Phân tích và lựa chọn giải pháp xử lý tình trạng lún nền đường đắp cao trên nền đất yếu sau mố

+ Trình bày một cách tổng quát ưu, nhược điểm và phạm vi áp dụngcác biện pháp gia cố nền đất thường được sử dụng trong thiết kế nền đường ôtô đắp trên nền đất yếu như: phương pháp thay đ

MỤC LỤC

TÓM TẮT LUẬN VĂN

1 Tính cấp thiết của đề tài

Nước ta là quốc gia có bờ biển trải dài dọc suốt theo chiều dài của đấtnước Theo các số liệu thống kê cho thấy nước ta có gần 3000 km bờ biển vàgần 2000 con sông lớn nhỏ, trong đó có nhiều dòng sông có diện tích bồi đắplớn Điển hình là Sông Hồng ở đồng bằng Bắc Bộ và sông Cửu Long ở đồngbằng Nam Bộ Đây cũng là 2 vùng được đánh giá là có địa chất yếu nhất tạiViệt Nam Trong đó địa chất tại các vùng đồng bằng sông Cửu Long, đồngbằng Tây Nam bộ là đặc biệt yếu (chiều dày lớp đất yếu lớn) Ngoài ra vùngđồng bằng duyên hải miền Trung cũng là vùng có địa chất tương đối yếu,nhưng là vùng có địa hình bằng phẳng, chạy dọc theo chiều dài đất nước Vìthế có nhiều công trình giao thông cấp quốc gia (như Quốc lộ 1A, đường sắtquốc gia) và các công trình đường tỉnh, liên tỉnh được xây dựng tại vùng này.Trong những năm qua nước ta đang đầu tư phát triển cơ sở hạ tầng, phục

vụ phát triển kinh tế, do đó nhu cầu vốn để đầu tư hệ thống hạ tầng là rất lớn

Để giảm chi phí đầu tư nhưng vẫn đảm bảo được tính bền vững của công trìnhluôn được ngành giao thông quan tâm hàng đầu

Lún nền đường đắp sau mố cầu là một vấn đề khá phổ biến đối với cáccông trình cầu không những ở nước ta mà cả ở các nước phát triển Vấn đềnày đã gây ra những hậu quả nghiêm trọng trong quá trình thi công cũng nhưkhai thác sau này Hiện tượng lún nền đường đắp cao, không những xuất hiệnngay trong quá trình thi công mà còn xuất hiện trong quá trình khai thác, gâykhó chịu cho người tham gia giao thông thậm chí gây mất an toàn và giánđoạn sự vận hành trong quá trình khai thác Trong cả hai trường hợp trên, việckhắc phục hiện tượng trên đòi hỏi thời gian cũng như chi phí lớn Vì vậy việc

“phân tích lựa chọn giải pháp xử lý tình trạng lún nền đường đắp cao trên nềnđất yếu sau mố” là vấn đề cần quan tâm, xem xét cẩn thận để mang lại hiệuquả tối đa trong quá trình đầu tư xây dựng cơ sở hạ tầng

Hiện tại ở Việt Nam có một số biện pháp được dùng để xử lý nềnđường đắp cao sau mố đắp trên đất yếu như sau:

a Phương pháp thay đất (dùng khi bề dày lớp đất yếu mỏng);

b Phương pháp tăng nhanh quá trình cố kết của đất yếu bằng các dòngthấm thẳng đứng Đối với phương pháp này, người ta thường sử dụng bấcthấm hoặc giếng cát Bấc thấm dùng vật liệu thấm nhân tạo (PVD) còn giếngcát thường dùng các cọc có đường kính D = 20÷40 cm;

c Phương pháp cọc đất gia cố xi măng - thi công các cọc đất được gia

cố xi măng bằng công nghệ trộn sâu trong đất;

d Phương án bù lún và chờ lún cố kết: Với phương án này, nền đườngsau mố được xử lý sơ bộ và cho phép lún với tốc độ chậm trong một thời giankhai thác nhất định Sau khi nền đường đạt cố kết sẽ được thi công lại hoànthiện

Mỗi biện pháp đều đạt một hiệu quả nhất định, tùy theo điều kiện địachất cụ thể và kinh phí đầu tư mà đề ra phương án phù hợp, trong nhiềutrường hợp có thể kết hợp hai phương án để tăng hiệu quả xử lý Tuy nhiên,tại vùng đồng bằng sông Cửu Long, vấn đề xử lý trên gặp rất nhiều khó khăn

do lớp đất yếu quá dày Do vậy trong các công trình đường cấp cao, nềnđường sau mố thường phải áp dụng biện pháp chờ lún kết hợp với các biệnpháp khác (bấc thấm, cọc cát,…) Hiện nay, một số công trình đang áp dụngbiện pháp nền đường đắp trên sàn giảm tải Đây là biện pháp mang lại hiệuquả xử lý rất cao Tuy nhiên biện pháp này giá thành khá lớn

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Đề tài “Phân tích và lựa chọn giải pháp xử lý tình trạng lún nền đườngđắp cao trên nền đất yếu sau mố” mong muốn đi sâu vào nghiên cứu, tìmnguyên nhân và đưa ra các giải pháp xử lý trong đó có đề cập tới một giảipháp công nghệ mới đã được một số nước trên thế giới sử dụng để có thể ápdụng vào từng địa hình cụ thể ở Việt Nam

3 Phương pháp nghiên cứu

- Đề xuất các phương án xử lý, lựa chọn phương án phù hợp với đối tượngnghiên cứu

- Phương pháp tính toán lý thuyết kết hợp với các tài liệu trong và ngoài nước

- Nghiên cứu mô hình số trên cơ sở sử dụng các chương trình tính có độ tin cậycao như phương pháp phần tử hữu hạn, các phần mềm tính toán kết cấu

4 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu phương pháp tính toán, thiết kế và thi công bằng phươngpháp cọc BTCT kết hợp vải địa kỹ thuật cho đường đầu cầu sau mố đắp caotrên nền đất yếu tại Việt Nam

5 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu công nghệ thi công bằng phương pháp hút chân không

- Nghiên cứu phương pháp cọc BTCT kết hợp vải địa kỹ thuật

- So sánh phương pháp sàn giảm tải với phương pháp cọc BTCT kết hợp vải địa kỹ thuật

6 Cấu trúc của luận văn

Luận văn có các phần sau:

- Tóm tắt luận văn: Nêu tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và thực tiễn

của đề tài

- Chương I Tổng quan về nền đất yếu.

Đánh giá sơ bộ về địa chất công trình vùng đất yếu, các vùng đất yếutại Việt Nam; khả năng chịu tải của nền đất yếu

- Chương II Phân tích nguyên nhân gây ra sự cố lún nền đường đắp sau mố.

