 Ứng xử của đất type Drained Drained Undained Undained 4. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN 4.1. Kết quả tính độ lún của nền đất yếu khi xử lý bằng giếng cát kết hợp gia tải trước theo ba phương pháp: giải tích, phần tử hữu hạn bằng phần mềm plaxis và quan trắc Hình 1. Biểu đồ quan hệ độ lún cố kết theo thời gian theo phương pháp giải tích (độ lún ổn định là 0,94 m) Hình 2. Biểu đồ quan hệ độ lún cố kết theo thời gian theo phương pháp mô phỏng (độ lún ổn định là 1,02 m) TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 429 Theo kết quả quan trắc độ lún thực tế ngoài công trình đường Mậu Thân, thành phố Cần Thơ thì độ lún ổn định là 0,885 m. * Nhận xét: Kết quả tính toán mô phỏng trên cho thấy Độ lún theo mô phỏng lớn hơn độ lún theo phương pháp asaoka là 15,25% và độ lún theo giải tích lớn hơn độ lún theo phương pháp asaoka là 6,21%. 4.2. Phân tích, đánh giá sự ảnh hưởng của khoảng cách giếng cát đến độ lún ổn định của nền Bảng 2. Bảng so sánh kết quả về độ cố kết và độ lún của nền khi thay đổi khoảng cách giếng cát Ngày U% U% U% U% St St St St S=1,0 m S=1,5 m S=2,0 m S=2,5 m S=1,0 m S=1,5 m S=2,0 m S=2,5 m 5 35,33 26,40 23,40 21,19 0,34 0,25 0,22 0,21 95 98,94 87,59 73,41 62,13 0,94 0,83 0,70 0,59 190 100,00 98,10 91,25 82,34 0,95 0,94 0,87 0,78 Hình 3. Biểu đồ so sánh quan hệ độ lún theo thời gian khi thay đổi khoảng cách giếng cát * Nhận xét: Từ kết quả tính toán giải tích bằng việc thay đổi khoảng cách giếng cát cho thấy: khi khoảng cách giữa các giếng cát càng gần thì độ cố kết tăng dẫn đến độ lún nền tăng nhưng sự thay đổi về độ lún không nhiều. Theo kết quả giải tích: tăng khoảng cách giếng cát lên khoảng 50%, 100% và 150% thì độ lún giảm tương ứng 1,05%, 8,42% và 17,89%. TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 430 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 4.3. Phân tích, đánh giá sự ảnh hưởng của đường kính giếng cát đến độ lún ổn định của nền Bảng 3. Bảng so sánh kết quả về độ cố kết và độ lún của nền khi thay đổi đường kính giếng cát Ngày U% U% U% U% St St St St dw=0,3 m dw=0,4 m dw=0,5 m dw=0,6 m dw=0,3 m dw=0,4 m dw=0,5 m dw=0,6 m 5 26,40 28,84 31,84 35,57 0,2516 0,2748 0,3035 0,3390 95 87,59 93,43 97,08 99,03 0,8348 0,8904 0,9252 0,9437 190 98,10 99,43 99,92 100,00 0,9352 0,9476 0,9522 0,9530 Hình 4. Biểu đồ so sánh quan hệ độ lún theo thời gian khi thay đổi đường kính giếng cát * Nhận xét: Từ kết quả tính toán giải tích bằng việc thay đổi đường kính giếng cát cho thấy: Đường kính thay đổi ảnh hưởng đến mức độ cố kết cũng thay đổi. Khi đường kính tăng dẫn đến tốc độ cố kết cũng tăng làm tăng nhanh độ lún nền đường. Khi tăng đường kính giếng cát khoảng 2.0 lần thì độ cố kết và độ lún nền đường tại thời điểm 190 ngày tăng khoảng 1,9%. 4.4. Phân tích, đánh giá sự ảnh hưởng của chiều dài giếng cát đến độ lún ổn định của nền Bảng 4. Kết quả về độ cố kết và độ lún của nền khi thay đổi chiều dài giếng cát t (ngày) U% L=18 U% L=20 U% L=25 U% L=30 St L=18m St L=20m St L=25m St L=30m 5 26,41 26,41 26,40 26,40 0,2516 0,2516 0,2516 0,2516 95 87,60 87,60 87,59 87,58 0,8349 0,8348 0,8348 0,8347 190 98,14 98,13 98,11 98,10 0,9353 0,9353 0,9352 0,9352 TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 431 Hình 5. Biểu đồ so sánh quan hệ độ lún theo thời gian khi thay đổi chiều dài giếng cát * Nhận xét: Từ kết quả tính toán giải tích bằng việc thay đổi chiều dài giếng cát cho thấy: Khi chiều dài của giếng cát tăng sẽ làm cho độ lún giảm nhưng sự thay đổi độ lún không đáng kể. 4.5. Phân tích, đánh giá sự ảnh hưởng của sơ đồ bố trí lưới của giếng cát đến độ lún ổn định của nền Bảng 5. Kết quả về độ cố kết và độ lún của nền khi thay đổi sơ đồ bố trí giếng cát Ngày U% U% St St Bố trí hình tam giác đều Bố trí hình vuông Bố trí hình tam giác đều Bố trí hình vuông 5 26,40 25,43 0,2516 0,2424 95 87,59 84,27 0,8348 0,8031 190 98,10 96,92 0,9352 0,9237 Hình 6. Biểu đồ so sánh quan hệ độ lún theo thời gian khi thay đổi sơ đồ bố trí giếng cát TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 432 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM * Nhận xét: Từ kết quả tính toán giải tích bằng việc thay đo i sơ đo bo trı́ gieng cát cho thay: Khi bố trí của giếng cát theo sơ đồ hình vuông sẽ làm giảm độ lún, độ cố kết hơn so với sơ đồ hình tam giác đều. Như vậy khi thay đồi sơ đồ bố trí giếng cát từ hình tam giác đều thành sơ đồ hình vuông thì độ cố kết giảm 1,18%. 