Nghiên cứu này trình bày kết quả của các thử nghiệm mô hình trong phòng thí nghiệm và các nghiên cứu số được thực hiện trên loại ống PVC có đường kính nhỏ, được chôn lấp dưới các lớp cát gia cường bởi ô địa kỹ thuật. Nghiên cứu này nhằm đánh giá tính phù hợp của việc gia cố bằng ô địa kỹ thuật để bảo vệ các công trình ngầm và đường ống bị chôn lấp

Các nghiên cứu thực nghiệm và số học về việc bảo vệ đường ống chôn lấp và các tiện ích ngầm bằng cách sử dụng ô địa kỹ thuật.

A.M. Hegde*, T.G. Sitharam 

Khoa Xây dựng, Viện Khoa học Ấn Độ, Bangalore, 560012, Ấn Độ

Tóm tắt 

Nghiên cứu này trình bày kết quả của các thử nghiệm mô hình trong phòng thí nghiệm và các nghiên cứu số được thực hiện trên loại ống PVC có đường kính nhỏ, được chôn lấp dưới các lớp cát gia cường bởi ô địa kỹ thuật. Nghiên cứu này nhằm đánh giá tính phù hợp của việc gia cố bằng ô địa kỹ thuật để bảo vệ các công trình ngầm và đường ống bị chôn lấp. Ngoài ra, tính hiệu quả của việc sử dụng duy nhất lưới địa kỹ thuật hoặc sử dụng ô địa kỹ thuật kết hợp với thành phần lưới địa kỹ thuật cơ bản cũng sẽ được nghiên cứu. Thí nghiệm sử dụng ống PVC (Poly vinyl Clorua) có đường kính ngoài 75mm và dày 1,4 mm. Áp suất tiếp xúc với lốp xe được mô phỏng bằng cách tác động áp suất lên đầu thành ống với sự trợ giúp của một tấm thép. Kết quả cho thấy việc sử dụng ô địa kỹ thuật có thêm lưới địa kỹ thuật cơ sở làm giảm đáng kể sự biến dạng của đường ống so với các cách gia cố khác. Hơn nữa, độ sâu của vị trí đặt ống bên dưới tấm tải cũng thay đổi từ 1B đến 2B (B là chiều rộng của tấm tải) khi sử dụng ô địa kỹ thuật cùng lưới địa kỹ thuật cơ sở. Giảm hơn 50% áp suất và giảm hơn 40% giá trị biến dạng khi tái gia cố ở các độ sâu khác nhau so với khi không được gia cố. Ngược lại, tính năng của lớp đất nền cũng bị ảnh hưởng nhẹ bởi vị trí của đường ống, kể cả khi đã dùng hệ thống gia cố tương đối cứng. Hơn nữa, kết quả thí nghiệm đã được xác nhận bằng các nghiên cứu số học 3 chiều sử dụng phương pháp FLAC3D (Phân tích Lagrangian nhanh với Continua 3D).  Các nghiên cứu thực nghiệm và nghiên cứu số học cùng cho ra kết quả về giá trị các vết ố trên đường ống. Nghiên cứu số học cho thấy ô địa kỹ thuật phân tán lực nén theo hướng bên và do đó làm giảm lực lên đường ống. Ngoài ra, kết quả của các thử nghiệm mô hình 1-g đã được mở rộng cho trường hợp nguyên mẫu khi đường ống ngầm chôn nông bê dưới mặt đường bằng việc áp dụng các tỷ lệ thích hợp.

