Phương pháp tính lún theo thời gian cho nền đất yếu được gia cố trụ đất xi măng

TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 425 PHƯƠNG PHÁP TÍNH LÚN THEO THỜI GIAN CHO NỀN ĐẤT YẾU ĐƯỢC GIA CỐ TRỤ ĐẤT XI MĂNG THE METHOD TO CALCULATE THE SETTLEMENT AS FUNCTION OF TIME FOR THE SOFT SOIL IMPROVED BY SOIL CEMENT COLUMNS PGS. TS. Lê Bá Vinh, PGS. TS. Võ Phán Trường Đại Học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM ThS. Nguyễn Tấn Bảo Long Trường Đại Học Tiền Giang TÓM TẮT Dự tính độ lún theo thời gian của nền là việc rất cần thiết trong các dự án có sử dụng trụ đất xi măng để gia cố nền đất yếu. Tuy nhiên, trong các tiêu chuẩn Việt Nam hiện nay vẫn chưa có hướng dẫn cụ thể về phương pháp tính lún theo thời gian cho nền đất yếu được gia cố trụ đất xi măng. Bài báo này đề xuất một phương pháp tính phù hợp, có xét đến tính thấm của đất xi măng để dự tính độ lún theo thời gian của nền đất yếu được gia cố trụ đất xi măng. ABSTRACT Estimate the settlement as function of time for the soft soil improved by soil cement columns is very necessary for the projects which used the cement columns to improved the soft soil. However, arccording to the current standards of Viet Nam have not yet the method to calculate the settlement as function of time for the soft soil improved by soil cement columns. This paper proposes a method which takes into account the soil cement permeability to estimate the settlement as function of time for the soft soil improved by soil cement columns. 1. GIỚI THIỆU Ngày nay công nghệ đất trộn xi măng đã rất phổ biến và đem lại hiệu quả cao trong việc xử lý nền đất yếu, đặc biệt là trong ngành giao thông. Do đó việc dự tính độ lún theo thời gian của nền đất yếu được gia cố trụ đất xi măng là rất cần thiết, làm cho việc kiểm soát độ lún của nền hiệu quả hơn và góp phần làm cơ sở cho việc thanh, quyết toán trong các công trình chờ lún. Tuy nhiên, các quan điểm trong các phương pháp tính hiện nay vẫn chưa thống nhất và trong tiêu chuẩn Việt Nam vẫn chưa có hướng dẫn cụ thể việc tính lún theo thời gian cho nền đất yếu được gia cố trụ đất xi măng. Trong bài báo này tác giả đề xuất phương pháp tính lún theo thời gian cho nền đất yếu được gia cố trụ đất xi măng, có xét đến tính thấm của đất xi măng, sau đó tác giả sử dụng số liệu quan trắc thực tế và phương pháp phần tử hữu hạn để kiểm chứng lại công thức giải tích đã đề xuất. TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018 426 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 2. PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT TÍNH LÚN THEO THỜI GIAN CHO NỀN ĐẤT YẾU ĐƯỢC GIA CỐ TRỤ ĐẤT XI MĂNG Xét nền đất yếu được gia cố trụ đất xi măng như hình 1 và xem hệ số thấm của trụ không lớn hơn hệ số thấm của đất xung quanh. Do mô đun biến dạng của khối gia cố lớn hơn mô đun biến dạng của đất tự nhiên nên hệ số nén lún tương đối của khối gia cố nhỏ hơn hệ số nén lún tương đối của đất tự nhiên, điều này làm cho hệ số cố kết của khối gia cố tăng lên, làm quá trình cố kết một chiều xảy ra nhanh hơn. Hình 1. Nền gia cố trụ đất xi măng Giả thuyết rằng không xảy ra thấm ngang và hệ số thấm của trụ bằng với hệ số thấm của đất xung quanh và bằng kv1. Khi đó hệ số cố kết của khối gia cố được tính như sau: Cvkgc=kv1/(a0kgc.