Nghiên cứu mô hình số cho bài toán giếng điểm cố kết chân không
Trên cơ sở phân tích, so sánh kết quả của hai
mô hình số có đặc tính thấm khác nhau với số liệu
quan trắc của công trình giếng điểm chân không gia
cố nền đất yếu, bài báo đưa ra một số kết luận như
sau:
- Có thể sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn
để mô hình các công trình dùng giếng điểm chân
không kết hợp với gia tải mặt đất để gia cố nền đất
yếu;
- Khi sử dụng thuộc tính thấm là của đất bão hòa
thì kết quả độ lún tính toán lớn hơn so với quan
trắc. Tính chính xác của mô hình sẽ cải thiện đáng
kể khi sử dụng thuộc tính thấm là của đất không
bão hòa.
8 trang |
Chia sẻ: huongthu9 | Lượt xem: 554 | Lượt tải: 0
Bạn đang xem nội dung tài liệu Nghiên cứu mô hình số cho bài toán giếng điểm cố kết chân không, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA
68 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1,2/2018
NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH SỐ CHO BÀI TOÁN GIẾNG ĐIỂM
CỐ KẾT CHÂN KHÔNG
TS. VŨ VĂN TUẤN
Học viện Kỹ thuật Quân sự
Tóm tắt: Rất nhiều các công trình nghiên cứu đã
khẳng định phương pháp phần tử hữu hạn là một
công cụ đắc lực để mô phỏng các bài toán về cố
kết chân không. Trong khi các mô phỏng số về cố
kết chân không kết hợp với bấc thấm (PVD) rất
nhiều, thì các mô phỏng số về cố kết bằng giếng
hút chân không kết hợp với gia tải mặt đất là rất
hiếm gặp. Trên cơ sở phân tích, so sánh kết quả
của hai mô hình số có đặc tính thấm khác nhau với
số liệu quan trắc của một công trình thực tế. Bài
báo sẽ đưa ra một số kết luận chủ yếu về sử dụng
phương pháp PTHH để mô hình hàng giếng điểm
chân không kết hợp với gia tải mặt đất trong gia cố
nền đất yếu.
Từ khóa: Đất yếu, gia tải chân không, giếng
điểm, mô hình phần tử hữu hạn.
Abstract: Numerous studies have confirmed that
the finite element method is an effective tool for
simulating the vacuum pre-loading. While the
numerical simulations of vacuum preloading
combined with prefabricated vertical drains (PVD)
are numerous, the numerical simulations
of vacuum wellpoints combined with the surcharge
load are very rare. Based on the comparison
between the results of two numerical models which
have different permeability characteristics with the
field data, some important conclusions about using
the finite element method to simulate the vacuum
wellpoints combined with the surcharge load would
be drawn in this paper.
Keywords: Soft ground, vacuum preloading,
vacuum wellpoint, finite element method.
1. Mở đầu
Được W. Kjellman [6] giới thiệu vào năm 1952,
cố kết chân không kết hợp gia tải trước so với các
phương pháp truyền thống (gia tải trước, gia tải
trước kết hợp với bấc thấm) đã cho thấy các ưu
điểm vượt trội như: rút ngắn được thời gian thi
công, giảm được khối lượng gia tải trước, tiết kiệm,
không gây ô nhiễm môi trường, Điều này khẳng
định lý do mà phương pháp này được sử dụng rộng
rãi trên thế giới.
Tại Việt Nam, hơn một thập kỷ trở lại đây,
phương pháp cố kết chân không cũng đã được áp
dụng. Ngoài một số đơn vị đã ghi tên mình vào lĩnh
vực xử lý nền bằng phương pháp bơm hút chân
không thì việc thiết kế và thi công chủ yếu vẫn do
các đơn vị nước ngoài đảm nhiệm. Với lý do đó,
việc nghiên cứu thêm về phương pháp này để áp
dụng tại nước ta là vô cùng cần thiết.
Cơ sở lý thuyết tính toán cố kết chân không hầu
hết đều xuất phát từ lý thuyết cố kết thấm. Với một
đơn nguyên giếng điểm chân không có thể coi giống
như một đơn nguyên PVD: cố kết hướng tâm. Do
vậy có thể dùng phương pháp giải tích và phương
pháp phần tử hữu hạn để tính toán. Tuy nhiên ngoài
thực tế, việc bố trí của giếng thường theo hàng nên
việc tính toán bằng phương pháp giải tích là khá
khó khăn do sơ đồ cố kết phức tạp.
