báo cáo khoa học 'nâng cao hiệu quả sử dụng bấc thấm trong xử lý nền đất yếu'

NÂNG CAO HIỆU QUẢ SỬ DỤNG BẤC THẤM TRONG XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU PGS. TS. TRẦN TUẤN HIỆP ThS. TRẦN ĐỨC ĐÌNH Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu lựa chọn loại bấc thấm thích hợp và bố trí hợp lý chùng trên mặt bằng nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật khi sử dụng loại vật liệu này trong xử lý nền đất yếu. Summary: This presents the results of a research into selection of suitable textile weak drains and their proper arrangement on soft soil site to enhance the cost-effective value . I. ĐẶT VẤN ĐỀ Sử dụng bấc thấm để tăng nhanh thời gian cố kết của đất yếu là một giải pháp được áp dụng ngày càng rộng rãi trong xây dựng đường ô tô; tuy nhiên hiệu quả của giải pháp phụ thuộc vào hai vấn đề cần được quan tâm nghiên cứu: lựa chọn loại bấc thấm và bố trí chúng? Hiện nay trên thị trường đang tồn tại nhiều loại bấc thấm với chất lượng khác nhau của nhiều nhà cung cấp khác nhau, việc sử dụng loại nào trong số đó là một vấn đề phụ thuộc vào hai yếu tố: các nguồn cung cấp và người sử dụng. Các nguồn cung cấp: các thông tin quảng cáo và giới thiệu sản phẩm của các hãng sản xuất, các nhà phân phối thường rất phong phú và đa dạng, nhiều khi những thông tin đó chưa chắc đã chính xác hoàn toàn, chưa thật đầy đủ và thường hướng về mục đích quảng bá, thương mại. CT 2 Người sử dụng: các nhà thầu thi công lựa chọn loại bấc thấm nào để sử dụng cho các công trình phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: đã quen dùng, gần nơi cung cấp, do được chào mời, quảng cáo hấp dẫn mà chưa được nghiên cứu cẩn thận và khách quan các tính năng kỹ thuật và so sánh kinh tế. Việc bố trí bấc thấm cần cân nhắc trên hai phương diện là bố trí theo chiều sâu và bố trí trên mặt bằng (hình thức bố trí và khoảng cách cắm). Tuy nhiên, việc xác định chiều sâu cắm bấc thấm hiệu quả là một vấn đề phức tạp, phụ thuộc vào sự phân bố các lớp địa chất, đất yếu của từng công trình cụ thể và đang được chúng tôi nghiên cứu; do vậy ở đây chỉ xin phép đề cập tới giải pháp bố trí hợp lý bấc thấm trên mặt bằng. II. TỔNG HỢP CÁC LOẠI BẤC THẤM PHỔ DỤNG Ở VIỆT NAM Hiện trên thị trường nước ta có nhiều hãng cung cấp các loại bấc thấm như Geotechnic của Hà Lan, Hyundai của Hàn Quốc, Nylex của Malayxia với một số nhà phân phối như: công ty Đầu tư - Thương mại - Xây dựng STD tại Hà Nội (nhà phân phối chính các loại bấc thấm Nylex), công ty TeinCo tại Hà Nội (nhà phân phối chính các loại bấc thấm của Hãng Geotechnic hoặc chi nhánh Geoplast ở Thái Lan), công ty AT&T tại thành phố Hồ Chí Minh (nhà phân phối chính các loại bấc thấm Nylex), công ty kỹ thuật VietCan tại thành phố Hồ Chí Minh (nhà phân phối chính các loại bấc thấm Nylex), các đại lý của Polifel Các loại bấc thấm đang được sử dụng rộng rãi và phổ biến trên thị trường Việt