Giải pháp xử lý nền đất yếu bằng giếng cát thoát nước nhằm tăng nhanh tốc độ cố kết của nền đất được áp dụng rất phổ biến ở Việt Nam trong những năm gần đây nhất là trong các dự án xây dựng công trình giao thông đường bộ. Tuy nhiên, do hạn chế về công nghệ thi công nên chiều sâu xử lý còn hạn chế, tại nhiều dự án việc xử lý nền đất yếu chưa đạt được các yêu cầu kỹ thuật. Thực tế thi công xử lý nền đất yếu ở Việt Nam đòi hỏi phải có các giải pháp, công nghệ và thiết bị thi công đảm bảo được các yêu cầu kỹ thuật đặt ra nhất là giảm lượng lún dư sau khi đưa công trình vào khai thác, kinh phí hợp lý phù hợp với điều kiện của Việt Nam. Giải pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc cát đầm chặt (Sand Compaction Pile SCP) với đường kính cọc lên tới 700mm và độ sâu xử lý đến 40m là giải pháp hợp lý và hiệu quả đối với các dự án giao thông nhất là nền đường đầu cầu, nền cống chui, hầm chui... xây dựng trên các lớp đất yếu có bề dày lớn.
Trang 1ÁP DỤNG GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG PHƯƠNG PHÁP CỌC CÁT ĐẦM CHẶT (SAND COMPACTION PILE - SCP)
Đây là báo cáo thử nghiệm dùng cọc cát đầm chặt CSP (Compacted Sand Pile) ở 2 đoạn ngắn trong dự án đường cao tốc Hà Nội-Hải Phòng Có thể thấy đây là một phương pháp gia cố nền rất khả thi ở Việt Nam (về thiết bị) nhất là ở miền Bắc (vật liệu cát thuận lợi) nhưng ứng dụng
có vẻ chưa nhiều Trân trọng giới thiệu với các bạn nội dung bài viết này của tác giả Lê Ngọc Thanh
Tóm tắt
Giải pháp xử lý nền đất yếu bằng giếng cát thoát nước nhằm tăng nhanh tốc độ cố kết của nền đất được áp dụng rất phổ biến ở Việt Nam trong những năm gần đây nhất là trong các dự án xây dựng công trình giao thông đường bộ Tuy nhiên, do hạn chế về công nghệ thi công nên chiều sâu xử lý còn hạn chế, tại nhiều dự án việc xử lý nền đất yếu chưa đạt được các yêu cầu kỹ thuật Thực tế thi công xử lý nền đất yếu ở Việt Nam đòi hỏi phải có các giải pháp, công nghệ và thiết
bị thi công đảm bảo được các yêu cầu kỹ thuật đặt ra nhất là giảm lượng lún dư sau khi đưa công trình vào khai thác, kinh phí hợp lý phù hợp với điều kiện của Việt Nam Giải pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc cát đầm chặt (Sand Compaction Pile - SCP) với đường kính cọc lên tới 700mm và
độ sâu xử lý đến 40m là giải pháp hợp lý và hiệu quả đối với các dự án giao thông nhất là nền đường đầu cầu, nền cống chui, hầm chui xây dựng trên các lớp đất yếu có bề dày lớn
1 MỞ ĐẦU
Ở nước ta, các vùng đồng bằng châu thổ thường có các lớp đất yếu dày, việc xử lý nền đất yếu trong xây dựng công trình giao thông là nhiệm vụ quan trọng nhằm mục đích giảm thiểu các sự
cố có thể xảy ra đồng thời đảm bảo các tiêu chuẩn kỹ thuật của công trình khi đưa vào khai thác Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, trong lĩnh vực xây dựng đường ô tô trên đất yếu ở nước ta đã áp dụng nhiều phương pháp xử lý nền đất yếu như đào thay đất yếu; sử dụng bấc thấm hoặc giếng cát; cọc đất gia cố xi măng; sàn giảm tải
Mỗi biện pháp xử lý đều có ưu nhược điểm riêng và chỉ được áp dụng đối với một số điều kiện địa chất và thời gian thi công nhất định Đối với một số dự án có bề dày lớp đất yếu lớn, các đoạn nền đường có yêu cầu thi công nhanh hoặc những công trình đường dẫn vào hầm chui, cống chui không có điều kiện để gia tải và thời gian chờ đất cố kết cần có các giải pháp xử lý khác thích hợp hơn
