Xử lý nền đất yếu cao tốc Hà Nội Hải Phòng

1. TIấU CHUẨN THIẾT KẾ 2 1.1 Độ lún và Độ cố kết 2 1.2 Độ ổn định chống trượt 2 1.3 Tải trọng giao thụng. 2 2. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN 4 2.1 Lý thuyết và Phương pháp Tính toán thoát nước đứng 4 2.2 Lý thuyết và phương pháp tính toán Cọc cát đầm 9 2.3 Chiều dầy lớp đệm cát thoát nước 12 2.4 Phần mềm 12 3.1 Khối lượng thể tích đơn vị 13 3.2 Cường độ khỏng cắt không thoát nước ban đầu 13 3.3 Hệ số tăng Cường độ khỏng cắt không thoát nước 17 3.4 Điều kiện cố kết trước và Cỏc chỉ tiờu cố kết 18 3.5 Túm tắt giỏ trị đất tớnh toỏn cho Thiết kế xử lý nền đất yếu 22 4. PHÂN TÍCH XỬ Lí NỀN ĐẤT YẾU 23 4.1 Thời gian cho cụng tỏc xử lý nền đất yếu 23 4.2 Sự cần thiết của biện phỏp xử lý nền đất yếu 23 4.3 Cỏc biện phỏp cú thể ỏp dụng xử lý nền đất yếu. 23 4.4 Phân đoạn 31 4.5 Kết quả thiết kế xử lý nền đất yếu 31

Mục lục

1 TIấU CHUẨN THIẾT KẾ 2

1.1 Độ lỳn và Độ cố kết 2

1.2 Độ ổn định chống trượt 2

1.3 Tải trọng giao thụng 2

2 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN 4

2.1 Lý thuyết và Phương phỏp Tớnh toỏn thoỏt nước đứng 4

2.2 Lý thuyết và phương phỏp tớnh toỏn Cọc cỏt đầm 9

2.3 Chiều dầy lớp đệm cát thoát nớc 12

2.4 Phần mềm 12

3.1 Khối lượng thể tớch đơn vị 13

3.2 Cường độ khỏng cắt khụng thoỏt nước ban đầu 13

3.3 Hệ số tăng Cường độ khỏng cắt khụng thoỏt nước 17

3.4 Điều kiện cố kết trước và Cỏc chỉ tiờu cố kết 18

3.5 Túm tắt giỏ trị đất tớnh toỏn cho Thiết kế xử lý nền đất yếu 22

4 PHÂN TÍCH XỬ Lí NỀN ĐẤT YẾU 23

4.1 Thời gian cho cụng tỏc xử lý nền đất yếu 23

4.2 Sự cần thiết của biện phỏp xử lý nền đất yếu 23

4.3 Cỏc biện phỏp cú thể ỏp dụng xử lý nền đất yếu 23

4.4 Phõn đoạn 32

4.5 Kết quả thiết kế xử lý nền đất yếu 32

Báo cáo tính toán Xử lý nền đất yếu Gói thầu EX-2

(Km 6+200 đến Km 19+000)

1 TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ

Các tiêu chuẩn thiết kế sau đây được đề xuất áp dụng để thiết kế xử lý nền đất yếu:

- Quy trình Khảo sát và Thiết kế nền đường đắp trên đất yếu 22TCN262-2000,

- Đường cao tốc – Yêu cầu Thiết kế TCVN5729-1997

Căn cứ các tiêu chuẩn trên, sau đây là các yêu cầu thiết kế xử lý nền đất yếu:

1.1 Độ lún và Độ cố kết

Đất yếu sẽ được xử lý để đảm bảo cả hai điều kiện như mô tả dưới đây:

- Độ lún dư (Sr) nhỏ hơn: 10cm đối với các đoạn đường dẫn, 20cm đối với cống và đoạn

có cống chui và 30cm cho các đoạn khác

- Độ cố kết không ít hơn 90% hoặc tốc độ lún dư nhỏ hơn 2cm/năm

1.2 Độ ổn định chống trượt

Các điều kiện sau đây phải được xác nhận đối với độ ổn định chống trượt:

