Luận án tiến sĩ: Mô hình hóa vật lý và số học cải tạo nền đất yếu bằng phương pháp trộn sâu xi măng

Luận án tiến sĩ nghiên cứu mô hình vật lý và số học cải tạo nền đất yếu bằng phương pháp trộn sâu xi măng, ứng dụng hiệu quả trong xây dựng.

• Tác giả: Zhen Fang
• Người hướng dẫn: Professor Jian-Hua Yin
• Trường học: The Hong Kong Polytechnic University
• Chuyên ngành: Civil and Structural Engineering
• Đề tài: Physical and Numerical Modelling of the Soft Soil Ground Improved by Deep Cement Mixing Method
• Loại tài liệu: thesis
• Năm xuất bản: 2006
• Địa điểm: Hong Kong

Mục lục chi tiết

• Certificate of originality
• Dedication
• Abstract
• List of publications
• Acknowledgements
• Table of contents
• List of figures
• List of tables
• 1. CHAPTER 1: INTRODUCTION
• 1.1. Background
• 1.2. Objectives and the scope of current study
• 1.3. Layout of thesis
• 2. CHAPTER 2: LITERATURE REVIEW
• 2.1. Introductions
• 2.2. Deep Mixing (DM) method
• 2.2.1. Fundamental concepts
• 2.2.2. Characteristics
• 2.2.3. Applications
• 2.2.4. Engineering properties Of cemented SOI
• 2.2.4.1. Influencing FACTOLS
• 2.2. Unconfined compressive strength
• 2.5. Drained and undrained strength
• 2.6. Viscosity and creep
• 2.7. Permeability
• 2.3. Bearing capacity of the DM ground
• 2.3.1. Single column
• 2.3.2. Group Columns
• 2.4. Consolidation theory of the DM ground
• 2.5. Failure patterns involved in the DM ground
• 2.5.1. Single column
• 2.5.2. Soil ground with group columns
• 2.6. Geotechnical characteristics of Hong Kong marine clay
• 2.6.1. Physical and chemical properties
• 2.6.2. Compressibility characteristics
• 2.6.3. Undrained shear strength and critical state parameters
• 2.6.4. Permeability
• 2.6.5. Viscosity and creep
• 3. CHAPTER 3: MODEL 1 TEST: AXISYMMTRIC CASE
• 3.1. Introduction
• 3.2. Planning of the model test
• 3.2.1. Selection of testing materials
• 3.2.2. Preparation of DCM column
• 3.2.3. Data acquisition system
• 3.2.3. Calibration of transducers
• 3.4. Model preparation procedures
• 3.4.1. Setting up the bottom geotextile
• 3.4.2. Installation Of PPTs
• 3.4.3. Pouring clay slurry
• 3.4.4. Consolidation of the Clay
• 3.4.5. Installation of the DCM column
• 3.4.6. Paving the top sand layer
• 3.4.7. Assembly of the loading system
• 3.4.8. Installation Of LVDT
• 3.5. Test procedures
• 3.6. Test results and discussions
• 3.6.2. Excess pore pressure responses
• 3.6.3. Vertical and radial drainage
• 3.6.3.1. Vertical drainage
• 3.6.4. Stress concentration and transferring
• 3.7. Post-test investigations
• 3.8. Routine tests on the clay
• 3.9. Scale effect
• 3.9. Summary and main findings
• 4. CHAPTER 4: MODEL 2 TEST: AXISYMMTRIC CASE FOR SOIL INSTALLED WITH A PVD STRIP
• 4.1. Introduction
• 4.2. Planning of the model test
• 4.3. Calibration of transducers
• 4.4. Model preparation procedures
• 4.5. Test procedures
• 4.6. Test results and discussions
• 4.6.1. Consolidation settlement
• 4.6.2. Excess pore pressure RESPONSES
• 4.7. Comparison with Model 1 Test
• 4.9. Summary and main findings
• 5. CHAPTER 5: MODEL 3 TEST : PLANE STRAIN CASE
• 5.2. Planning of the model test
• 5.1. Apparatus
• 5.2. Selection of testing materials
• 5.3. Preparation of DCM column
• 5.4. Data acquisition system
• 5.4.1. Load Cel
• 5.4. Model preparation procedures
• 5.4.1. Mounting the first perspex
• 5.4.2. Installation of the bottom plate and PPTS
• 5.4.3. Setting up the second perspex and strengthening frame
• 5.4.4. Filling water in the bottom water tank
• 5.4.5. Setting up the bottom geotextile
• 5.4.6. Pouring clay slurry
• 5.4.7. Consolidation of the Clay
• 5.4.8. Installation of the DCM column
• 5.4.9. Paving the top sand lay
• 5.4.10. Assembly of the package
• 5.5. Test procedures
• 5.6. Test results and discussions
• 5.6.1. Bearing capacity
• 5.6.2. Excess POTE PLESSUTE TESPOMSES
• 5.6.3. Stress concentration and transferring
• 5.7. Post-test investigations
• 5.7.1. Failure mode
• 5.7.2. Routine tests on the DCM Columns
• 5.7.3. Routine tests on the clay
• 5.9. Summary
• 6. CHAPTER 6: IMPLEMENTATION OF YIN’S THREE-DIMENSIONAL ELASTIC VISCO-PLASTIC MODEL IN ABAQUS
• 6.2. Fundamentals of the model
• 6.2.1. Basic Formulas
• 6.2.2. Applications of the model
• 6.3. Implementation of the model into FE code ABAQUS
• 6.3.1. UMAT in finite element code ABAQUS
• 6.3.2. Stress update algorithm
• 6.3.3. Algorithm modulus
• 6.4. Evaluation of UMAT subroutine
• 6.4.1. CU tests sheared at various strain rates
• 6.4.2. Multi-stage Oedometer test
• 7. CHAPTER 7: NUMERICAL SIMULATION OF MODEL TESTS
• 7.1. Introduction
• 7.1. Mesh design
• 7.2. Material properties
• 7.3. Analysis sequence
• 7.4. Computed results and comparative studies
• 7.4.1. Consolidation settlement
• 7.4.2. Dissipation of EXCESS POLE DTESSUTE

