Phân tích cố kết nền đất yếu có gia cố bấc thấm xét đến độ cản thấm dựa vào lý thuyết biến dạng lớn: Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu Khoa học cấp Trường

BỘ CÔNG THƯƠNG

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC

KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU KHOA HỌCCẤP TRƯỜNG

Tên đề tài: Phân tích cố kết nền đất yếu có gia cố bấc thấm xét đến độ cản

thấm dựa vào lý thuyết biến dạng lớn

Mã số đề tài: 20/1.2 XD03

Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Bá Phú

Đơn vị thực hiện: Khoa Kỹ thuật Xây dựng

Tp. Hồ Chí Minh, 03/2021

1

LỜI CÁM ƠN

Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban Giám hiệu, phòng Quản lý Khoa học và Hợp

tác Quốc tế, khoa Kỹ thuật Xây dựng của Trường Đại học Công nghiệp Tp. HCM đã tạo

mọi điều kiện thuận lợi để giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình thực hiện nghiên cứu và hoàn

thiện đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường này.

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quý Thầy trong Hội đồng nghiệm thu đã

giành thời gian quý báu để đọc và góp ý để tác giả có thể hoàn thành nội dung báo cáo đạt

chất lượng tốt hơn.

Cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã luôn khích lệ, động viên và giúp đỡ tác

giả trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu khoa học này.

Mặc dù đã cố gắng rất nhiều, nhưng vì thời gian và năng lực có hạn, do đó không

tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được sự thông cảm, và đóng góp ý kiến

của các nhà khoa học, của quý thầy cô, các cán bộ quản lý và các bạn đồng nghiệp.

Xin chân thành cảm ơn!

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 03 năm 2021

Tác giả

Nguyễn Bá Phú

2

PHẦN I. THÔNG TIN CHUNG

I. Thông tin tổng quát

1.1. Tên đề tài: Phân tích cố kết nền đất yếu có gia cố bấc thấm xét đến độ cản thấm

dựa vào lý thuyết biến dạng lớn

1.2. Mã số: 20/1.2 XD03

1.3. Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực hiện đề tài

TT

Họ và tên

(học hàm, học vị) Đơn vị công tác Vai trò thực hiện đề tài

1 TS. Nguyễn Bá Phú Khoa Kỹ thuật Xây

dựng, ĐHCN Tp.

HCM

Chủ nhiệm

2 Ths. Nguyễn Thị Phương Linh Khoa Kỹ thuật Xây

dựng, ĐHCN Tp.

HCM

Tham gia

1.4. Đơn vị chủ trì: Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Đại học Công Nghiệp Tp. HCM

1.5. Thời gian thực hiện:

1.5.1. Theo hợp đồng: từ tháng 3 năm 2020 đến tháng 3 năm 2021

1.5.2. Gia hạn (nếu có): không

1.5.3. Thực hiện thực tế: từ tháng 3 năm 2020 đến tháng 3 năm 2021

1.6. Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có): không

1.7. Tổng kinh phí được phê duyệt của đề tài: 50 triệu đồng.

II. Kết quả nghiên cứu

1. Đặt vấn đề

Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng tốc độ cố kết nền đất yếu có gia cố bấc thấm (Prefabricated

vertical drain-PVD) chịu ảnh hưởng trực tiếp tới khả năng thoát nước của bấc thấm. Tuy

nhiên, khả năng thoát nước của PVD thường giảm đáng kể theo chiều sâu cắm bấc thấm, và

giảm đáng kể theo thời gian cố kết do biến dạng của bấc, điều này dẫn đến làm chậm quá

trình cố kết trong nền. Ngoài ra, biến dạng lớn (large-strain) thường xảy ra ở các công trình

trên nền đất yếu có gia cố bấc thấm kết hợp với gia tải trước, đặc biệt trong điều kiện lớp đất

yếu có bề dày lớn, tính nén lún cao. Tuy nhiên, một số phương pháp dự báo lún trước đây

chưa xét đến những vấn đề này, điều này dẫn đến sai số trong dự báo lún và ứng xử cố kết

của nền đất yếu. Đề tài nghiên cứu này đề xuất lời giải phân tích cố kết thấm đối xứng trục

