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

• 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.