γn) (1) Từ đó hệ số nén lún tương đối của khối gia cố được xác định như sau: a0kgc=β/Ekgc (2) Mô đun biến dạng của khối gia cố được xác định như sau: Ekgc=a.Ecol + (1-a).Esoil ( với a là tỷ diện tích thay thế của đất xi măng). Hệ số cố kết của cả nền gia cố được xác định như sau: (3) 2 2         = ∑ vi i td v C h HC h 2 h 1 CVkgc kV1 CV2 kV2 TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 427 Nhân tố thời gian Tv được xác định như sau: Do mô hình thoát nước 2 biên nên độ cố kết Ut được xác định như sau: Độ lún theo ổn định của nền gia cố được xác định như sau: (6) Với: Cc – chỉ số nén; H – bề dày lớp đất; e0 – hệ số rỗng ban đầu, ứng với ứng suất bản thân; p0 - ứng suất do trọng lượng bản thân; ∆p - ứng suất gây lún. Từ đó ta có thể xác định độ lún theo thời gian của nền gia cố như sau: St = Ut . S∞ (7) 3. KIỂM CHỨNG PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT BẰNG CÁC MÔ HÌNH 3.1. Kiểm chứng bằng mô hình thí nghiệm của Jinchun Chai Bảng 1. Thông số vật liệu trong thí nghiệm của Jinchun Chai h1 (m) h2 (m) as (%) Es (kN/m2) Ec (kN/m2) νs Cv (m2/s) Cc a0 (m2/kN) kv (m/ngày) 6,5 1,5 21,7 1,05.103 70.103 0,33 0,035 0,4 4,98.10-5 2,67.10-4 Hình 2. Mô hình thí nghiệm của Jinchun Chai t h CT td v v 2= vT t eU 42 2 81 pi pi − −≈       ∆+ + = ∞ 0 0log 1 p pp e HCS c (4) (5) TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018 428 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM Trong phần này tác giả sử dụng kết quả quan trắc từ mô hình thí nghiệm của Jinchun Chai để so sánh với kết quả tính toán từ công thức đề xuất. Thí nghiệm được tiến hành tại Shaowa-Biraki, Fukuoka, Nhật Bản. Theo đó các trụ đất xi măng được tạo ra với hàm lượng 140 kg/m3, đường kính 1 m, dài 6,5 m, tỷ diện tích thay thế 21,7%, tỷ lệ chiều sâu gia cố 76%, khối đắp là đá phong hóa có trọng lượng riêng là 19 kN/m3 như trong hình 2. Các thông số vật liệu được lấy theo thí nghiệm của Jinchun Chai như trong bảng 1. Trình tự tính độ lún theo thời gian từ phương pháp giải tích đề xuất: Mô đun biến dạng của khối gia cố được xác định như sau: Ekgc = a.Ec + (1-a).Es = 16x103 (kN/m2) Hệ số nén lún tương đối của khối gia cố được xác định như sau: a0kgc = β/Ekgc = 4,98x10-5 m2/kN (với β = 0,67) Hệ số cố kết của khối gia cố được xác định như sau: Cvkgc = kv/(a0kgc.γn) = 0,5357 m2/ngày Hệ số cố kết của cả nền gia cố: Từ đó ta tính được Tv, Uv theo thời gian. Độ lún theo ổn định của nền gia cố: Bảng 2. Kết quả tính toán độ lún bằng phương pháp giải tích đề xuất Ngày S(t) (m) Ngày S(t) (m) Ngày S(t) (m) 0 0,0000 20 0,0236 130 0,2314 1 0,0053 21 0,0242 140 0,2382 2 0,0075 22 0,0248 150 0,2441 3 0,0091 23 0,0253 160 0,2492 4 0,0106 24 0,0259 170 0,2536 5 0,0118 25 0,0264 180 0,2575 6 0,0129 26 0,0269 190 0,2608 ngày/m4179,0 C h HC 22 vi i 2 td v =         = ∑ m282,0 p pplog e1 HCS 0 0c =      ∆+ + = ∞ (m2/ ) TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 429 7 0,0140 27 0,0362 200 0,2637 8 0,0149 28 0,0436 210 0,2662 9 0,0158 29 0,0499 220 0,2683 10 0,0167 30 0,0554 230 0,2702 11 0,0175 40 0,0946 240 0,2718 12 0,0183 50 0,1217 250 0,2732 13 0,0190 60 0,1439 260 0,2745 14 0,0198 70 0,1630 270 0,2755 15 0,0204 80 0,1783 280 0,2764 16 0,0211 90 0,1922 