của khối đất trụ tròn có gia cố bấc thấm dựa vào lý thuyết biến dạng lớn. Trong lời giải đề

xuất có xét đến sự giảm khả năng thoát nước của bấc thấm theo chiều sâu cắm bấc và sự

thay đổi hệ số thấm, tính nén lún của đất yếu trong suốt quá trình cố kết. Tiếp theo, để kiểm

chứng khả năng sử dụng, lời giải đề xuất được áp dụng tính toán và phân tích ứng xử cố kết

của nền đất yếu của các công trình thực tế ở trong và ngoài nước. Qua đó đánh giá sự ảnh

hưởng của những thông số trong lời giải đề xuất đến quá trình dự báo lún. Hệ số thể hiện độ

giảm khả năng thoát nước của bấc thấm được kiến nghị để sử dụng trong tính toán thực tế

các công trình trên nền đất yếu có gia cố bấc thấm.

3

2. Mục tiêu

Thiết lập phương trình cố kết nền đất có gia cố bấc thấm xét đến khả năng thoát nước hữu

hạn (hay độ cản thấm) và ảnh hưởng của biến dạng lớn. Xây dựng một lời giải cố kết nền

đất có gia cố bấc thấm, trong đó có chứa các thông số liên quan đến sự giảm khả năng thoát

nước của bấc, hệ số rỗng của đất, chỉ số nén (chỉ số nở nếu là đất quá cố kết) và yếu tố biến

dạng lớn. Sau đó lời giải sẽ được sử dụng để phân tích đánh giá ứng sử cố kết các công trình

ở trong và ngoài nước.

3. Phương pháp nghiên cứu

Đề tài tập trung nghiên cứu lý thuyết cố kết của nền đất yếu với PVD với các nội dung

chính như sau:

- Nội dung 1: Nghiên cứu lý thuyết tổng quan về tình hình nghiên cứu của đề tài, sau đó

xác định mục tiêu cụ thể của nghiên cứu.

- Nội dung 2: Xây dựng lời giải cho sự cố kết dựa theo lý thuyết biến dạng lớn với khả

năng thoát nước hữu hạn của bấc thấm (độ cản thấm)

- Nội dung 3: Đánh giá các thông số trong lời giải đề xuất đến kết quả dự báo ứng xử cố

kết của đất nền có gia cố bấc thấm

- Nội dung 4: Áp dụng lời giải đề xuất trong tính toán cố kết nền đất yếu gia cố bấc thấm.

4. Tổng kết về kết quả nghiên cứu

Một số kết quả được rút ra trong quá trình nghiên cứu như sau:

- Kết quả 1: Xây dựng phương trình cố kết của đất nền với PVD có xét đến các yếu tố độ

cản thấm và biến dạng lớn như sau:

3 '

'

0 0 ' '

0 ' '

2 3

0

2ln10 log 1 v

ho v c

v v

vo v t

c we

k eC e

P

t C r eT

V

V

V V

V V

J

§ · ¨ ¸  

w © ¹ 

w

ở đây

3 '

2

2 0 0 '

0

2 4 '

2 3

00 0 '

0

2 '

'

0

2

2 log (1 ) 1 2

( 1) 3 1 log

log 1 1 1 1

1 ln

2 11

v

ho c

v

e t v

w c

v

v

c

v

o

keC en

n T

n r

nq e e e C

C

H

e

E

V

S

U V

V

V

V

D D V

DD D D



§ · ¨ ¸  

© ¹   § · ¨ ¸  

© ¹

§ · ¨ ¸ ­ ½ ° °   u   ¨ ¸ ® ¾

  ¨ ¸ ° ° ¯ ¿¨ ¸ © ¹

;

T là hệ số kể đến ảnh hưởng của độ cản thấm và các yếu tố khác như: sự xáo trộn của đất

nền do thi công bấc thấm, cố kết phi tuyến của đất nền.

