Đề tài: Tìm hiểu và nghiên cứu lý thuyết chung về cố kết của đất

Nước ta đang bước vào thời kỳ công nghiệp hoá hiện đại hoá, các khu công nghiệp tập trung, cơ sở hạ tầng kỹ thuật, khu đô thị mới… đang được xây dựng với tốc độ ngày càng lớn. Nền móng của các công trình xây dựng nhà ở, đường sá, đê điều, đập chắn nước và một số công trình khác trên nền đất yếu thường đặt ra hàng loạt các vấn đề phải giải quyết như: sức chịu tải của nền thấp, độ lún lớn và độ ổn định của cả diện tích lớn. Việt Nam được biết đến là nơi có nhiều đất yếu, đặc biệt lưu vực sông Hồng và sông Mê Kông. Nhiều thành phố và thị trấn quan trọng được hình thành và phát triển trên nền đất yếu với những điều kiện hết sức phức tạp của đất nền, dọc theo các dòng sông và bờ biển. Thực tế này đã đòi hỏi phải hình thành và phát triển các công nghệ thích hợp và tiên tiến để xử lý nền đất yếu. Việc xử lý nền đất yếu là vấn đề bức thiết và quan trọng hàng đầu trong ngành Xây dựng hiện đại. Xử lý nền đất yếu nhằm mục đích làm tăng sức chịu tải của nền đất, cải thiện một số tính chất cơ lý của nền đất yếu như: Giảm hệ số rỗng, giảm tính nén lún, tăng độ chặt, tăng trị số modun biến dạng, tăng cường độ chống cắt của đất… đảm bảo điều kiện khai thác bình thường cho công trình.

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

ĐỀ TÀI 3

MỞ ĐẦU 4

I Tính cấp thiết của đề tài 4

II Nội dung nghiên cứu đề tài 5

III Phương pháp nghiên cứu 5

CHƯƠNG I 5

LÝ THUYẾT CHUNG VỀ CỐ KẾT 6

I Quá trình cố kết 6

I.1 Quá trình cố kết lớp đất đơn giản 6

I.2 Quá trình cố kết lớp đất phức tạp 10

II Lý thuyết cố kết thấm 1 hướng của TERZAGHI 11

II.1 Các giả thiết của Terzaghi 11

II.2 Lập phương trình vi phân cố kết thấm 12

II.3 Điều kiện biên bài toán 13

II.4 Giải phương trình vi phân cố kết thấm 14

II.5 Các trường hợp chú ý 14

CHƯƠNG II 15

CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU 15

I Phương pháp gia tải trước 15

I.1 Nguyên lý chất tải trước 16

I.2 Các bước gia tải trước 17

I.3 Ưu nhược điểm của phương pháp gia tải trước 18

I.4 Ứng dụng của phương pháp gia tải trước tại Việt Nam 19

II Phương pháp cố kết chân không 19

II.1 Khái niệm phương pháp gia tải trước bằng hút chân không 19

II.2 Tiến hành phương pháp gia tải trước bằng chân không 20

II.3 Ứng dụng thực tế của phương pháp cố kết chân không trong các công trình XD hiện nay 28

II.3 Ứng dụng thực tế của phương pháp cố kết chân không trong các công trình XD hiện nay 29

III Ứng dụng của việc sử dụng bấc thấm trong phương pháp gia tải trước và hút chân không 31

III.1 Khái niệm 31

III.2 Phương pháp thi công bấc thấm 33

III.3 Ứng dụng của bấc thấm trong phương pháp gia tải trước 34

III.4 Ứng dụng của việc sử dụng bước thấm trong phương pháp hút chân không 36

CHƯƠNG III 37

MÔ PHỎNG BÀI TOÁN VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ TÍNH TOÁN 37

I Mô phỏng bài toán 37

I.1 Mô hình hình học của bài toán 37

I.2 Tính chất cơ lý của lớp đất 38

I.3 Phân tích kết quả 39

I.3.1 Kết quả phương pháp gia tải trước không có bấc thấm 39

I.3.2 Kết quả biểu đồ quan hệ độ lún theo thời gian 41

I.3.3 Kết quả biểu đồ thay đổi ứng suất theo thời gian 41

I.4 Kết quả phương pháp gia tải trước có bấc thấm 42

I.4.1 Kết quả biểu đồ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng theo thời gian 42

I.4.2 Kết quả biểu đồ độ lún theo thời gian t 44

I.4.3 Kết quả biểu đồ thay đổi ứng suất theo thời gian 44

I.5 Kết quả phương pháp hút chân không 45

I.5.1 Kết quả biểu đồ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng theo thời gian 45

I.5.2 Kết quả biểu đồ độ lún theo thời gian t 46

I.5.4 Kết quả biểu đồ thay đổi ứng suất theo thời gian 47

I.6 Kết quả phương pháp kết hợp gia tải trước và hút chân không có bấc thấm 48

I.6.1 Kết quả biểu đồ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng theo thời gian : 48

