MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Một phần lớn lãnh thổ Việt Nam có thành tạo đất yếu, đặc biệt là các vùng đồng bằng ven sông, ven biển. Ở những vùng này có đất đai trù phú, dân cƣ đông đúc, và có vị trí quan trọng trong nền kinh tế quốc dân. Với việc đẩy mạnh xây dựng và hoàn thiện cơ sở hạ tầng nhằm đáp ứng sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nƣớc và ứng phó với biến đổi khí hậu toàn cầu, đã và đang đòi hỏi xây dựng hàng loạt các công trình dân dụng, công nghiệp, giao thông và thủy lợi trên các vùng đất này.
Vì thế nhiều thành phố, khu công nghiệp, cảng biển, khu du lịch, đƣờng giao thông…đang đƣợc đầu tƣ xây dựng với tốc độ ngày càng lớn và phần lớn nền của các công trình này là mềm yếu cần đƣợc xử lý để tăng sức chịu tải, giảm độ lún, đảm bảo ổn định công trình. Có rất nhiều phƣơng pháp xử lý nền đất yếu, nhƣng tùy thuộc vào điều kiện và đặc điểm của mỗi công trình có thể chọn một phƣơng pháp xử lý cho phù hợp. Với đặc điểm các vùng có chiều dày đất yếu lớn, diện xử lý rộng, dài, cần rút ngắn thời gian xử lý thì việc tìm ra phƣơng pháp xử lý mới có hiệu quả là một thách thức của các nhà địa kỹ thuật và mang ý nghĩa thời sự. Phƣơng pháp cố kết chân không đƣợc ứng dụng thành công trên thế giới và Việt Nam bƣớc đầu ứng dụng.
Phƣơng pháp này có những ƣu điểm vƣợt trội so với các phƣơng pháp khác nhƣ: Thời gian thi công ngắn, giảm đƣợc chiều cao gia tải trƣớc, vì thế tiết kiệm đƣợc vật liệu gia tải, công tác dỡ tải sau xử lý gọn, thi công không gây ô nhiễm môi trƣờng, đặc biệt phù hợp khi xử lý nền trên diện rộng, dài. Việt Nam đã ứng dụng phƣơng pháp này để xử lý nền cho một số công trình công nghiệp, đƣờng giao thông, cảng biển, với công nghệ và trang thiết bị do các đơn vị nƣớc ngoài phụ trách. Việc am hiểu, chủ động đƣợc công nghệ và xây dựng đƣợc mối quan hệ giữa các thông số của nền đất trong quá trình cố kết chân không cho một số loại đất yếu ở Việt Nam mang ý nghĩa thời sự và cần thiết. Vì vậy việc nghiên cứu ứng dụng phƣơng pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu để xây dựng công trình có ý nghĩa khoa học và thực tiễn to lớn.
Mục đích của đề tài - Xác định quy luật biến thiên áp lực nƣớc lỗ rỗng và biến dạng (lún) của nền đất yếu trong quá trình cố kết chân không. - Xây dựng mối quan hệ giữa chỉ số dẻo (PI), độ cố kết (U), chiều dày nền đất yếu xử lý (H) và thời gian cố kết (t) khi xử lý nền bằng phƣơng pháp cố kết chân không. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu - Đất yếu ven sông, ven biển khu Đình Vũ – Hải Phòng, Duyên Hải – Trà Vinh, Nhơn Trạch – Đồng Nai, Nhiệt điện Thái Bình – Thái Bình. - Các loại đất yếu khu vực khác có các chỉ tiêu cơ lý tƣơng đồng.
Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan về các giải pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu trên thế giới và ở Việt Nam. Đánh giá tồn tại về kỹ thuật và chỉ ra vấn đề mà luận án tập trung giải quyết. - Ứng dụng cơ sở lý thuyết, phƣơng pháp tính toán thiết kế giải pháp cố kết chân không, tính toán đƣa ra các thông số của quá trình cố kết cho loại đất yếu nghiên cứu để làm cơ sở đối chiếu, so sánh với kết quả thực nghiệm của MHVL và hiện trƣờng. - Nghiên cứu lắp đặt, vận hành hệ thống, các thiết bị thí nghiệm để chủ động về công nghệ cố kết chân không.