Nam bao gồm một số loại như: MD 7407, MD 88-80, của công ty Geoplast của - Thái Lan thuộc tập đoàn Geotechnic Holland BV - Hà Lan; MW 303, MW - EA, MW - EB6, MW 307, MW 3035, MW 303, FD 403, FD 5 (Flodrain) của công ty Nylex - Malayxia; FD 747w (Flexidrain) do nhà sản xuất Creative Polymer Industries - Singapore; A1, A6 của công ty Chikami của Nhật Bản và được sản xuất tại Thai Miltec Co.Ltd ở Thái Lan Các loại bấc thấm rất đa dạng và phong phú với chất lượng và giá thành khác nhau. Bảng 1 giới thiệu (như là một ví dụ) các chỉ tiêu kỹ thuật của 2 loại bấc thấm A1, A6: Đây là các loại bấc thấm của công ty Chikami -Nhật Bản bao gồm lõi nhựa Polyolefin được gia công đặc biệt để có độ mềm cao và có thể chuyển tải được lượng nước cực đại theo theo các rãnh liên tục trên hai bên của bề mặt lõi nhựa. Lõi nhựa này được bao bọc bởi lớp vỏ là lớp vải lọc không dệt rất bền bằng vật liệu polyester có đặc tính lọc tốt. Loại bấc thấm này đã có mặt từ lâu trên thị trường Việt Nam và được dùng trong một số dự án có yêu cầu xử lý ở mức độ thông thường. Bảng 1. Các chỉ tiêu kỹ thuật của các loại bấc thấm A1 và A6 TCT2 Giá trị Chỉ tiêu kỹ thuật Đơn vị Phương pháp thí nghiệm A1 A6 Lõi Kết cấu lõi Rãnh liên tục Vật liệu Polyolefin Vỏ lộc Kết cấu Vải ĐKT không dệt, sợi liên tục Vật liệu Polyester Bấc thấm Khổ rộng mm 99± 5 99±5 Chiều dày mm 3.5±0.5 3.5±0.5 Trọng lượng g/m ASTM D3776 66.5 66.5 Tốc độ thoát nước dưới áp lực 200 kN/m 2 , I = 1 m 3 /năm ASTM D4716 1500 1500 Tốc độ thoát nước dưới áp lực 200 kN/m 2 , I = 1 m 3 /năm TRI-AXIAL 1000 1000 Cường độ kéo dật khi lõi khô kN/1sp/bề rộng ASTM D4632 > 2 > 2 Cường độ kéo dật khi lõi ướt kN/1sp/bề rộng ASTM D4632 > 2 > 2 Cường độ kéo dật của vỏ kN ASTM D4632 > 1 > 0.5 Độ dãn dài khi đứt % ASTM D4595 21.74 22 Độ dãn dài khi lực kéo 0,5 kN % ASTM D4595 3.31 2.8 Kháng xé của vỏ N ASTM D4632 > 0.25 > 0.11 Tốc độ thấm của vỏ lọc m/s ASTM D4491 > 1x10 -3 > 1x10 -3 Kích thước lỗ vỏ lọc O 95 μm ASTM D4751 ≤ 75 ≤ 76 Đóng gói Chiều dài cuộn m 300 300 Đường kính ngoài m 1.1 1.1 Đường kính trong m 0.25 0.25 Giá thành VNĐ/md 3500 3200-3400 Trên cơ sở các kết quả sưu tập các loại bấc thấm hiện phổ biến trên thị trường; chúng tôi tổng hợp và giới thiệu ở bảng 02 một số chỉ tiêu kỹ thuật chính và đơn giá của chúng để các kỹ sư tư vấn tiện tham khảo. Bảng 2. Tổng hợp các chỉ tiêu chính của các loại bấc thấm Chỉ tiêu phân loại Cỡ mắt lưới của bộ lọc O 95 Khả năng thấm của bộ lọc Khả năng thoát nước q w trong điều kiện chảy tầng [ở cấp áp lực P (kN/m 2 )] Độ bền chịu kéo Bề rộng của bấc thấm Đơn giá Đơn vị μm 10 -4 m/s cm 3 /s kN μm đ/md Phương pháp thí nghiệm ASTM D4751 ASTM D4491 ASTM D4716A ASTM D4595 Yêu cầu ≤ 75 1.0 ≥ 60 (350) 1.0 100±5 MD 7407 ≤ 75 10.0 60 (300) 2.0 100±2 3650 MD 88-80 ≤ 75 6.5 70 (300) 2.5 100±2 3750 MW303 ≤ 75 2.0 60 (300) 2.5 100±2 3700-4000 MW-EB6 ≤ 75 1.0 45 (300) 1.5 100±2 3600 MW 307 ≤ 90 2.4 50 (300) 2.2 100±2 3700 MW 3035 ≤ 75 1.5 48 (300) 2.2 100±1 3900 FD 403 ≤ 75 2.4 63 (350) 2.5 100±2 3950 FD 747w ≤ 75 2.0 55 (240) 2.0±10% 100±5 3850 A1 ≤ 75 10.0 48 (200) 2.0 100±4 3500 Giá trị Thực tế theo kết quả thí nghiệm của các loại bấc thấm CT 2 A6 ≤ 76 10.0 48 (200) 2.0 100±4 3200-3400 III. GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ SỬ DỤNG BẤC THẤM TRONG XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU 3.1. Phân tích lựa chọn loại bấc thấm Theo bảng 02, các chỉ tiêu chính và quan trọng nhất của hai loại bấc thấm MD đều tốt hơn các loại bấc thấm khác, đặc biệt là khả năng thấm của bộ lọc. Đây là chỉ tiêu quan trọng đảm bảo cho việc khai thác bấc thấm hiệu quả. Bên cạnh đó các loại bấc thấm MD 7407, MW303, FD 403 cũng có các chỉ tiêu chính rất tốt và cần nên cân nhắc lựa chọn. Hiện nay, loại bấc thấm MW 303 cũng đang được sử dụng tương đối nhiều. Loại bấc thấm FD 403 có tính năng kỹ thuật tương đối tốt cho việc thoát nước nhưng vì mới có trên thị trường Việt Nam, giá thường cao hơn và chưa được dùng nhiều nên hiện vẫn chưa được ưa chuộng. Quy định tối thiểu đối với khả năng thoát nước của bấc thấm ở cấp áp lực 350 kN/m 2 phải ≥ 60 cm 3 /s vì thế theo các tài liệu điều tra khảo sát thì các loại bấc thấm MW-EB6, MW 307, MW 3035, FD 747w, A1, A6 không thật sự có ưu thế với chỉ tiêu khả năng thoát nước, một chỉ tiêu quan trọng đối với bấc thấm. Để tính toán bố trí bấc thấm xử lý nền đất yếu, cần căn cứ vào điều kiện cụ thể của dự án, tiến hành các bước sau đây: - Cân nhắc lựa chọn cách thức bố trí bấc thấm hợp lý trên mặt bằng, - Xác định khoảng cách bố trí bấc thấm hợp lý, - Tính toán tổng chiều dài bấc thấm cho cả công trình; áp đơn giá tính tổng chi phí xây lắp, - So sánh các phương án về kinh tế-kỹ thuật để chọn phương án hợp lý nhất. 3.2. Lựa chọn hình thức bố trí bấc thấm Tính hiệu quả của phương pháp xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm phụ thuộc vào nhiều yếu tố như việc quyết định chiều sâu cắm bấc thấm, hình thức bố trí, khoảng cách giữa các bấc thấm, việc gia tải, biện pháp thoát nước Trong nghiên cứu này, chiều sâu cắm bấc thấm, tải trọng đắp và gia tải, các biện pháp thoát nước đã được xác định, cần tìm ra hình thức và khoảng cách bố trí bấc thấm để mang lại hiệu quả cao nhất trong việc thoát nước. Việc bố trí bấc thấm cần tuân thủ các quy định sau: - Phải bố trí bấc thấm phân bố đều trên mặt bằng công trình có điều kiện địa chất công trình như nhau. - Đối với công trình dân dụng và công nghiệp, bấc thấm được bố trí ngay dưới móng công trình và ra ngoài mép móng công trình một khoảng bằng 0.2 bề rộng đáy móng. - Đối với công trình đường thì phải bố trí bấc thấm tối thiểu đến chân ta luy của nền đắp. - Bố trí mạng lưới bấc thấm có thể theo dạng tam giác đều hay hình vuông là hợp lý nhất. Trong quá trình cố kết của nền đất yếu khi cắm bấc thấm, sự cố kết do sự