Chương 7: XÂY DUNG NỀN ĐƯỜNG TRÊN ĐẤT YẾU Bài giảng Xây dựng nền đường Trang 92 CHƯƠNG 7 XÂY DỰNG NỀN ĐƯỜNG TRÊN ĐẤT YẾU $.1 - KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ĐẤT YÊÚ 1.1. Khái niệm. Đường ô tô qua mọi vùng khác nhau với địa hình, địa chất thuỷ văn khác nhau. Hầu nhưở vùng nào, trên đất nước ta cũng có thể gặp đất yếu. Ở vùng đồng bằng, thường có các lớp bùn sét, bùn cát ở dưới. Vùng biển thường có đất ngập mặn, Vùng Tây nguyên có đất đỏ bazan có tính trương nở lớn khi gặp nước. Các vùng đất yếu thường gặp ở nước ta là: - Vùng đồng bằng Bắc bộ. - Đồng bằng Thanh – Nghệ – Tĩnh. - Đồng bằng ven biển miền trung. - Đồng bằng Nam bộ. Trong xây dựng đường ở nước ta đã có không ít hiện tượng sụt lở nghiêm trọng do đất yếu. Đầu năm 1999, nền đắp đầu cầu Hàm Rồng (Thanh Hoá) cao 8m, coa gia cố bấc thấm ở dưới và vải địa kỹ thuật ở ta luy, nhưng mới đắp cao 6m đã bị lún sụt 2m và làm trồi ruộng lúa hai bên cao lên 75 – 85cm. Quốc lộ 57 (Thanh Chương – Nghệ An) và Quốc lộ 1 (Km121 – Bắc Giang) bị sụt lở xé đôi tim đường hàng cây số. … Những sự cố trên đây có thể do thiết kế hoặc thi công nhưng trước hết cho ta thấy tính chất phức tạp của đất yếu. Tính chất chung của đất yếu: - Đất yếu là đất có khả năng chịu lực thấp (<1daN/cm 2 ). - Có tính nén lún mạnh. - Góc nội ma sát () và lực dính đơn vị (C) nhỏ: (<10 0 , C <0.15 daN/cm 2 ). - Hàm lượng nước cao, khối lượng thể tích nhỏ. - Độ thấm nước rất nhỏ. Một số loại đất yếu thường gặp: * Đất sét mềm: là các loại đất sét hoặc á sét bão hoà nước. Các hạt sét (kích thước <0.05mm) và hoạt tính của nó với nước trong đất làm cho đất sét mang những tính chất mà những loại đất khác không có: khi bị thấm nước thì hoá mềm, nhưng khả năng thoát nước rất chậm. * Bùn: Là các lớp đất tạo thành trong môi trường nước ngọt hoặc nước mặn, gồm các hạt rất nhỏ (<0.02mm), các chất hữu cơdưới 10%. Theo thành phần hạt, bùn có thể là á cát, á sét, sét và cát mịn. Bùn được tạo thành chủ yếu do sự bồi lắng tạicác đáy biển, vũng, vịnh, hồ, ao hoặc các bãi bồ cửa sông. Bùn luôn no nước và yếu về mặt chịu lực * Than bùn: được hình thành do sự phân huỷ chất hữu cơ(chủ yếu là thực vật). Hàm lượng hữu cơchiếm 20-80%, thường có màu đen hoặc nâu sẫm, cấu trúc Chương 7: XÂY DUNG NỀN ĐƯỜNG TRÊN ĐẤT YẾU Bài giảng Xây dựng nền đường Trang 93 không mịn. Dung trọng khô rất thấp (0,3-0,9T/m 3 ). Độ ẩm tự nhiên cao (85-95%), hệ số nén lún lớn. * Cát chảy: là cát mịn, rời rạc, có nhiều chất hữu cơhoặc hạt sét, hàm lượng hạt bụi (0.05-0.002mm) chiếm 60-70% hoặc lớn hơn nữa. Khi bị bão hoà nước có