+ Nêu các nghiên cứu về hiện tượng lún nền đường đắp trên thế giới;nghiên cứu của Briaud (1997); nghiên cứu của Wahls (1990); nghiên cứu củaDavid Allen và Tommy Hopkins; các nghiên cứu khác

+ Phân tích, đánh giá và phân loại các nhóm nguyên nhân gây lún củanền đường sau mố đắp trên nền đất yếu

- Chương III Các phương pháp xử lý nền đường sau mố đắp trên đất yếu.

+ Trình bày một cách tổng quát ưu, nhược điểm và phạm vi áp dụngcác biện pháp gia cố nền đất thường được sử dụng trong thiết kế nền đường ô

tô đắp trên nền đất yếu như: phương pháp thay đất, đệm cát; phương pháp gia

cố bằng cọc (cọc cát, cọc vôi, cọc xi măng, cọc hổn hơp); phương pháp gia tảitrước kết hợp với các đường thấm thẳng đứng như giếng cát và bấc thấm;phương pháp cố kết chân không; phương pháp sàn giảm tải

+ Giới thiệu sơ bộ về phương pháp cọc BTCT kết hợp vải địa kỹ thuật.+ Nhận xét và tổng hợp các phương pháp

- Chương IV Phương pháp cọc BTCT kết hợp vải địa kỹ thuật

Đi sâu vào nghiên cứu, giới thiệu phương pháp cọc BTCT kết hợp vảiđịa kỹ thuật, dựa trên các kết quả nghiên cứu trong các tài liệu nước ngoài

+ Giới thiệu về cơ sở lý thuyết của phương pháp

+ Ứng dụng cho bài toán cụ thể: Tính toán đường đầu cầu sau mố, cầuCông Dân Kiều, Dự án Năm Căn - Đất Mũi thuộc đường Hồ Chí Minh

+ So sánh, đánh giá phương pháp này với phương pháp sàn giảm tải

- Chương V Kết luận và kiến nghị

Những kết quả chính của luận văn và những dự kiến nghiên cứu tiếp theo

- Phụ lục đính kèm:

Bảng tính toán đường đầu cầu sau mố, cầu Công Dân Kiều (Dự án NămCăn – Đất Mũi thuộc đường Hồ Chí Minh):

+ Phụ lục tính toán theo phương pháp sàn giảm tải

+ Phụ lục tính toán theo phương pháp cọc BTCT kết hợp vải địa kỹ thuật

+ Phụ lục tính toán kinh phí (theo 2 phưong án)

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ NỀN ĐẤT YẾU

I.1 Đánh giá địa chất công trình vùng đất yếu

I.1.1 Khái niệm về đất yếu

Đất yếu là những đất có khả năng chịu tải thấp (0,5-1,0kG/cm2), hầunhư hoàn toàn bảo hòa nước, có hệ số rỗng lớn (thường ε >1), hệ số nén lúnlớn (a tới phần mười hoặc vài ba đơn vị), môđun tổng biến dạng bé (E0 ≤50kg/cm2), tri số sức chống cắt không đáng kể Công trình xây dựng trên nềnđất yếu buộc phải có các biện pháp xử lý, nếu không khó hoặc không thể thựchiện được

Đất yếu có thể là đất sét yếu, đất cát yếu, bùn, than bùn và đất hữu cơ,đất thải , … đất yếu được tạo thành ở lục địa (tàn tích, sườn tích, lũ tích, lởtích, do gió, do lầy, do con người), ở vùng vịnh (cửa sông, vịnh biển) hoặc ởbiển Chiều dầy lớp đất yếu thay đổi, có thể từ một vài mét đến 35-40 m

Theo Quy trình khảo sát thiết kế nền đường ôtô đắp trên đất yếu22TCN-262-2000 thì theo nguyên nhân hình thành đất yếu có thể có nguồngốc khoáng vật hoặc nguồn gốc hữu cơ

- Loại có nguồn gốc khoáng vật thường là sét hoặc á sét trầm tích trongnước ở ven biển, vùng vịnh, đầm hồ, vùng đồng bằng tam giác châu thổ; loạinày có thể lẫn hữu cơ trong quá trình trầm tích nên có thể có màu đen, xámđen Đối với loại này, được xác định là đất yếu nếu ở trạng thái tự nhiên, độ

ẩm của chúng gần bằng hoặc cao hơn độ ẩm giới hạn chảy, hệ số rỗng lớn (séte>=1,5, á sét e>1), lực dính c theo kết quả cắt nhanh không thoát nước từ 0,15daN/cm2 trở xuống, góc nội ma sát ϕ từ 0 – 10o hoặc lực dính kết theo kết quảcắt cánh hiện trường Cu≤ 0,35 daN/cm2 Ngoài ra các vùng thung lũng cònhình thành đất yếu dưới dạng bùn cát, bùn cát mịn (hệ số rỗng e>1 và độ bãohoà Sr >0,8)

- Loại có nguồn gốc hữu cơ thường hình thành ở đầm lầy, nơi nước tíchđọng thường xuyên, mực nước ngầm cao, tại đây các loài thực vật phát triển,

thối rữa và phân huỷ, tạo ra các vật lắng hữu cơ lẫn với các trầm tích khoángvật Loại này thường gọi là đất đầm lầy than bùn, hàm lượng hữu cơ chiếm tới20-80%, thường có màu đen nâu sẫm, cấu trúc không mịn (vì lẫn các tàn dưthực vật) Đối với loại này được xác định là đất yếu nếu hệ số rỗng và các đặctrưng sức chống cắt của chúng cũng đạt các trị số như ở trên.

I.1.2 Một số đặc điểm của đất yếu

- Thuộc loại nền đất yếu thường là đất sét có lẫn nhiều hữu cơ;

- Sức chịu tải bé (0,5 – 1kG/cm2);

- Đất có tính nén lún lớn (a> 0,1 cm2/kG);

- Hệ sô rỗng e lớn (e > 1,0);

- Độ sệt lớn ( B > 1);

- Mo đun biến dạng bé (E< 50kG/cm2);

- Khả năng chống cắt bé, khả năng thấm nước bé;

- Hàm lượng nước trong đất cao, độ bão hòa nước G> 0,8, dung trọngbé;

I.1.3 Các loại đất yếu thường gặp

- Đất sét mềm: gồm các loại đất sét hoặc á sét ở trạng thái bão hòanước, chảy hoặc dẻo chảy, có cường độ thấp;

- Bùn: Các loại đất tạo thành trong môi trường nước, thành phần hạt rấtmịn (<200μm) ở trạng thái luôn no nước, hệ số rỗng rất lớn, rất yếu về mặtchịu lực;

- Than bùn: Là loại đất yếu có nguồn gốc hữu cơ, được hình thành dokết quả phân hủy các chất hữu cơ có ở các đầm lầy (hàm lượng hữu cơ từ 20 –80%);

