Bài giảng Gia tải chân không rút ngắn thời gian cố kết đất yếu dưới công trình

Bài viết của PGS. Lê Kiều (Trường ĐHKT HN) gửi tặng các thành viên www.ketcau.com 1 Công nghệ mới : GIA TẢI CHÂN KHÔNG RÚT NGẮN THỜI GIAN CỐ KẾT ĐẤT YẾU DƯỚI CÔNG TRÌNH PGs Lê Kiều Trường Đại học Kiến trúc Vấn đề : Bài này giới thiệu về cơ chế, phát triển mới về kỹ thuật và ứng dụng của phương pháp gia tải chân không tăng nhanh tốc độ cố kết nền đất yếu dưới công trình. Sự phát triển mới bao gồm cả sử dụng thiết bị mới, sự mở rộng phương pháp, phân tích số mới. Khái niệm : Từ năm 1952, Kjellman đã đề xuất ý tưởng dùng phương pháp gia tải chân không để xử lý nền đất yếu khi làm công trình bên trên. Đã có một số tác giả công bố về phương pháp này như Holtz ( 1975); Chen và Bao ( 1983); Bergado và công sự ( 1998) ; Chu và cộng sự ( 2000); Indraratna và cộng sự (2005). Bằng phương pháp kết hợp thiết bị mới với công nghệ mới, phương pháp này đã có những cải thiện rõ rệt. Theo những nét chung thì sự thoát nước trong cát sử dụng phương pháp bấc thấm đã phân bố áp lực chân không và làm thoát ra nước lỗ rỗng. Áp lực chân không danh định là 80 kPa dùng khi thiết kế nhưng thực tế đôi khi áp lực này đạt đến 90 kPa. Khi tải lớn trên 80 kPa thường dùng hỗn hợp phương pháp hút chân không và gia tải. Khi phải xử lý đất rất yếu, phương pháp hút chân không có hiệu quả nhanh hơn phương pháp gia tải đơn thuần. như là khi áp lực chân không 80 kPa thường được giữ không đổi trừ khi có tải tĩnh tác động thêm. Phương pháp hút chân không để tăng tải cũng rẻ hơn khi so sánh với chỉ gia tải với sức tải tương đương ( Chu và cộng sự ). Phương pháp gia tải hút chân không là bộ phận của quá trình cải tạo đất khi bùn sét vét từ đáy khi dùng vật liệu lấp để cải tạo đất. Bùn sét lấp làm vật liệu lấp thì phương pháp gia tải hút chân không rất tốt để gia cố lớp bùn sét. Hàng ngàn hecta đất ở Tianjin , Trung quốc, đã được cải tạo theo phương pháp này ( Chen và Bao , 1983 ; Yan và Chu , 2005). Những năm gần đây, kỹ thuật chân không tương tự đã sử dụng để cải thiện địa điểm xây dựng ( Lindhult và cộng sự , 1995). Các phương án dựa vào kỹ thuật chân không để gia cường cho độ ổn định của kết cấu tường chắn ( Miyazaki và cộng sự , 2005). Cơ chế gia tải kiểu chân không hoặc theo cách gia tải truyền thống , những phát minh mới thường liên quan đến thiết bị, máy móc mới, đến phương pháp tương tự số hóa được đề cập đến được giới thiệu như dưới đây. Một thí dụ tại Hàn Quốc đã xử lý nền đất yếu dưới đoạn đường cao tốc rút thời gian cố kết nền đất đến ba năm. Xử lý hút chân không được thực hiện do công ty Vacuum Menard như minh họa khu vực và sơ đồ: Bài viết của PGS. Lê Kiều (Trường ĐHKT HN) gửi tặng các thành viên www.ketcau.com 2 Bố trí sơ đồ thực hiện theo phương pháp kết hợp bấc thấm và hút chân không: Khu nhà máy xử lý nước thải cũng tại Hàn Quốc ( 1995) cũng được Công ty Vacuum Menard thực hiện rút ngắn thời gian cố kết lớp đất yếu bên dưới rất đáng kể : hàng năm trời. Nhiều công trình cần sử dụng sớm, không đủ kiên