Phương pháp rời rạc mới để tính toán cố kết của bấc thấm gia tải kết hợp bơm chân không

2020

Phương pháp rời rạc mới để

Tính toán cố kết của bấc thấm gia tải

Kết hợp bơm chân không

Nguyễn Trọng Nghĩa

Phương pháp rời rạc mới đề tính toán cố kết bấc thấm gia tải kết hợp bơm chân không.

Trang 53

MỤC LỤC

1 GIỚI THIỆU .........................................................................................................................................................2

1.1 Yêu cầu cấp thiết của nghiên cứu ......................................................................................................................2

1.2 Mục tiêu của nghiên cứu ....................................................................................................................................3

1.3 Phạm vi nghiên cứu............................................................................................................................................3

2 TỔNG QUANG NGHIÊN CỨU HIỆN NAY .....................................................................................................5

2.1 Các khái niệm cơ bản.........................................................................................................................................5

2.2 Các phương pháp giải tích thông dụng ..............................................................................................................8

3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU......................................................................................................................29

3.1 Xây dựng phương trình rời rạc.........................................................................................................................29

4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.............................................................................................................................38

4.1 So sánh kết quả đạt được với các lời giải giải tích truyền thống......................................................................38

4.2 So sánh kết quả của phương pháp giải tích biến đổi Laplace của Geng và các cộng sự (2012).......................41

4.3 Kiểm tra một trường hợp thực tế (real case study)...........................................................................................43

5 KẾT LUẬN..........................................................................................................................................................49

6 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................................................................50

Phương pháp rời rạc mới đề tính toán cố kết bấc thấm gia tải kết hợp bơm chân không.

Trang 1

PHƯƠNG PHÁP RỜI RẠC MỚI ĐỂ TÍNH TOÁN CỐ KẾT BẤC THẤM GIA TẢI

KẾT HỢP BƠM CHÂN KHÔNG

A NEW DISCRETE METHOD FOR SOLUTION TO CONSOLIDATION

PROBLEM OF GROUND WITH VERTICAL DRAINS SUBJECTED TO

SURCHARGE AND VACUUM LOADINGS

Ths Nguyễn Trọng Nghĩa

TÓM TẮT

Báo cáo này trình bày một phương pháp rời rạc mới để dự đoán áp lực nước lỗ

rỗng thặng dư và mức độ cố kết của đất yếu sử dụng bấc thấm chịu gia tải phụ thuộc theo

thời gian dưới điều kiện bơm hút chân không và nền đất gồm nhiều lớp. bấc thấm được

chia nhỏ thành một số điểm nút qua đó áp lực nước lỗ rổng thặng dư có thể tính được.

Phương pháp biến đổi Laplace được sử dụng để giải bài toán giải tích. Phương pháp đề

xuất này được kiểm nghiệm với các nghiên cứu trước có trong phần tổng quang. Hơn nửa,

số liệu đo hiện trường được sử dụng để kiểm tra độ chính xác của phương pháp đề xuất

bằng một case-history của xử lý nền đất bằng biện pháp bấc thấm kết hợp gia tải và bơn

hút chât không. So sánh với các nghiên cứu trước, phương pháp rời rạc mới này đơn giản

dể ứng dụng vào các sheet tính toán và đạt được kết quả yêu cầu với thời gian ngắn hơn

cho bài toán cố kết tương tự. Hơn nửa, phương pháp này còn kết hợp bài toán nhiều lớp

đất, bài toán này rất khó giải được bằng các biện pháp giải tích thông thường. Theo quan

điểm cá nhân tác giả, bài toán rời rạc này là lần đầu tiên áp dụng cho bài toán bấc thấm

bằng cách sử dụng biến đổi Laplace.

Từ khóa: Điều kiện biên phức tạp, phương pháp rời rạc, nhiều lớp đất, phụ thuộc

thời gian, cố kết chân không, bấc thấm.

ABSTRACT

This research aims to present a new discrete method to predict average excess pore

pressure and degree of consolidation for soft ground using prefabricated vertical drains

under time-dependent surcharge and/or vacuum loading and multi-soil layers. The drain is

discretized into a number of mesh points at which the average excess pore pressure is

estimated. The conventional Laplace technique is used to solve the analytical equations.

The proposed method is validated with previous findings reported in the literature.

