MÔ PHỎNG VÙNG XÁO TRỘN DO LỰC ÉP NGANG

KHI THI CÔNG PVD BẰNG PLAXIS 2D

TS. PHAN TRƯỜNG SƠN

¹ Journal of Science and Technology, Industrial University of Ho Chi Minh City;

tapchi@iuh.edu.vn

Abstract: PVD (Prefabricated vertical drain) là giải pháp không đắt, có thể thi công dễ dàng trong không gian hạn chế, cung cấp tính dẫn cao, rút ngắn đường thoát cho đất có tính thấm nhỏ và tăng tốc tiến trình cố kết. Mặc dù có những thành công về hiệu dụng, còn có những vấn đề tồn tại với PVD. PVD được đưa vào đất bằng cọc cấy và bịt tấm neo ở mũi. Và sự cấy vào đất này xáo trộn đáng kể vùng đất xung quanh. Ở đó có sự chèn ép kết cấu hạt, gia tăng áp lực lỗ rỗng, giảm hạ độ bền và lượng nước trong vùng bị xáo trộn.

Do tính phong phú về giá trị và sự phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bài báo mong muốn mong muốn xác lập hình dạng và phạm vi vùng xáo trộn do lực ép ngang khi thi công PVD được mô phỏng bằng phần tử hữu hạn thông qua phần mềm Plaxis với đặc trưng với nền đất yếu rất phổ biến ở vùng lân cận thành phố Hồ Chí Minh - Việt nam.

Từ khóa: đất yếu, bấc thấm, vùng xáo trộn, tính thấm, gia cường nến đất yếu.

SIMULATION OF THE SMEAR ZONE CAUSED BY HORIZONTAL PRESSURE DURING MANDREL ACTION WITH PLAXIS 2D

Abstract: Prefabricated vertical drain is an inexpensive solution that can be easily installed in limited spaces, provides high conductivity, shortens pathways for soils having low permeability, and accelerates the consolidation process. Despite of the success of the product, there are problems with PVD. PVD is brought into the soil by mandrels and anchor plates. And the implantation of this soil greatly disturbed the surrounding soil. There is a compression in the soil texture, increased pore pressure, reduced durability and water content in the smear zone.

Due to the abundance of values and the dependence on many factors, the article desires to establish the shape and extent of the smear zone caused by horizontal pressure during the mandrel action and simulate it by using the finite element through Plaxis software to the soft soil which is very common in the vicinity of Ho Chi Minh City – Vietnam.

Keywords: Soft Soil, Prefabricated Vertical Drain, Smear Zone, Permeability, Ground Improvement

1. Dẫn nhập – lý do

1. Lợi ích của PVD

Khi xây dựng trên nền đất yếu, tải trọng từ các công trình như nên đường, sân bay, đê, nhà xưởng, … có thể gây lún từ hiện tượng cố  kết của các loại đất này. Để tránh các vấn đề nghiêm trọng có thể xảy ra do lún, người ta thường thực hiện tiến trình cố kết sớm và nhanh nhất có thể để đưa công trình vào xây dựng và sử dụng nhanh và an toàn.

Đối với đất có khả năng nén cao, sự cố kết liên quan chặt chẽ với sự đẩy nước ra  khỏi đất. Thường, là sự sử dụng giải pháp nén trước hoặc tạo kênh để nước dễ dàng thoát ra đối với đất có tính thấm nhỏ như cọc cát. Thời gian gần đây, PVD (prefabricated vertical drain) thường được sử dụng. Đây là giải pháp không đắt, cung cấp tính dẫn cao (hiệu quả hơn 30 lần so với cọc cát có đường kính 300 mm), có thể thể thi công dễ dàng trong không gian hạn chế, rút ngắn đường thoát cho đất có tính thấm nhỏ và tăng tốc tiến trình cố kết.