- Cát chảy: Gồm các loại cát mịn, kết cấu hạt rời rạc, có thể bị nén chặthoặc pha loãng đáng kể Loại đất này khi chịu tải trọng động thì chuyển sangtrạng thái chảy gọi là cát chảy

- Đất bazan: Đây cũng là đất yếu với đặc diểm độ rỗng lớn, dung trọngkhô bé, khả năng thấm nước cao, dễ bị lún sập

I.1.4 Các vùng đất yếu tại Việt Nam

Đặc điểm địa lý của Việt Nam là có nhiều sông ngòi và bờ biển trải dàidọc suốt theo chiều dài của đất nước Theo các số liệu thống kê cho thấy ViệtNam có gần 3000 km bờ biển và gần 2000 con sông lớn nhỏ, trong đó cónhiều dòng sông có diện tích bồi đắp lớn Điển hình là Sông Hồng ở đồngbằng Bắc Bộ và sông Cửu Long ở đồng bằng Nam Bộ Đây cũng là 2 vùngđược đánh giá là có địa chất yếu nhất tại Việt Nam Trong đó địa chất tạivùng đồng bằng sông Cửu Long đặc biệt yếu, có chiều dày lớn ngoài ra vùngđồng bằng duyên hải miền Trung cũng là vùng có địa chất tương đối yếu,nhưng là vùng có địa hình bằng phẳng, chạy dọc suốt chiều dài đất nước Vìthế có nhiều công trình giao thông cấp quốc gia (như Quốc lộ 1A, đường HồChí Minh, đường sắt quốc gia….) và các công trình đường tỉnh, liên tỉnh đượcxây dựng tại vùng này.

I.2 Khả năng chịu tải của các tầng đất yếu

I.2.1 Các yêu cầu khi tính toán sức chịu tải của nền đất yếu

Nói chung đất yếu là những tầng lớp đất có khả năng chịu lực kém Khisức chịu tải của nền đất yếu không đảm bảo để đắp nền đường, biến dạng củanền đất lớn hoặc biến dạng kéo dài, do đó cần phải có biện pháp đặc biệt để

xử lý tăng sự ổn định của nền đất, giảm độ lún hoặc tăng nhanh thời gian lúncủa nền đất để thi công kết cấu mặt đường Đối với nền đường đầu cầuthường có chiều cao đắp lớn, công tác xử lý, sửa chữa khi có sự cố thườnggặp khó khăn Do vậy cần tính toán đảm bảo để tránh xảy ra những sự cốngoài mong muốn

Về cơ bản nền đường được xem như một móng băng (có một chiều lớnhơn rất nhiều lần so với chiều còn lại) có kích thước lớn được đặt trực tiếp lênnền đất Vì vậy khi đắp nền đường trực tiếp lên nền đất người ta thường phải

có biện pháp xử lý dựa vào các yêu cầu sau:

+ Đảm bảo yêu cầu về ổn định: Nền đắp phải đảm bảo ổn định, không

bị phá hoại do trượt trồi trong quá trình thi công đắp cũng như trong quá trìnhkhai thác sử dụng

+ Đảm bảo yêu cầu về tính toán lún: Phải dự báo được độ lún tổng

cộng S kể từ khi bắt đầu đắp cho đến khi lún hết hoàn toàn

I.2.2 Khả năng chịu tải của các tầng đất yếu

Nền đất yếu là nền đất không đủ sức chịu tải, không đủ độ bền và có

biến dạng lớn, do vậy khi xây dựng các công trình dân dụng, cầu đường,thường gặp các loại nền đất yếu, tùy thuộc vào tính chất của lớp đất yếu, đặcđiểm cấu tạo của công trình mà người ta dùng phương pháp xử lý nền móng

cho phù hợp để tăng sức chịu tải của nền đất, giảm độ lún, đảm bảo điều kiệnkhai thác bình thường cho công trình

Trong thực tế xây dựng, có rất nhiều công trình bị lún, sập hư hỏng khixây dựng trên nền đất yếu do không có những biện pháp xử lý phù hợp,không đánh giá chính xác được các tính chất cơ lý của nền đất Vì vậy việcđánh giá chính xác và chặt chẽ các tính chất cơ lý của nền đất yếu (chủ yếubằng các thí nghiệm trong phòng và hiện trường) để làm cơ sở và đề ra cácgiải pháp xử lý nền móng phù hợp là một vấn đề hết sức quan trong, nó đòihỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa kiến thức khoa học và kinh nghiệm thực tế đểđưa ra giải pháp xử lý giảm tối đa các sự cố, hư hỏng công trình, cho hiệu quảkinh tế khi xây dựng trên nền đất yếu

CHƯƠNG II PHÂN TÍCH NGUYÊN NHÂN GÂY RA SỰ CỐ LÚN

ĐƯỜNG DẪN SAU MỐ

II.1 Một số nghiên cứu về sự cố lún nền đường đắp trên thế giới

Do sự gia tăng kinh phí cho công tác duy tu bảo dưỡng khắc phục sự cốlún nền đường đầu cầu sau mố, nên Cục giao thông Mỹ đã kết hợp với cácđơn vị quản lý và các nhà khoa học tiến hành hàng loạt các nghiên cứu về vấn

đề này tại các bang Illinois, California, Winscosin, Oklahoma, Indiana,Missouri, Tezas, Kentucky …nhằm tìm ra nguyên nhân cũng như các giảipháp khắc phục và phòng tránh sự cố lún nền đường đắp sau mố Trong đóđáng chú ý ở một số bang sự cố lún nền đường đắp sau mố diễn ra đặc biệtnghiêm trọng nên các nhà khoa học đã tiến hành nghiên cứu nhiều lần như tạiIllinois năm 1957 và 1995, California năm 1959 và năm 1985, Colorado năm

1982 và năm 1995 Đặc biệt tại Kentucky các nghiên cứu đã được tiến hànhliên tục vào các năm 1969, 1985, 2002, 2005 nhằm tìm ra biện pháp thực sựhữu hiệu để giảm thiểu sự cố lún nền đường đắp sau mố Nói chung tất cả cácnghiên cứu này đều cho rằng sự cố lún nền đường đắp sau mố là sự cố rấtphức tạp và cần được lưu tâm

II.1.1 Nghiên cứu của Briaud.