thoát nước trong đất theo phương ngang đến các bấc thấm lớn hơn rất nhiều so với theo phương thẳng đứng vì thế để phát huy hiệu quả đồng đều trên toàn bộ diện tích mặt bằng bố trí bấc thấm, cần bố trí các bấc thấm với khoảng cách giữa chúng như nhau. Trong điều kiện nền đất yếu không biến đổi phức tạp, diện tích vùng thu nước của các bấc thấm là như nhau và tốt nhất nên bố trí bấc thấm nằm ở tâm của vùng đó. Với yêu cầu như vậy, sơ đồ bố trí hình vuông hay tam giác đều là hợp lý. åè Ê d2'(m) d2(m) d1(m) åè d1(m) TCT2 Hình 1. Sơ đồ bố trí bấc thấm theo hình vuông Hình 2. Sơ đồ bố trí bấc thấm theo hình tam giác đều 3.3. Xác định khoảng cách bố trí bấc thấm hợp lý Xuất phát từ độ lún còn lại, tốc dộ lún dự báo, trước khi xây dựng công trình hay mức độ cố kết phải đạt được sau khi tiến hành xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm để tính toán bấc thấm. Quá trình cố kết của nền đất yếu và quá trình chuyển biến áp lực nước lỗ rỗng thành áp lực có hiệu của đất, tăng dần theo sự thoát nước lỗ rỗng. Khả năng thoát nước của bấc thấm được hiểu là lượng nước thoát ra khỏi nền đất yếu trong thời gian xử lý bằng bấc thấm. Trường hợp chung mức độ cố kết phải đạt được tối thiểu là U = 90%. Đối với đường cấp cao có thể áp dụng yêu cầu về tốc độ lún dự báo còn lại là dưới 2 cm/năm. Đối với công trình dân dụng và công nghiệp thì dộ cố kết yêu cầu là U ≥ 90%. Nền đất có cắm bấc thấm dưới tác dụng của tải trọng sẽ cố kết theo sơ đồ bài toán đối xứng trục; áp lực nước lỗ rỗng và độ cố kết U biến đổi theo thời gian thời gian tuỳ thuộc vào khoảng cách bấc thấm D và các tính chất cơ lý của đất (chiều dày h, hệ số cố kết theo phương thẳng đứng và theo phương ngang C v , C h ). Tính toán mật độ bấc thấm theo nguyên tắc thử dần với các cự ly cắm bấc thấm khác nhau để tính toán độ cố kết đạt được trong thời gian đã ấn định trước. Tuy nhiên, nếu tiến hành thử dần với sự biến đổi rộng của khoảng cách giữa các bấc thấm thì sẽ rất mất thời gian và không thể cho kết quả chính xác. Vì thế, cần thiết lập mối quan hệ giữa độ cố kết U đạt được với khoảng cách D các bấc thấm để từ đó tìm D chính xác và hợp lý. Xét về mặt kỹ thuật hay khả năng thoát nước đơn thuần thì khoảng cách các bấc thấm càng gần, số lượng bấc thấm cắm càng nhiều càng tốt, càng thoát được nhiều nước và đất sẽ cố kết nhanh. Tuy nhiên, như vậy sẽ không đảm bảo yếu tố kinh tế, đồng thời khi cắm quá gần nhau, trong quá trình thi công sẽ làm nền đất xung quanh xáo động rất lớn, sự xáo động này sẽ làm giảm hoặc mất hẳn sự ưu việt của tính thấm theo phương ngang so với phương thẳng đứng, giảm hệ số thấm theo phương ngang và tạo ra vùng cản trở thấm xung quanh bấc thấm. Qua tính toán, đối chiếu với các chỉ tiêu kỹ thuật chính (theo khả năng thoát nước và các điều kiện so sánh khác) của các loại bấc thấm trong bảng 02; khoảng cách giữa các bấc thấm của các loại bấc thấm có thể lựa chọn