nhẫn đợi chờ thời gian cố kết lớp nền đất yếu bên dưới nên khi đưa vào sử dụng, công trình tiếp tục lún, sửa chữa lớp mặt biết bao cho vừa mà công trình còn tiếp tục lún. Đường Pháp Vân - Cầu Giẽ đưa vào sử dụng còn ghi đường còn chờ lún tiếp. Đường Văn Thánh vào thành phố Hồ Chí Minh cứ làm, cứ chữa, chưa bao giờ hết lún vì lớp đất bên dưới đã đủ độ cố kết để chịu lực đâu? Bài viết của PGS. Lê Kiều (Trường ĐHKT HN) gửi tặng các thành viên www.ketcau.com 3 Ở nước ta gần đây, tại hai nhà máy điện khí Cà Mau đã dùng phương pháp gia tải hút chân không. Kết quả cho thấy có thể rút ngắn được thời gian cố kết của lớp sét yếu bão hòa nước dưới công trình đáng kể. Một trong những băn khoăn là áp lực lỗ rỗng có cho phép thoát được nước để nhường chỗ cho hạt sét lấp đầy làm tăng độ cố kết hay không ? Ảnh hưởng do hút chân không sẽ ra sao khi tiến hành hút chân không? Bằng nhiều thực nghiệm, kết hợp giữa phương pháp hút chân không với chất tải tĩnh cùng với biện pháp bấc thấm ( thoát nước thẳng đứng ) ngày nay phương pháp này đã có những kết quả đáng kể. Bài dưới sẽ lý giải về biện pháp này. Lần đầu tiên ở Việt Nam sử dụng phương pháp cố kết chân không tại khu vực khí điện đạm Cà Mau . Phương pháp cố kết chân không đã được áp dụng thành công ở một số nước, trên vùng xưa kia là cánh đồng. Ở nước ta, một diện tích 90ha được dành cho nhà máy liên hợp khí, điện, đạm. Giai đoạn I xây dựng nhà máy điện 720MW. Giai đoạn II là xây dựng nhà máy điện thứ 2 có cùng công suất và giai đoạn III là xây dựng nhà máy có công suất 800.000tấn/năm. Các yêu cầu về thiết kế cho cố kết như sau: + Lún dư không được vượt quá 10cm/10 năm cho toàn bộ diện tích xây dựng, đối với mỗi cấp tải được xét. + Sức chịu tải nhỏ nhất là 2t/m2 cho toàn bộ diện tích xây dựng, ngoại trừ: + Hạng mục nhà máy, yêu cầu có sức chịu tải là 5t/m2 + Phía dưới tháp làm mát có sức chịu tải yêu cầu là 8t/m2 + Dưới một số bồn chứa có sức chịu tải yêu cầu là 10t/m2. Bộ phận quan trọng nhất của nhà máy là phần chia nước của nhà máy, đòi hỏi phải được hoàn thành trong vòng 8 tháng từ khi bắt đầu đặt thiết bị tiêu nước thẳng đứng (bấc thấm), đầu tiên. Đây là thách thức về thời gian nên phương pháp gia tải chân không đã được áp dụng. Chúng tôi giới thiệu dưới đây nguyên lý của phương pháp gia tải chân không rút ngắn thời gian cố kết của đất yếu dưới lớp nền công trình. Cơ chế : Nguyên tắc và cơ chế của sự gia tải chân không đã được phân tích trong các tài liệu như của Kjellman ( 1952), Chen và Bao (1983), Chu và cộng sự (2000) , Indraratna và cộng sự (2004). So sánh với phương pháp gia tải bằng cách chất tải đơn thuần, áp lực lỗ rỗng của nước và ứng suất thay đổi trong quá trình tạo chân không được phân tích như sau đây. Quá trình cố kết của đất dưới tác động gia tải được minh họa như hình 1a. Bài viết của PGS. Lê Kiều (Trường ĐHKT HN) gửi tặng các thành viên www.ketcau.com 4 Hình 1 . Mô hình tương tự hóa kiểu lò xo cho quá trình cố kết : (a) dưới tác động của phương pháp chất tải đơn thuần ; (b) dưới sự gia tải chân không. Áp