Theo Briaud (1997) những nguyên nhân điển hình sau là những nguyênnhân dẫn đến lún khu vực sau mố Cụ thể được minh họa ở Hình 2.1

- Vật liệu đắp nền đường không thích hợp (1)

- Không dự đoán được mức độ lún cố kết của lớp đất yếu dưới nền đắp (2)

- Hệ thống thoát nước mố cầu kém hiệu quả dẫn đến hiện tượng xói đấtđắp sau mố và phát triển lỗ rỗng dưới bản dẫn sau mố cầu (3)

- Khe co giãn và gối cầu bị hư hỏng làm cho mố bị dịch chuyển theo sựdịch chuyển của kết cấu dầm cầu (4)

- Ngoài ra, một số yếu tố thứ yếu khác cũng dẫn đến sự cố lún nền

đường đắp sau mố cầu bao gồm:

+ Nền đắp cao

+ Lưu lượng xe lưu thông lớn

+ Khu vực có cường độ mưa lớn

+ Độ dốc đường đầu cầu lớn…

Hình 2.1: Nguyên nhân gây sự cố lún nền đường đắp sau mố theo nghiên

cứu của Briaud

Nghiên cứu của Briaud cũng khuyến cáo rằng có thể phòng tránh hiệntượng này nếu các giải pháp sau đây được xem xét đến trong quá trình thiết kế

- Nền đường đắp thấp.

- Trình tự thi công hợp lý và việc giám sát thi công được thực hiện chặtchẽ

- Thời gian chờ lún kéo dài và đắp gia tải hợp lý

II.1.2 Nghiên cứu của Wahls

Theo nghiên cứu của Wahls (1990) nguyên nhân của sự cố lún nềnđường đắp sau mố bao gồm:

- Lún của lớp đất yếu dưới nền đường

- Lún của bản thân nền đường đắp

- Công tác đầm chặt không đủ ở vị trí sát mố vì sự hạn chế về mặt bằngthi công

- Xói mòn vật liệu đắp ở sát bề mặt thân mố

- Do lựa chọn loại mố và móng mố không hợp lý

Cũng theo Wahls thì lún lệch nằm trong khoảng 13mm (0,5 inches)được coi là hợp lý và có thể chấp nhận được tại vị trí nhạy cảm này

II.1.3 Nghiên cứu của David Allen và Tommy Hopkins

David Allen và Tommy Hopkins đã nghiên cứu khảo sát vấn đề này vớicác công trình cầu thuộc phạm vi Kentucky trong khoảng 30 năm gần đây.Nội dung nghiên cứu của David Allen và Tommy Hopkins bao gồm các điểmchủ yếu như sau:

- Năm 1973, David Allen và Tommy Hopkins khảo sát nguyên nhândẫn đến hiện tượng lún lệch giữa mặt đường với mặt cầu và hiện tượngnghiêng và biến dạng của mố trụ cầu Theo báo cáo của Hopkins các nguyênnhân dẫn đến hiện tượng này chủ yếu thuộc về sai sót và bất cẩn của công tácthiết kế, thi công và duy tu bảo dưỡng trong quá trình khai thác Nghiên cứucũng đề xuất sự bắt buộc phải sử dụng thiết bị theo dõi độ dốc nghiêng củanền đường

- Năm 1985, David Allen và Tommy Hopkins tiếp tục nghiên cứu vềhiện tượng nghiêng và biến dạng của mố trụ trong giai đoạn thi công đường

đắp khu vực gần cầu Nghiên cứu của Allen bước đầu thu thập các số liệuđược đo trực tiếp từ các thiết bị đo áp lực đất và theo dõi sự phát triển hệ số

an toàn tại vị trí đo

- Năm 1988, David Allen và Tommy Hopkins công bố báo cáo vềnguyên nhân gây ra sự lún lệch tại vị trí tiếp giáp giữa mố cầu và đường.Nghiên cứu được tiến hành dựa trên phân tích đối với 6 đoạn đường đầu cầu ởKentucky theo phương pháp phần tử hữu hạn với mô hình lý thuyết gầnđúng để dự đoán mức độ lún của mặt đường khu vực gần cầu Đặc biệt báocáo này đã lưu ý đến sự chuyển vị ngang và lún của khối tứ nón khu vựctiếp giáp mố cầu

II.1.4 Các nghiên cứu khác

Tadros và Benak (1989) cho rằng nguyên nhân gây ra lún nền đườngsau mố có liên quan trực tiếp đến lực ngang tác dụng vào mố xuất hiện bởi áplực của đất hoặc sự giãn nở của kết cấu mặt đường theo chiều dọc James(1995) khuyến cáo rằng sự giãn nở kết cấu mặt đường theo chiều dọc phátsinh lực đẩy ngang và ảnh hưởng mạnh đến sự bằng phẳng khu vực tiếp giápgiữa nền đường và mố cầu Theo Schaefer và Koch (1992) sự phát triển lỗrỗng bên dưới bản quá độ cũng là nguyên nhân dẫn đến lún khu vực đườngđắp sau mố Lỗ rỗng được hình thành và phát triển là do ảnh hưởng của sựchuyển dịch mố hoặc là do sự xói mòn vật liệu đắp nền đường Theo kinhnghiệm, nền đường đắp càng cao thì mức chênh cao độ tại điểm tiếp giáp giữa

mố cầu và đường đắp càng lớn Schaefer và Koch (1992) đã đưa ra nhữngkiến nghị cụ thể nhằm giảm thiểu sự hình thành lún lệch tại vị trí “nhạy cảm”này Những kiến nghị đó như sau:

- Bản dẫn nên được thiết kế sao cho giảm thiểu sự hình thành vết nứtngang xuất hiện gần khu vực mố hoặc trên bề mặt bản

- Loại vật liệu đắp sau mố nên thay đổi từ đất dính đến vật liệu chọn lọc

có độ đầm chặt cao

- Khuyến khích việc sử dụng những vật liệu bao bọc như vải địa kỹthuật để ngăn chặn hiện tượng xói của vật liệu đắp sau mố

II.2 Đánh giá chung và phân loại các nhóm nguyên nhân gây lún

II.2.1 Các nhóm nguyên nhân gây lún nền móng công trình

II.2.1.1 Nguyên nhân kết cấu:

Nguyên nhân này thường gặp ở các điều kiện địa chất đất sỏi, đá cuội,

đá tảng Các phần tử đất đá gối lên nhau không chắc chắn, ở một số tải trọngnhất định, công trình lún ít do đất biến dạng không nhiều, ở các tải trọng lớnhơn xảy ra đứt gẫy hoặc lún lệch làm công trình đổ sập như đập Malpasset ởPháp Hoặc do yếu tố thay đổi về kết cấu chịu lực của vùng như sập một vài

mỏ khai thác đá ở Việt Nam trong những năm gần đây có thể tính một phần là

do yếu tố này Cũng có trường hợp đất sét tạo túi nước trong lòng đất, côngtrình đặt lên làm nền đất biến dạng từ từ, hoặc khoan cọc móng tại vùng địachất bên cạnh, dẫn tới nứt ra những khe ngang làm nước thoát đi, độ lún biếnđổi đột ngột, một số nhà cao tầng ở Thành phố Hồ Chí Minh có thể tính mộtphần là vì lí do này mà lún sập

II.2.1.2 Nguyên nhân độ ẩm nền đất:

Nguyên nhân này thường gặp ở đất đất dính, nước trong đất tồn tạidưới hai dạng chủ yếu là tự do và liên kết Đây là các tác nhân chính gây rahiện tượng đàn hồi thủy lực và tính nén lún của đất Các nhân tố này gây khókhăn trong thi công, cản trở việc lắp đặt và sử dụng thiết bị gia cố Hiệntượng này phổ biến ở các vùng đồng bằng ven sông, ven biển, các vùng rừnglâu năm và là yếu tố chính đối với các công trình thi công trên biển

II.2.1.3 Nguyên nhân đặc tính sinh hóa:

Nguyên nhân này thường gặp ở các điều kiện địa chất đã được gia cố.Trải qua thời gian, do các tác động sinh hóa, như phản ứng hóa học trongthành phần của chất gia cố với nước, hoạt động của sinh vật và vi sinh vật, đất

đã được gia cố trở nên yếu đi Đây là một vấn đề tương đối khó khăn đối vớicác công trình sử dụng biện pháp hóa học để gia cố đất như xi măng, thủytinh…

II.2.1.4 Các vấn đề đánh giá nguyên nhân gây lún

- Móng của đường bộ, đường sắt, nhà cửa và các dạng công trình khácđặt trên nền đất yếu thường đặt ra những bài toán sau cần phải giải quyết:

+ Độ lún: Nền đất yếu có tính nén lún lớn, hệ số rỗng lớn

+ Độ ổn định: Sức chịu tải của móng, độ ổn định của nền đắp, ổn địnhmái dốc, áp lực đất lên tường chắn, sức chịu tải ngang của cọc Bài toán trênphải được xem xét do sức chịu tải và cường độ của nền không đủ lớn

+ Thấm: Cát xủi, thẩm thấu, phá hỏng nền do bài toán thấm và dưới tácđộng của áp lực nước

+ Hoá lỏng: Đất nền bị hoá lỏng do tải trọng của tầu hoả, ô tô và độngđất

- Trong điều kiện Việt Nam hiện nay, các vấn đề thực tế sau đây đangđược quan tâm:

+ Xây dựng công trình đường giao thông, thuỷ lợi, đê điều và côngtrình cơ sở trên nền đất yếu

+ Xử lý và gia cường nền đường trên nền đất yếu hiện đang khai thác

và sử dụng cần có công nghệ xử lý sâu

+ Xử lý trượt mái ta luy nền đường

+ Xử lý nền đất yếu để chung sống với lũ tại đồng bằng sông CửuLong

II.2.2 Các nguyên nhân gây ra sự cố lún nền đường đắp sau mố tại Việt Nam

Căn cứ theo nghiên cứu của Hằng (2008) Thông qua việc phân tích cáctài liệu thu thập của 20 trường hợp cầu gặp sự cố lún nền đường đắp sau mốtrong khoảng 15 năm gần đây đã phân loại các nguyên nhân này theo 4 nhómnguyên nhân chính như sau:

II.2.2.1 Nguyên nhân liên quan đến giai đoạn điều tra, khảo sát

Nguyên nhân liên quan đến giai đoạn điều tra, khảo sát chủ yếu là cácnguyên nhân thuộc về sự bất cẩn và thiếu kinh nghiệm của các đơn vị điều tra,khảo sát Chính điều này dẫn đến việc xác định thiếu chính xác điều kiện địachất tại khu vực xây dựng và kết quả là cung cấp sai lệch các số liệu cho đơn vịthiết kế Có thể thấy nguyên nhân này ở trường hợp cầu Hoàng Long, các tàiliệu địa kỹ thuật của công trình không rỏ ràng, không cung cấp chính xác cácđặc trưng cơ lý của đất nền và hậu quả là sự cố lún sụt đó xảy ra ngay trong quátrình thi công đường đắp đầu cầu phía Bắc Ngay cả khi đó tiến hành xử lý sự

cố thì tổng độ lún tính từ ngày 2/7/2001 so với độ cao hoàn công đó là 13 15,2 cm, tạo ra sự không bằng phẳng giữa đường và cầu

-II.2.2.2 Nguyên nhân liên quan đến giai đoạn thiết kế

Trong 20 trường hợp được khảo sát thì có tới 13 trường hợp bị sự cốliên quan đến giai đoạn thiết kế bao gồm các nguyên nhân cụ thể như sau:

- Phương pháp xử lý nền đất yếu không hiệu quả dẫn đến nền đường, đường đắp sau mố tiếp tục lún ngay sau khi công trình được đưa vào sử dụng

Nguyên nhân này là một trong các nguyên nhân quan trọng nhất gâynên sự cố lún nền đường đắp sau mố cầu (7/20 trường hợp) Về địa chất thìvùng đồng bằng Bắc Bộ (đồng bằng sông Hồng) cũng như đồng bằng Nam

Bộ (đồng bằng sông Cửu Long) là loại trầm tích châu thổ Lớp đất yếu chủyếu là bùn sét hoặc bùn á sét có trạng thái từ dẻo đến dẻo chảy Ngoài ra ởđồng bằng Nam Bộ còn gặp các loại đất lầy, đất mặn, sú vẹt ở rừng ngập mặn.Đối với các loại đất này mức độ đồng nhất thường không cao, khả năng chịutải kém, khả năng biến dạng lớn, hệ số rỗng cao, sức chống cắt nhỏ nên đểnền đắp trên nền đất yếu ổn định nhất thiết phải có các biện pháp xử lý thíchhợp Tuy nhiên, các phương án xử lý mà đơn vị thiết kế đưa ra đều không đạtđược mục đích Ví dụ như cầu vượt Nguyễn Hữu Cảnh sử dụng bấc thấm đểtăng nhanh tốc độ cố kết của nền đất yếu nhưng lại không khống chế được tốc

độ lún nên ngay những ngày đầu đưa vào sử dụng, đường đắp ở hai đầu cầu

đã xuất hiện hiện tượng lún với tốc độ 3 - 4 cm trong 6 tháng và hiện nay vẫn

tiếp tục lún Hoặc trường hợp cầu Đồng Niên sử dụng bấc thấm sâu 17 - 19 mnhằm tăng nhanh tốc độ lún Nhưng sau khi công trình đưa vào khai thác thì