như sau: l MD 88-80 > l FD 403 > l MD 7407 = l MW303 > l FD 747w > l MW 307 > l A1 = l A6 > l MW 3035 > l MW-EB6 Trên cơ sở lựa chọn cách thức bố trí, khoảng cách bố trí bấc thấm hợp lý, với công trình cụ thể sẽ tính được tổng chiều dài bấc thấm, tiến hành áp giá của các loại bấc thấm theo bảng 02 ta có giá thành công trình khi áp dụng các loại bấc thấm khác nhau để luận chứng xác định phương án sử dụng bấc thấm hợp lý nhất. 3.4. Ví dụ áp dụng CT 2 Dự án cầu Nhật Tựu - Km86+900.00 - QL38 - Tỉnh Hà Nam. Hạng mục đường đầu cầu. Đặc điểm địa chất: - Địa tầng các đoạn nền đất yếu theo thứ tự từ trên xuống bao gồm các lớp như sau: + Lớp D: đất đắp có thành phần sét pha màu xám nâu trạng thái dẻo mềm đến dẻo cứng. + Lớp 1: của nền tự nhiên, lớp đất yếu cần xử lý, bùn sét pha màu xám xanh, dày từ 5-11m + Lớp 2: Cát hạt nhỏ màu xám xanh, xám đen, trạng thái bão hoà, kết cấu chặt vừa, chiều dày lớn hơn 5 m (các lỗ khoan nền đường đều kết thúc trong lớp này). Các chỉ tiêu cơ lý các lớp đất và kết quả tính toán được thể hiện trong bảng 3. Bảng 3. Bảng tổng hợp các kết quả tính toán TT Lý trình Km0+834.0 - Km0+856.5 Km1+110.00 - Km1+150.00 (1) (2) (3) (4) A Số liệu đầu vào 1 Chiều dài đoạn (m) 22.5 40 2 Chiều cao đắp (m) 4.5 4.2 3 Chiều đày đất yếu (m) 5 7 Bảng 3 (tiếp) (1) (2) (3) (4) B Kết quả tính toán trước khi xử lý 1 Hệ số ổn định 0.83 0.8 2 Tổng lún (m) 0.41 0.55 3 Thời gian đạt U = 90% (năm) 2.5 4.8 C Biện pháp xử lý 1 Biện pháp xử lý Bấc thấm Bấc thấm 2 Hình thức bố trí Tam giác Tam giác 3 Khoảng cách tới tâm (m) 1.3 1.3 4 Chiều sâu cắm bấc thấm (m) 6.2 8.2 5 Tổng chiều dài cắm bấc thấm (m) 2281.6 5293.1 D Kết quả tính toán sau khi xử lý 1 Hệ số ổn định 1.44 1.44 2 Độ cố kết U (%) > 90 >90 3 Độ lún còn lại (cm) 3.3 4.5 4 Thời gian thi công (ngày) 325 325 Kết quả tính toán tổng hợp 1 Độ cố kết theo phương đứng U v (%) 29 16 2 Độ cố kết theo phương ngang U h (%) 86 88 3 Độ cố kết chung U (%) 90 90 4 Khoảng cách tới tâm (m) - MD 7407 1.46 1.45 - MD 88-80 1.51 1.5 - MW303 1.46 1.45 - MW-EB6 1.31 1.3 - MW 307 1.39 1.38 - MW 3035 1.35 1.34 - FD 403 1.49 1.48 - FD 747w 1.41 1.4 - A1 1.37 1.36 - A6 1.37 1.36 5 Tổng chiều dài bấc thấm (m) - MD 7407 2212.00 5132.00 - MD 88-80 2156.00 5002.00 - MW303 2212.00 5132.00 - MW-EB6 2410.00 5591.00 - MW 307 2296.00 5327.00 - MW 3035 2398.00 5563.00 - FD 403 2201.00 5106.00 - FD 747w 2263.00 5250.00 TCT2 Bảng 3 (tiếp) (1) (2) (3) (4) - A1 2322.00 5387.00 - A6 2322.00 5387.00 6 Thành tiền (VNĐ) - MD 7407 8,073,800.00 18,730,465.80 - MD 88-80 8,085,000.00 18,756,448.76 - MW303 8,516,200.00 19,756,792.70 - MW-EB6 8,676,000.00 20,127,513.85 - MW 307 8,495,200.00 19,708,074.65 - MW 3035 9,352,200.00 21,696,235.02 - FD 403 8,693,950.00 20,169,156.18 - FD 747w 8,101,540.00 18,794,820.03 - A1 8,127,000.00 18,853,884.86 - A6 7,662,600.00 17,776,520.01 IV. KẾT LUẬN Qua tính toán với các loại bấc thấm khác