- Hệ số an toàn không nhỏ hơn 1,2 trong giai đoạn đắp và chờ cố kết, và

- Hệ số an toàn không nhỏ hơn 1,4 khi ở cuối giai đoạn chờ cố kết cuối cùng

1.3 Tải trọng giao thông.

Tải trọng giao thông được xác định theo tiêu chuẩn 22TCN262-2000 từ các phương trình sau đây:

G: Trọng lượng xe (=30 tấn trong trường hợp H30),

B: Bề rộng của tải trọng giao thông (Tối đa là 14,3m theo thiết kế, 1 bên),

l: khoảng cách giữa bánh xe trước và bánh xe sau (=6,6m, trong trường hợp H30),

b = 1,8 m, e = 0,5m, d = 1,3m

Kết quả: B=11,6m, n=4, and q=1,57 t/m2 và sẽ được phân bổ trên các làn xe chạy như sơ họa tính toán ở Hình 1-2.

l

B

Hình 1-1 Sơ đồ tính toán tải trọng giao thông

Hình 1-2 Giá trị tải trọng và phân bổ

Có thể tính toán độ lún cố kết bằng cách sử dụng công thức gốc theo mô tả dưới đây (sau đây gọi tắt là phương pháp ∆e):

log

P P H

o

o o

s

P P H

s

c

P

P P H e

C P

P H

0 0

log1

log

Về lớp đất cát, có thể sử dụng công thức sau đây để tính độ lún tức thời (phương pháp De Beer)

N

P

log4

Trong đó:

Sc: Độ lún cố kết,

Si: Độ lún tức thời của lớp đất cát,

eo: Hệ số rỗng tại áp lực P0 (Hệ số rỗng ban đầu),

N: Giá trị Thí nghiệm Xuyên Tiêu chuẩn

Uv: Thành phần cố kết thẳng đứng được tính như đề cập trên,

Uh: Thành phần cố kết ngang được tính bằng kiến nghị Hansbo như sau:

2 2

2

4

13ln1

)

(

n

n n n

h

s

d

d k

q

k z L

ds: Khoảng cách từ tâm đến tâm giữa các đường thấm đứng,

dw: Đường kính/đường kính tương đương của đường thấm đứng,

kh: Hệ số thấm theo phương ngang,

ks: Hệ số thấm trong vùng đất bị xáo trộn,

ds: Đường kính mặt cắt ngang của vùng đất bị xáo trộn,

L: Chiều dài thoát nước,

qw: Khả năng thoát nước của đường thấm đứng

Đặc biệt trong trường hợp là giếng cát có vỏ bọc, do bố trí đặc biệt (xem hình 2-1), hệ số thời gian sẽ được tính toán cho từng vùng I, II, và III như sau:

(2-III II

I

III h III II

h II I h

I

h

A A A

U A U

A U

A

U

2

2++

×+

×+

∆C: Lượng tăng của sức kháng cắt không thoát nước do cố kết,

m: Hệ số tăng của sức kháng cắt không thoát nước

a a

II I

III III a

a

d) Kiểm toán trượt

Tư vấn kiến nghị sử dụng Phương pháp Bishop như công thức dưới đây để kiểm toán trượt

tan1

w

b u w b C

u: Áp lực nước lỗ rộng tác động đáy cung trượt,

W: Trọng lượng của phân tố,

α : Góc nghiêng tại đáy cung trượt so với phương ngang

α

Hình 2-2 Mô hình kiểm toán trượt Trong trường hợp có sử dụng lớp vải địa kỹ thuật gia cường, cường độ kháng trượt được tính như sau:

[T break T pullout]

Trong đó (xem hình vẽ 2-3),

k Tensile

T break =

Tensile: Cường độ chịu kéo đứt của vải (=200KN)

k: Hệ số an toàn (=2 với vải được làm bằng polyester theo 22TCN262-2000)

k’: Hệ số dự trữ (=0.66 theo 22TCN262-2000)