thể bị pha loãng. Khi bị chấn động hoặc chịu ứng suất thuỷ động thì chuyển sang trạng thái lỏng nhớt gọi là cát chảy. * Đất bazan: Có độ rỗng rất lớn và dung trọng khô rất nhỏ. Thành phần hạt gần giống á sét, khả năng thấm nước khá cao. 1.2. Tổng quan các phương pháp xử lí khi xây dựng nền đường trên đất yếu. - Khi thiết kế gặp đất yếu, thì biện pháp nghĩ đến đầu tiên là đưa tuyến ra khỏi khu vực có đất yếu. - Trong trường hợp không tránh được thì phải tiến hành khảo sát các tiêu chuẩn kinh tế kỹ thuật để lựa chọn các phương pháp xử lí trên cơsở các nguyên tắc sau: + Ý nghĩa cấp hạng kỹ thuật của đường. + Khả năng kinh phí, vốn đầu tư. + Dựa vào tiến độ thi công. + Tính chất và chiều dầy của đất yếu. + Phương tiện thi công. - Trên thực tế các biện pháp xử lí khi xây dựng nền đường trên đất yếu có thể phân làm ba nhóm sau: + Thay đổi, sửa chữa đồ án thiết kế (giảm chiều cao nền đắp, di chuyển vị trí tuyến đến khu vực không có đất yếu hoặc có nhưng chiều dày mỏng). Đây là biện pháp tốt nhất nên cố gắng áp dụng. + Các biện pháp liên quan đến việc bố trí thời gian (XD nền đắp theo giai đoạn), các giải pháp về vật liệu (đắp bằng vật liệu nhẹ, bệ phản áp, đào bỏ một phần đất yếu), hoặc liên quan đến cả hai biện pháp trên (gia tải tạm thời). + Các giải pháp xử lí bản thân nền đất yếu (nhưcọc ba lát, cọc cát, bấc thấm ). $.2 - CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐƯỜNG TRÊN ĐẤT YẾU 2.1. Các biện pháp xử lí dưới tác dụng của thời gian hoặc tải trọng. Mục đích: - Bảo đảm sự ổn định của nền đắp trong khi xây dựng. - Đạt được một tốc độ lún phù hợp với thời gian thi công. 2.1.1. Xây dựng nền đắp theo giai đoạn. - Cường độ ban đầu của nền đất yếu rất thấp do vậy để cho nền đường ổn định thì cần tăng dần cường độ của nó lên bằng cách đắp từng lớp một, chờ một thời gian cho nền ổn định, cường độ đất nền tăng lên, khả năng chịu tải lớn hơn thì mới đắp lớp tiếp theo. - Phương pháp này có nhược điểm là thời gian xây dựng kéo dài. Chương 7: XÂY DUNG NỀN ĐƯỜNG TRÊN ĐẤT YẾU Bài giảng Xây dựng nền đường Trang 94 2.1.2. Tăng chiều rộng của nền đường, làm bệ phản áp. - Khi cường độ chống cắt của nền đất yếu quá nhỏ, không đủ để xây dựng nền đắp theo giai đoạn hoặc khi cần tiến độ thi công nhanh htì có thể dùng bệ phản áp. - Bệ phản áp có tác dụng nhưmột đối trọng làm tăng ổn định, giảm khả năng trồi đất ra hai bên. - Biện pháp này có nhược điểm là chiếm dụng diện tích mặt bằng lớn. 2.1.3. Đào bỏ một phần hoặc toàn bộ đất yếu. - Tuỳ theo chiều dày và tính chất của đất yếu mà có thể đào bỏ một phần hoặc toàn bộ đất yếu. - Có thể áp dụng biện pháp này trong các trường hợp sau: + Khi thời hạn đưa vào sử dụng là rất ngắn. + Các đặc trưng cơhọc của đất yếu nhỏ. (VD: nhỏ ). + Cao độ thiết kế rất gần cao độ thiên nhiên. 