I.6.2 Kết quả biểu đồ độ lún theo thời gian t 50

I.6.3 Kết quả biểu đồ thay đổi ứng suất theo thời gian 50

II Đánh giá và kết luận 51

II.1 Biểu đồ tổng hợp quan hệ U ~T của 4 bài toán 51

II.2 Biểu đồ tổng hợp quan hệ độ lún theo thời gian của 4 bài toán 53

II.3.Kết luận chung 53

CHƯƠNG IV 55

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 55

I Kết luận 55

II Kiến nghị 55

ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU TỐC ĐỘ CỐ KẾT CỦA NỀN ĐẤT YẾU XỬ LÝ BẰNG PHƯƠNG PHÁP GIA TẢI TRƯỚC VÀ HÚT CHÂN KHÔNG

MỞ ĐẦU

I Tính cấp thiết của đề tài

Nước ta đang bước vào thời kỳ công nghiệp hoá hiện đại hoá, các khu công nghiệptập trung, cơ sở hạ tầng kỹ thuật, khu đô thị mới… đang được xây dựng với tốc độ ngàycàng lớn Nền móng của các công trình xây dựng nhà ở, đường sá, đê điều, đập chắnnước và một số công trình khác trên nền đất yếu thường đặt ra hàng loạt các vấn đề phảigiải quyết như: sức chịu tải của nền thấp, độ lún lớn và độ ổn định của cả diện tích lớn.Việt Nam được biết đến là nơi có nhiều đất yếu, đặc biệt lưu vực sông Hồng và sông MêKông Nhiều thành phố và thị trấn quan trọng được hình thành và phát triển trên nền đấtyếu với những điều kiện hết sức phức tạp của đất nền, dọc theo các dòng sông và bờ biển.Thực tế này đã đòi hỏi phải hình thành và phát triển các công nghệ thích hợp và tiên tiến

để xử lý nền đất yếu Việc xử lý nền đất yếu là vấn đề bức thiết và quan trọng hàng đầutrong ngành Xây dựng hiện đại Xử lý nền đất yếu nhằm mục đích làm tăng sức chịu tảicủa nền đất, cải thiện một số tính chất cơ lý của nền đất yếu như: Giảm hệ số rỗng, giảmtính nén lún, tăng độ chặt, tăng trị số modun biến dạng, tăng cường độ chống cắt củađất… đảm bảo điều kiện khai thác bình thường cho công trình

Một số các phương pháp như : gia tải trước, tầng đệm cát, gia cố nền đường, bệphản áp, sử dụng vật liệu nhẹ (sử dụng phụ gia để gia cố nền đất, nền đất bằng vật liệunhẹ); thay bằng lớp đầm chặt, thả đá hộc (với chiều dày lớp bùn không sâu); thoát nước

cố kết (bấc thấm, giếng bao cát, cọc cát, giếng cát, cọc đá dăm, dự ép chân không, chânkhông chất tải dự ép liên hợp); nền móng phức tạp (hạ cọc bê tông, hạ cọc bằng chấnđộng, cọc xi măng đất, cọc đất – vôi – xi măng, cọc bê tông có lẫn bột than); cọc cứng(cọc ống mỏng chế tạo tại chỗ); cọc cừ tràm hoặc cọc tre…

Hiện nay có 2 phương pháp cố kết trước được dùng và phổ biến hơn cả đó là:

Phương pháp gia tải trước truyền thống

Phương pháp hút chân không hiện đại và công nghệ cao

Xuất phát từ nhu cầu thực tế, chúng em nhận thấy việc nghiên cứu tốc độ cố kết củanền đất yếu khi áp dụng hai phương pháp trên là vô cùng hữu ích và quan trọng Với mụctiêu kết quả của đề tài sẽ làm sáng tỏ hiệu quả của hai phương pháp thời giúp việc chọn

lựa phương pháp xử lý nền đất yếu của các Kỹ sư xây dựng được hợp lý nhất trong từngcông trình khác nhau.

II Nội dung nghiên cứu đề tài

Đề tài nghiên cứu những nội dung cụ thể như sau:

Tìm hiểu và nghiên cứu Lý thuyết chung về cố kết của đất

Nghiên cứu ứng dụng bấc thấm trong xử lý nền đất yếu hiện nay

Nghiên cứu phương pháp gia tải trước, đưa ra bài toán cụ thể đối với 1 nền đấtyếu và giải quyết bài toán với ứng dụng của bộ phần mềm Địa kỹ thuật GEODELFT củaViện địa kỹ thuật Hà Lan

Nghiên cứu phương pháp hút chân không, đưa ra bài toán cụ thể đối với 1 nền đấtyếu và giải quyết bài toán với ứng dụng của bộ phần mềm Địa kỹ thuật GEODELFT củaViện địa kỹ thuật Hà Lan

Nghiên cứu, so sánh và đánh giá tốc độ cố kết của nền đất trong từng phươngpháp và khi kết hợp hai phương pháp trên với kết quả cụ thể của cùng 1 bài toán