1. Giới thiệu

Các đường ống dẫn ngầm hoặc đường ống nước sinh hoạt tạo thành mạng lưới phức tạp trong các khu đô thị và thường được chôn dưới vỉa hè và các công trình tạm thời. Thông thường, những đường ống này được chôn nông dưới cống rãnh cùng với vật liệu có thể rửa trôi được. Các đường ống này có xu hướng bị biến dạng và hư hỏng do liên tục phải chịu tải trọng giao thông hoặc tải trọng tĩnh từ các phương tiện giao thông. Điều này khiến cả người dân sinh hoạt và người đi đường khó chịu. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đề xuất thiết kế một hệ thống gia cố nông bằng ô địa kỹ thuật để kết nối các ống nước sinh hoạt lại với nhau. Nhiều nhà nghiên cứu trong quá khứ đã nghiên cứu các khía cạnh về thiết kế và lắp đặt của các đường ống bị chôn lấp thông qua các thử nghiệm quy mô lớn và nhỏ. (Brachman et al., 2000; Mir Mohammad Hosseini and Moghaddas Tafreshi, 2002; Arockiasamy et al., 2006; Srivastava et al., 2012).  

Ngày nay, việc gia cố đất bằng hình thức gia cố bằng vật liệu địa kỹ thuật tổng hợp đang trở nên phổ biến trong các công trình địa kỹ thuật. Cách gia cố này làm tăng hiệu suất tổng thể của nền móng bằng cách tăng khả năng chịu tải và giảm độ lún. Nhiều nhà nghiên cứu đã nghiên cứu lợi ích của việc gia cố bằng vật liệu địa kỹ thuật tổng hợp trong các ứng dụng địa kỹ thuật khác nhau. (Indraratna et al., 2010; Rowe and Taechakumthorn, 2011; Demir et al., 2013; Bai et al., 2013; Almeida et al., 2014 etc.). Tuy nhiên, việc sử dụng ứng dụng này để bảo vệ đường ống bị chôn lấp và ống nước sinh hoạt vẫn còn là một khái niệm tương đối mới. Moghaddas Tafreshi và Khalaj (2008) đã tiến hành nghiên cứu thí nghiệm với ống HDPE đường kính nhỏ được chôn trong cát gia cố bằng lưới địa kỹ thuật và phải chịu tải trọng lặp đi lặp lại. Hai ông thấy rằng mức độ biến dạng của đường ống đã giảm đáng kể khi có lưới địa kỹ thuật. Palmeira and Andrade (2010) đã sử dụng kết hợp vải địa kỹ thuật và lưới địa để bảo vệ các đường ống chôn lấp trong các nghiên cứu mô hình của họ. Các nhà nghiên cứu thấy rằng phần gia cố có khả năng chống chịu đáng kể với vật sắc nhọn, xuyên thấu và giúp bảo vệ đường ống bị chôn lấp. 

Gần đây, ô địa kỹ thuật đang cho thấy hiệu quả của nó trong các ứng dụng sử dụng kỹ thuật địa kỹ thuật. Ô địa kỹ thuật là các tấm có thể thể mở rộng 3 chiều được tạo thành từ polymer có độ bền cao được hàn siêu âm hoặc hợp kim polyme như Polyetylen, Polyolefin, v.v. Các ô địa kỹ thuật liên kết với nhau tạo thành 1 tấm đệm lớn trải tải trọng trên một diện tích rộng hơn. Có nhiều nhà nghiên cứu trong quá khứ đã làm rõ những ưu điểm của việc sử dụng ô địa kỹ thuật trong các ứng dụng địa kỹ thuật. (Moghaddas Tafreshi and Dawson, 2010; Pokharel et al., 2010; Lambert et al., 2011; Yang et al., 2012; Thakur et al., 2012; Sitharam and Hegde, 2013; Mehdipour et al., 2013; Hegde and Sitharam, 2014a, b; Moghaddas Tafreshi et al., 2014; Hegde et al., 2014; Indraratna et al., 2014). Tavakoli et al. (2013) đã nêu bật lợi ích của ô địa kỹ thuật trong việc bảo vệ các đường ông bị chôn vùi trong các nghiên cứu của mình. Những người nghiên cứu sau nhấn mạnh lại tầm quan trọng của việc lựa chọng kỹ thuật đầm nén phù hợp để nén chặt lớp đất phía trên và bên dưới ô địa kỹ thuật. Tavakoli et al. (2012) đã sử dụng kết hợp việc gia cường bằng ô địa kỹ thuật và hỗn hợp đất cao su để bảo vệ đường ống chôn lấp. Người ta thấy rằng sự kết hợp giữa ô địa kỹ thuật gia cường cùng đất trộn 5% cao su (bất kể kích thước hoặc loại cao su) mang lại hiệu quả tốt nhất trong việc làm giảm biến dạng đường ống và độ lún lấp đất.

Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng một kỹ thuật khá đơn giản. Trái với các nghiên cứu trước đây, chúng tôi sử dụng kết hợp ô địa kỹ thuật và lưới địa kỹ thuật để bảo vệ các công trình ngầm và đường ống chôn lấp. Phần đầu tiên của bản thảo đề cập đến các bài kiểm tra trọng tải mô hình 1-g, còn phần thứ hai trình bày mô hình số học 3 chiều của vấn đề.

2. Các kiểm tra thí nghiệm  

2.1. Chuẩn bị thí nghiệm        

2.2. Vật liệu sử dụng        

2.3. Chuẩn bị bể thí nghiệm        

2.4. Thiết bị đo đạc        

2.5. Phương pháp thí nghiệm

Chi tiết về các thử nghiệm được giải thích trong tài liệu theo link để ở cuối trang

3. Kết quả và đánh giá              

3.1. Ảnh hưởng của các loại gia cố

Hình.1 biểu thị khả năng chịu áp lực-lún của lớp cát trong các trường hợp thí nghiệm khác nhau. Đường biểu thị độ chịu áp lực-lún giảm đột ngột, đường cong trở nên gần như thẳng đứng. Xu hướng trái ngược được thấy ở trường hợp gia cố bằng ô địa kỹ thuật và trường hợp sử dụng ô địa kỹ thuật được lót nền bằng lưới địa kỹ thuật khi đường chịu lực giảm từ từ với mức độ nhỏ hơn.

Hình 1

Điều này có thể được giải thích bởi việc các ô địa kỹ thuật liên kết với nhau tạo thành tấm đệm lớn giúp truyền tải trọng lên diện tích rộng hơn và do đó cải thiện hiệu suất của lớp nền. Lưới địa kỹ thuật dạng phẳng góp phần ngăn không cho cát lún xuống do tải trọng nhờ vào cơ chế màng (Hegde and Sitharam, 2013). Do vậy, việc sử dụng lớp lưới địa kỹ thuật làm nền cho ô địa kỹ thuật sẽ luôn mang lại lợi ích cao.

3.2. Ảnh hưởng của độ sâu đặt ống  

Hình. 2 biểu thị khả năng chịu lực với độ lún của tấm khi đặt ống ở các vị trí khác nhau. Kết quả cho thấy hiệu suất chịu lực của lớp cát bị ảnh hưởng nhẹ bởi vị trí đặt ống, cả khi có hệ thống gia cố tương đối cứng cáp. Ống đặt càng sâu thì độ lún càng tăng và áp suất chịu lực càng giảm trong mọi loại gia cố. Vì độ cứng của ống cao gấp 2e3 lần hệ thống gia cố nên bản thân ống chính là 1 loại gia cố cùng với ô địa kỹ thuật.

 

Hình 2

4. Mô hình số học  

Mô hình này sử dụng phương pháp FLAC3D với khả năng mô hình hóa một loạt các vấn đề địa kỹ thuật. Phương pháp này có một số mô hình vật liệu và yếu tố cấu trúc tích hợp để mô hình hóa nhiều loại vật liệu địa kỹ thuật và các loại gia cố.

Các phân tích sơ bộ cho thấy rằng khoảng cách đến thành bể không ảnh hưởng đến kết quả vì độ biến dạng và lực nén bị giữ nguyên tại thành bể.