- Nghiên cứu thực nghiệm về quy luật biến thiên ALNLR và biến dạng của nền đất trong quá trình cố kết chân không bằng các MHVL. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm trong phòng đƣợc đối chiếu so sánh với kết quả tính toán từ mô hình số để xem xét sự phù hợp của mô hình số tính toán. - Sử dụng mô hình số đƣợc chọn, tính toán ứng dụng cho các công trình thực tế, so sánh kết quả tính toán với kết quả thực nghiệm công trình của chúng với nhau để khẳng định sự hợp lý của mô hình số. 3 - Ứng dụng mô hình số đƣợc chọn tính toán cho một số loại đất yếu tƣơng đồng.
Xây dựng mối quan hệ giữa chỉ số dẻo, độ cố kết, chiều dày nền đất yếu xử lý và thời gian cố kết khi xử lý nền bằng phƣơng pháp cố kết chân không. Phƣơng pháp nghiên cứu - Phƣơng pháp tính toán, phân tích lý thuyết: Nghiên cứu bài toán cố kết chân không, nghiên cứu các nội dung liên quan đến việc giải bài toán cố kết chân không. - Phƣơng pháp thực nghiệm: Thí nghiệm MHVL để xác định quá trình biến thiên ALNLR và biến dạng tại các vị trí và độ sâu trong nền trong quá trình cố kết chân không. - Phƣơng pháp thống kê: Xử lý số liệu thí nghiệm, xử lý thống kê để xác lập các đƣờng quan hệ giữa các yếu tố nghiên cứu.
- Phƣơng pháp phần tử hữu hạn: Lựa chọn, sử dụng mô hình số để tính toán xây dựng mối quan hệ giữa các thông số của quá trình cố kết chân không đƣợc thực hiện theo sơ đồ sau: - Phƣơng pháp chuyên gia: Tổ chức hội thảo, báo cáo khoa học nhằm tổng hợp các ý kiến đóng góp của các chuyên gia, các nhà khoa học về lĩnh vực nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn a) Ý nghĩa khoa học Phƣơng pháp cố kết chân không là một phƣơng pháp hiệu quả khi xử lý nền đất yếu, đã đƣợc ứng dụng rộng rãi trên thế giới. Việt Nam bƣớc đầu ứng dụng phƣơng pháp này để xử lý nền cho một số công trình, các nghiên cứu về các yếu tố ảnh hƣởng đến phƣơng pháp này còn ít, vì vậy kết quả nghiên cứu các quy luật biến đổi các thông số của quá trình cố kết theo phƣơng pháp này của luận án, trong điều kiện đất yếu Việt Nam, để làm cơ sở đƣa ra các dự đoán khi xử lý nền đất yếu cho các công trình thực tế. 4 Việc ứng dụng các mô hình số để tính toán xác định các thông số của quá trình cố kết khi xử lý nền bằng phƣơng pháp cố kết chân không nhằm giảm khối lƣợng tính toán.