Phương pháp phần tử hữu hạn là một công cụ
đắc lực để mô phỏng các bài toán về cố kết chân
không. Rất nhiều các công trình nghiên cứu đã
khẳng định điều đó [1-5, 7-15]. Có thể thấy rằng,
các mô phỏng về cố kết chân không kết hợp với bấc
thấm (PVD) rất nhiều, nhưng các mô phỏng về cố
kết bằng giếng hút chân không là rất hiếm. Tác giả
Vu and Yang [14] cũng đã tiến hành thí nghiệm một
đơn nguyên giếng điểm trong phòng thí nghiệm và
xây dựng mô hình số mô phỏng. Tuy nhiên vẫn
chưa tiến hành mô phỏng cho công trình thực tế
ngoài hiện trường.
Trên cơ sở phân tích, so sánh kết quả của hai
mô hình số có đặc tính thấm khác nhau với số liệu
quan trắc của công trình đường Thẩm Giang –
Thành phố Thượng Hải – Trung Quốc. Bài báo sẽ
đưa ra một số kết luận chủ yếu về sử dụng phương
pháp PTHH để mô hình hàng giếng điểm chân
không kết hợp với gia tải mặt đất trong gia cố nền
đất yếu.
ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA
Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1,2/2018 69
2. Giới thiệu công trình
Vì Việt Nam chưa có công trình nào áp dụng
phương pháp giếng điểm chân không kết hợp với
gia tải trước nên công trình dùng để thử nghiệm số
sẽ được sưu tầm từ các quốc gia khác. Cụ thể ở
đây là công trình đường Thẩm Giang – Thành phố
Thượng Hải – Trung Quốc [16].
2.1 Điều kiện địa chất
Hình 1. Địa tầng khu vực xây dựng [16]
Bảng 1. Chỉ tiêu cơ lý đất nền
Số hiệu Tên gọi e
Độ ẩm
%
Dung
trọng
γ (kN/m3)
Hệ số
nén lún
a1-2
Mô đun
biến
dạng
Es (Mpa)
Hệ số
thấm
k (m/ngđ)
Tham số sức
chống cắt
Cường độ
chịu tải
Kpa φ (deg) C (Kpa)
(1) Đất lấp 1.05 34.4 18.0
(2)1 Sét bột màu vàng 0.75 26.2 19.7 0.30 5.82 0.00132 16.0 29.0 110
(2)2 Sét bột màu xám vàng 1.07 39.2 18.1 0.55 3.09 0.00144 14.0 18.0 85
(3)1 Bùn sét mầu xám 1.27 45.7 17.5 1.04 2.37 0.00506 14.0 15.0 65
(3)2 Cát bột mầu xám 0.92 32.8 18.7 0.33 8.52 0.0591 29.0 9.0 90
(3)3 Bùn sét bột xám 1.23 43.0 17.6 0.89 2.6 17.0 14.0 65
(4) Bùn sét mầu xám 1.42 50.7 17.1 1.12 2.23 12.0 13.5 65
Điều kiện địa chất tại khu vực thuộc loại trầm
tích hồ, cấu trúc địa chất tương đối ổn định, địa tầng
khu vực thay đổi không nhiều. Tại vị trí xây dựng
gồm các lớp đất như hình 1, cụ thể chỉ tiêu của các
lớp đất như bảng 1 thể hiện.
2.2 Phương án gia cố
Mặt bằng và quy trình gia cố xử lý nền bằng
giếng điểm kết hợp với gia tải trước được trình bày
trong hình 2.
ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA
70 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1,2/2018
Hình 2. Mặt bằng (a), mặt cắt II (b) phương án thi công giếng điểm và đắp tải trước [16]
Phương án gia cố (hình 2) tiến hành theo các
công đoạn sau:
- Thi công 3 hàng giếng điểm chân không sâu
7,5m; khoảng cách các giếng là 1,2m (thông
thường đường kính ngoài của giếng 219,
ống lõi bên trong 3855, bên ngoài ống lõi
là cát thô, sát mặt đất sẽ bịt bằng sét). Dự
kiến tiến hành hút nước trong 3 tháng;
- Thi công tường sét ngăn nước xung quanh
khu vực hút nước, chiều sâu tường sét là
8,03 m;
- Đắp đất giai đoạn 1 cao 2,6m rộng 27,5m
trong 3 tháng; đắp đất giai đoạn 2 cao 1,5m
rộng 22,5m.