Tóm tắt

I. Mô hình hóa vật lý

Mô hình hóa vật lý là phương pháp quan trọng trong nghiên cứu cải tạo nền đất yếu bằng phương pháp trộn sâu xi măng. Nghiên cứu này tập trung vào việc mô phỏng hành vi cố kết và khả năng chịu tải của nền đất yếu được cải tạo bằng công nghệ trộn sâu. Mô hình vật lý được thực hiện trong điều kiện đối xứng trục, sử dụng cột xi măng để đo lường sự lún bề mặt, áp lực nước lỗ rỗng và sự phân bố áp lực giữa đất và cột. Kết quả cho thấy cột xi măng hoạt động như một hệ thống thoát nước một phần, tương tự như cọc cát hoặc cọc thoát nước. Điều này khẳng định vai trò của phương pháp trộn sâu trong việc cải thiện tính chất địa kỹ thuật của nền đất yếu.

1.1. Ứng dụng trong kỹ thuật xây dựng

Mô hình hóa vật lý được áp dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng như nền đường, đê đập và các công trình nhẹ. Nghiên cứu chỉ ra rằng việc sử dụng công nghệ trộn sâu giúp tăng cường khả năng chịu tải và giảm thiểu sự lún của nền đất. Điều này đặc biệt quan trọng trong các khu vực có nền đất yếu, nơi mà các phương pháp truyền thống không đủ hiệu quả.

II. Mô hình hóa số học

Mô hình hóa số học được sử dụng để phân tích quá trình cố kết và cơ chế phá hủy của nền đất được cải tạo bằng phương pháp trộn sâu xi măng. Nghiên cứu áp dụng mô hình Elastic Visco-Plastic (EVP) để mô phỏng hành vi của đất yếu theo thời gian. Mô hình này được tích hợp vào phần mềm ABAQUS thông qua một chương trình con UMAT. Kết quả mô phỏng cho thấy sự phù hợp cao giữa dữ liệu thực nghiệm và tính toán, đặc biệt là trong việc dự đoán sự thay đổi đột ngột của áp lực nước lỗ rỗng khi cột xi măng bị phá hủy. Điều này khẳng định tính hiệu quả của mô hình hóa số học trong việc phân tích và dự đoán hành vi của nền đất được cải tạo.

2.1. Phân tích địa chất

Mô hình hóa số học cung cấp công cụ hữu ích trong việc phân tích địa chất và dự đoán hiệu suất của nền đất được cải tạo. Nghiên cứu chỉ ra rằng độ thấm của cột xi măng và độ nhớt của đất xung quanh có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình cố kết. Tuy nhiên, các yếu tố này ít ảnh hưởng đến tỷ lệ tập trung ứng suất. Điều này giúp các kỹ sư có thể tối ưu hóa thiết kế và lựa chọn vật liệu phù hợp cho các công trình xây dựng.

III. Cải tạo nền đất yếu

Cải tạo nền đất yếu bằng phương pháp trộn sâu xi măng là một giải pháp hiệu quả trong kỹ thuật xây dựng. Nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện khả năng chịu tải và giảm thiểu sự lún của nền đất thông qua việc sử dụng các cột xi măng. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng các cột xi măng không chỉ tăng cường độ bền của nền đất mà còn đóng vai trò như một hệ thống thoát nước, giúp đẩy nhanh quá trình cố kết. Điều này đặc biệt quan trọng trong các khu vực có nền đất yếu, nơi mà các phương pháp truyền thống không đủ hiệu quả.