PVD đã và đang được sử dụng nhiều dự án quan trọng như Dự án cải tạo đảo Tân Changi (1992-2004), New Bangkok International Airport, (1997-2006), dự án mở rộng sân bay Shenzhen (Quảng đông-Trung quốc), tuyến đường sắt giữa Belapur-Seawood-Uran (Mumbai- Ấn độ) …

2. Hạn chế của PVD

Mặc dù có những thành công về hiệu dụng, còn có những vấn đề tồn tại với PVD (Akagi 1994; Holtz 1987). PVD được đưa vào đất bằng cọc cấy và bịt tấm neo ở mũi. Và sự cấy vào đất này xáo trộn đáng kể vùng đất xung quanh. Ở đó có sự chèn ép kết cấu hạt, gia tăng áp lực lỗ rỗng, giảm hạ độ bền và lượng nước trong vùng bị xáo trộn (Holtz và Holm 1973). Tính thấm của vùng xáo trộn cũng giảm so với giá trị ban đầu trước khi cấy PVD vào đất (Holtz and Holm 1973). Kết quả là dòng chảy vào PVD bị giảm thấp và tiến trình cố kết bị kéo dài đáng kể.

3. Các nghiên cứu về vùng xáo trộn

Về cơ bản, vùng xáo trộn quanh PVD được chia làm hai phần: vùng xáo trộn và vùng chuyển tiếp (Bergado et al. 1996; Madhav et al. 1993). Bản chất của sự xáo trộn thì khá phức tạp và phụ thuộc vào nhiều nhân tố như là các đặc trưng của vật liệu đất, hình dạng, độ nhám bề mặt và kích cỡ của cọc cấy, tốc độ cấy và sự dịch chuyển đất sau khi cọc cấy được rút lên (e.g. Onoue et al. 1991, Hird and Moseley 2000).

Khảo sát các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, các đặc trưng không gian của vùng xáo trộn cho thấy mức độ xáo trộn hầu hết được công bố trong vùng lân cận của rãnh thoát nơi nước đi vào và giảm với sự gia tăng khoảng cách hướng tâm từ rãnh thoát (Onoue et al. 1991, Bergado et al. 1991, Madhav et al. 1993, Indraratna and Redana 1998, Hird and Moseley 2000, Sharma and Xiao 2000, Sathananthan and Indraratna 2006).

Hình 1. Mô hình PVD

Vùng chuyển tiếp ở giữa vùng xáo trộn và vùng không xáo trộn (Onoue et al. 1991; Madhav et al. 1993; Indraratna and Redana 1998; Sharma and Xiao 2000) là vùng có sự chuyển tiếp dần tính chất của đất với độ xáo trộn giảm dần theo khoảng cách tăng từ rãnh thoát (Holtz and Holm 1973).

Do vùng xáo trộn có các tiêu chí quan trọng từ đầu vào của một tiến trình tính toán năng lực thoát nước của PVD cũng như các đặc trưng của đất sau khi biến dạng/cố kết, nhiều nhà nghiên cứu đã tiến hành khảo sát kích cỡ và mức độ của vùng xáo trộn. Nghiên cứu của Holtz and Holm 1973, Jamiolkowski et al. 1983, Hansbo 1986, 1987, 1997, Bergado et al. 1991, 1993b, Onoue et al. 1991, Holtz et al. 1991, Mesri et al. 1994, Madhav et al. 1993, and Chai and Miura 1999 đề xuất rằng kích thước của vùng xáo trộn (khoảng cách từ tâm rãnh thoát cho tới biên ngoài của vùng xáo trộn thay đổi giữa 1 đến 4 lần bán kính cọc cấy tương đương r_m,eq (mặt cắt ngang của cọc cấy, nếu không phải là hình tròn có thể chuyển đổi sang bán kính tương đương r_m,eq có cùng diện tích).Các nghiên cứu khác bởi Hansbo 1987; Chai and Miura 1999; Hird and Moseley 2000 đề nghị rằng vùng xáo trộn trong phạm vi từ 2 đến 3 lần r_m,eq.