4

- Kết quả 2: Đánh giá được mức độ ảnh hưởng đến quá trình cố kết theo độ lớn của khả

năng thoát nước của PVD. Cụ thể như Hình sau:

0

2

4

6

8

10

12

14

0 100 200 300 400 500

Thời gian (ngày)

TZ P\HDU

TZ P\HDU

TZ P\HDU

TZ = 10 m3/năm

TZ = 50 m3/năm

TZ = 100 m3/năm

( 0) ( 1) UU U D D ' 

% 

- Kết quả 3: Xây dựng mối quan hệ giữa độ cản thấm và thời gian cố kết như sau:

  3

3 ( ) ( ) 1 ln

1

h

h

a T

o

o

TaF n Lt Fn

D e

D



  § ·  ¨ ¸ © ¹ 

ở đây hệ số F(n) là hế số kể đến ảnh hưởng khoảng cách của bấc thấm như sau:

Fn n ( ) ln( ) 0.75 

ở đây, w / e ndd , với re và rw lần lượt là đường kính của vùng đất ảnh hưởng và đường

kính quy đổi của bấc thấm. Hệ số a3 được tính như sau:

2

3 3

4 e

h

r a A

C

ở đây, re là bán kính vùng ảnh hưởng (de/2), A3 là hệ số sử dụng đánh giá sự giảm khả năng

thoát nươc theo thời gian, giá trị A3 nằm trong phương trình thể hiện sự giảm khả năng thoát

nước theo thời gian như sau:

3

w w

A t

o q qe

ở đây qwo là khả năng thoát nước của bấc thấm tại thời điểm ban đầu (t = 0). Giá trị D 0 là hệ

số được trình bày như sau:

w

0 2 2

o o

h

q

k Hz z

P D

S 

ở đây, giá trị ln ln 0.75 h

o

s

n k

s

s k P   với w /s s dd , trong đó ds là đường kính vùng ảnh

hưởng xáo trộn đất do thi công bấc thấm. ks là hệ số thấm của đất trong vùng xáo trộn.

5

- Kết quả 4: Thiết lập phương trình dự báo lún với khả năng thoát nước hữu hạn như sau:

  ( )

3

1 8ln

1

1 exp o

final prediction S

aF n

D  F

§ · ª º § · ¨ ¸ « » ¨ ¸ © ¹  « »  « »

« »

© ¹ « » ¬ ¼

ở đây giá trị F được xác định dựa vào kết quả quan trắc độ lún trong một giai đoạn thi công,

được xác định như sau:

3

( )

3

1 8ln

1

1 exp

i

hi

t

a T

o

o

S

e

aF n

F

D

D

 § · ª º § ·  ¨ ¸ « » ¨ ¸ © ¹  

© ¹ ¬ ¼

ở đây ( )it S là độ lún quan trắc tại thời điểm ti. hi T là nhân tố thời gian, được xác định tại thời

điểm ti. Tác giả của bài báo này phân tích và khảo sát giá trị F , kết quả cho thấy giá trị F

thay đổi từ 0.86 đến 1.11. Cụ thể như Hình sau:















     

7KHYDOXHRI

2EVHUYDWH7LPH

0D[

$YHUDJHYDOXH

Thời gian (ngày)

Giá trị

F

5. Đánh giá các kết quả đã đạt được và kết luận

Đề tài phân tích cố kết nền đất yếu có gia cố bấc thấm, trong đó có xét đến sự thoát nước

hữu hạn của bấc thấm (độ cản thấm) và kết hợp xét đến ảnh hưởng của biến dạng lớn.

Từ một số kết quả thu được trong nghiên cứu này, có thể rút ra một số kết luận có khả

năng ứng dụng trong thực tiễn như sau:

- Sự giảm qw theo chiều sâu cắm PVD làm trì hoãn quá trình cố kết trong đất. Kết quả

này thể hiện rõ ràng hơn ở những độ sâu lớn hơn trong nền đất yếu.

- Khi chiều sâu cắm PVD lớn, sự khác biệt giữa các lời giải là đáng kể, với các trường

hợp nghiên cứu của bài báo này, lời giải giải tích có xem xét sự giảm phi tuyết quả

qw cho kết quả phù hợp với số liệu quan trắc hơn so với các lời giải còn lại. Do đó độ

giảm qw theo dạng phi tuyến (theo giá trị D ) cần được xác định qua các thí nghiệm

để xem xét trong tính toán thiết kế xử lý nền đất yếu bằng phương pháp PVD kết hợp

gia tải trước.