τ

φ γ,

Hình 2-3 Resistant force mobilized from reinforced geotextile

2.2 Lý thuyết và phương pháp tính toán Cọc cát đầm

a) Tổng quan

Phương pháp Cọc cát đầm (SCP) sử dụng tải trọng rung để xuyên một ống chống tạo cọc cát đầm vào lớp đất yếu Phương pháp này sẽ giúp gia tăng khả năng chịu tải, giảm độ lún cố kết, tăng sức kháng theo phương ngang, tạo sự đồng đều cho đất, tăng hiệu quả thoát nước cố kết do việc tăng độ chặt của đất Phương pháp này được áp dụng cho hầu hết các điều kiện đất gồm cả đất cát, đất sét và đất hữu cơ

b) Thiết kế

Tỷ lệ thay thế được định nghĩa bằng phương trình sau đây và sẽ được tính toán cho dạng hình vuông và dạng tam giác như sau (hình 2-3):

Hình 2-4 Sơ đồ bố trí và quan niệm thiết kế Cọc cát đầm (SCP)

As

Trong đó,

As: Diện tích mặt cắt ngang của Cọc cát đầm

d: Khoảng cách từ Tâm đến Tâm

Nền đất yếu sau khi được xử lý bằng Cọc cát đầm sẽ được xem là nền đất hỗn hợp gồm có Cọc cát đầm và đất yếu bao quanh Sức kháng cắt của nền đất hỗn hợp τSC được tính toán như sau:τsc=(1-Fv)(Co+Cu/p• (Po-Pc+μc•σz)•U+ Fv • (γs'•Z+μs•σz)tanϕs• (cosθ)² (2-30)τsc=(1- Fv)(Co+Cu/p• (Po-Pc+μc•z )·U+(γ'm•Z+z )•μs •Fv •tanϕs •(cosθ)² (2-31)

Trong đó,

µc: Hệ số giảm ứng suất,

Fv n

c c

)1(1

1

−+

=

=σσµ

µs: Hệ số tăng ứng suất,

Fv n

n s

s

)1(

=

=σ

σ

σ

= Cu/p: Tỷ lệ tăng cường độ

γs': Trọng lượng thể tích đẩy nổi của cát

Z: Độ sâu của mặt phá hoại

ϕs: Góc ma sát trong của cát

θ: Góc giữa bề mặt phá hoại so với phương ngang

σz: Ứng suất tăng tại mặt phá hoại do tải trọng nền đường đắp

σ: Ứng suất bình quân

σc: Ứng suất tác động lên lớp đất xung quanh

σs: Ứng suất tác động lên Cọc cát đầm

γm' = Trọng lượng thể tích đẩy nổi của đất hỗn hợp

Góc ma sát trong của cát (của Cọc cát đầm) phụ thuộc vào tỷ lệ thay thế thể hiện trong bảng 2-1 dưới đây:

Bảng 2-1 Góc ma sát trong và Tỷ lệ phân chia ứng suất theo tỷ lệ thay thế

Tỷ lệ thay thế, Fv Góc ma sát trong

của cát, ϕs

Tỷ lệ phân chia ứng suất, n

C=(1-Fv)(Co+Cu/p· (Po-Pc+μc·∆P)·U (2-33)

Po

P c Po H

2.3 Chiều dầy lớp đệm cát thoát nớc

Chiều cao cột nước (ngầm) do tải trọng nền đắp gõy ra được tớnh toỏn theo cụng thức:

3 CHỈ TIÊU TÍNH TOÁN CỦA ĐẤT

Chi tiết điều kiện địa chất công trình và các đặc trưng của đất đựơc trình bày trong báo cáo Khảo sát Địa kỹ thuật cho Gói thầu EX-2 do Tổng công ty Tư vấn Thiết kế GTVT lập Các phần sau đây chỉ phân tích các chỉ tiêu tính toán của đất để xử lý đất yếu

3.1 Khối lượng thể tích đơn vị

Theo số liệu thí nghiệm, sự thay đổi khối lượng thể tíchg (γw) theo độ sâu của đất 1a, 1b, 2 và L2 được thể hiện trong hình 3-1