lực ghi trong hình 1 là các giá trị tuyệt đối và pa là áp suất khí quyển. Tại hình 1a, thời điểm khi tác động chất tải đơn thuần, D p là áp lực nước lỗ rỗng khi chịu tải. Khi đất bão hòa nước, áp lực nước lỗ rỗng lớn trội ban đầu D uo tương tự như D p khi chất tải đơn thuần. Dần dần áp lực nước lỗ rỗng lớn trội và tải trọng chuyển từ nước sang dạng lò xo ( cốt liệu đất) như được mô tả trong hình 1a. Lượng tăng ứng suất có hiệu quả bằng lượng áp lực nước lỗ rỗng bị mất giảm, D p - D u ( hình 1a). Tại thời điểm kết thúc giai đoạn cố kết , D u = 0 và tổng ứng suất hữu hiệu đạt được giống như trường hợp chất tải đơn thuần, D p ( hình 1a). Điều này nói lên rằng quá trình trên không phải do tác động của áp suất khí quyển, pa . Cơ chế gia tải chân không cũng được minh họa bằng cách tương tự sử dụng mô hình lò xo trong hình 1(b).Khi tải trọng chân không được sử dụng như hình 1(b), áp lực nước lỗ rỗng trong đất giảm. Ứng suất tổng sử dụng không đổi nhưng ứng suất hữu hiệu trong đất lại tăng. Thời điểm khi có tải chân không, - D u , tác động thì áp lực nước lỗ rỗng trong đất là pa. Dần dần áp lực lỗ rỗng giảm và bắt đầu lò xo bị nén , điều này có nghĩa là cốt liệu đất tạo ra ứng suất hữu hiệu. Lượng ứng suất hữu hiệu tăng lên bằng lượng áp lực nước lỗ rỗng giảm đi, D u sẽ không vượt quá áp suất khí quyển, pa , hay trong thực tế thường là 80 kPa . Kỹ thuật : Hệ thống gia tải chân không điển hình giới thiệu tại hình 2 ( Chu và cộng sự, 2000) . Ống bấc thấm và các ống ngang được dùng để phân bố áp lực chân không và làm mất nước lỗ rỗng. OOnga ngang và đầu trên của ống bấc thấm nằm trong lớp cát gia tải, truyền chân không vào các ống bấc thấm. Những ống chứa bấc thấm đường kính từ 50 ~ 100 mm có gân gờ dùng làm ống ngang. Những ống này có đục lỗ ở thân ống và được quấn quanh bằng vải thấm nước dùng làm lớp lọc như hình 3(a). Ống ngang nối với ống chủ để phân bố lực chân không. Ba lớp nylon (PVC) mỏng phủ trên mặt khu vực định hút chân không. Các lớp nylon này có mép ngoài đặt trong rãnh theo 4 cạnh bao quanh khu vực Bài viết của PGS. Lê Kiều (Trường ĐHKT HN) gửi tặng các thành viên www.ketcau.com 5 hút chân không. Do vậy khu đất cần hút chân không được chia thành các phân khu nhỏ để dễ đặt các lớp nylon. Hình 2A : Minh họa hệ thống hút chân không 1, Ống bấc thấm ; 2, Ống ngang ; 3, Lớp phủ ; 4, Đường thoát nước; 5, Van một chiều ; 7, Bơm phụt ; 8, Bơm ly tâm ; 9, Rãnh ; 10, Ống chủ để hút chân không ; 11, Màng che chắn Những phát triển mới : Sử dụng những tấm thoát nước Hình 2 trên vừa giới thiệu sơ đồ kỹ thuật tạo chân không mấy năm gần đây. Ống hút chân không được làm liền với ống bấc thấm qua các hình tiến triển thuận lợi hơn. Bài viết của PGS. Lê Kiều (Trường ĐHKT HN) gửi tặng các thành viên www.ketcau.com 6 Hình 3 : Ống đặt nằm ngang dùng gia tải chân không. (a) Ống có gờ mềm (b) Các ống khác kiểu chất tổng hợp đặt dưới đất Kỹ thuật màng tự do: Khi trên khu đất đã chia thành những khu nhỏ thuận lợi cho việc đặt các tấm màng, đặt các thiết bị gia tải chân không