Giải pháp và công nghệ thi công xử lý nền đất yếu bằng cọc cát đầm chặt sẽ làm giảm độ rỗng, tăng nhanh tốc độ cố kết và khả năng chịu lực có thể đáp ứng được các vấn đề về giảm thời gian thi công hoặc không cần đắp gia tải đồng thời có thể thi công đến độ sâu thiết kế để thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật của quy trình về lượng lún dư, tốc độ lún
2 PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC CÁT ĐẦM CHẶT
2.1 ĐẶC ĐIỂM CỦA PHƯƠNG PHÁP (SCP)
Trang 2Phương pháp cọc cát đầm (SCP) sử dụng tải trọng nén kết hợp rung để xuyên một ống nhồi cát
và đầm chặt vào lớp đất yếu hoặc có kết cấu xốp, rời rạc làm cho nền đất được nén chặt, hệ số rỗng giảm, từ đó tăng cường độ và môđuyn biến dạng của đất nền Đồng thời dưới áp lực của tải trọng ngoài, cọc cát làm việc như một giếng cát thoát nước, quá trình cố kết của nền đất diễn ra nhanh hơn Khi xử lý nền bằng cọc cát đầm chặt có thể xem cọc cát với đất nền xung quanh làm việc đồng thời như nền đất hỗn hợp
Ưu điểm: Hiệu quả trong việc chống trượt và gia tăng tốc độ cố kết của đất nền, giảm thời gian thi công đặc biệt khi xử lý nền móng của các hầm chui Chi phí xây dựng thấp hơn so với các giải pháp cùng công nghệ xử lý sâu như cọc đất xi măng hoặc sàn giảm tải
Nhược điểm: Công nghệ và thiết bị thi công chưa phổ biến tại Việt Nam
2.2 PHẠM VI ÁP DỤNG CỦA PHƯƠNG PHÁP CỌC CÁT ĐẦM CHẶT (SCP)
Cọc cát đầm chặt được áp dụng cho hầu hết các loại địa tầng là các lớp đất yếu có khả năng chịu lực kém như các loại đất sét yếu bão hoà nước, đất lẫn hữu cơ, có hệ số rỗng lớn hoặc cát hạt bụi, mịn kết cấu rời rạc Rất thích hợp để xử lý tại các đoạn nền đường đắp cao, nền đường đầu cầu, nền hầm chui, cống … phía dưới là các lớp đất yếu có chiều dày lớn
2.3 CÔNG NGHỆ THI CÔNG
Cọc cát đầm thường được thi công bằng cách đóng một ống có một cấu tạo đặc biệt tại đáy, xuyên qua các lớp cát rời hoặc các lớp sét yếu đến lớp đất tốt phía dưới nhờ việc sử dụng một thiết bị rung nén đặt tại đỉnh của ống vách Trong suốt quá trình đóng hoặc ngay sau khi đóng ống thép, cát được nhồi đầy vào ống thép Đầm rung hạ ống vách bằng cách lặp lại sự nâng lên
và ấn xuống của việc rung ống vách ống vách thép được rút lên khoảng 2-3m nhờ cần trục và được hạ xuống l - 2m nhờ búa rung Hành trình lên và xuống được lặp lại cho đến khi ống thép được rút lên hoàn toàn khỏi mặt đất
Yêu cầu khoảng cách đóng xuống của ống thép được tính toán theo biểu thức sau:
Trang 3Trong một số trường hợp, ngoài một máy rung tại đỉnh của ống thép, còn có thêm một máy rung theo phương ngang được gắn thêm vào đáy của ống vách thép tạo ra dao động ngang làm cho cọc cát được nén chặt thêm Sau khi nhồi cát đầy vào trong ống thép, cửa vào sẽ được đóng lại,
áp suất khí sẽ được tác dụng lên đỉnh cọc cát Khi ống thép được rút lên từ từ, nắp đậy tại đáy
Trang 4của ống thép sẽ mở ra và cát được nhồi vào tạo thành cọc cát đầm chặt Thiết bị rung ngang được hoạt động suốt quá trình rút ống vách thép
2.4 CÁC THIẾT BỊ CHÍNH PHỤC VỤ QUÁ TRÌNH THI CÔNG CỌC CÁT ĐẦM CHẶT
- Cần trục: Thiết bị chính là một cần trục bánh xích có trọng lượng 310-350 kN
- ống vách:
+ ống vách được làm bằng thép