Quy trình thi công và tiến hành gia cố xử lý trình
bày trong bảng 2.
Bảng 2. Quy trình thi công và xử lý [16]
Dự kiến hút nước Kế hoạch Thực tế Thực tế/Kế hoạch
Thời gian 3 tháng 134 ngày 150%
Đắp giai đoạn 1 Khối lượng Cao 2.6m, rộng 27.5m Cao 2.25m, rộng 22.5m 79%
Thời gian 3 tháng 56 ngày 62%
Đắp giai đoạn 2 Khối lượng Cao 1.5m, rộng 22.5m 0 0
Thời gian 3 tháng
3. Xây dựng mô hình phân tích số
Theo công trình nghiên cứu trước đây của chính
tác giả. Sự sai khác của mô hình không gian và mô
hình phẳng trong mô phỏng bài toán hàng giếng
điểm chân không là không đáng kể. Vì vậy, bài báo
này sử dụng mô hình phẳng và dùng phần mềm
GeoStudio 2007 để xây dựng mô hình số bài toán.
GeoStudio 2007 là phần mềm gồm nhiều mô
đun và có thể hỗ trợ lẫn nhau trong quá trình tính
toán. Đối với bài toán cố kết thấm sẽ khai báo trên
mô đun SIGMA/W với kiểu phân tích Coupled
Stress/PWP. Với kiểu phân tích này ngoài các tham
số phục vụ cho phân tích ứng suất – biến dạng như
dung trọng γ, mô đun biến dạng Es, φ và c thì các
tham số phục vụ cho phân tích cố kết như hệ số
thấm k cũng sẽ được nhập vào trong phần khai báo
vật liệu. Tuy vậy, các thông số ban đầu của bài toán
vẫn dùng kiểu phân tích Insitu.
(a)
(b)
ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA
Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1,2/2018 71
Mô hình 1: Sử dụng mô hình đối xứng để giảm
khối lượng tính toán (hình 3). Biên trái là tường
chắn nên sử dụng biên không thấm và chuyển vị
khống chế theo phương ngang. Biên phải là giếng
điểm chân không và cũng là mặt đối xứng, chuyển
vị ngang bằng không và cũng là biên không thấm.
Chiều sâu vùng khảo sát là 14m. Áp lực nước lỗ
rỗng tại biên giếng -100kPa bằng với áp lực chân
không. Tải mặt đất được khai báo như hình 4.
Trước khi thi công mặt đất có rải vải địa chống rò
khí nên mặt đất có thể coi là biên không thấm. Mực
nước ngầm được giả thiết xuất hiện tại đỉnh của lớp
21 (do không có số liệu nên giả thiết được dựa trên
so sánh độ bão hòa của các lớp đất).
Mô hình 2: Theo tác giả Vu and Yang [14], trong
quá trình gia tải chân không vì nhiều lý do khác
nhau (có thể đất nền khu vực chưa thực sự bão hòa
hoặc áp lực nước lỗ rỗng âm giống như đất không
bão hòa) nên cách hợp lý nhất để tăng tính chính
xác của mô hình dự đoán là giả thiết tính thấm của
đất giống với tính thấm của đất không bão hòa: hệ
số thấm thay đổi theo giá trị âm của áp lực nước lỗ
rỗng. Để kiểm nghiệm điều này trong mô hình 2 mọi
tham số giống với mô hình 1. Tuy nhiên tính thấm
của đất sẽ được giả thiết là giống như của đất
không bão hòa và biến thiên theo áp lực âm của
nước lỗ rỗng.
Hình 3. Mô hình bài toán
GeoStudio 2007 hỗ trợ ba loại hàm (tương
đương với ba công thức thực nghiệm) để xác
định sự biến thiên của hệ số thấm theo áp lực
hút âm của nước lỗ rỗng. Bài báo sẽ chọn
phương pháp của Van Genuchten để xác định
sự biến thiên của hệ số thấm. Các thông số cần
thiết như: độ ẩm (Vol. Water Content Fn), hàm
lượng nước dư (Residual Water Content), phạm
vi lực hút (Suction Range) đều được giả thiết.
Riêng tham số hệ số thấm trong điều kiện bão
hòa được lấy chính xác với giá trị thí nghiệm.