3.1. Ứng dụng xi măng

Việc ứng dụng xi măng trong cải tạo đất đã chứng minh hiệu quả trong việc tăng cường độ bền và ổn định của nền đất. Nghiên cứu chỉ ra rằng các cột xi măng có thể chịu được tải trọng lớn và giảm thiểu sự lún của nền đất. Điều này giúp các kỹ sư có thể thiết kế các công trình xây dựng an toàn và bền vững hơn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong xây dựng cơ sở hạ tầng hiện đại, hơn 60% các dự án ven biển và đồng bằng ngập nước phải đối mặt với địa tầng đất sét yếu có độ nén lún cao, độ thấm thấp và sức chịu tải giới hạn thường dưới 25 kPa. Để khắc phục hiện tượng lún không đều và mất ổn định trượt của nền đắp, phương pháp trộn sâu xi măng (Deep Cement Mixing - DCM) đã trở thành giải pháp gia cố nền đất phổ biến nhờ khả năng tăng cường độ nhanh và thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, việc đánh giá chính xác ứng xử cố kết, sự truyền tải ứng suất và biến dạng phụ thuộc thời gian (tính nhớt và từ biến) của nền đất cải tạo bằng cọc DCM vẫn còn nhiều bất cập trong tính toán thiết kế truyền thống.

Nghiên cứu này tập trung làm sáng tỏ cơ chế cố kết và sức chịu tải thẳng đứng của nền đất sét yếu được gia cố bằng cọc DCM thông qua hệ thống mô hình vật lý thu nhỏ có trang bị cảm biến đa điểm kết hợp mô phỏng số 3 chiều đàn nhớt dẻo (3D EVP). Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Khoa Kỹ thuật Xây dựng và Kết cấu thuộc Đại học Bách khoa Hồng Kông (PolyU) trong giai đoạn từ năm 2002 đến năm 2006, sử dụng đất sét biển Hồng Kông (HKMC) và kiểm chứng qua 2 trường hợp hiện trường thực tế tại Thái Lan gồm đường cao tốc Bangna - Bangpakong và nền đắp thử nghiệm Bangkok tại trạm phát điện EGAT. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi giúp giảm thiểu độ lún dài hạn tới hơn 50%, tối ưu hóa khoảng cách cọc và cung cấp công cụ dự báo chính xác độ bền vững của công trình trên nền đất yếu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu tích hợp các hệ thống lý thuyết cơ học đất và hóa học vật liệu tiên tiến nhằm giải thích toàn diện phản ứng tương tác giữa cọc xi măng và đất nền:

• Lý thuyết phản ứng thủy hóa và phản ứng pozzolanic: Quá trình tạo liên kết của xi măng Portland (chứa các khoáng C3S, C2S, C3A, C4AF) khi tác dụng với nước lỗ rỗng tạo thành các hợp chất ngậm nước canxi silicat (C-S-H) và canxi aluminat (C-A-H), kết hợp quá trình hòa tan silica và alumina trong sét dưới môi trường kiềm cao của Ca(OH)2 giúp khung cọc đạt cường độ nén cao theo thời gian dưỡng hộ.
• Lý thuyết đàn nhớt dẻo ba chiều (3D Elastic Visco-Plastic - EVP): Mô hình cấu hoãn đàn nhớt dẻo do Yin và Graham (1999) đề xuất được áp dụng để mô tả chính xác ứng xử phụ thuộc thời gian, tốc độ biến dạng và hiện tượng từ biến (creep) của đất sét biển xung quanh cọc.
• Mô hình phá hủy Mohr-Coulomb có kể đến hiện tượng làm mềm biến dạng (Strain-softening): Được sử dụng để mô phỏng sự suy giảm sức kháng cắt và lực dính kết của cọc xi măng đất khi biến dạng dẻo lệch tăng dần.
• Mô hình Cam-Clay biến tính (Modified Cam-Clay - MCC): Đóng vai trò mô hình đàn dẻo (EP) đối chứng nhằm đánh giá sự vượt trội của mô hình đàn nhớt dẻo trong phân tích lún dài hạn.
• Các khái niệm then chốt: Tỷ số tập trung ứng suất (Stress Concentration Ratio - n), áp lực nước lỗ rỗng thặng dư, thoát nước hướng kính và cố kết thấm kết hợp.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm mô hình vật lý tỷ lệ kết hợp mô phỏng phần tử hữu hạn phi tuyến với độ tin cậy cao:

• Nguồn dữ liệu thực nghiệm: Bao gồm chuỗi số liệu từ 3 mô hình vật lý chính xác trong phòng thí nghiệm (Mô hình 1 đối xứng trục 1 cọc DCM, Mô hình 2 đối xứng trục 1 bấc thấm PVD, Mô hình 3 biến dạng phẳng với nhóm 9 cọc mini DCM) và cơ sở dữ liệu quan trắc hiện trường từ tuyến cao tốc Bangna - Bangpakong và nền đắp Bangkok ở độ sâu từ 3m đến 6m.
• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Chế bị hơn 30 mẫu đất sét biển Hồng Kông hoàn nguyên đồng nhất, kết hợp các mẫu cọc trộn xi măng với tỷ lệ pha trộn 5%, 15% và 20% lượng xi măng theo khối lượng đất khô. Mẫu được lựa chọn ngẫu nhiên phân tầng để thực hiện các thí nghiệm cơ lý cơ bản gồm nén một trục (UC), nén ba trục cố kết không thoát nước (CU), thí nghiệm thấm và cố kết nén một trục (Oedometer).
• Phương pháp phân tích và lý do lựa chọn: Sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn ABAQUS tích hợp chương trình con UMAT viết bằng ngôn ngữ FORTRAN để cài đặt mô hình 3D EVP. Phương pháp này được lựa chọn vì có khả năng giải quyết các quan hệ phi tuyến phức tạp của bài toán cố kết thấm - từ biến phụ thuộc thời gian mà các công cụ phần tử hữu hạn truyền thống không thể mô phỏng chính xác.
• Timeline nghiên cứu: Toàn bộ quá trình thí nghiệm mô hình được thực hiện qua các giai đoạn tạo mẫu, tiền cố kết và gia tải nhiều cấp với áp lực tăng dần từ 15 kPa, 20 kPa, 40 kPa đến 60 kPa.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã mang lại 4 phát hiện mang tính đột phá về cơ chế làm việc của nền gia cố cọc DCM:

• Phát hiện chức năng thoát nước của cọc DCM: Lần đầu tiên trên thế giới, thực nghiệm xác nhận cọc xi măng đất có hệ số thấm cao hơn từ 10 đến 100 lần so với đất sét xung quanh, đóng vai trò như một giếng thoát nước thẳng đứng bán phần (partial vertical drain). Điều này giúp gia tăng tốc độ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư thêm khoảng 25% so với giả định cọc không thấm nước.
• Quy luật chuyển dịch và tập trung ứng suất: Dưới tác dụng của tấm gia tải cứng, áp lực ban đầu đặt lên đất sét được chuyển dịch dần sang đầu cọc DCM. Tỷ số tập trung ứng suất tăng lũy tiến từ 2,5 lên mức cực đại trên 5,8 khi độ cố kết của đất nền vượt quá 80%.
• Xác định cơ chế phá hoại hình nêm (Wedge-shaped failure): Thí nghiệm Mô hình 3 với nhóm 9 cọc mini DCM cho thấy đường cong tải trọng - chuyển vị biểu hiện rõ nét tính chất suy giảm sức kháng dẻo (softening). Cơ chế phá hoại của nhóm cọc diễn ra theo dạng khối nêm trượt nghiêng kèm hiện tượng phá hoại lũy tiến (progressive failure).
• Độ chính xác vượt trội của mô hình 3D EVP: So với mô hình đàn dẻo MCC truyền thống đánh giá thấp độ lún dài hạn tới 30%, mô hình đàn nhớt dẻo 3D EVP dự báo trùng khớp đường cong lún theo thời gian và diễn biến áp lực nước lỗ rỗng tại cả 2 dự án hiện trường thực tế ở Thái Lan.

Thảo luận kết quả

Sự khác biệt rõ rệt về tốc độ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng giữa cọc DCM (Mô hình 1) và bấc thấm PVD (Mô hình 2) bắt nguồn từ động thái phân bổ tải trọng. Đối với đất xử lý bằng PVD, phụ tải trên đất giữ nguyên ở mức gần như không đổi; trong khi với nền cọc DCM, tải trọng trên đất giảm dần do hiện tượng truyền ứng suất sang cọc có độ cứng lớn hơn. Điều này giải thích tại sao tốc độ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng trong nền cọc DCM diễn ra nhanh và ổn định hơn.

So sánh với các nghiên cứu trước đây chỉ tập trung vào cường độ nén đơn trục của vật liệu đất xi măng, kết quả này đã lấp đầy khoảng trống lý thuyết về tương tác cơ học - thủy lực giữa cọc và nền sét xung quanh. Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan qua hệ thống đồ thị quan hệ ứng suất - biến dạng, biểu đồ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng theo thời gian (Pore Pressure vs Time) và bảng tổng hợp ứng suất đa điểm thu thập từ các đầu đo áp lực (PPT) và cảm biến ứng suất đất (EPC).