Kết luận và kiến nghị

III Phương pháp nghiên cứu

Tìm kiếm và nghiên cứu các tài liệu trong và ngoài nước về lý thuyết cố kết vàkiến thức môn Cơ học đất làm sáng tỏ các vấn đề cơ sở và mang tính lý thuyết căn bảncủa 2 phương pháp Tìm kiếm và nghiên cứu ứng dụng, cách làm và hiệu quả của 2phương pháp đối với các công trình thực tế đã thành công trong và ngoài nước

Mô phỏng bài toán đối với một lớp đất sét yếu ở nền đất xây dựng Nhà máy KhíĐạm Cà Mau Việt Nam và lần lượt giải quyết bằng 2 phương pháp theo ứng dụng phầnmềm Địa kỹ thuật Hà Lan GEODELFT

Nhận xét và đánh giá các kết quả thu được

Đất cố kết thường có OCR = 1

Đất quá cố kết có OCR > 1

Đất chưa cố kết có OCR<1I Quá trình cố kết

I.1 Quá trình cố kết lớp đất đơn giản

H

ì nh 1

Hình 1a thể hiện lò xo với pittông có van đóng mở trong một bình hình trụ Biểu đồứng suất theo chiều sâu thể hiện hình 1b Đất được thay thể bởi lò xo, ở trạng thái cânbằng ứng suất hiệu quả ban đầu σ’vo Cùng thời gian, nước bị ép ra ngoài qua van, và áp

lực nước lỗ rỗng dư giảm dần Xảy ra sự truyền ứng suất dần dần từ nước lỗ rỗng sangcốt đất và làm tăng ứng suất hiệu quả.

Hình 1c cho thấy ứng suất hiệu quả ban đầu σ’vo sự biến đổi (tăng) của ứng suấthiệu quả Δσ’ và áp lực lỗ rỗng bị tiêu tán Δu lúc t = t1 Những đường đứt thẳng đứngđược gắn các chữ t1, t2 … biểu thị thời gian từ khi bắt đầu tác dụng tải trọng Nhữngđường đó gọi là đường đẳng thời bởi vì nó ứng với các thời gian bằng nhau

Cuối cùng, khi t → ∞ tất cả áp lực nước lỗ rỗng dư Δu sẽ tiêu tán và ứng suất hiệuquả sẽ bằng ứng suất ban đầu σ’vo cộng thêm số gia ứng suất tác dụng Δσ Cùng thờiđiểm đó pittông sẽ lún xuống một lượng có liên quan trực tiếp với lượng nước bị ép rakhỏi hộp hình trụ

H

ì nh 2

Xét phân tố đất đặt tại độ sâu z có thể tích 1x1xdz (Hình 2) Trong khoảng thời gian

dt thể tích nước đi vào mặt dưới của phân tố và ra khỏi mặt trên của phân tố chênh nhaumột lượng là :

dt dz z

Vì tính thấm tuân theo định luật Darcy (Giả thiết 5), ta có :

,

ki F

dz t

dt V t

dt

t

V

h r

.1.1.1

1()

u v

γ

ε0+1

 n - Trọng lượng riêng của nước (0.01 N/cm3)

Từ công thức (f) thấy rằng , hệ số cố kết Cv tỷ lệ thuận với hệ số thấm k và tỷ lệnghịch với hệ số ép co a Như vậy Cv là hệ số đặc trưng cho mức độ cố kết của đất Đấtcàng khó thấm, hệ số cố kết càng bé Kết quả nghiên cứu cho thấy phạm vi biến thiên của

Cv như sau:

 Đất sét có tính dẻo thấp : Cv = 1.105 ÷ 6.104 cm2/năm

 Đất sét có tính dẻo vừa : Cv = 6.104 ÷ 3.104 cm2/năm

dt dz t

u a dt dz z

u k

n

1

.

0 2

 Đất sét có tính dẻo cao : Cv = 3.104 ÷ 6.103 cm2/năm.

Ví dụ tìm nghiệm của phương trình (f) với điều kiện ban đầu và điều kiện biên cho

ở hình 2

Điều kiện ban đầu :

Khi t = 0, tại mọi z có u = p

Khi t = ∞ , tại mọi z có u = 0

Điều kiện biên :

Tại z = H với mọi t có q = 0, = 0

Tại z = 0 với mọi t có u = 0

Với điều kiện ban đầu và điều kiện nêu trên sẽ tìm được nghiệm của phương trình(f) như sau:

) ( ).