Hình 3-1 Sự thay đổi khối lượng riêng theo độ sâu của đất 1a, 1b, 2 và L2

Từ hình vẽ trên, các giá trị sau sẽ được kiến nghị sử dụng:

- Soil 1a: γ=1.82t/m3

- Soil 1b: γ=1.84t/m3

- Soil 2: γ=1.68t/m3

- Soil L2: γ=1.83t/m3

3.2 Cường độ kháng cắt không thoát nước ban đầu

Cường độ kháng cắt không thoát nước ban đầu của đất yếu (Co) được xác định dựa trên các cơ

sở sau:

- Thí nghiệm cắt cánh hiện trường (FVST): Giá trị Co sẽ được tính trực tiếp từ FVST tiến hành trong quá trình khoan nền đắp (Lỗ khoan-Y),

- Thí nghiệm ba trục, biểu đồ-UU (Thí nghiệm UU): Giá trị Co cũng được đánh giá trực tiếp từ thí nghiệm UU trong phòng, những thí nghiệm này được tiến hành trên các mẫu nguyên dạng,Thông thường, giá trị thiết kế của Co sẽ được chọn lựa trên những cơ sở này, trong đó số liệu FVST là ưu tiên hàng đầu theo Tiêu chuẩn 22TCN262-2000 Tuy nhiên, theo kết quả khảo sát đất, có thể thấy rằng các giá trị FVST quá lớn thường gấp 2 – 2,5 lần so với các thí nghiệm UU, đặc biệt nền đất trên 10m Giá trị này cũng lớn so với các loại đất sét yếu đến rất yếu điển hình (tối đa Co = 25 Kpa) Những giá trị FVST khá cao này có thể do có nhiều mảnh sò hoặc thấu kính cát được tìm thấy trong khu vực bồi tích này Trong trường hợp này, FVST có lẽ không điển hình cho cường độ kháng cắt không thoát nước của đất nền.

Vì thế, để có giá trị Co đáng tin cậy cho thiết kế, việc phân tích sẽ được tham khảo thêm những

Hình 3-2 Kết quả thí nghiệm FVST và giá trị Co điển hình

Hình 3-3 Kết quả thí nghiệm và giá trị Co điển hình thí nghiệm UU

Hình 3-4 Co từ các kết quả thí nghiệm CPT và các giá trị điển hình của nó

Hình 3-5 Co từ kết quả thí nghiệm SPT và giá trị điển hình của nóCác giá trị Co điển hình từ 4 phương pháp thí nghiệm được tóm tắt trong hình 3-6 như sau:

Hình 3-6 Tóm tắt giá trị Co điển hình qua thí nghiệm và kiến nghị dùng cho thiết kế

Từ những phân tích trên, kiến nghị sử dụng giá trị Co như sau cho thiết kế:

- Soil 1a: Co=5.7 t/m2

- Soil 1b: Co=3.5 t/m2

- Soil 2: Co=2.0 t/m2

- Soil L2: Co=6.5 t/m2

Riêng đối với lớp L-1, lớp này được phát hiện như những thấu kính sét pha (SC, SC-SM) và sẽ

có biểu hiện hầu như đất cát, trong đó góc ma sát trong đóng vai trò quan trọng cho cường độ đất

và sẽ được tính từ mối quan hệ thực nghiệm Dunham (1954) như sau:

Theo đó, với giá trị SPT điển hình bằng 8, ϕ=25o

3.3 Hệ số tăng Cường độ kháng cắt không thoát nước

Cường độ kháng cắt không thoát nước của đất yếu tăng do cố kết với hệ số gọi là “Hệ số tăng cường độ kháng cắt không thoát nước” – m, hệ số này được tính từ thí nghiệm 3 trục, CU – thí nghiệm CU và như đã chỉ ra trong Tiêu chuẩn 22TCN262-2000, m bằng tan (ϕcu)