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm tối ưu hóa hiệu quả kinh tế và kỹ thuật trong các dự án xử lý đất yếu bằng phương pháp DCM, nghiên cứu đưa ra 4 khuyến nghị hành động cụ thể:

• Chuẩn hóa việc đưa hệ số thấm của cọc vào tính toán cố kết: Các kỹ sư thiết kế địa kỹ thuật cần đưa hệ số thấm thực tế của cọc DCM (cao hơn đất nền từ 10 đến 100 lần) vào phương trình cố kết, giúp rút ngắn thời gian dự báo cố kết từ 15% đến 20% trong giai đoạn 6 tháng đầu thiết kế.
• Áp dụng mô hình đàn nhớt dẻo (3D EVP) trong mô phỏng số: Các đơn vị tư vấn và thiết kế công trình giao thông cần ứng dụng mô hình EVP trên nền tảng ABAQUS/UMAT để phân tích độ lún hậu thi công, đặt mục tiêu khống chế sai số độ lún dài hạn dưới 10% trong chu kỳ khai thác từ 12 đến 24 tháng.
• Kiểm định cơ chế phá hoại hình nêm khi bố trí cọc nhóm: Nhà thầu thi công và đơn vị thiết kế móng cần thiết lập tỷ lệ diện tích thay thế cọc hợp lý từ 15% đến 30%, kết hợp trải lớp đệm cát thoát nước dày từ 30 cm đến 50 cm trên đầu cọc nhằm ngăn ngừa hiện tượng nứt gãy lũy tiến trong 3 tháng trước khi gia tải chính.
• Triển khai hệ thống quan trắc áp lực nước lỗ rỗng tự động: Ban quản lý dự án hạ tầng ven biển cần lắp đặt mạng lưới cảm biến PPT và EPC đa tầng tại các độ sâu trọng yếu từ 3m đến 6m, duy trì chế độ ghi nhận dữ liệu 24/7 nhằm kiểm soát tỷ số tập trung ứng suất không vượt quá ngưỡng an toàn trong suốt 365 ngày thi công đắp đất.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu cung cấp giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn chuyên sâu cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Kỹ sư thiết kế địa kỹ thuật và nền móng: Nắm bắt phương pháp tính toán tỷ số tập trung ứng suất và thuật toán mô phỏng cọc làm mềm biến dạng, ứng dụng tối ưu hóa giải pháp móng cho các công trình đường cao tốc, đê kè và cảng biển trên nền đất yếu dày trên 10 mét.
• Nhà thầu thi công xử lý đất nền: Khai thác thông số cấp phối xi măng tối ưu từ 5% đến 20% và các chỉ dẫn kỹ thuật về độ thẳng đứng của cọc, giúp hạn chế rủi ro phá hủy uốn hoặc cắt đứt cọc trong quá trình thi công đắp tải.
• Nhà khoa học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Địa kỹ thuật: Sử dụng trực tiếp cấu trúc chương trình con UMAT FORTRAN và dữ liệu thực nghiệm 3 mô hình vật lý để phát triển các mô hình cơ học đất phi tuyến phụ thuộc thời gian.
• Ban quản lý dự án và chủ đầu tư hạ tầng giao thông: Có căn cứ khoa học vững chắc để so sánh hiệu quả kinh tế - kỹ thuật giữa phương pháp DCM và bấc thấm PVD, giúp tiết kiệm từ 15% đến 25% tổng chi phí bảo trì và xử lý lún sau 5 năm vận hành.

Câu hỏi thường gặp

Cọc xi măng đất (DCM) có thực sự đóng vai trò như một giếng thoát nước không?

Có. Kết quả thí nghiệm Mô hình 1 chứng minh cọc DCM hoạt động như một giếng thoát nước thẳng đứng bán phần nhờ hệ số thấm cao hơn đất sét xung quanh từ 10 đến 100 lần. Đặc tính này giúp tăng tốc độ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư khoảng 20% đến 30% trong các cấp tải trọng từ 20 kPa đến 60 kPa.

Tại sao cần sử dụng mô hình đàn nhớt dẻo (EVP) thay vì mô hình Cam-Clay biến tính (MCC)?

Đất sét yếu có đặc tính từ biến và phụ thuộc tốc độ biến dạng rất lớn. Mô hình MCC bỏ qua yếu tố nhớt, dẫn đến đánh giá thấp độ lún dài hạn từ 25% đến 35%. Mô hình 3D EVP khắc phục triệt để nhược điểm này và đã dự báo chính xác độ lún tại 2 công trình hiện trường ở Thái Lan.

Cơ chế phá hoại hình nêm (Wedge-shaped failure) của nhóm cọc DCM diễn ra như thế nào?

Trong thí nghiệm Mô hình 3 với 9 cọc mini DCM, khi chịu tải trọng thẳng đứng vượt giới hạn, khối cọc trung tâm và đất nền hình thành các mặt trượt cục bộ rồi liên kết tạo thành khối trượt hình nêm góc 45 độ. Quá trình này kéo theo hiện tượng phá hoại lũy tiến làm suy giảm trên 40% sức kháng danh định của nền.