( ) ' '

0 1 1

 e - Cơ số logarit tự nhiên

 z - Độ sâu của điểm đang xét

 N - Nhân tố thời gian

t H

H - Khoảng cách thoát nước lớn nhất

Nếu trường hợp một mặt thoát nước thì H bằng chiều dài lớn nhất đất

Nếu trường hợp hai mặt thoát nước thì H bằng ½ chiều dài lớn nhất đất

t - Thời gian cố kết

I.2 Quá trình cố kết lớp đất phức tạp

H

ì nh 3

Khi lớp đất điển hình sẽ phức tạp hơn mô hình đơn giản trong hình a–c Cho phép

ta tăng số lượng lò xo, pitông, và van thể hiện hình d ta có thể biết ứng suất hiệu quả banđầu σ’vo của lớp đất và áp lực nước lỗ rỗng tạo ra Δu, liên quan đến lực bên ngoài tácdụng lên pittông Δσ trong hình c Cho phép thoát nước qua mỗi pittông và van vì vậy cảthoát nước bên trong cũng như thoát nước ở đỉnh và đáy Để nước bị ép ra khỏi các ốngtrụ 2, 3 và 4, cần một số nước trong các ống trụ 1 và 5 thoát nước trước

Tương tự như vậy, trước khi nước có thể ép thoát ra khỏi đất trong ống trụ 3 một sốnước trong ống trụ 2 và 4 thoát ra trước Bởi vì tất cả van đều mở, nên khi chịu tác dụngứng suất bên ngoài Δσ , nước bắt đầu thoát ngay lập tức từ đỉnh và đáy hình trụ

Sẽ dẫn đến kết quả áp lực nước lỗ rỗng giảm ngay và ứng suất hiệu quả tăng tronghình trụ 1 và 5

Với hai lớp thoát nước trên mô hình hình d-f có thể thấy sự giảm áp lực nước lỗrỗng, tại thời điểm t1 có sự thay đổi của đỉnh và đáy lớp

Đó là nguyên nhân hướng thoát nước theo chiều dài hình trụ nhiều hơn đáng kể sovới hình trụ 1 và 5 Sẽ dẫn đến sự giảm áp lực nước lỗ rỗng và tăng ứng suất hiệu quảtrong hình trụ 1 và 5 trên hình f

Tại trung tâm lớp thoát nước hai hướng được mô hình ở hình d-f có thể thấy sựgiảm áp lực nước lỗ rỗng tạo ra.Ví dụ tại thời điểm t1 thì nhỏ hơn so với sự thay đổi ít tạiđỉnh và đáy lớp.

Điều này là do là đường thoát nước ở trung tâm hình trụ dài hơn đáng kể so với cáchình trụ 1 và 5

Kết quả là cần thời gian làm tiêu tan áp lực nước lỗ rỗng dài hơn cho trung tâm lớpthoát nước hai chiều hoặc lớp thoát nước một hướng ở đáy

Dòng chảy của nước ra khỏi hình trụ (các lỗ rỗng của đất) là do độ dốc thuỷ lực i,với i = h/l = (Δu/ρw.g)/Δz

Tại chính giữa lớp đất sét, không có dòng thấm bởi vì độ dốc thuỷ lực i =Δu/Δz = 0.Tại đỉnh và đáy hình trụ độ dốc thuỷ lực tiến gần đến vô cùng ∞ và dẫn đến dòngthấm lớn nhất tại ngay các bề mặt thoát nước

Quá trình vừa miêu tả được gọi là quá trình cố kết thấm

Giá trị độ lún thực nghiệm của hệ thống lò xo và pittông ( hoặc lớp đất sét) liênquan trực tiếp lượng nước ép ra khỏi các hình trụ ( hoặc lỗ rỗng trong đất) và do vậy sựthay đổi hệ số rỗng của đất sét tỷ lệ trực tiếp với giá trị áp lực nước lỗ rỗng tiêu tán

Do đó, tốc độ lún liên quan trực tiếp tốc độ áp lực nước dư tiêu tán

II Lý thuyết cố kết thấm 1 hướng của TERZAGHI

II.1 Các giả thiết của Terzaghi

- Lớp đất chịu nén giả định đồng chất và bão hoà nước hoàn toàn

- Các hạt khoáng vật trong đất và hạt nước trong lỗ rỗng không nén được

- Nước trong lỗ rỗng đất thoát ra tuân theo định luật Darcy, cả hai quá trình thoátnước và nén đều theo một hướng Lớp đất nén thường thoát nước cả ở đỉnh và đáy lớpnhưng chúng ta có thể giả thiết đơn giản thoát nước chỉ xảy ra tại một bề mặt

- Hai hệ số ép co av và hệ số thấm k không đổi trong suốt quá trình cố kết thấm

Sự thay đổi thể tích rỗng = lượng nước thoát ra

Xét một phân tố đất dx.dy.dz cách tại chiều sâu z so mặt đất tự nhiên:

Hình 4 II.2 Lập phương trình vi phân cố kết thấm

Phương trình Terzaghi được xây dựng dựa vào thể tích nước thoát ra của một phân

tố đất chịu nén Theo định luật Darcy, ta biết lưu lượng dòng thấm phụ thuộc vào độ dốcthuỷ lực và tính thấm của đất Độ dốc thuỷ lực tạo ra dòng thấm có liên quan đến áp lựcnước lỗ rỗng dư

1



2

2 1 1

z

u g z

u g

i

w w

dz z

w Qra







z

u g k d

d dz

w Qvao

2 1

Vậy sau thời gian dt độ lún của phân tố là dz

e

d a dz e

d dz

a dz e

ad dz

1

'

dtdzKết hợp hai phần của phương trình ta được :