2.1.4. Giảm trọng lượng nền đắp. Có thể giảm trọng lượng nền đắp trên đất yếu bằng hai cách: - Giảm chiều cao nền đắp đến trị số tối thiểu cho phép căn cứ vào điều kiện địa chất thuỷ văn (đảm bảo chiều cao tối thiểu của nền đường cũng nhưchiều cao tối thiểu trên mực nước tính toán theo quy phạm). Nếu là nền đường ở bãi sông có thể giảm mực nước dâng bằng cách tăng khẩu độ cầu. - Dùng vật liệu nhẹ để đắp. Vật liệu này phải bảo đảm các yêu cầu sau: + Dung trọng nhỏ. + Không ăn mòn bê tông và thép. + Có khả năng chịu nén tốt nhưng độ nén lún nhỏ. + Không gây ô nhiễm môi trường. - VD: Dăm bào, mạt cưa, tro bay, xỉ lò cao 2.1.5. Phương pháp gia tải tạm thời. - Dùng một tải trọng đặt lên nền đắp (thường là 2-3m nền đắp bổ sung) trong một thời gian sao cho trong thời gian đó nền đường sẽ đạt được độ lún dự kiến. Phương pháp này cho phép đạt được một độ cố kết yêu cầu trong thời gian ngắn. - Trong các trường hợp sau biện pháp gia tải tạm thời không nên áp dụng: + Chiều cao nền đắp lớn (nếu đắp thêm sẽ mất ổn định) + Chiều dày lớp đất yếu lớn (>5m). 2.1.6. Biện pháp cải tạo điều kiện ổn định và biến dạng của đất yếu. - Khi lớp đất yếu có chiều dày không lớn và nằm trực tiếp dưới nền đắp thì có thể dùng các biện pháp nhưlàm lớp đệm cát, đệm đá Trong thực tế thường dùng đệm cát, đệm sỏi đá để thay thế lớp đất yếu chiều dày dưới 3m cho móng các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp, dưới bản đáy các công trình thuỷ lợi. - Biện pháp này không áp dụng khi chiều dày đất yếu lớn hoặc trong các lớp đất yếu có nước ngầm. 2.1.6.1. Làm lớp đệm cát. - Áp dụng khi: + Chiều cao nền đắp từ 6-9m. Chng 7: XY DUNG NN NG TRấN T YU Bi ging Xõy dng nn ng Trang 95 + Lp t yu khụng quỏ dy. + Cú ngun cỏt gn. 2.1.6.2. Lm lp m ỏ si. Khi t yu di nn p trng thỏi bóo ho nc, cú chiu dy nh hn 3m v di lp t yu l lp chu lc tt ng thi xut hin nc cú ỏp lc cao dựng lp m cỏt khụng thớch hp thỡ cú th s dng m ỏ hc, ỏ dm, si sn. 2.1.7. p t trờn bố. - Bố cú th lm bng tre, g, na, bú cnh cõy. - Bố cú tỏc dng m rng din tớch truyn ti trng v phõn b li ti trng tỏc dng lờn t yu. - Phng phỏp ny cú u im l thi cụng n gin, vt liu d kim, r tin. 2.2. Tng tc c kt ca t yu bng cỏch s dng ng thm thng ng. 2.2.1. Mc ớch. - Nu nn t yu cú chiu dy ln hoc cú h s thm rt nh thỡ quỏ trỡnh lỳn c kt ca nn t yu di ti trng ca nn p s rt lõu. Do vy, tng nhanh tc c kt, ngi ta lm cỏc