+ Đường kính của ống vách thép khoảng 400-600 mm
+ ống vách thép được treo lên nhờ cần trục và một thiết bị dẫn hướng để đóng cọc
+ ống vách thép được hạ xuống độ sâu thiết kế bằng búa rung
+ ống vách thường dài hơn chiều dài yêu cầu của cọc cát đầm để có thể rút lên khỏi mặt đất sau khi đạt đến chiều sâu thiết kế
+ Toàn bộ ống thép được chống đỡ đất xung quanh trong suốt thời gian thi công
- Búa rung:
+ Trọng lượng búa rung từ 40-53 kN
+ Búa rung được gắn trực tiếp vào ống vách
+ Thường dùng búa rung có tần số thấp và biên độ cao được dùng, với tần số khoảng 500-600 cpm(vòng/phút) và biên độ trong chế độ không tải là 15-18mm Biên độ được xác định là một nửa của chuyển vị đầu cọc
+ Thường dùng búa rung đóng cọc có các motor khoảng 90-120 kW và tạo ra các lực không cân bằng từ 400-600 kN
- Thiết bị thổi khí:
+ Trên ống thép chứa đầy cát, lắp đặt một thiết bị thổi khí có áp lực 3-5kG/cm2 tác dụng lên đỉnh cọc cát
+ Để đảm bảo áp lực tác dụng lên đỉnh cọc cát, cần một máy áp lực tạo ra áp suất khí nén khoảng 7kG/cm2
- Thiết bị chứa cát: Thiết bị chứa cát là nơi chứa cát để vận chuyển đến phễu chứa cát đặt phía trên ống thép
- Các vòi phun nước:
+ Các vòi phun nước có áp lực lên tới 85 kG/cm2
+ Các vòi phun nước thường được sử dụng khi hạ ống vách thép vào các lớp đất có chỉ số xuyên tiêu chuẩn SPT (N) khoảng 15-20
2.5 TRÌNH TỰ THI CÔNG CỌC CÁT ĐẦM CHẶT ĐƯỢC TÓM TẮT THEO CÁC BƯỚC DƯỚI ĐÂY:
Trang 51) Chuẩn bị mặt bằng;
2) Đóng, rung để hạ ống vách thép đến độ sâu thiết kế;
3) Cho cát vào ống vách;
4) Đầm chặt cát và tạo ra đường kính cọc như thiết kế
2.6 QUẢN LÝ CHẤT LƯỢNG THI CÔNG
Để thi công cọc cát đạt chất lượng trong quá trình thi cọc cát cần kiểm soát các vấn đề sau trong quá trình thi công:
- Máy móc, thiết bị thi công cọc cát đầm phải được kiểm định theo các quy định hiện hành;
- Chất lượng của vật liệu làm lớp đệm cát và cọc cát đầm
- Cao độ, bề dày lớp đệm cát;
- Vị trí, khoảng cách các cọc cát so với thiết kế;
- Số lượng cọc cát đầm;
- Cao đỉnh cọc, mũi cọc và độ thẳng đứng của mỗi cọc cát đầm;
- Số lượng thùng chứa cát để nhồi vào mỗi cọc cát đầm chặt;
- Năng lượng tiêu thụ của búa rung trong cả quá trình rung xuống, năng lượng trong suốt quá trình thi công
Ngày tháng và các thông tin xác nhận cọc cát được ghi lại;
- Thời gian để đóng xuống và thời gian tạo thành mỗi cọc cát đầm chặt;
- Các thông tin về vật cản và các điều kiện bất thường của nền đất;
2.7 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG SAU KHI THI CÔNG CỌC CÁT ĐẦM CHẶT
Phương pháp đánh giá chất lượng sau khi thi công cọc cát đầm có thể chia làm các loại sau :
- Đối với bản thân cọc có thể kiểm tra bằng thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn:
+ Với nền đất dính : Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn tại tâm, suốt chiều dài cọc, cự ly 2m/ lần
Tùy theo yêu cầu thiết kế cụ thể giá trị xuyên SPT phải đạt từ 10 đến 20
+ Với nền là đất rời : Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn tại tâm, suốt chiều dài cọc, cự ly 2m/lần
Tùy theo yêu cầu thiết kế cụ thể giá trị xuyên SPT phải đạt từ 15 trở lên
- Đối với nền đất tổ hợp: Kiểm tra chất lượng bằng thí nghiệm nén tải trọng tĩnh nền tổ hợp
Trang 6để xác định mô đuyn tổng biến dạng và các chỉ tiêu cơ lý của đất nền từ đó so sánh với các giá trị thiết kế