2

2

z

u g

a

e g

k





II.3 Điều kiện biên bài toán

Lớp đất chịu nén thoát nước hoàn toàn tại đỉnh và đáy

Áp lực thuỷ tĩnh ban đầu Δu = ui bằng số gia ứng suất tác dụng trên biên Δσ

Ta có điều kiện biên và điều kiện ban đầu như sau :

Khi z = 0 và khi z = 2H , u = 0

Khi t = 0, Δu = ui = Δσ = (σ2’ - σ1’)

Chiều dày lớp đất cố kết là 2H, vì vậy chiều dài của đường thoát nước lớn nhấtbằng H hoặc Hdr

Tất nhiên khi t = ∞, Δu = 0, hoặc áp lực lỗ rỗng tiêu tán hoàn toàn.

II.4 Giải phương trình vi phân cố kết thấm

Có nhiều cách giải khác nhau, một số theo phương pháp toán học chính xác, sốkhác thì gần đúng Ví dụ Harr (1966) trình bày lời giải gần đúng bằng cách dùng phươngpháp sai phân hữu hạn Terzaghi (1925), cho lời giải toán học chính xác dưới dạng chuỗi

số Fourier mở rộng

Nghiệm của phương trình như sau :

) ( ).

( ) ' '

0 1 1

t c

T  2

0)1(

dr w

t g a

e k T





Trong đó : t là thời gian

Hdr là chiều dài của đường thoát nước lớn nhất

Hệ số Cv có thứ nguyên là L2T-1 hoặc đơn vị m2/s

CHƯƠNG II

CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU

Định nghĩa và đặc trưng của nền đất yếu trình bày trong 22TCN 262-2000 vàTCXD245:2000 “là đất yếu nếu ở trạng thái tự nhiên, độ ẩm của chúng gần bằng hoặccao hơn giới hạn chảy, hệ số rỗng lớn, lực dính c theo cắt quả cắt nhanh không thoát nước

từ 0.15 daN/cm2 trở xuống, góc nội ma sát từ 00 đến 100 hoặc lực dính từ kết quả cắtcánh hiện trường Cu ≤ 0.35 daN/cm2”

Phần lớn các nước trên thế giới thống nhất về định nghĩa nền đất yếu theo sứckháng cắt không thoát nước Su và trị số xuyên tiêu chuẩn N như sau:

- Đất rất yếu: Su ≤ 12.5 kPa hoặc N ≤ 2

- Đất yếu: Su ≤ 25 kPa hoặc N ≤ 4

+ Thấm: Cát xủi, thẩm thấu, phá hỏng nền do bài toán thấm và dưới tác động của

áp lực nước

+ Hoá lỏng: Đất nền bị hoá lỏng do tải trọng của tàu hoả, ô tô và động đất

Để xử lý đất yếu đạt hiệu quả cao cũng phải có yếu tố tay nghề thiết kế và bề dày kinhnghiệm xử lý của tư vấn trong việc lựa chọn giải pháp hợp lý Trong khuôn khổ đề tài,nhóm nghiên cứu đến 2 phương pháp hiệu quả và phổ biến nhất hiện nay là :

Phương pháp gia tải trước kết hợp sử dụng bấc thấm

Phương pháp cố kết chân không kết hợp sử dụng bấc thấm

I Phương pháp gia tải trước

Chất tải trước là một trong những biện pháp gây lún đơn giản và kinh tế nhất đểgiảm thiểu lún cho công trình xây dựng sau đó đến mức có thể chấp nhận được Đất đượcgia cường trở nên có sức chịu tải cao hơn và nén lún ít hơn

I.1 Nguyên lý chất tải trước

Công trình xây dựng trên nền đất yếu sẽ chịu lún đáng kể Do vậy trước đó người ta

đã chất tải để buộc nền đất lún xuống đến mức cần thiết Sau đó dỡ tải và tiến hành thicông công trình Khi dỡ tải sẽ xảy ra hiện tượng bùng nền nhưng sau đó nền đất sẽ lại lúnxuống một khoảng tương đương với phần bùng nền do tải trọng của công trình Tất nhiêncông trình vẫn tiếp tục lún do đất có tính dẻo cao nhưng biên độ lún khi đó sẽ chỉ bằngmột phần nhỏ, khoảng 5 - 10% so với trường hợp không chất tải trước Tải trọng do côngtrình gây ra có tính lâu dài, đến hết tuổi thọ của công trình, trong khi chất tải trước chỉkéo dài trong một thời gian ngắn Tuy nhiên do chất tải trước khá lớn nên mặc dù nền đấtchưa đạt tới cố kết hoàn toàn nhưng cũng để đạt độ lún yêu cầu Tức là tổng ứng suất dochất tải trước phải lớn hơn ứng suất thiết kế cho phép đối với công trình