Để thiết kế PVD và đánh giá độ cố kết trung bình (U), các mô hình lý thuyết mô tả đặc tính của vùng xáo trộn đã được đề xuất qua nhiều năm. Các mô hình khá đơn giản đầu tiên (Barron 1948, Hansbo 1979) cho rằng một xi lanh đơn vị đất được tháo nước bằng một ống thoát đồng tâm và một vùng xáo trộn với một hằng số độ thấm nằm ngang bị chiết giảm (hình 1). Theo Basu et al. (2006), các nghiên cứu trước đây dựa  trên mô hình này đã đề xuất rằng phạm vi của vùng xáo trộn (d_s) là từ 2 đến 4 lần đường kính tương đương của PVD và tính thấm ngang (k_hS)  giảm từ 2 đến 10 lần tính thấm vùng không xáo trộn (k_h0), nghĩa là s = d_s/d_w ~ (2¸4) và k = k_h0 /k_hS = (2¸10). Tuy nhiên, các thí nghiệm trong phòng được trích dẫn  chỉ ra rằng phạm vi của vùng xáo trộn có thể lớn hơn như d_s/d_m = 9 (d_m là đường kính tương đương của cọc cấy).

Các mô hình gần đây đã nỗ lực ghi lại bản chất của vùng xáo trộn sao cho thực tế hơn, mô tả sự biến đổi bên trong vùng xáo trộn (e.g. Walker and Indraratna 2006, Basu et al. 2006, Chung et al. 2009). Hơn nữa, các hiệu ứng còn mang tính thời điểm như là tái cố kết của sét sau khi cấy PVD, ảnh hưởng các đặc trưng của vùng xáo trộn được kết hợp trong những mô hình đã trình bày bởi Indraratna et al. (2005) và Walker et al. (2012).

4. Mục tiêu của bài báo

Do tính phong phú về giá trị và sự phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bài báo mong muốn mong muốn xác lập hình dạng và phạm vi vùng xáo trộn do lực ép ngang khi thi công PVD được mô phỏng bằng phần tử hữu hạn thông qua phần mềm Plaxis với đặc trưng với nền đất yếu rất phổ biến ở vùng lân cận thành phố Hồ Chí Minh - Việt nam.

2. Cơ sở lập luận

1. Tiến trình thi công PVD và giới hạn nghiên cứu

• PVD được đưa vào đất bằng măng xông có tiết diện hình chữ nhật 60 x 120. Tốc độ xuyên vào đất được chọn là 600 mm/s. Tốc độ này phù hợp với thực tế phương tiện và đủ nhanh để tạo tác động ép đất xảy ra như tức thời.
• Trong quá trình đi vào đất, măng xông đâm xuyên ở mũi và ép đất sang phương ngang. Đất bị biến dạng ngang bằng với kích thước của măng xông. Do tốc độ xuyên đất nhanh và thân măng xông thông thường (xuyên lần 2) trơn ướt nên bỏ qua hệ số tiếp xúc giữa đất và thành măng xông.
• Đến độ sâu thiết kế, măng xông rút lên và để PVD lại trong đất.
• Đất yếu sử dụng có tính phổ biến vùng lân cận thành phố Hồ Chí Minh.

2. Công cụ và mô hình tính toán

1. Công cụ

• Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn thông qua phần mềm Plaxis 2D với phần tử 16 nút và độ mịn mức khá.

2. Mô hình
3. 
4. Hình 2. Mô hình tính toán

• Để tiết kiệm thời gian tính toán mà vẫn nhận thấy sự biến đổi áp lực nước lỗ rỗng dọc PVD thì chiều dài PVD được sử dụng là 2m (20 lần bề rộng PVD).
• Không gian tính toán là 3m x 3m.
• Tiến trình đi vào đất tạo ra áp lực ép đất sang ngang được tính dựa trên lý thuyết biến dạng tương đương của đất. Tương ứng với biến dạng 3 cm và 6cm (đối xứng trục): p_ngang = 61.6 kN/m² và p_dọc = 232 kN/m²_.
• Phạm vi được xác định vùng xáo trộn tập hợp các điểm có áp lực lỗ rỗng bằng không hoặc tiến tới không.