Moreover, field measurements are used to verify the accuracy of the proposed method with

a case history of ground improvement by prefabricated vertical drains using the vacuum

consolidation technique. In comparison to past studies, this new discrete method is simpler

to be implemented in a spreadsheet calculation to achieve a rational solution with less

computational time for similar consolidation problems. Moreover, the current approach

also incorporates a solution for multi-soil layers, which can hardly be derived by analytical

solutions. According to authors’ knowledge, this is the first-time discrete method by

Laplace transform technique is applied for the vertical drain.

Keywords: Complex boundary conditions, Discrete method, Multi-soil layers,

Time-dependent loading, Vacuum consolidation, Vertical drains

Phương pháp rời rạc mới đề tính toán cố kết bấc thấm gia tải kết hợp bơm chân không.

Trang 2

1 GIỚI THIỆU

1.1 Yêu cầu cấp thiết của nghiên cứu

Bấc thấm được sử dụng khá rộng rãi trên thế giới để nhằm xữ lý nền đất yếu bằng biện pháp

cố kết trước. Biện pháp này giảm chiều dài thấm bằng cách thúc đẩy sự thấm ngang của nền

đất yếu vào các bấc thấm và từ đó nước trong nền đất được các bấc thấm rút lên trên mặt đất.

để gia tăng cố kết (Hình 1 và 2), Gia tải trước là cát đắp được sử dụng và thông thường tải

trọng gia tải trước này lớn hơn so với tải trọng sử dụng của công trình. Nền đất dưới áp lực

của gia tải trước sẽ nhanh chóng cố kết bằng cách lún xuống và thoát nước ra ngoài thông qua

các bấc thấm. Kết thúc giai đoạn cố kết là giai đoạn dở tải (removal) trong đó tải trọng gia tải

trước thông thường là cát đắp được dời đi để nền đất trở về đúng với cao độ thiết kế. Tiếp

theo là thi công các công trình như đường hoặc bến bãi trên nền đất đã xử lý này. Ý tưởng của

việc xử lý cố kết trước nhằm tăng các tính chất cơ lý của nền đất và giảm độ lún dư của công

trình về sau. Thông qua việc cố kết trước có thể giảm được các rủi ro gây phá hoại công trình.

Bấc thấm được sử dụng khá rộng rãi trên thế giới và ngay cả ở Việt Nam bấc thấm được sử

dụng rất nhiều công trình xây dựng như cao tốc Long Thành-Dầu Dây, Đại Lộ Võ Văn Kiệt,

Cảng Sài Gòn- Hiệp Phước, Cảng Container SITV, Cảng quốc tế Cái Mép Thị Vải

CMIT..v.v.

Xử lý nền bằng biện pháp gia tải trước trở nên rất phố biến tại Việt Nam, tuy nhiên gia tải

trước bằng cát đắp (hiện nay trở nên khan hiếm do việc khai thác quá mức) trở nên rất tốn

kém và gây nguy hại đến môi trường. Biện pháp thay thế có thể là sử dụng bơm hút chân

không. Biện pháp này sử dụng áp lực chân không nhằm thay thế cho một lượng cát đắp nhất

định. Hơn nửa, Nếu so sánh với các biện pháp cố kết thông thường thì biện pháp này có thể

giảm thời gian cố kết đi nhiều hơn. Rất nhiều dự án tại Việt Nam hiện nay đang sử dụng biện

pháp này như biện pháp thay thế. Ý tưởng của biện pháp này rất đơn giản: bằng cách sử dụng

các bơm chân không có thể tạo nên áp lực âm trong nền đất và từ đó có thể rút nhanh nước

trong nền đất ra ngoài. Biện pháp bơm chân không hiện nay có 2 phương pháp thi công:

Phương pháp đầu tiên là sử dụng màng nhựa (membrane) poly-etylen có mật độ cao-HDPE để

tạo nên một lớp màng ngăn thất thoát khí, Phương pháp thứ hai là không sử dụng màng

(membraneless) có nghĩa là các bấc thấm có gắn các ống nối và được nối thông qua hệ thống

ống vào trong máy bơm chân không (Hình 3). Cả hai phương pháp này đều rất hiệu quả trong

việc xử lý nền đất và trở nên khá phổ biến hiện nay.

Tính toán cố kết của nền đất yếu là một công việc rất quan trọng đòi hỏi sự hiểu biết về kỹ

thuật xử lý của các kỹ sư để đảm bảo yêu cầu an toàn và tiết kệm của công trình xây dựng.