Kết quả tính toán đƣợc phân tích, so sánh với kết quả thực nghiệm, qua đó giúp đƣa ra các kết luận về sự biến đổi thông số của quá trình cố kết. Tuy nhiên, đến nay chƣa có phần mềm chuyên dụng nào ứng dụng cho phƣơng pháp này, vì vậy việc lựa chọn đƣợc phần tử hữu hạn phù hợp có ý nghĩa khoa học. Để đƣa ra các dự đoán về quá trình cố kết khi xử lý nền bằng phƣơng pháp cố kết chân không, việc xây dựng đƣợc mối quan hệ giữa các thông số độ cố kết, thời gian cố kết, chiều dày nền đất yếu xử lý, chỉ số dẻo.là cần thiết, qua đó làm cơ sở dự đoán ban đầu quá trình cố kết, khi xử lý nền đất yếu bằng phƣơng pháp nêu trên. b) Ý nghĩa thực tiễn Với kết quả nghiên cứu xác định đƣợc quy luật biến thiên các thông số của nền đất, đồng thời xác lập đƣợc mối quan hệ của chúng khi xử lý nền đất yếu bằng phƣơng pháp cố kết chân không, giúp cho các cán bộ địa kỹ thuật có đƣợc công cụ để đƣa ra các dự đoán ban đầu về quá trình cố kết khi xử lý nền đất yếu theo phƣơng pháp này.
Những đóng góp mới của luận án (1) Thiết lập và thí nghiệm MHVL cỡ lớn (2,4m3) là mô hình đầu tiên ứng dụng phƣơng pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu cho loại đất yếu ven biển đƣợc thực hiện tại phòng thí nghiệm Địa kỹ thuật, trƣờng Đại học Thủy lợi để nghiên cứu quá trình biến thiên ALNLR và biến dạng của nền đất tại các vị trí và độ sâu nghiên cứu khác nhau. (2) Lựa chọn đƣợc bộ phần mềm phù hợp (tích hợp giữa mô đun Seep/W và Sigma/W của phần mềm GeoStudio) để tính toán cố kết chân không kết hợp gia tải cho cả bài toán trong phòng và hiện trƣờng. (3) Xây dựng đƣợc các biểu đồ về mối quan hệ giữa chỉ số dẻo, độ cố kết, chiều dày nền đất yếu xử lý và thời gian cố kết khi xử lý nền đất yếu bằng phƣơng pháp cố kết chân không. Bố cục của luận án MỞ ĐẦU Chƣơng 1: Tổng quan về phƣơng pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu và lý thuyết của phƣơng pháp: Trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu, ứng dụng phƣơng pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu trên thế giới và Việt Nam.
Cơ sở lý thuyết bài toán cố kết thấm bằng phƣơng pháp cố kết chân không và phƣơng pháp dự báo lún. Chƣơng 2: Nghiên cứu thực nghiệm phƣơng pháp cố kết chân không xử lý nền đất yếu bằng MHVL: Chƣơng này giới thiệu các các thiết bị và nguyên lý hoạt động của các thiết bị này, trình tự thí nghiệm, phƣơng pháp quan trắc số liệu biến dạng lún, ALNLR và kết quả thực nghiệm khi xử lý nền bằng phƣơng pháp cố kết chân không. Chƣơng 3: Mô hình toán cho bài toán cố kết chân không: Chƣơng này ứng dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn tính toán cho các trƣờng hợp mô hình thực nghiệm trong phòng, kết quả tính toán đƣợc so sánh, đối chiếu với kết quả thực nghiệm trong phòng, qua đó lựa chọn đƣợc phần tử hữu hạn phù hợp. Để có thể khẳng định tính hợp lý của phần tử hữu hạn đƣợc chọn, tiến hành tính toán ứng dụng cho các công trình thực tế Pvtex Đình Vũ - Hải Phòng, Duyên Hải 3 – Trà Vinh, Nhơn Trạch 2 – Đồng Nai thông qua việc so sánh kết quả tính toán và thực nghiệm công trình của chúng với nhau.
Chƣơng 4: Xây dựng mối quan hệ giữa các thông số của bài toán cố kết chân không: Ứng dụng mô hình số đƣợc lựa chọn, tính toán ứng dụng cho một số loại đất yếu: Pvtex Đình Vũ - Hải Phòng, Duyên Hải 3 – Trà Vinh, Nhơn Trạch 2 – Đồng Nai và đất yếu nhiệt điện Thái Bình với các chiều dày đất yếu khác nhau (10-30) m.