Kết quả về sự thay đổi của hệ số thấm theo áp
lực nước lỗ rỗng âm đối với từng lớp đất được
thể hiện trên hình 5.
Hình 4. Tải trọng mặt đất
ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA
72 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1,2/2018
Hình 5. Biến thiên của hệ số thấm theo áp lực nước lỗ rỗng âm
4. Phân tích kết quả
Hình 6. Kết quả tính lún bằng mô hình số và thực tế quan trắc tại khu vực phân cách
Hình 6 thể hiện kết quả tính lún của các mô hình
số và thực tế quan trắc tại khu vực phân cách. Có
thể thấy mô hình 2 cho kết quả gần hơn với số liệu
thực tế trong khi đó mô hình 1 cho trị số lớn hơn.
Việc mô hình 1 có kết quả lún cao hơn so với thực
tế điều này cũng phản ánh đúng thực trạng chung
của việc dùng mô hình số để dự báo cho cố kết
chân không. Có rất nhiều tác giả đã lý giải điều này
bằng cách xét đến việc giảm hiệu quả của giếng
thoát nước hay gán một lớp đất không bão hòa tại
biên giếng,...
Hình 7a thể hiện kết quả tính toán lún mặt đất
của 2 mô hình số. Có thể nhận thấy lún mặt đất có
thể chia làm 2 giai đoạn: giai đoạn 1 từ lúc bắt đầu
đến 77 ngày, giai đoạn 2 bắt đầu từ ngày thứ 78. Ở
giai đoạn đầu không có tải trọng mặt đất, chỉ hút
chân không nên giá trị lún lớn nhất tại vị trí giếng
chân không, giá trị lún nhỏ nhất tại điểm giữa của 2
hàng giếng. Điều này có thể lý giải là khi hút chân
không, áp lực nước lỗ rỗng giảm nhanh quanh khu
vực giếng (hình 7b), ứng suất hữu hiệu tăng lên làm
lún tại quanh khu vực giếng cao hơn so với các vị trí
khác. Tuy nhiên ở cuối của giai đoạn 2, khi có sự
chất tải và quá trình cố kết diễn ra đáng kể thì
ngược lại, ứng suất hữu hiệu tại các điểm giữa của
2 hàng giếng tăng nhiều hơn và lún tại các điểm này
là lớn nhất.
ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA
Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1,2/2018 73
(a) (b)
Hình 7. Lún mặt đất (a) và áp lực nước lỗ rỗng ở độ sâu 3,4m của mô hình số tại mặt cắt A (b)
Hình 7b cho thấy áp lực nước lỗ rỗng tại mô
hình 1 giảm nhanh hơn ở mô hình 2. Như vậy khi
coi đất có đặc tính thấm của đất không bão hòa
trong quá trình cố kết chân không thì áp lực nước lỗ
rỗng sẽ tiêu tán chậm hơn và cho kết quả phù hợp
hơn với thực tế.
Hình 8 thể hiện phân bố áp lực nước theo
chiều sâu tại mặt cắt B. Có thể thấy: từ cao độ 7m
đến 6,5m áp lực nước lỗ rỗng giảm khá nhanh.
Đây là do tầng đất cát bột này có hệ số thấm lớn
nên nước sẽ thoát ra nhanh hơn so với các tầng
khác.
So sánh áp lực nước lỗ rỗng tại ngày thứ 77 và
ngày thứ 78 còn thấy có sự nhảy vọt về trị số
(~40.5kPa). Có thể thấy do tải trọng mặt đất được
khai báo là tải trọng tức thời và yếu tố này chứng tỏ
rằng phần mềm đã mô phỏng khá chính xác đặc
điểm của quá trình chất tải.
ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA
74 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1,2/2018
Mô hình 1 Mô hình 2 Giá trị ban đầu
Hình 8. Áp lực nước lỗ rỗng theo chiều sâu tại mặt cắt B
5. Kết luận
Trên cơ sở phân tích, so sánh kết quả của hai
mô hình số có đặc tính thấm khác nhau với số liệu
quan trắc của công trình giếng điểm chân không gia
cố nền đất yếu, bài báo đưa ra một số kết luận như
sau:
- Có thể sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn
để mô hình các công trình dùng giếng điểm chân
không kết hợp với gia tải mặt đất để gia cố nền đất
yếu;
- Khi sử dụng thuộc tính thấm là của đất bão hòa
thì kết quả độ lún tính toán lớn hơn so với quan
trắc. Tính chính xác của mô hình sẽ cải thiện đáng
kể khi sử dụng thuộc tính thấm là của đất không
bão hòa.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Chai JC, et al. (2009). "Optimum PVD installation
depth for two-way drainage deposit". Geomechanics
and Engineering, 1 (3), pp 179-192.