độ lún thực tế (2,5 – 3,3 m tính đến tháng 4/1998) lớn hơn độ lún tổng cộng

dự kiến (1,7 m) và như vậy không đạt được mục tiêu đề ra

- Sử dụng vật liệu đất đắp đầu cầu không thích hợp

Sụt lún nền đường đắp sau mố không chỉ do đất nền thiên nhiên khu vựcxây dựng lún mà còn do bản thân nền đắp đường đắp bị lún Quá trình phântích các công trình cầu bị sự cố nhận thấy rất nhiều công trình cầu đường ở Việtnam thường tận dụng vật liệu địa phương để xây dựng nền đường đắp khu vựctiếp giáp với mố cầu Rõ ràng, xét về mặt kỹ thuật và tuổi thọ thì không thểđem lại hiệu quả cao bằng các vật liệu chọn lọc Thiếu sót này xuất phát từ bảnthân đồ án thiết kế không có các quy định rõ ràng về loại cấp phối được sửdụng trong đoạn đường đầu cầu hoặc các yêu cầu đặc biệt về tần xuất và vị tríkiểm tra độ chặt khu vực đường đầu cầu Đây là nguyên nhân có thể bắt gặp ởmột số cầu nhỏ trên đường cao tốc Láng – Hòa lạc, Pháp Vân – Cầu Giẽ

- Thiết kế bản dẫn đầu cầu không hiệu quả

Để giảm tối đa sự chênh lệch giữa hai vùng cầu và đường người tathường sử dụng bản dẫn đầu cầu, bản dẫn ở đây đóng vai trò là kết cấuchuyển tiếp giữa cầu (lún rất ít hoặc không lún) và đường (lún từ ít đến nhiều

và đôi khi rất đáng kể) Tuy nhiên, ở một vài công trình được khảo sát thiết kếbản dẫn đó không đạt được mục tiêu này Bản dẫn được thiết kế dài 4 - 6 mvới chiều dày thường là 20 - 30 cm, bố trí cốt thép khá mảnh đã không chịuđược tác động của tải trọng Kết quả là bản dẫn bị nứt vỡ kéo theo toàn bộphần đường đắp tại vị trí tiếp giáp giữa cầu và đường bị lún sụt

II.2.2.3 Nguyên nhân liên quan đến giai đoạn thi công

Quá trình thi công đóng một vai trò quan trọng gây nên tình trạng lúnnền đường đắp sau mố cầu Trong nghiên cứu này có đến 9/20 trường hợp cầugặp sự cố mà trong đó quá trình thi công là nguyên nhân dẫn đến tác nhân tạonên sự cố hoặc góp phần tạo nên sự cố

- Không đủ thời gian đắp gia tải và thời hạn chờ lún dẫn đến nền đường sau mố tiếp tục bị lún sau khi đưa công trình vào sử dụng

Đây cũng là một trong các nguyên nhân quan trọng gây nên sự cố lúnnền đường đắp sau mố tại Việt Nam (6/20 trường hợp) như trường hợp cầu

Đà Rằng, cầu Vĩnh Điện, cầu Bàn Thạch, cầu Văn Thánh 2… Trong đó cầuVăn Thánh 2 là một ví dụ điển hình, cùng với nguyên nhân xử lý nền đất yếukhông thích hợp từ sự tắc trách của đơn vị thi công đã gúp phần gây ra sự cố.Trong quá trình thi công, đơn vị thi công đã không thực hiện đầy đủ trình tựthi công, quan trắc, điều chỉnh giải pháp xử lý; bỏ qua giai đoạn đắp gia tải vàchờ lún nền đường sau mố cầu Văn Thánh 2 Thời hạn này theo như thiết kếphải là 8 tháng nhưng đơn vị thi công đã tiến hành chỉ sau có 3 tháng chờ lún

Do đó, ngay sau khi đưa vào sử dụng năm 2002 cầu liên tục xuất hiện các vếtnứt, lún sụt, lún kéo dài và nó trải qua 2 lần khắc phục sự cố với kinh phí gấpnhiều lần kinh phí đầu tư xây dựng ban đầu

- Độ chặt của đất đắp trong lòng mố không đạt yêu cầu

Do khu vực đất đắp trong lòng mố chật hẹp nên các đơn vị thi côngthường không sử dụng các thiết bị lu dẫn đến độ chặt đất đắp nền đườngkhông cao, kéo theo bản thân của phần đất đắp khu vực này vẫn tiếp tục lúntrong quá trình khai thác tạo ra sự không bằng phẳng tại điểm tiếp giáp giữacầu và đường Có thể bắt gặp nguyên nhân này ở các công trình cầu trênđường cao tốc Láng – Hòa Lạc: cầu Kênh T24, cầu kênh Liên tỉnh…

Hình 2.2 Lỗ thủng to kéo theo vết nứt phía Q Bình Thạnh

cầu không có bản dẫn Trong trường hợp cầu có thiết kế bản dẫn sẽ làm xuấthiện lỗ hổng lớn giữa bản dẫn và đất đắp cũng là tiền đề cho sự sụt lún nềnđường đắp trong tương lai.

II.2.2.5 Thống kê các nguyên nhân gây ra sự cố theo các giai đoạn dự án

Thiết kế Sự không đồng bộ của các tiêu chuẩn thiết kế

Lựa chọn phương pháp xử lý nền đất yếu không hiệu quả

Sử dụng vật liệu đất đắp đầu cầu không thích hợp

Thi công Không đủ thời gian đắp gia tải và thời gian chờ lún nền đắp

trên đất yếuKhông lắp đặt hệ thống quan trắc khi xây dựng nền đắp trênđất yếu

Thi công không tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật về đầmnén đất nền đường và lắp đặt khe co giãn

Vận hành –

bảo trì

Không làm tốt công tác bảo trì hệ thống thoát nước khu vực

mố cầuKhông làm tốt công tác bảo trì khe co giãn

II.2.2.6 Thống kê các nguyên nhân gây ra sự cố theo các yếu tố ảnh

hưởng

CÔNG

TRÌNH

NGUYÊN NHÂN

Đường đắp Lún sụt nền đắp trên đất yếu

Lún kéo dài nền đắp trên đất yếuXói mòn đất đắp mố cầu

Lún bản thân nền đắp sau mố do đất đắp sau mố cầu không

đủ độ chặt

Mố cầu Lún cố kết của đường đắp sau mố cầu gây ma sát âm lên hệ

cọc mố kéo theo sự dịch chuyển của mố cầu

Trượt ngang của đường đắp sau mố cầu gây lực xệ nganglên cọc mố kéo theo sự dịch chuyển của mố cầu

Bản quá độ Thiết kế bản quá độ không đạt hiệu quả dẫn đến hư hỏng

trong quá trình khai thácKhe co giãn Thi công khe co giãn không tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật

Không làm tốt công tác bảo trì khe co giãn

CHƯƠNG III CÁC BIỆN PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐƯỜNG SAU MỐ

+ Sau khi thay thế lớp đất yếu nằm trực tiếp dưới móng công trình, đệmcát đóng vai trò như một lớp chịu lực, có khả năng tiếp thu được tải trọngcông trình và truyền tải trọng xuống lớp đất chịu lực ở phía dưới

+ Giảm bớt độ lún toàn bộ và độ lún không đồng đều của công trình,đồng thời làm tăng nhanh quá trình cố kết của công trình (vì cát trong lớpđệm có hệ số thấm lớn)

+ Làm tăng khả năng ổn định khi công trình có tải trọng ngang (vì cáttrong lớp đệm sau khi được đầm chặt sẽ có lực ma sát lớn và có khả năngchống trượt)

+ Kích thước của nền đắp và chiều sâu chôn giảm vì khi đó áp lựctruyền lên lớp đệp cát tăng lên

+ Thi công đơn giản không đòi hỏi các máy móc thiết bị nhiều

Lớp đệm cát này có nhiều tác dụng đặc biệt là làm tăng độ ổn định của nềnđắp và giảm độ lún, tăng nhanh độ cố kết nên thường được áp dụng hiệu quảtrong nước ta

Tuy nhiên việc thay đất bằng đệm cát cũng có những hạn chế như khi có mựcnước ngầm cao thì việc hạ mực nước ngầm hết sức tốn kém Khi chiều dày

của tầng đất yếu lớn hơn 3m thì biện pháp này thường không có hiệu quả vềmặt kinh tế.