theo trình tự các khu đất nhỏ.Hình minh họa dưới đây. To Vacuum : dẫn đến thiết bị tạo chân không Tube : ống Connector : Khớp nối To next PVD : dẫn đến ống bấc thấm PVD : Ống chứa bấc thấm Hình 4 : Ống chứa bấc thấm và lắp ống để gia tải chân không ( theo Seah, 2006) Cách đặt ống này đã sử dụng trong việc xây dựng sân bay quốc tế Bangkok ( Seah, 2006). Phương pháp này rất tiếc là không sử dụng cho toàn bộ khu đất xây dựng nên hiệu quả không cao. Áp lực chân không mới thực hiện ở mức 50 kPa hoặc thấp hơn ( Seah,2006). Phương pháp này thường dùng cho khi có các lớp đất là sét độ thấm nước rất kém. Sau này người ta sử dụng phương pháp khác gọi là phương pháp gia tải chân không yếu ( Yan và Cao , 2006). Phương pháp này giới thiệu tại hình 5. Bài viết của PGS. Lê Kiều (Trường ĐHKT HN) gửi tặng các thành viên www.ketcau.com 7 Hình 5 : Phương pháp gia tải chân không không dùng màng ngăn Vacuum pump : Bơm tạo chân không PVC tube : Ống nhựa PVC , PVD : Ống bấc thấm Dike : Đê Dredge clay slurry : Lớp bùn sét Sand blanket : Lớp đệm giữ bằng cát Khi lớp bùn sét dùng để phủ khu đất cải tạo, ống chân không , ống bấc thấm đặt ở lớp gia tải hoặc ở cao trình vài mét dưới mặt đất.Theo phương pháp này, lớp bùn sét nằm phía trên của ống hút chân không. Đất sét rất chậm thấm nước, vật liệu lấp tạo nên lớp chặn nước tốt nên không cần có lớp màng nữa. Như vậy ở đây nảy sinh một số vấn đề. Vết nứt do kéo sẽ phát triển ở lớp mặt dưới tác động của nắng. Áp lực chân không xuất liện ở nơi đặt các thanh bấc thấm trong khu vực bố trí các thanh bấc thấm hoặc tại các đường thấm nối với ống chân không. Điều này gây khó khăn cho việc bố trí các ống bấc thấm hay là các thiết bị thấm dưới nước.Tuy nhiên phương pháp này không đòi hỏi việc làm các đê chắn bên ngoài khu đất cấn hút nước nên làm giảm chi phí. Giải pháp dùng lớp thấm bên trong chiều dày lớp đất chất tải Phương pháp gia tải chân không sẽ làm việc không tốt nếu lớp đất gia tải là các thấu kính cát hoặc lớp thấm nước vì các lớp này tạo sự khuyếch tán ra biên khu đất như là đẩy lớp sét yếu bên dưới lớp cát ra khỏi khu đất cần cải tạo. Trường hợp này cần làm tường ngăn quanh biên khu đất . Một thí dụ mà Tang và Shang ( 2000) đã xử lý là làm lớp tường ngăn dày 120 cm, sâu 4,50 mét bằng bùn sét dùng làm lớp tường ngăn lớp bùn sét bên dưới lớp cát mịn. Làm tường ngăn kiểu này làm cho chi phí tăng khi khu đất cần xử lý rộng. Một phương pháp khác là sử dụng ống bấc thấm có vỏ bọc bằng chất dẻo không thấm nước mà lớp vỏ này xuyên qua lớp thấm. Điều này cần biết rất rõ chiều dày lớp thấm của khu đất cần cải tạo. Phương pháp nén động thấm tăng cường Phương pháp gia tải chân không hay phương pháp chất tải trước là rút ngắn thời gian cố kết lớp đất yếu bên dưới công trình. Một trong những phương pháp được dùng là kết hợp chất tải chân không và nén động. Ý tưởng cơ bản của phương pháp nén động với năng lượng tác động yếu tạo ra áp lực lỗ rỗng vượt trội bị Bài viết của PGS. Lê Kiều (Trường ĐHKT HN) gửi tặng các thành viên www.ketcau.com 8 tiêu