[2] Chai Jinchun, Bergado Dennes T., and Shen Shui-
Long (2013). "Modelling prefabricated vertical drain
improved ground in plane strain analysis". Ground
Improvement: Proceedings of the Institution of Civil
Engineers, 166 (2), pp 65-77.
[3] Duong Ngo Trung, Teparaksa Wanchai, and Tanaka
Hiroyuki (2012). "Simulation vacuum preloading
method by Tri-Axial apparatus". International Journal
of Geosciences, 3 (1), pp 211-221.
[4] Ghandeharioon Ali, Indraratna Buddhima, and
Rujikiatkamjorn Cholachat (2011). "Laboratory and
finite-element investigation of soil disturbance
associated with the installation of mandrel-driven
prefabricated vertical drains". Journal of Geotechnical
and Geoenvironmental Engineering, 138 (3), pp 295-
308.
[5] Indraratna Buddhima and Redana IW (2000).
"Numerical modeling of vertical drains with smear and
well resistance installed in soft clay". Canadian
Geotechnical Journal, 37 (1), pp 132-145.
[6] Kjellmann W (1952). "Consolidation of clay soil by
means of atmospheric pressure". In Proceedings on
Soil Stabilization Conference. Boston, U.S.A.
[7] Le Gia Lam, Bergado D.T , and Takenori Hino (2015).
"PVD improvement of soft Bangkok clay with and
without vacuum preloading using analytical and
numerical analyses". Geotextiles and Geomembranes,
43 (6), pp 547-557.
[8] Ong CY, Chai JC, and Hino T (2012). "Degree of
consolidation of clayey deposit with partially
penetrating vertical drains". Geotextiles and
Geomembranes, 34 (10), pp 19-27.
ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA
Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1,2/2018 75
[9] Rujikiatkamjorn C. and Indraratna B. (2013). "Current
State of the Art in Vacuum Preloading for Stabilising
Soft Soil". Geotechnical Engineering, 44 (4), pp 77-87.
[10] Rujikiatkamjorn Cholachat, Indraratna Buddhima, and
Chu Jian (2007). "Numerical modelling of soft soil
stabilized by vertical drains, combining surcharge and
vacuum preloading for a storage yard". Canadian
Geotechnical Journal, 44 (3), pp 326-342.
[11] Saowapakpiboon J, et al. (2011). "PVD improvement
combined with surcharge and vacuum preloading
including simulations". Geotextiles and
Geomembranes, 29 (1), pp 74-82.
[12] Tran Tuan Anh and Mitachi Toshiyuki (2008).
"Equivalent plane strain modeling of vertical drains in
soft ground under embankment combined with
vacuum preloading". Computers and Geotechnics, 35
(5), pp 655-672.
[13] Voottipruex P., et al. (2013). "Simulations of PVD
improved reconstituted specimens with surcharge,
vacuum and heat preloading using equivalent vertical
flow conditions". Geotechnical Engineering, 44 (4), pp
177-182.
[14] Vu Van-tuan and Yang Yu-you (2016). "Numerical
modelling of soft ground improvement by vacuum
preloading considering the varying coefficient of
permeability". International Journal of Geotechnical
Engineering, pp 1-9.
[15] Wu Hui and Hu Li-ming (2013). "Numerical model of
soft ground improvement by vertical drain combined
with vacuum preloading". Journal of Central South
University, 20 (7), pp 2066-2071.
[16] 文新伦 (2003). "真空降水联合堆载预压机理及应用技
术研究". 硕士, 同济大学, 上海. (Văn Tân Luân (2003).
"Nghiên cứu cơ chế và ứng dụng phương pháp chân
không hạ thấp mực nước ngầm kết hợp với gia tải
trước". Luận văn Th.S, Đại Học Đồng Tế, Thượng
Hải).
Ngày nhận bài: 24/5/2018
Ngày nhận bài sửa lần cuối: 25/6/2018
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- nghien_cuu_mo_hinh_so_cho_bai_toan_gieng_diem_co_ket_chan_kh.pdf