Nghiên cứu mô hình số cho bài toán giếng điểm cố kết chân không

ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA 
68 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1,2/2018 
NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH SỐ CHO BÀI TOÁN GIẾNG ĐIỂM 
CỐ KẾT CHÂN KHÔNG 
TS. VŨ VĂN TUẤN 
Học viện Kỹ thuật Quân sự 
Tóm tắt: Rất nhiều các công trình nghiên cứu đã 
khẳng định phương pháp phần tử hữu hạn là một 
công cụ đắc lực để mô phỏng các bài toán về cố 
kết chân không. Trong khi các mô phỏng số về cố 
kết chân không kết hợp với bấc thấm (PVD) rất 
nhiều, thì các mô phỏng số về cố kết bằng giếng 
hút chân không kết hợp với gia tải mặt đất là rất 
hiếm gặp. Trên cơ sở phân tích, so sánh kết quả 
của hai mô hình số có đặc tính thấm khác nhau với 
số liệu quan trắc của một công trình thực tế. Bài 
báo sẽ đưa ra một số kết luận chủ yếu về sử dụng 
phương pháp PTHH để mô hình hàng giếng điểm 
chân không kết hợp với gia tải mặt đất trong gia cố 
nền đất yếu. 
Từ khóa: Đất yếu, gia tải chân không, giếng 
điểm, mô hình phần tử hữu hạn. 
Abstract: Numerous studies have confirmed that 
the finite element method is an effective tool for 
simulating the vacuum pre-loading. While the 
numerical simulations of vacuum preloading 
combined with prefabricated vertical drains (PVD) 
are numerous, the numerical simulations 
of vacuum wellpoints combined with the surcharge 
load are very rare. Based on the comparison 
between the results of two numerical models which 
have different permeability characteristics with the 
field data, some important conclusions about using 
the finite element method to simulate the vacuum 
wellpoints combined with the surcharge load would 
be drawn in this paper. 
Keywords: Soft ground, vacuum preloading, 
vacuum wellpoint, finite element method. 
1. Mở đầu 
Được W. Kjellman [6] giới thiệu vào năm 1952, 
cố kết chân không kết hợp gia tải trước so với các 
phương pháp truyền thống (gia tải trước, gia tải 
trước kết hợp với bấc thấm) đã cho thấy các ưu 
điểm vượt trội như: rút ngắn được thời gian thi 
công, giảm được khối lượng gia tải trước, tiết kiệm, 
không gây ô nhiễm môi trường, Điều này khẳng 
định lý do mà phương pháp này được sử dụng rộng 
rãi trên thế giới. 
Tại Việt Nam, hơn một thập kỷ trở lại đây, 
phương pháp cố kết chân không cũng đã được áp 
dụng. Ngoài một số đơn vị đã ghi tên mình vào lĩnh 
vực xử lý nền bằng phương pháp bơm hút chân 
không thì việc thiết kế và thi công chủ yếu vẫn do 
các đơn vị nước ngoài đảm nhiệm. Với lý do đó, 
việc nghiên cứu thêm về phương pháp này để áp 
dụng tại nước ta là vô cùng cần thiết. 
Cơ sở lý thuyết tính toán cố kết chân không hầu 
hết đều xuất phát từ lý thuyết cố kết thấm. Với một 
đơn nguyên giếng điểm chân không có thể coi giống 
như một đơn nguyên PVD: cố kết hướng tâm. Do 
vậy có thể dùng phương pháp giải tích và phương 
pháp phần tử hữu hạn để tính toán. Tuy nhiên ngoài 
thực tế, việc bố trí của giếng thường theo hàng nên 
việc tính toán bằng phương pháp giải tích là khá 
khó khăn do sơ đồ cố kết phức tạp. 
Phương pháp phần tử hữu hạn là một công cụ 
đắc lực để mô phỏng các bài toán về cố kết chân 
không. Rất nhiều các công trình nghiên cứu đã 
khẳng định điều đó [1-5, 7-15]. Có thể thấy rằng, 
các mô phỏng về cố kết chân không kết hợp với bấc 
thấm (PVD) rất nhiều, nhưng các mô phỏng về cố 
kết bằng giếng hút chân không là rất hiếm. Tác giả 
Vu and Yang [14] cũng đã tiến hành thí nghiệm một 
đơn nguyên giếng điểm trong phòng thí nghiệm và 
xây dựng mô hình số mô phỏng. Tuy nhiên vẫn 
chưa tiến hành mô phỏng cho công trình thực tế 
ngoài hiện trường. 