Tuy nhiên việc tính toán này không hề đơn giản vì bài toán cố kết rất phức tạp đặc biệt với tải

trọng thay đổi theo thời gian và điều kiện biên phức tạp. Trong điều kiện áp lực chân không,

đã gây ra vô cùng khó khăn vì các phương pháp tính toán truyền thống không tích hợp điều

kiện chân không. Đối với trường hợp áp lực chân không, hiện nay phương pháp tính toán đơn

giản là giả định một áp lực tương đương bằng gia tải lên trên nền đất. Việc giả định này lại vô

tình gây nên thiếu chính xác trong việc dự đoán áp lực nước lỗ rỗng và mức độ cố kết. Kết

quả có thể dẫn đến việc gia tăng độ lún dư của công trình hoặc xử lý quá mức cần thiết. Các

biện pháp hợp lý nhất để có thể tính toán bao gồm phương pháp giải tích của Geng và các

cộng sự (2012) hoặc phương pháp phần tử hữu hạn trên nền tảng chương trình ABAQUS của

Rujikiatkamjorn và Indraratna (2008). Tuy nhiên, phương pháp giải tích của Geng và các

cộng sự (2012) lại quá phức tạp và phương pháp phần tử hữu hạn của Rujikiatkamjorn và

Indraratna (2008) lại rất cần mô hình và kiểm soát các thông số đầu vào rất mất thời gian. Các

phương pháp này hầu như khó áp dụng thực tế trong thiết kế cho các kỹ sư vì các kỹ sư cần

biện pháp hữu hiệu và đơn giản để có thể sử dụng. Chính vì nhu cầu cần thiết này mà nghiên

cứu đã đề xuất một biện pháp rời rạc mới có thể dể dàng tích hợp vào trong các sheet tính

toán thông dụng của kỹ sư và có thể dể dàng dự đoán được sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng

cũng như mức độ cố kết của công trình.

Phương pháp rời rạc mới đề tính toán cố kết bấc thấm gia tải kết hợp bơm chân không.

Trang 3

1.2 Mục tiêu của nghiên cứu

Như trình bày trong phần trên, mục tiêu nghiên cứu này nhằm giúp xây dựng biện

pháp tính toán hữu hiệu hơn các phương pháp sẳn có trước đây nhằm giúp hổ trợ tích

cực cho công tác thiết kế cũng như kiểm tra của các kỹ sư. Dựa trên mục tiêu cơ bản

này, nghiên cứu có thể chia thành các mục tiêu nhỏ như sau:

1- Đánh giá tổng quát ưu nhược điểm của các phương pháp tính toán đã có sẳn.

2- Nghiên cứu phương pháp tính toán rời rạc mới bằng cách áp dụng phương pháp

sai phân bậc 4 và kết hợp biến đổi Laplace.

3- Giải quyết bài toán và tìm cách đơn giản dể dàng ứng dụng.

4- Bài toán giải được phải đảm bảo ưu việt hơn các phương pháp trước đậy về độ

tin cậy, tốc độ tính toán và có thể giải được các điều kiện phức tạp như tải trọng

thay đổi theo thời gian và nền đất bao gồm nhiều lớp.

5- Nghiên cứu phải có công bố quốc tế với yêu cầu phải có tạp chí trong danh mục

ISI và làm seminar cấp khoa để trao đổi học thuật.

6- Báo cáo tổng kết các kinh nghiệm học thuật cần được tiến hành để tóm tắt các

thành quả đạt được trong quá trình nghiên cứu và những bài học kinh nghiệm

rút ra trong quá trình thực hiện.

1.3 Phạm vi nghiên cứu

Dự trên phần 1.1 yêu cầu cấp thiết của nghiên cứu và 1.2 là mục tiêu của nghiên cứu

đã trình bày trên có thể dể dàng nhận thấy đối tượng và phạm vi của nghiên cứu này

như sau:

1- Đối tượng chính của nghiên cứu là bài toán kỹ thuật xữ lý nền đất có liên quan

mật thiết đến các công trình xây dựng

2- Cụ thể hơn, là phương pháp kết hợp giải tích, sai phân và biến đổi Laplace được

kết hợp để tạo thành một phương pháp rời rạc mới.

3- Phương pháp rời rạc mới này lại được áp dụng ngay vào bài toán cố kết của bấc

thấm gia tải có thể có bơm hút chân không.

4- Ngoài ra nghiên cứu này do yêu cầu công bố quốc tế nên phạm vi nghiên cứu

cũng không dừng ở các bài toán trong nước mà có thể sử dụng các công bố

quốc tế và kết quả có thể sử dụng rộng rãi trên thế giới.