290 0,2772 17 0,0218 100 0,2042 300 0,2779 18 0,0224 110 0,2146 400 0,2813 19 0,0230 120 0,2236 500 0,2822 Kết quả quan trắc độ lún theo thời gian từ mô hình thí nghiệm của Jinchun Chai được thể hiện trong hình 3. Hình 3. Kết quả quan trắc lún từ mô hình thí nghiệm của Jinchun Chai 3.2. Kiểm chứng bằng phương pháp Phần tử hữu hạn Trong phần này tác giả sử dụng các thông số vật liệu như bảng 3 để phân tích lún theo thời gian, sau đó so sánh với kết quả thu được từ phương pháp giải tích đề xuất. TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018 430 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM Bảng 3. Thông số vật liệu phân tích Plaxis Vật liệu γunsat kN/m3 γsat kN/m3 Eref kN/m2 ν c kN/m2 φ độ k x,y,z m/ngày Mô hình Vật liệu Lớp 1 (0 - 1 m) Sét dẻo mềm 16,5 17,8 248 0,3 22 8,33 4,72.10-5 Mohr-Coulomb (undrain) Lớp 2 (1 - 5 m) Sét dẻo cứng 18,3 18,9 3790 0,25 41 12,5 3,45.10-5 Mohr-Coulomb (undrain) Trụ đất xi măng (210 kg/m3) 17,2 19 63.103 0,2 250 32 Linear-Elastic (non-porous) Hình 4. Chuyển vị tổng thể của nền gia cố 4. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN Đồ thị so sánh kết quả thu được từ phương pháp giải tích và quan trắc hiện trường được thể hiện trong hình 5. Đồ thị so sánh kết quả thu được từ phương pháp giải tích và phương pháp Phần tử hữu hạn được thể hiện trong hình 6. TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 431 Hình 5. So sánh kết quả giữa phương pháp giải tích và quan trắc hiện trường Hình 6. So sánh kết quả giữa phương pháp giải tích và phương pháp Phần tử hữu hạn Nhận xét:
Qua đồ thị trong hình 5 ta thấy kết quả tính toán theo công thức đề xuất tương đối xấp xỉ với số liệu quan trắc của Jinchun Chai. Tuy nhiên trong giai đoạn từ 50 đến 75 ngày thì độ lún thực tế hiện trường lớn hơn và nhanh tắt lún hơn so với phương pháp giải tích, khi đó tải trọng hầu như đã truyền sang trụ và nền đã cố kết xong trước 150 ngày so với phương pháp giải tích.
Qua đồ thị trong hình 6 ta thấy kết quả thu được từ phương pháp giải tích và phương pháp Phần tử hữu hạn khá xấp xỉ nhau. Tuy nhiên trong giai đoạn đầu vẫn tồn tại sai số tương đối lớn là cách gia tải của 2 mô hình. TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018 432 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 5. KẾT LUẬN Hiện nay, trong các tiêu chuẩn về trụ đất xi măng của Việt Nam vẫn chưa có hướng dẫn cụ thể việc tính toán độ lún theo thời gian của nền gia cố trụ đất xi măng. Nên tác giả đã đề xuất phương pháp giải tích để tính toán độ lún theo thời gian của nền gia cố trụ đất xi măng như trong mục 2. Qua việc kiểm chứng phương pháp đề xuất bằng thí nghiệm hiện trường ở Nhật Bản và bằng phương pháp phần tử hữu hạn như trong mục 3 cho thấy phương pháp đề xuất khá phù hợp với thực tế, dễ áp dụng và sai số lớn nhất so với số liệu quan trắc là 16%. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Alen,C, “Lime/Cement Column Stabilized Soil – A New Model for Settlement Calculation”, 2010. [2] John P.Carter, “ Deformation Analysis In Soft Ground Improvement”, 2011. [3] TCVN 9403:2012, “Gia cố đất nền yếu – trụ đất xi măng”. [4] Võ Phán, “ Các phương pháp khảo sát hiện trường và thí nghiệm đất trong phòng” 2012. Phản biện: GS. TSKH. Nguyễn Văn Thơ