Chất tải trước được tiến hành ngoài hiện trường bằng cách khối bê tông đúc sẵn, đổđất, đắp các bao cát, chất gạch, đá và các loại vật liệu xây dựng khác Trong đó bao cát và

bê tông khối là giải pháp phổ biến nhất Tuy nhiên không dễ đạt được một tải trọng lớn,đạt độ cao tới 5-6m Do vậy cường độ chất tải trước thường chỉ đạt khoảng 80-100kPa,tức là thích hợp với các công trình vừa và thấp tầng Các công trình cao tầng hoặc cáccông trình lớn vừa đòi hỏi phải chất tải trước lớn hơn nhiều và do vậy khó thực hiện Chất tải trước cũng có thể thực hiện theo một số giai đoạn để nền đất có thể giatăng sức bền đáng kể trước khi tiếp tục chất tải Ứng suất do chất tải trước gây ra đượctính theo độ lún mong muốn bằng công thức:

Sf = mv.qn.H= mv.qs.H.U(t)

Trong đó:

mv là hệ số biến đổi thể tích của đất tại hiện trường cho khoảng ứng suất thích hợp

qn và qs - ứng suất do tải trọng thực của công trình và do chất tải trước gây raH- chiều dày lớp đất chịu nén

U(t) - độ cố kết tại thời gian t

Do vậy, ứng suất cần đạt do chất tải trước có thể tính theo phương trình sau: qs=qn/U(t)

Độ cố kết theo lý thuyết kinh điển Tezzaghi được tính gần đúng bằng công thức:



T

U  2

Trong đó :

T (hệ số thời gian) = cv t/Hdr ; với T<0.2

Cv - hệ số cố kết

hdr- chiều dài đoạn tiêu thoát nước, bằng chiều dày hoặc 1/2 chiều dày lớp đất chịunén, tương ứng đối với các trường hợp thoát nước một mặt hoặc hai mặt Thời gian t càngdài thì độ cố kết đạt tới càng lớn và ứng suất yêu cầu do chất tải trước càng nhỏ

Do độ cố kết trong trường hợp thoát nước thẳng đứng khá nhỏ nên chỉ áp dụng biệnpháp chất tải trước là sẽ không hiệu quả Chất tải trước kết hợp với bấc thấm chính là giảipháp thay thế lý tưởng và phổ biến nhất Cả ba thành phần của lún, gồm lún tức thời, cốkết sơ cấp và cố kết thứ cấp đều triệt giảm đáng kể dưới tác động của chất tải trước

I.2 Các bước gia tải trước

Nền đắp thêm được tiến hành chia thành 2 giai đoạn để tránh mất ổn định, giai đoạnsau chỉ được tiến hành sau khi cường độ chịu tải tăng lên từ kết quả của giai đoạn trước

đã làm cho nền đủ sức chịu thêm tải của giai đoạn sau

+ Giai đoạn 1: Chất tải thử ở tâm móng với đường kính 12m, chiều cao tải 7.8 mtương đương với tải trọng 14.04 tấn/m2 vượt khoảng 8% so thiết kế Bố trí 5 điểm đotheo dõi lún, độ lún trung bình 57.4 cm Độ lún vượt so với tính toán của thiết kế

+ Giai đoạn 2: Chất tải toàn bộ diện tích móng với chiều cao tải 7.8 m Bố trí 13mốc đo theo dõi lún Kết quả sau thời gian chất tải và theo dõi độ lún kéo dài 4 tháng, độlún trung bình của toàn khối móng là 103.65 cm Đến khi kết thúc theo dõi lún thì tốc độlún giảm xuống còn 1.9 mm/ngày đêm

Gia tải trước với thoát nước thẳng đứng:

Gia tải trước thường được dùng để nén lún đất yếu dễ nén Khi thời gian dự tính đểđất được nén lún đến độ thiết kế quá dài thì có thể dùng đến lỗ thoát nước (giếng cát hoặcvải địa kỹ thuật) theo chiều đứng để tăng tốc độ nén lún và đạt cường độ cần thiết.Phương pháp này đã cho kết quả tốt đối với một số công trình nhà cửa, đường cao tốc,đường băng, bể chứa lớn, cầu và cảng Gia tải trước được thực hiện bằng cách đắp nềnlên tới một cao trình cao hơn cao trình cần thiết để đạt tải thiết kế

Trong rất nhiều trường hợp, thời gian gia tải trước cần thiết được rút ngắn để xâydựng công trình, vì vậy tốc độ cố kết của nền được tăng do sử dụng cọc cát thoát nước.Cọc cát được đóng bằng công nghệ rung ống chống để chiếm đất, sau đó cát được làmđầy ống và rung để đầm chặt Cọc cát có đường kính 30-40cm Có thể được thi công đến

6-9m Giải pháp cọc cát đã được áp dụng để xử lý nền móng một số công trình ở TP HồChí Minh, Vũng Tàu, Hải Phòng, Hà Nội.

Hình 6

I.3 Ưu nhược điểm của phương pháp gia tải trước

Ưu điểm :

- Phương pháp gia tải trước tăng nhanh sức chịu tải của nền đất

- Phương pháp gia tải trước tăng nhanh thời gian cố kết

- Phương pháp gia tải trước tăng nhanh độ lún ổn định theo thời gian

- Phương pháp gia tải trước đơn giản, dễ làm lại kinh tế và thích hợp với các côngtrình vừa và thấp tầng.