Trên cơ sở phân tích, so sánh kết quả của hai 
mô hình số có đặc tính thấm khác nhau với số liệu 
quan trắc của công trình đường Thẩm Giang – 
Thành phố Thượng Hải – Trung Quốc. Bài báo sẽ 
đưa ra một số kết luận chủ yếu về sử dụng phương 
pháp PTHH để mô hình hàng giếng điểm chân 
không kết hợp với gia tải mặt đất trong gia cố nền 
đất yếu. 
ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA 
Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1,2/2018 69 
2. Giới thiệu công trình 
 Vì Việt Nam chưa có công trình nào áp dụng 
phương pháp giếng điểm chân không kết hợp với 
gia tải trước nên công trình dùng để thử nghiệm số 
sẽ được sưu tầm từ các quốc gia khác. Cụ thể ở 
đây là công trình đường Thẩm Giang – Thành phố 
Thượng Hải – Trung Quốc [16]. 
2.1 Điều kiện địa chất 
Hình 1. Địa tầng khu vực xây dựng [16] 
Bảng 1. Chỉ tiêu cơ lý đất nền 
Số hiệu Tên gọi e 
Độ ẩm 
% 
Dung 
trọng 
γ (kN/m3) 
Hệ số 
nén lún 
a1-2 
Mô đun 
biến 
dạng 
Es (Mpa) 
Hệ số 
thấm 
k (m/ngđ) 
Tham số sức 
chống cắt 
Cường độ 
chịu tải 
Kpa φ (deg) C (Kpa) 
(1) Đất lấp 1.05 34.4 18.0 
(2)1 Sét bột màu vàng 0.75 26.2 19.7 0.30 5.82 0.00132 16.0 29.0 110 
(2)2 Sét bột màu xám vàng 1.07 39.2 18.1 0.55 3.09 0.00144 14.0 18.0 85 
(3)1 Bùn sét mầu xám 1.27 45.7 17.5 1.04 2.37 0.00506 14.0 15.0 65 
(3)2 Cát bột mầu xám 0.92 32.8 18.7 0.33 8.52 0.0591 29.0 9.0 90 
(3)3 Bùn sét bột xám 1.23 43.0 17.6 0.89 2.6 17.0 14.0 65 
(4) Bùn sét mầu xám 1.42 50.7 17.1 1.12 2.23 12.0 13.5 65 
Điều kiện địa chất tại khu vực thuộc loại trầm 
tích hồ, cấu trúc địa chất tương đối ổn định, địa tầng 
khu vực thay đổi không nhiều. Tại vị trí xây dựng 
gồm các lớp đất như hình 1, cụ thể chỉ tiêu của các 
lớp đất như bảng 1 thể hiện. 
2.2 Phương án gia cố 
Mặt bằng và quy trình gia cố xử lý nền bằng 
giếng điểm kết hợp với gia tải trước được trình bày 
trong hình 2. 
ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA 
70 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1,2/2018 
Hình 2. Mặt bằng (a), mặt cắt II (b) phương án thi công giếng điểm và đắp tải trước [16] 
Phương án gia cố (hình 2) tiến hành theo các 
công đoạn sau: 
- Thi công 3 hàng giếng điểm chân không sâu 
7,5m; khoảng cách các giếng là 1,2m (thông 
thường đường kính ngoài của giếng 219, 
ống lõi bên trong  3855, bên ngoài ống lõi 
là cát thô, sát mặt đất sẽ bịt bằng sét). Dự 
kiến tiến hành hút nước trong 3 tháng; 
- Thi công tường sét ngăn nước xung quanh 
khu vực hút nước, chiều sâu tường sét là 
8,03 m; 
- Đắp đất giai đoạn 1 cao 2,6m rộng 27,5m 
trong 3 tháng; đắp đất giai đoạn 2 cao 1,5m 
rộng 22,5m. 
Quy trình thi công và tiến hành gia cố xử lý trình 
bày trong bảng 2. 