Biểu đồ trên so sánh đường chống chịu áp lực theo thí nghiệm và số học trong trường hợp không gia cố và trường hợp gia cố bằng geocell kết hợp geogrid, khi ống được đặt ở độ sâu 1.5B bên dưới tấm tải. Và cả hai hướng nghiên cứu này đều cho ra kết quả giống nhau. Các nghiên cứu sử dụng tính toán cũng cho thấy rằng khi sử dụng ô địa kỹ thuât, lớp cát không hề sụt lún, kể cả khi phải chịu tải lớn. Áp lực lên đường ống giảm đi đáng kể nếu có sử dụng hệ thống gia cố. Còn với trường hợp không gia cố, áp lực đè lên ống lớn và sâu hơn, trong khi nếu có sử dụng ô địa kỹ thuật thì áp lực chỉ tác động được đến phần nông của ống.

Hình trên thể hiện sự phân bổ của các đường dịch chuyển theo phương thẳng đứng lên đường ống trong trường hợp được gia cố và không được gia cố. Các đường này có xu hướng giảm dần. Từ hình vẽ, có thể thấy rõ độ biến dạng của ống giảm đáng kể khi sử dụng geocell và geogrid.        

5. Ảnh hưởng của quy mô  

Mặc dù các thử nghiệm mô hình với quy mô lớn mới đáng tin cậy để nghiên cứu biểu hiện của đối tượng, có đôi khi những loại thử nghiệm này trở nên quá cồng kềnh. Do đó, có thể cắt giảm quy mô để thực hiện mô hình dưới điều kiện 1-g giúp đạt được thông tin tương đối chuẩn về biểu hiện của đối tường nhanh hơn so với thử nghiệm trên diện rộng với sự kiểm soát chặt chẽ hơn đối với các thông số chính.        

6. Kết luận  

Các nghiên cứu bằng thử nghiệm được tiến hành để biết khả năng bảo vệ các tiện ích ngầm và đường ống chôn lấp của việc sử dụng ô địa kỹ thuật. Kết quả cho thấy rằng việc sử dụng geocell có thêm lưới địa kỹ thuật làm giảm đáng kể sự biến dạng của đường ống so với các loại gia cố khác trong nghiên cứu. Hơn nữa, độ sâu của vị trí đặt ống biến động từ 1B đến 2B bên dưới tấm tải khi sử dụng geocell và geogrid. Khi so sánh các giá trị áp lực/biến dạng đo được trong trường hợp được gia cố với trường hợp không được gia cố ở cùng độ sâu, việc sử dụng hệ thống gia cố làm giảm hơn 50% áp lực và 40% giá trị biến dạng ở tất cả độ sâu. Áp lực lên đường ống gần như không đáng kể (tức Pu/qu < 0.1) khi sử dụng ô địa kỹ thuật, đồng thời độ lún cũng giảm đáng kể. Ở góc độ rộng hơn, những phát hiện này sẽ giúp giảm chi phí lắp đặt đường ống chôn lấp trong các dự án lớn, nơi đường ống được đặt dọc dài hằng trăm km. Ngoài ra kết quả cho thấy ô địa kỹ thuật phân tán áp lực theo hướng ngang và nông, do đó làm giảm áp lực lên đường ống. Cả 2 loại nghiên cứu đều cho ra cùng kết quả về các giá trị áp lực đo được lên ống.  

Nghiên cứu vẫn còn nhiều hạn chế khi nghiên cứu mới chỉ sử dụng một loại đất và ống. Do đó, việc áp dụng kết quả nghiên cứu chỉ nên cho các trường hợp nhất định. Cần phải có các nghiên cứu sâu hơn với nhiều loại đường ống, đất và các điều kiện tải khác nhau. Cũng cần lưu ý rằng kết quả thu được có thể khác biệt tùy vào độ cứng của loại đường ống.

Link tải tài liệu gốc: Hedge (2015) Experimental and Numerical Studies on Protection of Buried Pipelines.pdf

Link tải bản dịch đầy đủ: Hedge (2015) Experimental and Numerical Studies on Protection of Buried Pipelines.doc

Người dịch: Đỗ Thị Thúy Loan - Sinh viên k21 - Khoa Ngôn ngữ Anh & Tài chính - Trường Học viện Ngân hàng

Nguồn tin: PRS Geotech Technology LTD