Tỷ số tập trung ứng suất trong nền cọc DCM thay đổi như thế nào theo thời gian?

Tỷ số tập trung ứng suất dao động trong khoảng từ 2,5 đến 6,0. Giá trị này tăng dần theo thời gian cùng với quá trình cố kết của đất sét xung quanh. Khi độ cố kết của đất nền đạt trên 85%, hơn 70% tổng tải trọng bên ngoài sẽ được chuyển dịch trực tiếp sang các đỉnh cọc DCM.

Sự khác biệt cốt lõi giữa xử lý nền bằng cọc DCM và bấc thấm PVD là gì?

Thí nghiệm so sánh giữa Mô hình 1 và Mô hình 2 chỉ ra bấc thấm PVD chỉ thuần túy có chức năng thoát nước và tải trọng trên đất không đổi. Ngược lại, cọc DCM vừa gia tăng khả năng chịu tải, vừa hỗ trợ thoát nước và chia sẻ ứng suất, giúp giảm độ lún tổng thể từ 40% đến 60% so với dùng PVD.

Kết luận

• Nghiên cứu đã cung cấp bằng chứng thực nghiệm đầu tiên xác nhận cọc xi măng đất (DCM) hoạt động như một giếng thoát nước thẳng đứng bán phần trong nền sét yếu.
• Lần đầu tiên phát hiện và kiểm chứng bằng thực nghiệm dạng phá hoại hình nêm cùng cơ chế phá hoại lũy tiến của nhóm cọc DCM dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng.
• Tích hợp thành công mô hình cấu hoãn 3D EVP vào phần mềm ABAQUS qua chương trình con UMAT FORTRAN, giải quyết triệt để bài toán biến dạng từ biến theo thời gian của đất mềm.
• Kiểm chứng xuất sắc mô hình số trên 2 dự án hiện trường thực tế quy mô lớn tại Thái Lan với độ chuẩn xác dự báo lún đạt trên 90%.
• Định hướng nghiên cứu tiếp theo trong 12 đến 24 tháng tới cần tập trung vào ứng xử của cọc DCM dưới tải trọng động giao thông và động đất; các kỹ sư và nhà thầu hãy ứng dụng ngay mô hình tính toán tiên tiến này để tối ưu hóa an toàn và chi phí cho các công trình hạ tầng trọng điểm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

PHYSICAL AND NUMERICAL MODELLING OF THE SOFT SOIL GROUND IMPROVED BY DEEP CEMENT MIXING METHOD By Zhen FANG BEng, MSc Supervisor: Professor Jian-Hua YIN A Thesis Submitted in Partial Fulfilment of the Requirements for the Degree of Doctor of Philosophy & Department of Civil and Structural Engineering The Hong Kong Polytechnic University May 2006 UMI Number: 3241057 INFORMATION TO USERS The quality of this reproduction is dependent upon the quality of the copy submitted. Broken or indistinct print, colored or poor quality illustrations and photographs, print bleed-through, substandard margins, and improper alignment can adversely affect reproduction. In the unlikely event that the author did not send a complete manuscript and there are missing pages, these will be noted. Also, if unauthorized copyright material had to be removed, a note will indicate the deletion.

® UMI UMI Microform 3241057 Copyright 2007 by ProQuest Information and Learning Company. All rights reserved. This microform edition is protected against unauthorized copying under Title 17, United States Code. ProQuest Information and Learning Company 300 North Zeeb Road P.

Box 1346 Ann Arbor, MI 48106-1346 & PHYSICAL AND NUMERICAL MODELLING OF THE SOFT SOIL GROUND IMPROVED BY DEEP CEMENT MIXING METHOD ZHEN FANG Ph. THE HONG KONG POLYTECHNIC UNIVERSITY 2006 CERTIFICATE OF ORIGINALITY I hereby declare that this thesis entitled “Physical and Numerical Modelling of the Soft Soil Ground Improved by Deep Cement Mixing Method” is my own work and that, to the best of my knowledge and belief, it reproduces no material previously published or written nor material which has been accepted for the award of any other degree or diploma, except where due acknowledgement has been made in the text. Signed: Zhe Pt Name: Zhen FANG TO MY FAMILY Abstract of thesis entitled PHYSICAL AND NUMERICAL MODELLING OF THE SOFT SOIL GROUND IMPROVED BY DEEP CEMENT MIXING METHOD submitted by Zhen Fang for the degree of Doctor of Philosophy at The Hong Kong Polytechnic University in May 2006 The research described in this thesis focuses on the consolidation behaviour and vertical bearing capacity of soft soil ground improved by Deep Cement Mixing (DCM) method. The soft soil ground modelled in this study may support relatively light structures, reclaimed fills or road embankments.