Bảng 2. Quy trình thi công và xử lý [16] 
Dự kiến hút nước Kế hoạch Thực tế Thực tế/Kế hoạch 
Thời gian 3 tháng 134 ngày 150% 
Đắp giai đoạn 1 Khối lượng Cao 2.6m, rộng 27.5m Cao 2.25m, rộng 22.5m 79% 
Thời gian 3 tháng 56 ngày 62% 
Đắp giai đoạn 2 Khối lượng Cao 1.5m, rộng 22.5m 0 0 
Thời gian 3 tháng 
3. Xây dựng mô hình phân tích số 
Theo công trình nghiên cứu trước đây của chính 
tác giả. Sự sai khác của mô hình không gian và mô 
hình phẳng trong mô phỏng bài toán hàng giếng 
điểm chân không là không đáng kể. Vì vậy, bài báo 
này sử dụng mô hình phẳng và dùng phần mềm 
GeoStudio 2007 để xây dựng mô hình số bài toán. 
GeoStudio 2007 là phần mềm gồm nhiều mô 
đun và có thể hỗ trợ lẫn nhau trong quá trình tính 
toán. Đối với bài toán cố kết thấm sẽ khai báo trên 
mô đun SIGMA/W với kiểu phân tích Coupled 
Stress/PWP. Với kiểu phân tích này ngoài các tham 
số phục vụ cho phân tích ứng suất – biến dạng như 
dung trọng γ, mô đun biến dạng Es, φ và c thì các 
tham số phục vụ cho phân tích cố kết như hệ số 
thấm k cũng sẽ được nhập vào trong phần khai báo 
vật liệu. Tuy vậy, các thông số ban đầu của bài toán 
vẫn dùng kiểu phân tích Insitu. 
(a) 
(b) 
ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA 
Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1,2/2018 71 
Mô hình 1: Sử dụng mô hình đối xứng để giảm 
khối lượng tính toán (hình 3). Biên trái là tường 
chắn nên sử dụng biên không thấm và chuyển vị 
khống chế theo phương ngang. Biên phải là giếng 
điểm chân không và cũng là mặt đối xứng, chuyển 
vị ngang bằng không và cũng là biên không thấm. 
Chiều sâu vùng khảo sát là 14m. Áp lực nước lỗ 
rỗng tại biên giếng -100kPa bằng với áp lực chân 
không. Tải mặt đất được khai báo như hình 4. 
Trước khi thi công mặt đất có rải vải địa chống rò 
khí nên mặt đất có thể coi là biên không thấm. Mực 
nước ngầm được giả thiết xuất hiện tại đỉnh của lớp 
21 (do không có số liệu nên giả thiết được dựa trên 
so sánh độ bão hòa của các lớp đất). 
Mô hình 2: Theo tác giả Vu and Yang [14], trong 
quá trình gia tải chân không vì nhiều lý do khác 
nhau (có thể đất nền khu vực chưa thực sự bão hòa 
hoặc áp lực nước lỗ rỗng âm giống như đất không 
bão hòa) nên cách hợp lý nhất để tăng tính chính 
xác của mô hình dự đoán là giả thiết tính thấm của 
đất giống với tính thấm của đất không bão hòa: hệ 
số thấm thay đổi theo giá trị âm của áp lực nước lỗ 
rỗng. Để kiểm nghiệm điều này trong mô hình 2 mọi 
tham số giống với mô hình 1. Tuy nhiên tính thấm 
của đất sẽ được giả thiết là giống như của đất 
không bão hòa và biến thiên theo áp lực âm của 
nước lỗ rỗng. 
Hình 3. Mô hình bài toán 
GeoStudio 2007 hỗ trợ ba loại hàm (tương 
đương với ba công thức thực nghiệm) để xác 
định sự biến thiên của hệ số thấm theo áp lực 
hút âm của nước lỗ rỗng. Bài báo sẽ chọn 
phương pháp của Van Genuchten để xác định 
sự biến thiên của hệ số thấm. Các thông số cần 
thiết như: độ ẩm (Vol. Water Content Fn), hàm 
lượng nước dư (Residual Water Content), phạm 
vi lực hút (Suction Range) đều được giả thiết. 
Riêng tham số hệ số thấm trong điều kiện bão 
hòa được lấy chính xác với giá trị thí nghiệm. 
Kết quả về sự thay đổi của hệ số thấm theo áp 
lực nước lỗ rỗng âm đối với từng lớp đất được 
thể hiện trên hình 5. 