6

- Khi qw càng lớn, ảnh hưởng của sự giảm qw đến quá trình cố kết càng giảm. Trong

nghiên cứu này, kết quả cho thấy khi qw lớn hơn 100 m3

/ năm thì mức độ ảnh hưởng

đến quá trình cố kết là không đáng kể.

- Mối quan hệ phi tuyến giữa độ cản thấm với thời gian được đề xuất. Mối quan hệ này

cho kết quả dự báo về quy luật thay đổi độ cản thấm theo thời gian khá phù hợp khá

phù hợp với kết quả thí nghiệm.

– Phương pháp dự báo độ lún theo thời gian được đề xuất và cho kết quả dự báo khá

chính xác so với dữ liệu quan trắc thực tế.

– Kiến nghị sử dụng phương pháp dự báo lún đề xuất để dự báo lún cho công trình

đường trên nền đất yếu được gia cố bằng bấc thấm.

6. Tóm tắt kết quả (tiếng Việt và tiếng Anh)

Tóm tắt bằng tiếng Việt

Kết quả phân tích cho thấy rằng sự giảm phi tuyến theo chiều sâu của qw gây cản trở đáng kể

cho quá trình cố kết của đất nền, và kết quả này thể hiện rõ hơn ở độ sâu lớn hơn trong nền

đất yếu. Tuy nhiên, qw càng lớn thì sự ảnh hưởng này càng nhỏ. Lời giải giải tích được sử

dụng phân tích các công trình thực tế với trường hợp chiều dày lớp đất yếu lớn, kết quả cho

thấy rằng việc dự đoán ứng xử cố kết xét đến sự giảm phi tuyến của qw cho kết quả phù hợp

với dữ liệu quan trắc tại hiện trường. Tiếp theo của nghiên cứu là đề xuất một phương pháp

dự báo độ lún cho công trình đường trên nền đất yếu có gia cố bấc thấm, trong đó phương

trình dự báo lún được đề xuất dựa vào sự thay đổi độ cản thấm của bấc thấm theo thời gian.

Dựa vào lời giải giải tích, mối quan hệ giữa độ cản thấm với thời gian được đề xuất. Sau đó

mối quan hệ này sẽ được kiểm chứng qua kết quả của sự giảm khả năng thoát nước trong thí

nghiệm cụ thể. Trên cơ sở đó phương pháp dự báo độ lún và đường cong lún theo thời gian

sẽ được đề xuất và kiểm chứng bằng kết quả quan trắc hiện trường cho một công trình cụ

thể. Kết quả cho thấy rằng phương pháp dự báo lún đề xuất cho kết quả phù hợp với kết quả

quan trắc. Từ đó kiến nghị sử dụng phương pháp đề xuất để dự báo lún cho công trình

đường trên nền đất yếu được gia cố bằng bấc thấm.

Tóm tắt bằng tiếng Anh

The analysis results indicated that the consolidation of PVD-improved ground was

significantly delayed with nonlinear reduction of qw. This result was obvious at deep depth

in ground. The result also showed that when the qw increased, the effects of reduction of qw

with depth on consolidation behavior were insignificant. The analysis was performed on

field behavior of embankments on soft deposits with a thick soft ground. The results

obtained from the analytical solution considering the nonlinear reduction of qw were in good

agreement with the observed data. This study also proposes a new settlement prediction

method of PVD-improved soft soil ground, in which the equation of settlement prediction

method is proposed based on the time dependent well resistance. Based on an analytical

solution, a time factor-well resistance relationship is established. This relationship is then

verified through large sample consolidation test. The new method for settlement prediction

is proposed based on the time factor-well resistance relationship. The proposed method is

applied to a test embankment. The proposed method provided a good agreement with field

7

data. It is suggested that the proposed method in this study can be used to predict settlement

of PVD-improved ground under embankment.