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1. Kết luận Theo kết quả nghiên cứu trong bài báo này, tác giả rút ra được các kết luận sau đây: 1/ Độ lún ổn định được tính toán bằng ba phương pháp: Phương pháp giải tích, mô phỏng bằng phần mềm Plaxis, quan trắc thực tế cho thấy giữa ba phương pháp trên có kết quả độ lún gần tương tự nhau. Chênh lệch giữa hai phương pháp giải tích và phương pháp mô phỏng so với phương pháp Ssaoka là 6,21% và 15,25%. Vì vậy khi tính toán ta có thể sử dụng hai phương pháp giải tích và phương pháp mô phỏng để kiểm chứng qua lại trong quá trình tính toán thiết kế. 2/ Khoảng cách giếng cát ảnh hưởng đến mức độ cố kết nền đường khi khoảng cách giảm thì độ kết tăng và độ lún cũng tăng. tăng khoảng cách giếng cát lên khoảng 50%, 100% và 150% thì độ lún giảm tương ứng 1,05%, 8,42% và 17,89%. 3/ Chiều dài giếng cát càng tăng thì mức độ cố kết càng giảm dẫn đến độ lún của nền giảm. Nhưng chiều dài giếng cát ít ảnh hưởng đến độ lún của nền. 4/ Đường kính giếng cát ảnh hưởng đến mức độ cố kết nền đường, đường kính tăng độ cố kết cũng tăng theo. Khi tăng đường kính giếng cát khoảng 2 lần thì độ cố kết và độ lún nền đường tăng khoảng 1,9%. 5/ Bố trí giếng cát theo sơ đồ hình tam giác đều hoặc sơ đồ hình vuông cũng có ảnh hưởng đến mức độ cố kết và độ lún ổn định của nền. Bố trí giếng cát theo sơ đồ hình tam giác đều sẽ có tốc độ cố kết nhanh hơn sơ đồ bố trí hình vuông là 1,18%. 5.2. Kiến nghị 1/ Do thời gian nghiên cứu còn ít nên chưa thể khai thác và phân tích các kết quả trong bài toán giếng cát một cách chi tiết, kết quả chỉ mang tính cục bộ. 2/ Trong quá trình tính toán so sánh kết quả của việc thay đổi khoảng cách, đường kính, chiều dài và sơ đồ bố trí giếng cát học viên chỉ so sánh bằng giải tích nên học viên kiến nghị dùng thêm mô phỏng để có thể so sánh đạt hiệu quả cao hơn. 3/ Trong công tác thiết kế, nên tham khảo các số liệu quan trắc thực tế hiện trường của các công trình lân cận trong khu vực đang xây dựng để có thể lựa chọn, áp dụng phương pháp tính phù hợp. Khi tính toán thiết kế công trình đắp trên nền đất yếu cần sử dụng hai phương pháp giải tích và phương pháp mô phỏng để kiểm chứng qua lại trong quá trình tính toán. TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 433 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Châu Ngọc Ẩn: Nền móng công trình, NXB Xây Dựng, 2010. 2. Thiết kế bản vẽ thi công: Đường Mậu Thân, sân bay Trà Nóc, gói thầu số 6: từ KM 4+200- KM 4+650, Công ty CP Tư vấn thiết kế Cầu lớn – Hầm, 11-2008. 3. Trần Quang Hộ: Công trình trên đất yếu, NXB. Đại Học Quốc Gia TP.Hồ Chí Minh, 2011. 4. Võ Phán: Kỹ thuật nền móng, TP. Hồ Chí Minh, 2010. 5. Nguyễn Thành Long, Lê Bá Lương, Nguyễn Quang Chiêu, Vũ Đức Lực: Công trình trên đất yếu trong điều kiện Việt Nam, Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh, 1986 – 1989. 6. Võ Phán, Phan Lưu Minh Phượng : Cơ học đất, NXB Xây Dựng Hà Nội, 2010. 7. Quy trình khảo sát, thiết kế nền đường ôtô đắp trên đất yếu 22TCN 262 – 2000, Bộ Giao Thông Vận Tải, ngày 01 tháng 06 năm 2000. 8. Võ Phán: Các phương pháp khảo sát hiện trường và thí nghiệm đất trong phòng, NXB Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh. 9. Báo cáo khảo sát địa kỹ thuật công trình: Đường Mậu Thân, sân bay Trà Nóc, thành phố Cần Thơ, Trung tâm Nghiên cứu Công Nghệ và Thiết bị Công Nghiệp trường Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh, 10-2002. 10. Dương Học Hải – Nguyễn Xuân Trục: Thiết kế đường ô tô – tập 2, NXB Giáo dục. Người phản biện: GS. TSKH. Nguyễn Văn Thơ