3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CỌC CÁT ĐẦM CHẶT
3.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN
Cơ sở lý thuyết tính toán của cọc cát đầm (SCP) được dựa trên các nguyên tắc sau:
- Nén chặt đất và làm tăng sức kháng cắt;
- Thay thế một phần đất yếu bằng cát đầm chặt, nền đất có thêm góc ma sát trong;
- Phân bố lại ứng suất trong đất nền làm giảm ứng suất của tải trọng ngoài lên các lớp đất yếu;
- Thoát nước cố kết làm tăng sức kháng cắt của đất nền
3.2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CỌC CÁT ĐẦM CHẶT CHO ĐẤT RỜI
Việc thi công cọc cát đầm làm cho đất rời được nén chặt thêm, độ rỗng của đất giảm và cường độ của nền cọc cát đầm được tăng lên
Do đó cần xác định hệ số rỗng ban đầu e0 và hệ số rỗng của nền đất giảm xuống sau khi
sử dụng biện pháp cọc cát đầm chặt e1 Hệ số rỗng ban đầu có e0 (tương ứng với độ chặt tương đối là Dr0 và có chỉ số xuyên tiêu chuẩn N0) có thể xác định dựa vào đường kính
có hiệu D60 và hệ số đồng đều Cu của đất ở trạng thái tự nhiên Hệ số rỗng el được xác định qua độ chặt tương đối Dr1 hoặc chỉ số xuyên tiêu chuẩn N1 Xác định hiệu quả lấp đầy của vật liệu cọc qua tỉ số thay thế Fv
• Tỷ lệ thay thế
Trang 7Tỷ lệ thay thế là tỷ số thể tích của cọc cát đưa vào trong nền đất trên thể tích đất nền ban đầu (chưa xử lý) sẽ được tính toán khác nhau cho mạng lưới gia cố hình vuông hoặc hình tam giác được tác giả Masaki Kitazume đưa ra như sau (hình 3-5)
Từ các công thức trên và các biểu đồ dưới đây có thể xác định được khoảng cách giữa các cọc cát đầm chặt (d)
Giá trị Fv được xác theo các biểu đồ:
Trang 93.3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CỌC CÁT ĐẦM CHẶT CHO ĐẤT DÍNH
3.3.1 Lý thuyết và phương pháp tính toán nền thoát nước cố kết bằng đường thấm thẳng đứng
Mô hình làm việc và phương pháp tính toán của cọc cát như giếng cát thoát nước thẳng đứng Các công thức tính toán độ lún cố kết, độ cố kết được thực hiện theo lý thuyết thấm của Hansbo (1981) và Barron (1948)
3.3.2 Lý thuyết và phương pháp tính toán đầm chặt và thay đất bằng cọc cát
• Tỷ lệ thay thế : Giống như thiết kế cọc cát đầm cho đất rời, tỷ lệ thay thế được trình bày trong các công thức (3-2) và (3-3)
• Sức kháng cắt
Nền đất yếu sau khi được xử lý bằng Cọc cát đầm sẽ được xem là nền đất tổ hợp gồm có cọc cát đầm và đất yếu bao quanh Sức SC được tácτkháng cắt của nền đất tổ hợp giả Marayama đề xuất tính toán như sau:
Trang 10Tỷ lệ phân chia ứng suất (của Cọc cát đầm) phụ thuộc vào tỷ lệ thay thế thể hiện trong bảng 3.1 dưới đây:
Trang 11Lực dính và góc ma sát của đất hỗn hợp dùng để phân tích sự ổn định của mái dốc được xác định theo các phương trình tương ứng (3-6) và (3-7) sau đây, phương trình này xuất phát từ phương trình (3-4)
• Lún cố kết
Độ lún của đất hỗn hợp nhỏ hơn độ lún của đất không được xử lý vì Cọc cát đầm sẻ chia tải trọng tác động lên mặt đất, và theo đó, làm giảm bớt ứng suất tác động lên đất Công thức sau đây được Hội cơ học đất và nền móng công trình Nhật bản kiến nghị để tính độ lún của nền đất hỗn hợp:
• Chiều dày lớp đệm cát thoát nước
Chiều dày lớp đệm cát thoát nước được các tác giả Hàn Quốc đề xuất tính toán theo công thức:
Trang 12Để đảm bảo khả năng thoát nước, chiều dày của lớp đệm cát được xác định bằng cách thử dần theo công thức trên đảm bảo không nhỏ hơn trị số h và 0,5m∆
