Tiến Sĩ Nghiên cứu phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu để xây dựng công trình

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU . 1
1. Tính cấp thiết của đề tài 1
2. Mục đích của đề tài . 2
3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 2
4. Nội dung nghiên cứu . 2
5. Phương pháp nghiên cứu . 3
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn . 3
7. Những đóng góp mới của luận án . 4
8. Bố cục của luận án 5
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP CỐ KẾT CHÂN KHÔNG XỬ LÝ
NỀN ĐẤT YẾU VÀ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP . 7
1.1. Nền đất yếu 7
1.2. Tổng quan về nghiên cứu và ứng dụng phương pháp cố kết chân không . 8
1.2.1. Tình hình ứng dụng phương pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu
trên thế giới . 8
1.2.2. Tình hình nghiên cứu phương pháp cố kết chân không . 15
1.2.3. Tình hình nghiên cứu ứng dụng phương pháp cố kết chân không xử lý
nền đất yếu ở Việt Nam . 17
1.3. Lý thuyết phương pháp cố kết chân không 19
1.3.1. Bài toán cố kết thấm . 19
1.3.2. Phương trình vi phân cơ bản 22
1.3.3. Các phương pháp giải bài toán cố kết thấm . 23
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
2.5.3. Hiệu quả kỹ thuật của MHVL3 61
Kết luận chương 2 . 64 v

Chương 3: MÔ HÌNH TÍNH CHO BÀI TOÁN CỐ KẾT CHÂN KHÔNG 65
3.1. Mô hình số tính toán 65
3.2. Mô phỏng bài toán cố kết chân không . 67
3.3. Tính toán ứng dụng cho các MHVL 67
3.3.1. Kết quả mô hình số của MHVL1 . 69
3.3.2. Kết quả mô hình số của MHVL2 . 70
3.3.3. Kết quả mô hình số của MHVL3 . 71
3.4. So sánh kết quả thực nghiệm và tính toán các MHVL 72
3.4.1. So sánh kết quả thực nghiệm và tính toán của MHVL1 72
3.4.2. So sánh kết quả thực nghiệm và tính toán của MHVL2 74
3.4.3. So sánh kết quả thực nghiệm và tính toán của MHVL3 75
3.5. Tính toán kiểm tra cho các công trình thực tế 76
3.5.1. Công trình Pvtex Đình Vũ – Hải Phòng . 77
3.5.2. Công trình nhiệt điện Duyên Hải 3 – Trà Vinh 83
3.5.3. Công trình nhiệt điện Nhơn Trạch 2 – Đồng Nai . 90
Kết luận chương 3 . 95
Chương 4: XÂY DỰNG MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC THÔNG SỐ CỦA BÀI
TOÁN CỐ KẾT CHÂN KHÔNG 96
4.1. Đặt vấn đề 96
4.2. Các chỉ tiêu cơ lý của các loại đất đất yếu tính toán 96
4.2.1. Đất yếu Duyên Hải – Trà Vinh 96
4.2.2. Đất yếu Đình Vũ – Hải Phòng 97
4.2.3. Đất yếu nhiệt điện Thái Bình . 97
4.2.4. Đất yếu Nhơn Trạch – Đồng Nai . 97
4.3. Kết quả tính toán 97
4.3.1. Độ cố kết khi chiều dày nền đất yếu xử lý là 10 m 97
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
Hình 1.12. Nguyên lý cố kết chân không 21
Hình 1.13. Độ cố kết U% theo quan hệ
'
0


p

và
p
f




25
Hình 1.14. Phân bố độ cố kết theo hướng thoát nước . 25
Hình 1.15. Quan hệ giữa U v (T v ) theo Terzaghi 27
Hình 1.16. Biểu đồ phân bố độ cố kết Uz (z/H dr ;T v ) . 27
Hình 1.17. Quan hệ giữa U r (T 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 2.15. Lắp đặt thiết bị quan trắc ALNLR trên mô hình thí nghiệm 46
Hình 2.16. Rải lớp cát vàng và lắp đặt hệ thống thu nước 46
Hình 2.17. Làm kín trên mô hình 46
Hình 2.18. Lắp đặt các thiết bị quan trắc lún 47
Hình 2.19. Cài đặt các thông số của đầu đo ALNLR 47
Hình 2.20. Kết nối hệ thống máy bơm với mô hình . 47
Hình 2.21. Quan hệ giữa độ lún thực nghiệm và thời gian của MHVL1 48
Hình 2.22. Đường hồi quy tại vị trí cạnh bấc thấm MHVL1 49
Hình 2.23. Đường hồi quy tại vị trí giữa 2 bấc thấm MHVL1 . 49
Hình 2.24. Quan hệ giữa ALNLR thực nghiệm và thời gian của MHVL1 50
Hình 2.25. Quan hệ giữa độ lún thực nghiệm và thời gian của MHVL2 51
Hình 2.26. Đường hồi quy tại vị trí cạnh bấc thấm MHVL2 52
Hình 2.27. Đường hồi quy tại vị trí giữa 2 bấc thấm MHVL2 . 52
Hình 2.28. Quan hệ giữa ALNLR thực nghiệm và thời gian của MHVL2 53
Hình 2.29. Quan hệ giữa độ lún thực nghiệm và thời gian của MHVL3 54 ix