tán trong quá trình tạo chân không. ( Chu và cộng sự , 2005). Sự tiêu tán áp lực lỗ rỗng được tạo ra do sự nén động. Phương pháp này được sử dụng trong một số dự án ở Trung Quốc ( Xu và cộng sự, 2003). Kiểm tra tại hiện trường và diễn giải dữ liệu Kiểm tra hiện trường nhằm theo dõi dự án khi sử dụng gia tải chân không, nhằm biết được kết quả gia tải chân không. Thông thường cần thu thập các dữ liệu về độ lún của từng lớp đất, áp lực lỗ rỗng và dịch chuyển ngang ở các độ sâu khác nhau. Mức cố kết ( Degree of consolidation , DOC ) được tính toán dựa trên độ lún hoặc dữ liệu áp lực lỗ rỗng.Mức cố kết , DOC, được dự báo bằng độ lún do phương pháp sử dụng độ lún cực đại . Sử dụng dữ liệu áp lực nước lỗ rỗng thấy được, áp lực nước lỗ rỗng phân bố theo chiều sâu có thể vẽ đồ thị từ khi bắt đầu xuất hiện, giai đoạn cuối và tại các thời điểm tức thời. Mức cố kết dựa trên phương pháp đường biểu diến áp lực nước lỗ rỗng theo nghiên cứu của Chu và Yan ( 2005 ), dừng dữ liệu về độ lún như trong hình 6. Dùng phương pháp này đạt được mức cố kết bị lớn hơn dùng dữ liệu áp lực nước lỗ rỗng. Hình 6 Biểu đồ áp lực nước lỗ rỗng dùng trong tính toán mức cố kết . Elevation : độ sâu Initial : Lúc bắt đầu Pore water pressure : áp lực nước lỗ rỗng. Điều này có thể phân tích từng đoạn theo thực tế khi chỉ bị những hạn chế do thiết bị đo lắp đặt tại vị trí xuất hiện độ lún tối đa và áp lực nước lỗ rỗng. Thiết lập mô hình số hóa Bài viết của PGS. Lê Kiều (Trường ĐHKT HN) gửi tặng các thành viên www.ketcau.com 9 Trường hợp tổ hợp tải do chân không và chất tải qua cột bấc thấm ( PVD) tại khu bãi chứa hàng ở cảng Tianjin, Trung Quốc, đã sử dụng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn ( Rujikiatkamjorn và cộng sự , 2007 ). Tại khu vực này, sử dụng áp lực chân không là 80 kPa và chất tải đạt 40 kPa trên nền đất yếu và thiếu ổn định. Hình 6 trên đây minh họa các dữ liệu về các tính chất của đất đo được theo thời gian. Tiết diện ngang của mặt cắt phương thẳng đứng và vị trí lắp đặt thiết bị đo như hình 7a. Những thiết bị được lắp là dụng cụ đo độ lún, dụng cụ chuyển áp lực lỗ rỗng, dụng cụ thay đổi độ sâu đo đạc, dụng cụ đo độ nghiêng và thiết bị đo áp lực nước lỗ rỗng trong đất ( piezometer ). Ống bấc thấm dài 20 mét ( tiết diện 100 mm x 3 mm ) được cắm theo mẫu vuông @ cách nhau 1 mét một ống. Nhóm phần tử hữu hạn các cọc bấc thấm có 8 hút gồm 2 hình vuông đo dịch chuyển và 2 tuyến thể hiện hàm biến thiên áp lực lỗ rỗng ( hình 7b ). Depth : Độ sâu Atterberg limits (%) : Giới hạn Atterberg (%) Vane shear strength : Cường độ lực cắt cánh (kPa) Void ratio : Tỷ số rỗng Description : Mô tả Silty clay ( dredged from sea bed ) : Bùn sét ( lắng đọng ở đáy lớp) Plastic limit : Giới hạn dẻo Water content : Lượng ngậm nước Liquit limit : Giới hạn lỏng Hình 6 . Mặt cắt tổng thể các lớp đất và tính chất của đất tại cảng Tianjin ( Theo Rujikiatkamjorn và cộng sự , 2007 ). Bài viết của PGS. Lê Kiều (Trường ĐHKT HN) gửi tặng các thành viên www.ketcau.com 10 Perforated pipe : Ống có đục lỗ Membrane : Lớp màng phủ Piezometer : Thiết bị đo áp lực lỗ rỗng trong đất Vacuum pump : Bơm chân không Multi- level gauge : Dụng cụ đo tại nhiều độ sâu Pore water transducer : Máy chuyển độ đo áp lực lỗ rỗng trong nước Inclinometer : Thiết bị đo độ nghiêng Prefabricated Vertical drain S=1,00 m in square pattern : Ống bấc thấm chế sẵn có S=1,0 m trong dạng mẫu vuông. Hình phía dưới : Drain : thoát nước Smear zone : Vùng bị bẩn Intergration point : Điểm tổ hợp Displacement Node : Điểm dịch chuyển PVD, S=1,0 m : Ống bấc thấm, đoạn thấm 1,0 mét. Hình 7 (a) Tiết diện ngang A-A của bấc thấm và vị trí của thiết bị theo dõi kiểm tra và (b) Lưới phần tử hữu hạn để phân tích ứng suất theo mặt phẳng ( theo kết quả của Rujikiatkamjorn và cộng sự 2007 ) Bài viết của PGS. Lê Kiều (Trường ĐHKT HN) gửi tặng các thành viên www.ketcau.com 11 Hình 8 và 9 so sánh về độ lún dự báo và độ lún ghi được và áp lực lỗ rỗng vượt trội. Độ lún cố kết dự báo và áp lực lỗ rỗng vượt trội phù hợp với kết quả ghi được. Áp lực lỗ rỗng vượt trội thực là âm ( lực hút ) , tránh được những sự hư hỏng do áp không thoát ( theo Indraratna và cộng sự, 2005) Hình 10 minh họa so sánh giữa dịch chuyển ngang dự báo và đo được ở chân lớp đáy sau 180 ngày. Sự dịch chuyển ngang âm thể hiện sự dịch chuyển của đất hướng vào trong ra phía đường tâm của lớp đáy. Dự báo tại chiều sâu nhỏ ( như là 0,5 mét) qua phương án đào giếng quan sát nhưng khó thu được kết quả đo khi chiều sâu từ 5 - 10 mét ( ở giữa lớp sét yếu ). Có thể coi là phương pháp cố kết chân không làm giảm sự dịch chuyển lớp sét ra phía ngoài theo phương ngang và làm tăng độ ổn định cho lớp sét ở đáy. Preload pressure : Áp lực gia tải trước Settlement : độ lún Vacuum plus preloading : Gia tải chân không thêm Vacuum pressure under membrane : Áp lực chân không dưới lớp màng phủ Surface ( field ) : Lớp mặt ( tại hiện trường ) Hình 8 Mặt cắt II: (a) Chất tải truyền thống và (b) Độ lún cố kết ( theo Rujikiatkamjorn và cộng sự 2007 ) Pore pressure reduction : Sự giảm áp lực lỗ rỗng Bài viết của PGS. Lê Kiều (Trường ĐHKT HN) gửi tặng các thành viên www.ketcau.com 12 Lateral displacement : Dịch chuyển ngang Inward : Vào trong Outward : Ra ngoài Depth : Chiều sâu Hình 10 . Chuyển dịch ngang sau 180 ngày tại lớp đáy ( theo Rujikiatkamjorn và cộng sự , 2007 ) Lời kết : Trên đây là tóm lược phương pháp gia tải chân không. Phương pháp này sử dụng khi có chiều cao lớp gia tải lớn nằm trên lớp sét yếu sẽ giảm được thời gian tạo cố kết cho lớp sét yếu. Còn cần nghiên cứu thêm về lớp màng phủ khi bơm chân không trực tiếp qua bấc thấm. Vấn đề kinh tế, nhất là giá của thời gian do rút ngắn cố kết các lớp đất thấm bên dưới cũng cần được xem xét tỷ mỷ. Tham khảo : Serge Varaksin, Tập bài giảng “Về xử lý đất yếu và kỹ thuật nền móng công trình, 5/2007 J. Chu (Nanyang Technological University, Singapore ) , S. Yan (Tianjin University, China ) , B. Indraratna University of Wollongong, Vacuum Preloading Techniques - Recent Developments and Applications indra@uow.edu.au