3.4 CÁC BƯỚC TÍNH TOÁN
Công tác tính toán thiết kế xử lý nền đất yếu bằng phương pháp cọc cát đầm chăt được thực hiện theo trình tự sau:
3.4.1 Xác định điều kiện của đất nền, lựa chọn các số liệu đầu vào phục vụ tính toán:
Các số liệu đầu vào của đất nền bao gồm các chỉ tiêu sau:
- Địa tầng khu vực xây dựng công trình;
- Khối lượng đơn vị thể tích;
- Cường độ kháng cắt không thoát nước ban đầu;
- Hệ số tăng cường độ sức kháng cắt không thoát nước;
- Điều kiện cố kết trước và các chỉ tiêu cố kết : Hệ số quá cố kết OCR; áp lực tiền cố kết; Chỉ số nén Cc; Chỉ số nở Cs; Hệ số cố kết
3.4.2 Xác định áp lực đáy móng:
Chiều cao nền đắp, chiều rộng nền đường, ta luy nền đắp; vật liệu và các thông số về vật liệu đắp; chiều dày các lớp kết cấu mặt đường, tải trọng giao thông hoặc ứng suất đáy móng
3.4.3 Tính toán:
Tính toán độ lún cố kết Sc, tổng độ lún S∞, và hệ số ổn định trượt trong trường hợp nền
Trang 13đất chưa xử lý Fs So sánh các kết quả tính toán với các điều kiện yêu cầu của quy trình 22TCN 262 – 2000; Nếu không thoả mãn các yêu cầu của quy trình thì có thể xem xét xử
lý nền đất yếu bằng phương pháp cọc cát đầm chặt
3.4.4 Thiết kế cọc cát đầm chặt:
Đường kính cọc cát đầm; chiều dài; sơ đồ bố trí và khoảng cách giữa các cọc cát đầm; tỷ
số thay thế diện tích; hệ số tập trung ứng suất…Từ đó có thể tính toán về độ lún, hệ số ổn định và sức chịu tải của đất nền khi sử dụng cọc cát đầm chặt
4 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU CÔNG TRÌNH CỤ THỂ
Phương pháp cọc các đầm chặt được áp dụng vào thiết kế xử lý nền đất yếu tại hầm chui vào khu đại học Tây Nam thuộc dự án Đầu tư xây dựng mở rộng và hoàn thiện đường Láng Hòa Lạc và thiết kế xử lý nền đất yếu gói thầu EX4 (Km33 – Km48), Dự án đường cao tốc Hà Nội – Hải Phòng
4.1 THIẾT KẾ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU TẠI HẦM CHUI ĐẠI HỌC TÂY NAM
4.1.1 Giới thiệu chung về hầm chui khu đại học Tây Nam
Hầm chui vào khu Đại học Tây Nam chui qua đường cao tốc Láng – Hòa Lạc tại
KM5+648,5 thuộc địa phận huyện Từ Liêm thành phố Hà Nội đã được phê duyệt bằng Quyết định số 3240/QĐ-BGTVT ngày 28/10/2004 của Bộ trưởng bộ Giao thông vận tải, hiện tại đang được thi công
Hầm được thiết kế vĩnh cửu bằng BTCT, tải trọng thiết kế: HL93, người đi bộ 300
kg/m2, bề rộng hầm B= 18,7m
Toàn bộ chiều dài toàn bộ hầm chui là 471,5m được chia thành 3 loại kết cấu Kết cấu tường chắn BTCT, tổng chiều dài 60m Kết cấu hầm hở bằng tường chắn chữ U bằng BTCT, tổng chiều dài 351m Kết cấu tường chắn chữ U bằng BTCT đỡ 1 nhịp dầm bản L= 20m, tổng chiều dài tường là 60,5m
4.1.2 Điều kiện địa chất tại khu vực xây dựng hầm
Theo kết quả khảo sát địa chất Hầm chui Đại học Tây Nam do Tổng công ty TVTK GTVT lập, địa tầng tại khu vực nghiên cứu bao gồm các lớp đất từ trên xuống như sau:
- Lớp 1: Sét gầy (CL) trạng thái cứng vừa đến cứng Giá trị SPT = 9 Chiều dày lớp trung bình 4,5m
- o = 1,307, góc maεLớp 2 : Sét gầy (CL) mềm đến cứng vừa Hệ số rỗng =7o, lực dính C=0,12kG/cm2, giá trị N = 5-6 Chiều dày lớp trungϕsát bình 14,0m;
- Lớp 3 : Sét gầy lẫn cát (CL) cứng vừa Chiều dày lớp trung bình 4,0m Giá trị SPT = 11;
- Lớp 4 : Sét gầy (CL) mềm đến cứng vừa Chiều dày lớp trung bình 17,5m =6o, lực