Hình 4. Tải trọng mặt đất 
ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA 
72 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1,2/2018 
Hình 5. Biến thiên của hệ số thấm theo áp lực nước lỗ rỗng âm 
4. Phân tích kết quả 
Hình 6. Kết quả tính lún bằng mô hình số và thực tế quan trắc tại khu vực phân cách 
Hình 6 thể hiện kết quả tính lún của các mô hình 
số và thực tế quan trắc tại khu vực phân cách. Có 
thể thấy mô hình 2 cho kết quả gần hơn với số liệu 
thực tế trong khi đó mô hình 1 cho trị số lớn hơn. 
Việc mô hình 1 có kết quả lún cao hơn so với thực 
tế điều này cũng phản ánh đúng thực trạng chung 
của việc dùng mô hình số để dự báo cho cố kết 
chân không. Có rất nhiều tác giả đã lý giải điều này 
bằng cách xét đến việc giảm hiệu quả của giếng 
thoát nước hay gán một lớp đất không bão hòa tại 
biên giếng,... 
Hình 7a thể hiện kết quả tính toán lún mặt đất 
của 2 mô hình số. Có thể nhận thấy lún mặt đất có 
thể chia làm 2 giai đoạn: giai đoạn 1 từ lúc bắt đầu 
đến 77 ngày, giai đoạn 2 bắt đầu từ ngày thứ 78. Ở 
giai đoạn đầu không có tải trọng mặt đất, chỉ hút 
chân không nên giá trị lún lớn nhất tại vị trí giếng 
chân không, giá trị lún nhỏ nhất tại điểm giữa của 2 
hàng giếng. Điều này có thể lý giải là khi hút chân 
không, áp lực nước lỗ rỗng giảm nhanh quanh khu 
vực giếng (hình 7b), ứng suất hữu hiệu tăng lên làm 
lún tại quanh khu vực giếng cao hơn so với các vị trí 
khác. Tuy nhiên ở cuối của giai đoạn 2, khi có sự 
chất tải và quá trình cố kết diễn ra đáng kể thì 
ngược lại, ứng suất hữu hiệu tại các điểm giữa của 
2 hàng giếng tăng nhiều hơn và lún tại các điểm này 
là lớn nhất. 
ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA 
Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1,2/2018 73 
(a) (b) 
Hình 7. Lún mặt đất (a) và áp lực nước lỗ rỗng ở độ sâu 3,4m của mô hình số tại mặt cắt A (b) 
Hình 7b cho thấy áp lực nước lỗ rỗng tại mô 
hình 1 giảm nhanh hơn ở mô hình 2. Như vậy khi 
coi đất có đặc tính thấm của đất không bão hòa 
trong quá trình cố kết chân không thì áp lực nước lỗ 
rỗng sẽ tiêu tán chậm hơn và cho kết quả phù hợp 
hơn với thực tế. 
Hình 8 thể hiện phân bố áp lực nước theo 
chiều sâu tại mặt cắt B. Có thể thấy: từ cao độ 7m 
đến 6,5m áp lực nước lỗ rỗng giảm khá nhanh. 
Đây là do tầng đất cát bột này có hệ số thấm lớn 
nên nước sẽ thoát ra nhanh hơn so với các tầng 
khác. 
 So sánh áp lực nước lỗ rỗng tại ngày thứ 77 và 
ngày thứ 78 còn thấy có sự nhảy vọt về trị số 
(~40.5kPa). Có thể thấy do tải trọng mặt đất được 
khai báo là tải trọng tức thời và yếu tố này chứng tỏ 
rằng phần mềm đã mô phỏng khá chính xác đặc 
điểm của quá trình chất tải. 
ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA 
74 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1,2/2018 
Mô hình 1 Mô hình 2 Giá trị ban đầu 
Hình 8. Áp lực nước lỗ rỗng theo chiều sâu tại mặt cắt B 
5. Kết luận 
Trên cơ sở phân tích, so sánh kết quả của hai 
mô hình số có đặc tính thấm khác nhau với số liệu 
quan trắc của công trình giếng điểm chân không gia 
cố nền đất yếu, bài báo đưa ra một số kết luận như 
sau: 
- Có thể sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn 
để mô hình các công trình dùng giếng điểm chân 
không kết hợp với gia tải mặt đất để gia cố nền đất 
yếu; 
- Khi sử dụng thuộc tính thấm là của đất bão hòa 
thì kết quả độ lún tính toán lớn hơn so với quan 
trắc. Tính chính xác của mô hình sẽ cải thiện đáng 
kể khi sử dụng thuộc tính thấm là của đất không 
bão hòa. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Chai JC, et al. (2009). "Optimum PVD installation 
depth for two-way drainage deposit". Geomechanics 
and Engineering, 1 (3), pp 179-192. 
[2] Chai Jinchun, Bergado Dennes T., and Shen Shui-
Long (2013). "Modelling prefabricated vertical drain 
improved ground in plane strain analysis". Ground 
Improvement: Proceedings of the Institution of Civil 
Engineers, 166 (2), pp 65-77. 
[3] Duong Ngo Trung, Teparaksa Wanchai, and Tanaka 
Hiroyuki (2012). "Simulation vacuum preloading 
method by Tri-Axial apparatus". International Journal 
of Geosciences, 3 (1), pp 211-221. 
[4] Ghandeharioon Ali, Indraratna Buddhima, and 
Rujikiatkamjorn Cholachat (2011). "Laboratory and 
finite-element investigation of soil disturbance 
associated with the installation of mandrel-driven 
prefabricated vertical drains". Journal of Geotechnical 
and Geoenvironmental Engineering, 138 (3), pp 295-
308. 
[5] Indraratna Buddhima and Redana IW (2000). 
"Numerical modeling of vertical drains with smear and 
well resistance installed in soft clay". Canadian 
Geotechnical Journal, 37 (1), pp 132-145. 
[6] Kjellmann W (1952). "Consolidation of clay soil by 
means of atmospheric pressure". In Proceedings on 
Soil Stabilization Conference. Boston, U.S.A. 
[7] Le Gia Lam, Bergado D.T , and Takenori Hino (2015). 
"PVD improvement of soft Bangkok clay with and 
without vacuum preloading using analytical and 
numerical analyses". Geotextiles and Geomembranes, 
43 (6), pp 547-557. 
[8] Ong CY, Chai JC, and Hino T (2012). "Degree of 
consolidation of clayey deposit with partially 
penetrating vertical drains". Geotextiles and 
Geomembranes, 34 (10), pp 19-27. 
ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA 
Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1,2/2018 75 
[9] Rujikiatkamjorn C. and Indraratna B. (2013). "Current 
State of the Art in Vacuum Preloading for Stabilising 
Soft Soil". Geotechnical Engineering, 44 (4), pp 77-87. 
[10] Rujikiatkamjorn Cholachat, Indraratna Buddhima, and 
Chu Jian (2007). "Numerical modelling of soft soil 
stabilized by vertical drains, combining surcharge and 
vacuum preloading for a storage yard". Canadian 
Geotechnical Journal, 44 (3), pp 326-342. 
[11] Saowapakpiboon J, et al. (2011). "PVD improvement 
combined with surcharge and vacuum preloading 
including simulations". Geotextiles and 
Geomembranes, 29 (1), pp 74-82. 
[12] Tran Tuan Anh and Mitachi Toshiyuki (2008). 
"Equivalent plane strain modeling of vertical drains in 
soft ground under embankment combined with 
vacuum preloading". Computers and Geotechnics, 35 
(5), pp 655-672. 
[13] Voottipruex P., et al. (2013). "Simulations of PVD 
improved reconstituted specimens with surcharge, 
vacuum and heat preloading using equivalent vertical 
flow conditions". Geotechnical Engineering, 44 (4), pp 
177-182. 
[14] Vu Van-tuan and Yang Yu-you (2016). "Numerical 
modelling of soft ground improvement by vacuum 
preloading considering the varying coefficient of 
permeability". International Journal of Geotechnical 
Engineering, pp 1-9. 
[15] Wu Hui and Hu Li-ming (2013). "Numerical model of 
soft ground improvement by vertical drain combined 
with vacuum preloading". Journal of Central South 
University, 20 (7), pp 2066-2071. 
[16] 文新伦 (2003). "真空降水联合堆载预压机理及应用技
术研究". 硕士, 同济大学, 上海. (Văn Tân Luân (2003). 
"Nghiên cứu cơ chế và ứng dụng phương pháp chân 
không hạ thấp mực nước ngầm kết hợp với gia tải 
trước". Luận văn Th.S, Đại Học Đồng Tế, Thượng 
Hải). 
Ngày nhận bài: 24/5/2018 
Ngày nhận bài sửa lần cuối: 25/6/2018