ng thm thng ng bng cc cỏt hoc bc thm nhm to ra cỏc dũng thm ngang vo cc cỏt hoc bc thm, tip tc thoỏt dc theo cc cỏt hoc bc thm lờn mt t sau ú thoỏt ra ngoi qua tng m cỏt. 2.2.2 Bn cht ca phng phỏp. - t yu cht li, sc chu ti, gúc ni ma sỏt v lc dớnh n v tng lờn l do s thoỏt nc ca t yu (gi l s c kt). Nền đắp Đệm cát Đất yếu a) Lớp đệm cát đặt trực tiếp trên đất yếu. b) Lớp đệm cát sau khi đã đào bỏ một phấn đất yếu. Đất yếu Nền đắp Đệm cát N n p t yu m cỏt ng thm ngang ng thm thng ng Chương 7: XÂY DUNG NỀN ĐƯỜNG TRÊN ĐẤT YẾU Bài giảng Xây dựng nền đường Trang 96 - Để nước trong đất yếu có thể thoát ra ngoài cần có hai điều kiện: + Phải tạo ra một áp lực lớn hơn áp lực tiền cố kết (áp lực tiền cố kết là áp lực mà đất yếu đã từng chịu trong lịch sử hình thành của nó). + Tạo ra một đường thoát nước. 2.2.3 Dùng cọc cát (Sand pile). 2.2.2.1. Ưu nhược điểm. Ưu điểm - Cọc cát không chỉ thoát nước mà còn có tác dụng làm chặt đất và cải tạo nền đất yếu. Nếu đường kính cọc cát càng lớn thì nền đất yếu càng được cải thiện tốt. - Khi dùng cọc cát thì trị số mô đun biến dạng của cọc cát và vùng đất được nén chặt xung quanh giống nhau nên sự phân bố ứng suất trong nền đất sẽ đồng đều. - Tận dụng vật liệu địa phương (cát). - Thoát nước khá tốt. - Dùng cọc cát quá trình cố kết của nền tiến triển nhanh hơn khi dùng cọc bêtông cốt thép. - Nếu so với cọc cứng (cọc BTCT) thì cọc cát thì giá thành rẻ hơn rất nhiều. Theo kinh nghiệm nước ngoài, giá thành rẻ hơn hai lần so với cọc bê tông cốt thép. Ở Việt Nam, giá thành rẻ hơn khoảng 45% so với cọc bê tông cốt thép. Nhược điểm - Tốc độ thi công chậm (4-5 tiếng cho một cọc cát sâu 15m). - Vùng xáo trộn lớn: Khi khoan lỗ để hạ cọc cát làm đất xung quanh cọc cát bị xáo trộn nhiều, làm bịt chặt các lỗ thoát nước. - Đối với đất quá yếu cọc cát có thể bị gãy. Đường kính cọc cát thường từ 30-40cm. 2.2.1.3.Trình tự thi công. - Trải lớp vải địa kỹ thuật. Lớp vải địa kỹ thuật có tác dụng ngăn cách giữa lớp đất yếu và lớp đệm cát, làm cho lớp đệm cát luôn sạch và thoát nước tốt. Trong trường hợp đất yếu không làm bẩn tầng đệm cát thì không cần lớp vải địa kỹ thuật. - Thi công tầng đệm cát có chiều dày khoảng 1m với hai nhiệm vụ chính: + Làm đường thoát nước ngang. + Tạo điều kiện cho máy móc hoạt động dễ dàng trong quá trình thi công. + Tầng đệm cát cũng phải chia thành từng lớp có chiều dày thích hợp và được đầm nén đến độ chặt yêu cầu. - Định vị tất cả các vị trí cọc cát theo hàng dọc và hàng ngang đúng với hồ sơ thiết kế, dùng cọc tre đánh dấu từng vị trí đã định vị. - Khoan tạo lỗ: có thể dùng