nhau, thấy rằng: do đơn giá của bấc thấm A6 khá rẻ nên dù phải bố trí dày để đảm bảo độ cố kết yêu cầu, tổng chi phí công trình vẫn thấp. Các loại bấc thấm MD (bao gồm MD 7047 và MD 88-80) cũng có ưu thế về đơn giá. Bấc thấm FD 403 dù có ưu thế về mặt kỹ thuật nhưng vì là sản phẩm mới vào thị trường Việt Nam và có đơn giá cao nên giá thành cũng cao, cần cân nhắc xem xét khi lựa chọn. Bấc thấm MW303 có khả năng thoát nước tốt nhưng đơn giá khá cao, có thể cân nhắc áp dụng cho các dự án trọng điểm yêu cầu ưu tiên về tiến độ thi công; trong thực tế loại bấc thấm này đã được áp dụng trong các dự án như: QL5 (1995), Cầu Mỹ Thuận (1998), QL1 và 1A (1999, 2000), đường Hồ Chí Minh (2000), QL10 (2000), đường cao tốc Láng Hoà Lạc (2006), CT 2 Các loại bấc thấm có chất lượng, chỉ tiêu kỹ thuật tốt như MD 7047, MD 88-80, FD 403, MW303 nên được cân nhắc áp dụng cho các dự án có quy mô đầu tư lớn và có yêu cầu ưu tiên về tiến độ, kỹ thuật. Các loại bấc thấm A1 và A6 có thể dùng cho các dự án có quy mô nhỏ, dự án địa phương và thường khá tiết kiệm về chi phí. Trong tính toán sử dụng bấc thấm xử lý nền đất yếu, cũng có lúc không nhất thiết lựa chọn phương án có tổng chi phí nhỏ nhất. Kỹ sư tư vấn cần căn cứ điều kiện, đặc điểm của đất yếu; yêu cầu ưu tiên của dự án về tiến độ, chất lượng công trình và đặc tính kỹ thuật của các loại bấc thấm trên thị trường để đưa ra quyết định lựa chọn phù hợp. Tài liệu tham khảo [1]. Hoàng Văn Tân, Trần Đình Ngô, Phan Xuân Tường, Phạm Xuân, Nguyễn Hải (1997). Những phương pháp xây dựng công trình trên đất yếu, Nhà xuất bản Xây dựng, [2]. Nguyễn Ngọc Bích, Lê Thị Thanh Bình, Vũ Đình Phụng - Đất xây dựng - Địa chất công trình và kỹ thuật cải tạo đất trong xây dựng, Nhà xuất bản xây dựng, [3] Bộ GTVT (1992), Quy trình thiết kế xử lý đất yếu bằng bấc thấm trong xây dựng nền đường (22TCN 244-98), Nhà xuất bản Giao thông Vận tải, [4] Bộ Xây dựng (2000), Gia cố nền đất yếu bằng bấc thấm thoát nước TCXD 245-2000, Nhà xuất bản Xây dựng, [5]. Trần Đức Đình, Nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng bấc thấm trong xử lý nền đất yếu ở Việt nam - Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - Trường Đại học GTVT, Hà Nội 2006 ♦ . NÂNG CAO HIỆU QUẢ SỬ DỤNG BẤC THẤM TRONG XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU PGS. TS. TRẦN TUẤN HIỆP ThS. TRẦN ĐỨC ĐÌNH Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu lựa chọn loại bấc thấm thích. tế theo kết quả thí nghiệm của các loại bấc thấm CT 2 A6 ≤ 76 10.0 48 (200) 2.0 100±4 3200-3400 III. GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ SỬ DỤNG BẤC THẤM TRONG XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU 3.1 trí bấc thấm Tính hiệu quả của phương pháp xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm phụ thuộc vào nhiều yếu tố như việc quyết định chiều sâu cắm bấc thấm, hình thức bố trí, khoảng cách giữa các bấc thấm,