Giá trị-m từ số liệu thí nghiệm CU của lớp 2 được chỉ ra trong hình 3-7

Hình 3-7 Hệ số tăng cường độ kháng cắt không thoát nước do cố kếtThí nghiệm CU chỉ được thực hiện cho lớp đất yếu (lớp 2) Không có các thí nghiệm CU cho các lớp còn lại Đối với những lớp đất này, như 1a (sét dẻo cứng), 1b (sét dẻo mềm) và lớp L2 (sét dẻo cứng), quan hệ C/P sẽ là cơ sở kiến nghị để tham khảo việc xác định gía trị m Theo đó, các giá trị tính toán kiến nghị sử dụng theo bảng sau (bảng 3-1)

Bảng 3-1 Xác định giá trị m

t/m 2

Pc t/m 2

C 0 /P c

Ghi chú: Pc được xác định từ thí nghiệm cố kết

Giá trị C0/Pc của lớp 1a và 1b rất sát với khoảng đặc trưng của giá trị m của những trầm tích này,

từ 0.2~0.4 Giá trị này của lớp L2 (0.66) lớn một chút so với khoảng trên và kiến nghị sử dụng giá trị giống như lớp 1a, 1b dùng cho thiết kế

Từ những đề cập trên, chúng tôi xin đưa ra các các giá trị m sau:

Soil 1a: m=0.35

- Soil 1b: m=0.35

- Soil 2: m=0.25

- Soil L2: m=0.35

3.4 Điều kiện cố kết trước và Các chỉ tiêu cố kết

Hình 3-8 thể hiện các giá trị áp lực tiền cố kết của trầm tích gói thầu EX2 so với áp lực địa tầng của lớp đất

Hình 3-8 Biến thiên của Pc với chiều sâu và so với áp lực địa tầng

Các số liệu đó chỉ ra rằng lớp trầm tích đều quá cố kết Do đó, giá trị dùng để thiết kế Pc cũng như các chỉ tiêu cố kết khác như Cc, Cv, K ( theo như tổng hợp ở các hình vẽ 3-9, 3-10, 3-11) sẽ được xác định từ số liệu thí nghiệm và các trung bình cộng sẽ được kiến nghị

Hình 3-9 Các đường cong thí nghiệm và giá trị điển hình của lớp đất 1b

Hình 3-10 Đường cong thí nghiệm và điển hình cho lớp đất 2

Hình 3-11 Đường cong thí nghiệm và giá trị điển hình của lớp L2Trừ lớp đất 1a là không có thí nghiệm cố kết và mối quan hệ giữa các chỉ tiêu cố kết với các chỉ tiêu khác được phân tích lựa chọn và kiến nghị có thể được sử dụng làm giá trị tính toán trong thiết kế

Sau đây là biểu đồ quan hệ giữa Cc, Cv và k với hệ số rỗng, độ ẩm và giới hạn chảy từ kết quả thí nghiệm các lớp đất của gói thầu EX2

Hình 3-12 Quan hệ giữa Cc với eo, Wn

Hình 3-13 Quan hệ Cv và K v ới WL

Bảng 3.2 tổng hợp các giá trị Cc, Cv và K của lớp 1a tính toán từ các số liêụ thí nghiệm theo mối quan hệ đã đề cập ở trên Dựa trên những cơ sở này, các giá trị kiến nghị cũng được trình bày trong bảng này

Bảng 3.2 Tổng hợp giá trị Cc, Cv, K của lớp 1a và giá trị kiến nghị

K x 10-7 cm/sec - - 0.853 0.853

3.5 Tóm tắt giá trị đất tính toán cho Thiết kế xử lý nền đất yếu

Theo như phân tích ở trên, các giá trị tính toán của đất cho thiết kế xử lý nền đất yếu được tóm tắt trong bảng 3-3 sau

Bảng 3-3 Tóm tắt các thông số tính toán của đất kiến nghị cho Thiết kế xử lý nền đất yếu

Vật liệu đắp nền

4 PHÂN TÍCH XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU

4.1 Thời gian cho công tác xử lý nền đất yếu

Gói thầu này được dự kiến hoàn thành trong 32 tháng và một khoảng thời gian nhỏ hơn 18 tháng được dự kiến cho xử lý nền đất yếu khi xem xét các vấn đề sau:

- Thời gian cho công tác chuẩn bị,

- Thời gian cho thi công cống và các kết cấu ngầm,

- Thời gian thi công các cọc và trụ cầu,

- Thời gian thi công áo đường và hoàn thiện và

- Tái sử dụng hợp lý các vật liệu gia tải và chất tải trước cho các đoạn để giảm thiểu chi phí vật liệu

4.2 Sự cần thiết của biện pháp xử lý nền đất yếu

Trong gói thầu EX-2, địa tầng biến đổi cả về sự phân bố ( đặc biệt là về chiều sâu các lớp đất) và chỉ tiêu của các lớp đất Do đó để lựa chọn giải pháp xử lý đất yếu, trường hợp không xử lý sẽ được kiểm tra đầu tiên cho mỗi đoạn Trong trường hợp kết quả tính toán không phù hợp với độ lún hoặc tiêu chí ổn định thì sau đó mới xem xét đến việc xử lý Trong trường hợp này, nguyên tắc xử lý sẽ được thử dần theo thứ tự từ đắp gia tải chờ lún rồi đến các giải pháp thoát nước thẳng đứng (PVD, PD, SD, SCP)

4.3 Các biện pháp có thể áp dụng xử lý nền đất yếu.

a) Các biện pháp xử lý nền đất yếu

Có một số biện pháp để xử lý nền đất yếu, nhưng thường được phân loại thành 2 loại gồm chống trượt và tăng cố kết như liệt kê trong bảng 4-2 dưới đây:

Bảng 4-2 Phân loại các biện pháp xử lý nền đất yếu

• Phương pháp hút chân không

b) Đánh giá thiết kế cơ sở

Đánh giá đề xuất xử lý nền đất yếu trong Thiết kế cơ sở và theo đó, đề xuất một số phương án cho Thiết kế Kỹ thuật Tất cả các kết quả đánh giá được tóm tắt trong Bảng 4-3 như sau.

Bảng 4-3 Đánh giá Kết quả và Phương án cho Giai đoạn Thiết kế Kỹ thuật

Chiều dày lớp đất yếu (D) ≥ 20

Cọc cát Giếng cát có vỏ bọc

Bấc thấm Cọc cát

Chống trượt

Sàn giảm tải Cọc xi măng đất

Cọc đầm cát

Sàn giảm tải Cọc xi măng đất

c) Xem xét các trường hợp trong quá khứ

Đường quốc lộ/ đường cao tốc đã được nâng cấp và/ hoặc xây dựng mới ở Việt Nam từ năm

1995 như Quốc lộ 5, QL1, QL18, QL10, đường Pháp Vân – Cầu Giẽ, Cầu Giẽ - Ninh Bình, Sài Gòn – Trung Lương, Trung Lương – Mỹ Thuận – Cần Thơ, v.v… Các vấn đề hỏng hóc và/ hoặc lún đã được ghi chép lại từ các dự án đó Dưới đây là 2 trường hợp điển hình về các loại vấn đề đó

- Đường dẫn cầu Đồng Niên trên Quốc lộ 5 được xây dựng năm 1995

- Đường dẫn cầu vượt Hàm Long trên Quốc lộ 1 đang trong quá trình thi công thì bị trượt vào năm 1999

- Nền đắp cao: 7m

- Độ dày nền đất yếu: 13m

- Biện pháp xử lý: bấc thấm (PVD)

- Sự cố: Sự cố trượt nền đường xảy ra trong quá trình thi công khi độ cao nền đắp là 6,6m

Các sự cố trên cũng như một sự cố khác như lún ở đường cao tốc Pháp Vân – Cầu Giẽ, trượt nền đường tại lý trình km135 Quốc lộ 1… đều xảy ra ở các đoạn được xử lý bằng bấc thấm và chiều cao nền đắp lớn hơn 5m

Do các sự cố này, từ sau đó, đường trên nền đất yếu đã được thiết kế và thi công có sự khống chế

về chiều cao nền đắp và độ dày đất yếu đối với biện pháp bấc thấm