Hình 2.30. Đường hồi quy tại vị trí cách biên phân tố 0,5 m MHVL3 . 55
Hình 2.31. Đường hồi quy tại vị trí cách biên phân tố 1,0 m MHVL3 . 55
Hình 2.32. Quan hệ giữa ALNLR thực nghiệm và thời gian của MHVL3 56
Hình 2.33. Sơ đồ lấy mẫu và cắt cánh sau thí nghiệm 57
Hình 2.34. Lấy mẫu và cắt cánh sau thí nghiệm . 57
Hình 2.35. Quan hệ giữa sức chống cắt không thoát nước (S u ) và độ sâu sau thí
nghiệm của MHVL1 . 58
Hình 2.36. Quan hệ giữa sức chống cắt không thoát nước (S u ) trước và sau thí
nghiệm với độ sâu của MHVL1 58
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 3.14. Quan hệ giữa ALNLR tính toán và thực nghiệm với thời gian của MHVL2
. 75
Hình 3.15. Quan hệ giữa độ lún tính toán và thực nghiệm với thời gian của MHVL3
. 75
Hình 3.16. Quan hệ giữa ALNLR tính toán và thực nghiệm với thời gian của MHVL3
. 76
Hình 3.17. Mặt bằng các vùng xử lý của công trình Pvtex Đình Vũ – Hải Phòng . 77
Hình 3.18. Mặt cắt địa chất vùng 1 của công trình Pvtex Đình Vũ - Hải Phòng [9]
. 78
Hình 3.19. Điều kiện biên mô đun SIGMA/W . 80
Hình 3.20. Điều kiện biên mô đun SEEP/W . 80
Hình 3.21. Quan hệ giữa độ lún tính toán và thời gian của công trình Pvtex Đình Vũ
– Hải Phòng . 80
Hình 3.22. Quan hệ giữa ALNLR tính toán và thời gian của công trình Pvtex Đình
Vũ – Hải Phòng . 81
Hình 3.23. Quan hệ giữa độ lún thực nghiệm và thời gian của công trình Pvtex Đình
Vũ – Hải Phòng . 81
Hình 3.24. Quan hệ giữa ALNLR thực nghiệm và thời gian của công trình Pvtex
Đình Vũ – Hải Phòng 82
Hình 3.25. Quan hệ giữa độ lún tính toán và thực nghiệm với thời gian của công
trình Pvtex Đình Vũ – Hải Phòng . 82
Hình 3.26. Quan hệ ALNLR tính toán và thực nghiệm với thời gian của công trình
Pvtex Đình Vũ – Hải Phòng 83
Hình 3.27. Mặt bằng các vùng xử lý của công trình nhà máy nhiệt điện Duyên Hải 3
– Trà Vinh . 84 xi

Hình 3.28. Mặt cắt địa chất của công trình nhà máy nhiệt điện Duyên Hải 3 –
Trà Vinh [53] . 85
Hình 3.29. Điều kiện biên trong mô đun SIGMA/W 86
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
. 98
Hình 4.3. Quan hệ giữa độ cố kết và thời gian khi chiều dày nền đất yếu xử lý 20 m
. 99
Hình 4.4. Quan hệ giữa độ cố kết và thời gian khi chiều dày nền đất yếu xử lý 25 m
. 99
Hình 4.5. Quan hệ giữa độ cố kết và thời gian khi chiều dày nền đất yếu xử lý 30 m
. 100
Hình 4.6. 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 102
Hình 4.7. 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 103
Hình 4.8. 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 104
Hình 4.9. 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 105
Hình 4.10. 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 m 106
Hình 4.11. Quan hệ giữa thời gian cố kết với chỉ số dẻo và chiều dày nền đất yếu
khi độ cố kết là 80% 107
Hình 4.12. Quan hệ giữa thời gian cố kết với chỉ số dẻo và chiều dày nền đất yếu
khi độ cố kết là 85% 108
Hình 4.13. Quan hệ giữa thời gian cố kết với chỉ số dẻo và chiều dày nền đất yếu
khi độ cố kết là 90% 109
Hình 4.14. Quan hệ giữa thời gian cố kết với chỉ số dẻo và chiều dày nền đất yếu
khi độ cố kết là 95% 110 xiii

MỤC LỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Một số công trình ứng dụng phương pháp có màng kín khí (MVC) 9
Bảng 1.2. Một số công trình ứng dụng phương pháp không có màng kín khí . 10
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
. 103
Bảng 4.5. Độ cố kết, chỉ số dẻo và thời gian khi chiều dày nền đất yếu xử lý là 20 m
. 104
Bảng 4.6. Độ cố kết, chỉ số dẻo và thời gian khi chiều dày nền đất yếu xử lý là 25 m
. 105
Bảng 4.7. Độ cố kết, chỉ số dẻo và thời gian khi chiều dày nền đất yếu xử lý là 30 m
. 106
Bảng 4.8. Chiều dày nền đất yếu xử lý, chỉ số dẻo và thời gian khi độ cố kết là 80%
. 107
Bảng 4.9. Chiều dày nền đất yếu xử lý, chỉ số dẻo và thời gian khi độ cố kết là 85%
. 108
Bảng 4.10. Chiều dày nền đất yếu xử lý, chỉ số dẻo và thời gian khi độ cố kết là 90%
. 109
Bảng 4.11. Chiều dày nền đất yếu xử lý, chỉ số dẻo và thời gian khi độ cố kết là 95%
. 110