các phương pháp sau. + Tạo lỗ bằng khoan ruột gà. + Tạo lỗ bằng phương pháp xói nước. + Tạo lỗ bằng phương pháp nổ mìn dài. Chương 7: XÂY DUNG NỀN ĐƯỜNG TRÊN ĐẤT YẾU Bài giảng Xây dựng nền đường Trang 97 + Tạo lỗ bằng cách đóng một ống thép xuống đất có mũi bằng gỗ hoặc bốn lá thép tự mở. - Khi đến cao độ thiết kế, tiến hành nhồi cát vào trong ống và tưới nước cho cát chặt lại. - Rút ống thép lên (nếu tạo lỗ bằng ống thép). - Đắp nền đường lên trên. Khoan các lỗ bằng Các bước làm cọc cát phương pháp xói nước bằng phương pháp nổ mìn dài 2 3 4 51 Khoan tạo lỗ bằng ống thép có mũi tự đóng mở Chương 7: XÂY DUNG NỀN ĐƯỜNG TRÊN ĐẤT YẾU Bài giảng Xây dựng nền đường Trang 98 Thiết bị dùng để đóng ống thép xuống nền đất yếu Nhận xét: Thi công cọc cát nhưtrên thường có một số nhược điểm: - Khó kiểm tra được mức độ đầm chặt của cát trong ống khi thi công - Khi nhổ ống thép lên, do áp lực ngang của đất sẽ làm cho đường kính cọc cát nhỏ lại. - Cát trong ống phần tiếp xúc với thành ống thường bị tơi ra khi rút ống lên. 2.2.2. Dùng bấc thấm (Wick drain). 2.2.2.1. Khái niệm. - Bấc thấm là thiết bị thoát nước thẳng đứng gồm hai thành phần chính: + Vỏ lọc (jacket): có chức năng chính là thấm nước qua lỗ rỗng theo chiều ngang và lọc không cho các hạt đất chui vào làm tắc lõi. Thường làm bằng vải địa kỹ thuật không dệt. + Lõi (core): có tác dụng chính là dẫn nước thấm dọc từ đất yếu lên mặt đất để thoát ra ngoài, đồng thời là thành phần chính chịu lực căng khi lắp đặt và lực ngang của đất để không bị bẹp làm mất khả năng thoát nước dọc. Thường làm bằng Polypropylene. - Bấc thấm có chiều rộng 100mm, dày từ 4 đến 7mm và được cuốn thành cuộn có tổng chiều dài hàng trăm mét. - Độ sâu bấc thấm có thể tới 40m, nhưng thường dùng là 15-20m Lõi V ỏ lọc Chng 7: XY DUNG NN NG TRấN T YU Bi ging Xõy dng nn ng Trang 99 Cu to bc thm - Bc thm cú u im l: + Khi lng vt t(bc thm) gn nh hn nhiu so vi vt liu cỏt. + Tc thi cụng nhanh: 10 phỳt cho mt bc thm sõu 15m + Giỏ thnh r hn so vi cc cỏt (bng khong 1/4 giỏ thnh cc cỏt). + n gin, d thi cụng, vựng xỏo trn nh. + Cú th thớch hp vi nhiu loi t yu do cú th chn loi bc thm thớch hp vi tớnh cht c- lý hoỏ ca nn t. - Tuy nhiờn bc thm cng cú nhc im sau: + Vt liu bc thm hin nay vn phi nhp ngoi, chỳng ta cha sn xut c. + Hiu qu thoỏt nc ca bc thm khụng cao. 2.2.2.2. Cỏc ch tiờu cbn. - Ch tiờu v h s thm (cm/s). - Ch tiờu v bn ca si (h s kộo t). 