III.1.2 Thiết kế đệm cát

Việc tính toán thiết kế lớp đệm cát bao gồm việc xác định kích thướclớp đệm cát, độ lún của nền đường đắp trên đó và vật liệu làm đệm cát Khitính toán thiết kế lớp đệm cát yêu cầu phải đảm bảo các điều kiện sau đây:

+ Dưới tác dụng của tải trọng công trình lớp đệm cát phải đảm bảo ổnđịnh;

+ Áp lực truyền lên mặt của lớp đất dưới đáy lớp đệm cát phải đảm bảonhỏ hơn sức chịu tải của lớp đó;

+ Đảm bảo điều kiện độ lún của lớp cát cũng như độ lún toàn bộ côngtrình;

Hình 3.1: Sơ đồ lớp đệm cát

III.1.3 Thi công lớp đệm cát

Chất lượng đệm cát phụ thuộc vào chất lượng thi công đệm cát Đệmcát được đánh giá theo chỉ tiêu độ chặt của đệm cát Để đánh giá độ chặt củalớp cát đệm có thể dùng hệ chỉ tiêu hệ số rỗng (e) hoặc chỉ số độ chặt tương

đối (ID) Muốn đạt được độ chặt theo yêu cầu thì các lớp cát được thi côngthành từng lớp và chiều dày của từng lớp đệm cát tuỳ thuộc vào thiết bị đầmnén.

Theo kinh nghiệm thi công thì độ ẩm tốt nhất có thể được lấy như sau:+ Đối với cát thô và hạt trung: Wopt= 15-:-17%

+ Đối với hỗn hợp cát hạt trung: Wopt= 9-:-11%

Sau khi đầm nén xong cần tiến hành kiểm tra lại độ chặt của tầng đệmcát bằng các phương pháp đã được quy định

III.2 Phương pháp gia cố nền đất bằng cọc

III.2.1 Phương pháp gia cố đất bằng cọc cát

III.2.1.1 Đặc điểm và phạm vi áp dụng của cọc cát

+ Khi dùng cọc cát, quá trình cố kết của nền đất diễn biến nhanh hơnnhiều so với nền thiên nhiên hoặc nền đất dùng cọc cứng Phần lớn độ lún củanền đất có cọc cát thường kết thúc trong quá trình thi công, do đó tạo điềukiện cho công trình mau chóng đạt giới hạn ổn định Bởi vì lúc này cọc cátlàm việc như một giếng cát thoát nước, nước trong đất có điều kiện thoát ranhanh theo chiều dài cọc dưới tác dụng của tải trọng ngoài

+ Cát dùng là loại vật liệu rẻ tiền, thi công đơn giản, không đòi hỏinhiều về máy móc thiết bị phức tạp

b. Phạm vi áp dụng

Cọc cát thường không được áp dụng trong các trường hợp sau đây:+ Đất quá nhão yếu, lưới cọc cát không thể lèn chặt đất Khi hệ số rỗngđất nén chặt e>1

+ Chiều dày lớp đất cần lèn chặt nhỏ hơn 2m

III.2.1.2 Tính toán và thiết kế cọc cát

a- Xác định hệ số rỗng thiết kế

Cọc cát có nhiệm vụ giúp cho đất được cải tạo giảm bớt độ rỗng haygiảm bớt hệ số rỗng, vì vậy vấn đề đặt ra là phải quyết định giảm hệ số rỗngđến giá trị nào đó có thể, điều này thể hiện tính khả thi của phương pháp này

Khi đóng cọc cát đất bị nén chặt lại Nếu gọi hệ số rỗng tự nhiên banđầu của lớp đất yếu là e0, etk là hệ số rỗng của đất sau khi đã gia cố cọc cát.Như vậy hệ số rỗng giảm là

• Đất có tính chất cát

Với đất cát người ta đánh giá độ chặt qua độ chặt tương đối ID Độ chặttương đối thường được lấy ID=0,7-:-0,8 Từ đó ta có thể xác định được hệ sốrỗng etk theo công thức sau đây

Trong đó:

emax: hệ số rỗng của đất ở trạng thái xốp nhất

emin: hệ số rỗng của đất ở trạng thái chặt nhất

cả emax, emin đều được xác định bằng phương pháp rót cát trong phòngthí nghiệm

• Đất có tính chất bão hoà

Trong đất bão hoà thì việc thoát nước lỗ rỗng là hết sức quan trọng nólàm cho đất được cố kết lại Muốn làm được việc này thì phải giảm hàm

lượng nước xuống vào khoảng giữa giới hạn chảy và giới hạn dẻo Hay nóicách khác là ta đi khống chế độ sệt IL

Độ ẩm của đất sau khi cố kết xác định theo công thức sau đây:

b- Diện tích nền cần được gia cố

Diện tích nền gia cố thường được lấy lớn hơn diện tích đế móng đểđảm bảo nền được ổn định dưới tác dụng của tải trọng công trình Theo kinhnghiệm diện tích đáy móng thường được lấy theo công thức:

Trong đó:

a, b là kích thước của đáy móng, nếu là nền đường thì kích thước a=1m ( coinhư xét cho 1 chiều dài móng băng)

Gọi Fc là tổng diện tích của tất cả các cọc cát trên 1m dài thì

Với e0 là hệ số rỗng ban đầu của đất trước khi thiết kế

Số lượng cọc cát thiết kế là:

Trong đó:

fc diện tích của mỗi cọc cát, được lấy bằng diện tích mặt cắt ngang củaống thép tạo lỗ

Ω: tỷ lệ diện tích của cọc cát với diện tích nền đất.

c- Bố trí cọc cát

Cọc cát thường được bố trí theo đỉnh lưới của hình tam giác đều Đó là

sơ đồ bố trí hợp lý nhất đảm bảo đất được cố kết đều trong khoảng cách giữacác cọc Khoảng cách giữa các cọc cát được xác định dựa theo các giả thiếtsau đây