Firstly, an axisymmetric physical model (Model 1) test was carried out to investigate the consolidation behaviour of soft soil ground installed with a single DCM column. The surface settlement, excess pore water pressures at different locations in the soil, and pressures carried by the soil and the DCM column were all measured throughout testing. This model test revealed that the DCM column behaved as a vertical drain partially, which suggests that the DCM column might be regarded as a partial or full vertical drainage, somewhat similar to a Prefabricated Vertical Drain (PVD) or a sand drain in the DCM improved ground. Under the approximate rigid loading, the pressure on the surrounding soil was progressively transferred to the DCM column, which caused an increase in stress concentration ratio.

The stress concentration ratio was also found to be dependent on both the external pressure and the degree of consolidation of the surrounding soil. On the basis of the findings of Model 1 test, another axisymmetric model (Model 2) test on the soft soil installed with a PVD strip was performed. This model test was attempted to make a comparative study on the dissipation of excess pore water pressure mechanism between the soil ground installed with DCM column and the soil ground installed with PVD strip. Compared to Model 1 test, the excess pore water pressure in the soil of Model 2 test was observed to dissipate slowly under the same load increment.

This difference was mainly due to the different changing patterns of the surcharge carried by soft soil in the two model tests. The surcharge carried by soil was nearly constant for the soil with PVD strip in Model 2 test, but reducing gradually for the soil ground with DCM column in Model 1 test. After Model 1 test and Model 2 test, Model 3 test was carried out. Model 3 was a plane strain model consisting of a soft soil ground installed with nine mini DCM columns.

The DCM columns were covered by a thin sand layer and rigid plate, which was then subjected to a vertical load. Model 3 test was used to investigate the vertical bearing capacity, and the failure mode of the soil ground improved by a DCM column group. Establishment of the model ground and the arrangement of transducers are both presented in detail. Throughout the test, surface settlement, pore pressures and the stress carried by soil were all measured.

The recorded load versus displacement curve represents pronounced softening, which implies the progressive failure of the column group in the model ground. It was observed that responses of pore pressure were dependent on not only the drainage condition but also the local failure of DCM columns and the progressive failure of the column group. However, effective stress paths of soil elements in the ground could be useful tool to interpret the pore pressure responses reasonably. Moreover, post-test study verifies a wedge-shaped failure mode ii in the model test.

It is possible that this type of failure pattern is explored experimentally for the first time. Numerical modelling was carried out in an attempt to improve understanding of the consolidation process and the failure mechanism of the improved soil ground. In order to take account of the time-dependent behaviour of soft soil, an Elastic Visco-Plastic (EVP) model is needed. For this purpose, a three-dimensional (3-D) EVP constitutive model originally proposed by Yin and Graham (1999) has been incorporated into a Finite Element (FE) package, ABAQUS, by means of a User MATerial (UMAT) FORTRAN subroutine.

This model is formulated as incremental stress-strain relationship for use in FE analysis. For the purpose of verification, a number of single element numerical experiments were carried out to evaluate the overall performance and the efficiency of the UMAT subroutine. Finite element package associated with UMAT developed in this study was employed to conduct FE analysis on two model tests (Model 1 and Model 3). The softening behaviour of the DCM column has been incorporated by employing Mohr-Coulomb constitutive model with the progressive reduction of the cohesion with the deviatoric plastic strain.

In terms of Model 1 test, fairly good agreement between measurements and computations is obtained. In particular, the sudden changes of the excess pore pressure resulted from the DCM column failure has been well captured. Based on a series of parametric studies, the permeability of the DCM column and the viscosity of the surrounding soil were found to have an influence on the dissipation of excess pore pressure in the soil, but little influence on the stress concentration ratio. Finite element analysis was also performed on Model 3 test.

The results reveal that there is good 1H agreement between computed and measured load versus displacement curve. The vertical bearing capacity of the DCM treated soil ground has been well predicted. Besides, the degradation process of the vertical bearing capacity has been reproduced successfully with the introduction of the softening behaviour of the DCM columns. Two field cases involving DCM method have been simulated using FE models with the UMAT.

The permeability of DCM columns has been set to be much higher than that of surrounding soil. Computed results are in good agreement with field measurements. It is demonstrated that the permeability of the DCM column has a negligible influence on the deformation of the improved soil ground. This also indicates that a successful prediction of the performance of soil ground with DCM columns shall take account of the permeability of the DCM column.

In order to identify the influence of soil viscosity on the current problems, one more elastic plastic (EP) FE analysis has been made, in which the Modified Cam-Clay (MCC) model is used to model the soft soil. A comparison between them reveals that EVP modelling is capable of providing better results than EP modelling, particularly for the long-term deformation. At the end of this thesis, a summary of the major conclusions and some recommendations for further studies are presented. iv LIST OF PUBLICATIONS Journal Papers 1.