3. Trường hợp tính toán

1. Số liệu  địa chất

2. Trường hợp theo phương cạnh dài và trường hợp theo phương cạnh ngắn

Như mô hình tính toán ở hình 2

4. Kết quả và so sánh

1. Trường hợp theo phương cạnh ngắn

1. Biểu đồ áp lực nước lỗ rỗng

Hình 3. Biểu đồ đường đồng mực áp lực lỗ rỗng theo phương cạnh ngắn

2. Thống kê các điểm có áp lực lỗ rỗng hội tụ về không

Bảng 1. Các điểm bên trái

Bảng 2. Các điểm bên phải

Hình 4. Sự phân bố các điểm có áp lực lỗ rỗng

gần bằng không

2. Trường hợp theo phương cạnh dài

1. Biểu đồ áp lực nước lỗ rỗng

Hình 5. Biểu đồ đường đồng mực áp lực lỗ rỗng theo phương cạnh dài

2. Thống kê các điểm có áp lực lỗ rỗng hội tụ về không

Bảng 3. Các điểm bên trái

Bảng 4. Các điểm bên phải

Hình 6. Sự phân bố các điểm có áp lực lỗ rỗng gần bằng không

5. Nhận xét và Kết luận

1. Nhận xét

• Kích thước vùng xáo trộn của đất sét nhão (B = 1.12; Ip = 25.5) phát triển từ mặt đất, nơi có độ rỗng lớn, và có xu hướng giảm giá trị  theo độ sâu.
• Biên độ miền giá trị của vùng xáo trộn lớn.
• Biên giá trị của hai cạnh là xấp xỉ nhau (cạnh ngắn là 0.47; cạnh dài là 0.49). Nếu chọn giá trị lớn nhất (bất lợi nhất cho sự tháo nước) của cả hai cạnh thì hình dạng vùng này là xấp xỉ tròn. Điều này phù hợp với giả thiết dạng hình tròn của vùng xáo trộn và sơ đồ bố trí PVD.
• Tỷ lệ rsrm,eq= 494.79≈10.2

2. Kết luận

• Vùng xáo trộn ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố nên miền giá trị phong phú gây khó khăn cho việc áp dụng.
• Trường hợp khảo sát cho thấy vùng xáo trộn là xấp xỉ tròn và có tỉ số r_s/r_m.eq ~ 10.2.
• Mô phỏng số để tìm tỷ số r_s/r_m.eq là giải pháp đơn giản và đề xuất sử dụng để có giá trị tham khảo tiệm cận với hiện trường để bài toán thiết kế có tính hiệu quả cao hơn.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Buddhima Indraratna1 & Chamari Bamunawita, Soft clay stabilization by mandrel driven geosynthetic vertical drains, ISSMGE-TC36 WORKSHOP, MEXICO CITY, MAY 2002 (INVITED PAPER).

[2] R. Müller, S. Larsson, Aspects on the modelling of smear zones around vertical drains, Proceedings of the 18th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Paris 2013.

[3] Indraratna, B., Rujikiatkamjorn, C. & Ardana, M. (2015). Characterization of smear zone caused by mandrel action. In M. Iskander, M. T. Suleiman, J. Anderson & D. F. Laefer (Eds.), Geotechnical Special Publication (pp. 2225-2232). United States: American Society of Civil Engineers.

[4] D. Basu, S.M.ASCE1 ; and M. Prezzi, M.ASCE, Effect of the Smear and Transition Zones around Prefabricated Vertical Drains Installed in a Triangular Pattern on the Rate of Soil Consolidation, INTERNATIONAL JOURNAL OF GEOMECHANICS © ASCE / JANUARY/FEBRUARY 2007.

[5] Tayfun Sengul, Tuncer Edil & Kutay Ozaydin, Laboratory determination of smear and transition zones due to prefabricated vertical drain installation, Marine Georesources & Geotechnology, DOI: 10.1080/1064119X.2016.1256924.

[6] Buddhima Indraratna, Recent advancements in the use of prefabricated vertical drains in sof soils, Australian Geomechanics Journal, March issue, 2008, 29-46.

[7] Cholachat Rujikiatkamjorn, Buddhima Indraratna, Design procedure for vertical drains considering a linear variation of lateral permeability within the smear zone, Canadian Geotechnical Journal, 46(3), 2009, 270-280.

[8] Dey, A. , Vertical Drains and Smear Effects: A Brief Review, GeoSymposium 2008, 4-5 July, 2008.

[9] A. Parsa Pajouh1,*, B. Fatahi1, and H. Khabbaz, Uncertainties of Smear Zone Characteristics in the Design of Preloading with Prefabricated Vertical Drains, The 4th International Conference on Geotechnical Engineering and Soil Mechanics, November 2-3, 2010, Tehran, Iran.