Nhược điểm:

Hiệu quả không cao đối với các công trình cao tầng phải sử móng sâu

I.4 Ứng dụng của phương pháp gia tải trước tại Việt Nam

Ứng dụng cho thiết kế hạ tầng cơ sở cần phát triển lún cố kết nhanh hơn như móngcông trình đê chắn sóng, tuyến đường giao thông, đất đắp nền đường cầu vượt, nền móng

bể chứa chất lỏng trên vùng đầm lầy, nền băng sân bay,… Các dự án minh họa đã ápdụng hầu hết là quan trọng như móng Cảng hàng không quốc tế Kansai, Dự án phát triểnCảng Hanneda, biển đảo cảng Kobe, nhà máy nhiệt điện Matsura, đường ngầm ngày naythuộc vịnh biển Tokyo ở tân đảo biển đã bị tàn phá Các phương pháp xử lý này được ápdụng với tỷ lệ cao hầu hết rơi vào các dự án có quy mô lớn

Phương pháp gia tải trước được dùng để xử lý nền móng của Rạp xiếc trung ương

Hà Nội, Viện nhi Thụy Điển (Hà Nội), Trường Đại Học Hàng Hải (Hải phòng) và một sốcông trình tại phía Nam

II Phương pháp cố kết chân không

II.1 Khái niệm phương pháp gia tải trước bằng hút chân không

Phương pháp nén trước bằng chân không là một trong những phương pháp gia cốnền đất sét yếu, theo đó áp suất chân không được áp dụng lên một diện tích nền được baobởi các tấm (màng) vật liệu kín khí (airtight membrane), để bơm thoát nước lỗ rỗng chứatrong nền làm cho đất cố kết nhanh Theo mẫu thí nghiệm 3 trục, hình trụ rỗng thì đểmẫu đứng được, người ta phải áp dụng một áp suất chân không khoảng 0.3 kgf/cm2, rồikiểm tra xem mẫu có kín nước không bằng cách quan sát sự xuất hiện các bọt khí

Công nghệ này được thực hiện thông qua vài lần làm áp lực bằng chân không thíchhợp để xử lý nền, từ đó hạ thấp tỷ lệ chứa nước trong đất, nâng cao mật độ đất, sức tảicủa nền, giảm sự sụt lún sau khi thi công và sự sụt lún sai khác ở nền đất yếu Theo cácchuyên gia trong lĩnh vực xử lý nền đất thì phương pháp này sẽ tạo ra được một áp lực(trên 1 atmosphere) khống chế sức tải của mặt đất, tạo độ dày cần thiết theo yêu cầu kỹthuật, khống chế được độ lún và tạo độ lún đồng đều cho mặt đất

II.2 Tiến hành phương pháp gia tải trước bằng chân không

Để giảm thiểu bề dày nền đắp sử dụng trong hệ thoát nước đứng, cần phải áp dụnglực hút chân không trực tiếp đến hệ thống thoát nước đứng nhằm tạo ra một gradient thủylực lớn hơn để tăng tốc quá trình thoát nước và cố kết của nền đất yếu Lực hút chânkhông thực tế tương tự như sự tác dụng của việc gia tải trên nền đất yếu Phương phápnày thông thường được xem như phương pháp cố kết chân không

Phương pháp cố kết chân không được giới thiệu trong khu vực trong thập niên vừaqua và một vài dự án ở Việt Nam đã áp dụng trong công tác xử lý đất yếu có bề dày khásâu tương đối thành công Trong phương pháp bấc thấm PVD thông thường, việc gia tảitừng cấp cần kiểm soát độ ổn định thông qua sự gia tăng sức kháng cắt do cố kết, tuynhiên trong phương pháp cố kết chân không ứng suất có hiệu tăng trong khi ứng suất cắttăng rất ít, tạo ra sự tăng ứng suất có hiệu với độ ổn định tốt hơn Thông thường, lực hútchân không đạt 6 tấn/m2 hay 60 kPa có thêm tác dụng lên vùng giảm áp có xử lý bấcthấm như minh họa trên Hình 11a đến 11b

Hiệu quả của phương pháp phụ thuộc rất lớn vào việc cách ly vùng chân khôngtrong khu vực giảm áp và sự phân bố chân không trong các đường thoát nước Do đó,đường thoát nước được thiết kế sao cho có thể chịu được áp lực chân không; bất kỳđường thoát nước nào bị hỏng cũng kéo theo hậu quả rất xấu, như sự phá hoại nền đườnghay độ cố kết không đạt yêu cầu

Mỗi công ty xử lý nền sẽ chọn ra hệ thống chân không riêng cho mình từ kiểu thoátnước đến các kiểu kết nối vào hệ thống chân không Do đó, việc thi công thông thườngđược tiến hành theo các hướng dẫn cơ bản từ chủ đầu tư