2.2.2.3. Trỡnh t thi cụng. - Phi thit k s di chuyn cho mỏy cm bc thm. S di chuyn ca mỏy phi m bo iu kin: + Khụng c ố lờn bc thm ó cm. + Hnh trỡnh di chuyn ca mỏy l ớt nht - Thi cụng lp vi a k thut. Lp vi a k thut cú tỏc dng ngn cỏch gia lp t yu v lp m cỏt, lm cho lp m cỏt luụn sch v thoỏt nc tt. Trong trng hp t yu khụng lm bn tng m cỏt thỡ khụng cn lp vi a k thut. Nền đắp Đất yếu Đệm cát Vải địa kỹ thuật Chương 7: XÂY DUNG NỀN ĐƯỜNG TRÊN ĐẤT YẾU Bài giảng Xây dựng nền đường Trang 100 Lớp vải địa kỹ thuật và tầng đệm cát - Thi công một phần của tầng đệm cát, phần còn lại phải đủ phủ lên bấc thấm một đoạn tối thiểu là 2cm. Tầng đệm cát có tác dụng: + Tạo đường thấm ngang để nước có thể thoát ra ngoài. + Để cho máy cắm bấc thấm di chuyển. Trong trường hợp trên mặt gặp lớp đất tốt, máy cắm bấc thấm có thể hoạt động được thì có thể làm lớp đệm cát sau khi cắm bấc thấm. - Định vị tất cả các vị trí cắm bấc thấm theo hàng dọc và hàng ngang đúng với hồ sơthiết kế, dùng cọc tre đánh dấu từng vị trí đã định vị. - Lắp neo vào đầu bấc thấm. Các đầu neo phải có kích thước phù hợp với bấc thấm, kích thước của đầu neo thường là 85x150mm bằng tôn dày 5mm. Đầu neo có tác dụng giữ đầu bấc thấm khi bấc thấm được cắm đến độ sâu thiết kế. Đầu bấc thấm được gập lại tối thiểu 30cm. - Cắm bấc thấm bằng máy cắm bấc thấm. Máy cắm bấc thấm có các đặc trựng kỹ thuật nhưsau: + Trục dùng để lắp và cắm bấc thấm có tiết diện: 60x120mm, dọc trục có vạch chia đến cm để theo dõi chiều sâu cắm bấc thấm và có quả dọi để kiểm tra độ thẳng đứng khi cắm bấc thấm. + Máy phải có lực đủ lớn để cắm bấc thấm đến độ sâu thiết kế. - Khi bấc thấm đến độ sâu thiết kế thì kéo ống cắm bấc thấm lên sau đó cắt bấc thấm. Đầu bấc thấm phải cao hơn tầng đệm cát 20cm. - Thi công nốt tầng đệm cát. - Thi công tầng lọc ngược: làm bằng sỏi đá, cấp phối chọn lọc hoặc vải địa kỹ thuật. - Đắp nền đường lên trên. Chương 7: XÂY DUNG NỀN ĐƯỜNG TRÊN ĐẤT YẾU Bài giảng Xây dựng nền đường Trang 101 Máy cắm bấc thấm Cấu tạo trục cắm bấc thấm Ngoài ra còn có các phương pháp nhưcột ba lát, cột đất gia cố vôi, nền đường đắp trên cọc. Lỗ luồn bấc thấm . Chương 7: XÂY DUNG NỀN ĐƯỜNG TRÊN ĐẤT YẾU Bài giảng Xây dựng nền đường Trang 92 CHƯƠNG 7 XÂY DỰNG NỀN ĐƯỜNG TRÊN ĐẤT YẾU $.1 - KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ĐẤT YÊÚ 1.1. Khái niệm. Đường ô tô qua. nâu sẫm, cấu trúc Chương 7: XÂY DUNG NỀN ĐƯỜNG TRÊN ĐẤT YẾU Bài giảng Xây dựng nền đường Trang 93 không mịn. Dung trọng khô rất thấp (0, 3-0 ,9T/m 3 ). Độ ẩm tự nhiên cao (8 5-9 5%), hệ số nén lún. tiếp theo. - Phương pháp này có nhược điểm là thời gian xây dựng kéo dài. Chương 7: XÂY DUNG NỀN ĐƯỜNG TRÊN ĐẤT YẾU Bài giảng Xây dựng nền đường Trang 94 2.1.2. Tăng chiều rộng của nền đường, làm