III. Sản phẩm đề tài, công bố và kết quả đào tạo

Kết quả nghiên cứu (sản phẩm dạng 1, 2, 3)

Sản phẩm đề tài thuộc dạng 3 (bài báo/báo cáo khoa học)

TT Tên sản phẩm

Yêu cầu khoa học hoặc/và chỉ tiêu

kinh tế - kỹ thuật

Đăng ký Đạt được

1 Dự báo độ lún cho nền đất

yếu gia cố bấc thấm với sự

cản thấm theo thời gian

IUH IUH

2 Vertical Stress distribution

on stiffened deep cement

mixing column under

embankment load

SCOPUS SCOPUS

3 Phân tích ứng xử cố kết

nền đất yếu gia cố PVD có

xét đến sự giảm khả năng

thoát nước phi tuyến theo

chiều sâu

Không đăng ký Tạp chí NUCE

Ghi chú:

- Các ấn phẩm khoa học (bài báo, báo cáo KH, sách chuyên khảo…) chỉ được chấp

nhận nếu có ghi nhận địa chỉ và cảm ơn trường ĐH Công Nghiệp Tp. HCM đã cấp kính phí

thực hiện nghiên cứu theo đúng quy định.

- Các ấn phẩm (bản photo) đính kèm trong phần phụ lục minh chứng ở cuối báo cáo.

(đối với ấn phẩm là sách, giáo trình cần có bản photo trang bìa, trang chính và trang cuối

kèm thông tin quyết định và số hiệu xuất bản)

IV. Tình hình sử dụng kinh phí

T

T Nội dung chi

Kinh phí

được duyệt

(triệu đồng)

Kinh phí

thực hiện

(triệu đồng)

Ghi

chú

A Chi phí trực tiếp

1 Công lao động 49.1104 49.1104

2 Thuê khoán chuyên môn

3 Nguyên, nhiên vật liệu, cây con..

4 Thiết bị, dụng cụ

5 Công tác phí

6 Dịch vụ thuê ngoài

7 Hội nghị, hội thảo,thù lao nghiệm thu giữa kỳ

8 In ấn, Văn phòng phẩm

8

9 Chi phí khác 0.8896 0.8896

B Chi phí gián tiếp

1 Quản lý phí

2 Chi phí điện, nước

Tổng số 50 50

V. Kiến nghị (về phát triển các kết quả nghiên cứu của đề tài)

Kết quả nghiên cứu của đề tài là một số lời giải và phương pháp dự báo lún có xét đến các

yếu tố như độ cản thấm, sự xáo trộn của đất, biến dạng lớn nên được vận dụng trong các giai

đoạn thiết kế nhằm tăng sự chính xác trong dự báo lún nhằm giảm thiểu lún dư trong giai

đoạn khai thác của công trình.

VI. Phụ lục sản phẩm (liệt kê minh chứng các sản phẩm nêu ở Phần III)

Sản phẩm của đề tài nghiên cứu thuộc dạng bài báo và được liệt kê ở Phần III. Cụ thể các

bài báo như sau:

1) Nguyễn Bá Phú và Nguyễn Quang Dũng (2020) “Dự báo độ lún cho nền đất yếu gia cố

bấc thấm với sự cản thấm theo thời gian” Tạp chí Khoa học và Công nghệ - Trường

Đại học Công nghiệp TP.HCM

2) Nguyễn Bá Phú (2020) “Phân tích ứng xử cố kết nền đất yếu gia cố PVD có xét đến sự

giảm khả năng thoát nước phi tuyến theo chiều sâu” Tạp Chí Khoa Học Công Nghệ

Xây Dựng (KHCNXD) - ĐHXD, 14(3V), 84-92.

3) Nguyen, B-P., Doan, N-P., Yun, DH and Kim Y-T. (2021) “Vertical Stress distribution

on stiffened deep cement mixing column under embankment load” Lecture Notes in

Civil Engineering 126: 825-832. (SCOPUS)

Tp. HCM, ngày 19 tháng 3 năm 2021

Chủ nhiệm đề tài Phòng QLKH&HTQT (ĐƠN VỊ)

Trưởng (đơn vị)

(Họ tên, chữ ký)

9

PHẦN II. BÁO CÁO CHI TIẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

(báo cáo tổng kết sau khi nghiệm thu, đã bao gồm nội dung góp ý của hội đồng nghiệm thu)