Ngoài việc tác dụng lực hút chân không, cần phải gia tải trên vùng giảm áp nhằmgia tăng ứng suất tổng trên nền đất yếu, kết quả sẽ tăng tốc quá trình cố kết và giảm thờigian cố kết Tuy nhiên cũng lưu ý rằng, việc gia tải cũng có giới hạn vì độ ổn định củanền đắp cũng như trong phương pháp PVD gia tải trước Do đó để gia tải lớn cần phảiđắp theo giai đoạn hay đặt thêm bệ phản áp nhằm tăng độ ổn định trong quá trình cố kếtnhư trên Hình 12a và 12b Do bề dày nền đắp giảm (do lực hút), bệ phản áp (nếu cần) cóthể nhỏ hơn, ngắn hơn so với trong trường hợp sử dụng phương pháp bấc thấm thôngthường

Hình 7 Các kiểu Phương pháp cố kết chân không

(a) Phương pháp cố kết chân không cách ly bằng vải

(b) Phương pháp cố kết chân không bằng ống hút trực tiếp

H ì nh 8 C á c mặt cắt ti ê u biểu ph ươ ng ph á p cố kết ch â n kh ô ng

với c á c bề d à y đ ắp kh á c nhau (a)Nền đường đắp đến 4m

(b) Nền đắp cao hơn 4m

- Các phương pháp và dây chuyền thi công phương pháp cố kết chân không

Có hai phương pháp cố kết chân không hiện tại trên thị trường, gọi là phương phápcách khí bằng vải và phương pháp ống hút trực tiếp.

Phương pháp cách khí bằng vải được mô tả trong Hình 11a, dùng một loại vải kínkhí HDPE phủ lên trên các lớp thoát nước có cắm bấc thấm PVD Vải HDPE cách ly lớpthoát nước và PVD để nước từ các bấc thấm có thể được bơm trực tiếp đến các bơm kếtiếp và đến nền đường Để giảm sự tiêu hao thủy lực trong lớp thoát nước, thiết bị thoátnước bổ sung (ống đục lỗ hay bấc thấm thoát nước ngang) được sử dụng Dây chuyền thicông phương pháp này được trình bày trong Hình 17

Phương pháp ống hút trực tiếp được trình bày trong Hình 11b, các bấc thấm đượcnối trực tiếp vào các ống nhựa PE dẻo và dẫn đến các bơm chân không Hình 18 thể hiệncông tác lắp các bấc thấm PVD và các đầu nối vào ống Dây chuyền thi công như trênHình 19

Phương pháp ống hút trực tiếp có thuận lợi là giảm thiểu sự tiêu hao chân không dobơm trực tiếp từ PVD Việc kiểm tra rò rỉ từ các đầu nối có thể được tiến hành sau khichất tải Phương pháp này cũng giảm được việc sử dụng các lớp thoát nước (cát sạch) vàcác hố dung dịch nhằm cách ly không khí trong phương pháp cách khí bằng vải Mặtkhác, phương pháp cách khí bằng vải cũng có ưu điểm riêng là lớp cát thoát nước sau khihút chân không được xem là một thành phần gia cường Do sự giảm áp lực nước lỗ rỗngtrong lớp thoát nước trong quá trình hút chân không, ứng suất có hiệu của lớp cát thoátnước gia tăng theo áp lực chân không Sự gia tăng ứng suất hiệu quả từ hút chân không

và gia tải dẫn đến sự gia tăng sức kháng cắt của lớp thoát nước Nếu lực chân không đượcduy trì một cách liên tục, kích thước bệ phản áp thậm chí có thể giảm bớt đi Do đó, việckiểm soát tốt chân không là vấn đề chính trong phương pháp này Đây là lý do chính tạisao phương pháp cố kết chân không được các nhà thầu chuyên nghiệp và có kinh nghiệmphụ trách khi có các sự cố kỹ thuật cần đến sự hướng dẫn và kiểm soát thích hợp trongquá trình thi công

Hình 9 Dây chuyền thi công tiêu biểu của phương phápcách khí bằng vải

trongphương pháp cố kết chân không

8.Lắp lớp không thấm 9.Đắp gia tải

Hình 10 Lắp đặt bấc thấm đứng PVD trong phương pháp cố kết chân

8.Đắp gia tải lên chân không

4.Lắp PVD

Hình 11 Dây chuyền thi công tiêu biểu của phương pháp ống hút trực tiếp trong phương pháp cố kết chân không

2.Lắp PVD1.Dọn dẹp mặt bằng

3.Nối vào PVD và bơm

5.Giảm áp/Lún

II.3 Ứng dụng thực tế của phương pháp cố kết chân không trong các công trình

XD hiện nay

Công nghệ này đã được Uỷ ban Khoa học Thượng Hải (Trung Quốc) giám định

“đạt tiêu chuẩn tiên tiến quốc tế”, hiện đang được áp dụng tại nhiều công trình xây dựng

cảng biển, đường bộ và đường hàng không, được nhiều quốc gia đón nhận trong đó có