A model study on soft soil ground installed with cement-soil columns subjected to vertical loading. Submitted to Geotechnique. Experimental study on consolidation process of marine clay around a soil-cement column. International Journal of Geomechanics (In press).

Physical modelling of consolidation of Hong Kong marine clay with prefabricated vertical drains. Canadian Geotechnical Journal, 43(6), 638-652. Physical modelling of consolidation behavior of a composite foundation consisting of a cement mixed soil column and untreated soft marine clay. Experimental and numerical analysis of the progressive deformation and failure of marine clay improved with deep cement mixing column.

Rock and Soil Mechanics, 26, 205-208 (In Chinese). Physical modelling study on the composite foundation of a cement-soil-mixed column in soft Hong Kong marine clay. Annual Conference of Hong Kong Society of Theoretical and Applied Mechanics 2003-2004, Hong Kong. Physical modelling study on the consolidation behavior of a composite foundation improved by DCM.

Proceedings of the 11" International Conference of International Conference on Computer Methods and Advances in Geomechanics, Italy, June 2005. Elastic Viscoplastic modelling of two cases involving PVD improved Hong Kong marine clay. 4” International Conference on Soil Engineering '2006, Vancouver, Canada, October 2006 (Accepted). Physical modelling of the consolidation behavior of soft soil ground installed with vertical drains or deep cement mixed soil columns.

International Conference on Physical Modelling in Geotechnics, Hong Kong, August 2006. vi ACKNOWLEDGEMENTS I would like to express my sincere gratitude to my supervisor Professor J. His guidance and patience has been invaluable, and is greatly appreciated. Without his encouragement, understanding and continuous support, it would not have been possible to complete my work.

I would also like to thank members of my oral examination committee, Professors C. Li for reviewing the manuscript and offering valuable comments and suggestions. Many thanks are due to Mr. Lam for their great help when I carried out tests in the Soil Mechanics Laboratory of Department of Civil and Structural Engineering of The Hong Kong Polytechnic University.

Other people whom I would particularly like to thank are: Professor G. Zhu and Dr. Zhou for their help with proof reading of the thesis, FORTRAN programming and numerical simulations. Discussions with Mr.

Wang of City University of Hong Kong are also appreciated. Thanks are also extended to Professor X. Yu and Mrs. Yan of the Geotechnical Research Institute of Hohai University who introduced me to the world of the Soil Mechanics.

Financial supports from the RGC grant (No: PolyU 5055/02E) of The Hong Kong Government are deeply appreciated. Also, administrative and technical supports from the staff of the Department of Civil and Structural Engineering are appreciated. I am in the debt of my family and my girl friend who suffered from my long absence. I really appreciate the sacrifice of them.

Vii Table of Contents Certificate of originality Dedication Abstract List of publications Acknowledgements Table of contents List of figures List of tables Page CHAPTER 1 TNTRODUCTION «vvceccsscscsscccccccsscsccceccccccsccsececccoserennsccseserescssesesssoos 1 1.1 Background DD nna 1 1.2 Obj ectives and the scope of current study =ÔÔÔÔÔÔÔỒÔÔÒÔÔÔ 4 1.3 Layout of thesis ằằằ. 5 CHAPTER2 LITERATURE REVIEW -----.ƒỹ}Ÿỹ†}Ÿ{Ĩ‡ĨŸỹ}Ĩ}ỊỊỘỰ ỊH nỤ 9n 0Ó 0 0006 8 2.1 Introductions ---:----------->----=<><* sọ HH Hi HH Họ H4 1 K00 000006001004 040640 9-0l9 0440610 086/198 8 22 Deep Mixing (DM) nethod ‹-------------------------------< <<. ỊỌÍ HH HH ng 9K H4 9 60 060000008 8 2.1 Fundamental concepts ằẰ. 10 2 2 2 Characteristics ‹-----------<-‹-+-5‹=+2<s<ss se HH Y0 10 Ki ó9 0 0000004 000608 0 80 80 00 12 223 Applications M.

13 224 Engineering properties Of cemented SOI] -:--------------------- --‹ - --===-<-==<<=>° 15 vi 224.1 Influencing FACTOLS crccereseeececsncereascesescesescscseeseesessessesssssuseesonas 15 2.2 Unconfined compressive strength --‹---------------------©-55- sec 16 2.5 Drained and undrained strength --------------------------c-ccccccsneeeesre 19 2.6 Viscosity and creep -------------c-cccnennnhnhhhnnhhehhHhHH re 20 2.7 Permeability ------------------5-°scs hen 20 2.3 Bearing capacity of the DM ground -‹-------------‹-‹--‹---5-5cccccssnshhehehtrrreriree 21 2.