+ Độ ẩm của đất trong quá trình cố kết là không đổi;

+ Đất được cố kết đều trong khoảng giữa các cọc;

L: khoảng cách giữa các cọc cát

γtk: trọng lượng thể tích của đất nén chặtd: đường kính của cọc cát

d- Chiều sâu cọc cát

Chiều sâu vùng chịu nén của cọc cát thường được lấy bằng chiều sâuvùng chịu ở dưới đế móng Chiều sâu vùng chịu nén được lấy dựa vào điềukiện ứng suất nén ở độ sâu lấy nhỏ hơn một giới hạn nhất định

bt

σ = 0 , 2

σz ứng suất nén ở đáy do tải trọng phụ thêm

σbt ứng suất do trọng lượng bản thân

+ Thi công và kiểm tra chất lượng cọc cát

Thi công cọc cát thường bao gồm các bước sau đây: làm lớp đệm cát,tạo lỗ trong đất yếu, rót cát vào lỗ đầm chặt Trước khi thi công cọc cát người

ta làm lớp đệm cát dày tối thiểu là 50cm (theo quy trình quy định) Lớp đệmcát này có hai tác dụng chính là vừa tạo ra mặt bằng phẳng và làm nhiệm vụthoát nước trong các cọc cát chảy ra hai bên

 Việc đóng cọc cát có thể thực hiện theo các phương pháp sau đây.

- Sử dụng phương pháp đóng ống thép:

+ Chuẩn bị mặt bằng+ Đóng ống thép + Nhồi cát và đầm chặt, đồng thời rút ống thép lên

Trong phương pháp này ống thép đóng xuống nền đất thường có đườngkính từ 30-:-50cm Phía mũi cọc có thể cấu tạo là một miếng gỗ nhọn, sau khirút ống thép lên thì miếng gỗ được để lại trong nền đất Hoặc đầu ống thép cóthể là ống có các cánh được lắp bằng các bản lề, khi đóng ống thép xuống thìmũi được khép lại và khi rút ống thép lên thì mũi lại xoè ra và nhồi cát vào

Ống thép được hạ xuống nền bằng phương pháp rung chấn động hoặc

là bằng búa đóng

Hình 3.3: Cấu tạo mũi cọc

Cát được dùng để thi công cọc cát thường là các loại cát hạt to, cát hạttrung, cát yêu cầu phải sạch không lẫn các tạp chất cũng như chất bụi, tỷ lệhạt không vượt quá 3%, đồng thời không lẫn các hạt to có kích thứơc lớn hơn6cm

- Thi công bằng phương pháp đầm nện:

+ Đóng các cọc gỗ xuống đến cao độ thiết kế

So sánh với giá trị thiết kế

- Dùng xuyên tiêu chuẩn (SPT) để kiểm tra độ chặt của cát trong cọccát và đất giữa cọc cát Nếu sức kháng xuyên động Pt>8000kPa thì tương ứngvới nền cọc cát có độ chặt Id=0,70-:-0,80

- Nén tĩnh bằng bàn nén tại hiện trường trên nền đã gia cố, diện tíchbàn nén thường chọn lớn hơn 4,0m2 để trùm khít ít nhất 3 cọc cát.

III.2.2 Phương pháp gia cố đất bằng cọc vôi

a- Đặc điểm và phạm vi áp dụng

Cọc vôi thường được dùng để gia cố các loại đất như than bùn, bùn sét,

và sét pha ở trạng thái dẻo nhão

Sử dụng cọc vôi có các đặc điểm sau đây:

- Sau khi cọc vôi được đầm chặt thì đường kính cọc vôi sẽ tăng lên20% và đất xung quanh cọc được nén chặt lại

- Khi vôi được tôi trong lỗ khoan nhiệt độ có thể đạt tới 120o -:-1600.Nước lỗ rỗng trong đất sẽ bốc hơi làm giảm độ ẩm trong đất và do đó đẩynhanh quá trình nén chặt của nền đất Mặt khác khi tôi vôi trong lỗ khoanthì thể tích vôi sẽ tăng lên và vì thế đất xung quanh cọc cũng được nén chặthơn nữa

Do những tác dụng của cọc vôi, nền đất có những thay đổi theo hướngtích cực:

Đối với loại đất bùn gốc sét và sét chảy yếu thì hiệu quả nén chặt giảmdần theo thời gian vì cả đất và vôi tôi đều có hệ số thấm nhỏ, nên nước lỗrỗng trong đất được ép ra rất khó khăn, trong trường này thì nên dùng biệnpháp đệm cát, giếng cát, hoặc các biện pháp khác

b- Thiết kế và thi công cọc vôi

Việc tính toán thiết kế và thi công cọc vôi được tiến hành tương tự nhưcọc cát, nhưng chú ý khả năng thoát nước của chúng khác nhau Việc thi công

cũng được tiến hành như cọc cát công việc được tiến hành tuần tự: Tạo lỗkhoan (đường kính lỗ khoan thông thường từ 240 đến 400mm Nếu thành lỗkhoan bị sụt lở thì phải hạ ống vách thép Sau khi tạo lỗ xong người ta chotừng lớp vôi sống dày khoảng 1m trong ống và đầm chặt, vừa đầm vừa rútống lên.

Hình 3.4: Thiết bị thi công cọc vôi

Hiệu quả nén chặt của cọc vôi phụ thuộc vào chất lượng đầm chặt banđầu và thành phần hoá học của vôi

III.2.3 Phương pháp gia cố đất bằng cọc xi măng

Biện pháp gia cố đất yếu bằng cọc đất gia cố xi măng đã và đang được

áp dụng ở Việt Nam góp phần cải tạo nền đường trên đất yếu

Trình tự các bước thi công cọc đất gia cố xi măng có thể tiến hành như sau:

(1) Định vị và đưa thiết bị phun trộn vào vị trí thiết kế

(2) Khoan hạ đầu phun trộn xuống khối đất cần gia cố

(3) Xử lý đáy của cọc phun trộn

(4) Kéo dần thiết bị phun trộn lên và thả phần phun trộn xuống cho lênđến miệng lỗ

(5) Đóng tắt thiết bị phun trộn và chuyển sang vị trí mới.

Hình 3.5: Trình tự thi công cọc đất gia cố xi măng

- Tác dụng chính của phương pháp cọc đất gia cố xi măng:

+ Giảm thời gian xây dựng:

Có thể đạt được cường độ trong thời gian rất ngắn, như vậy có thể rútngắn thời gian xây dựng công trình đáng kể

+ Đạt được cường độ cần thiết:

Cường độ yêu cầu của đất được cải thiện có thể đạt được bởi sự điềuchỉnh hàm lượng chất kết dính thêm vào trong đất tại chỗ

chỗ, nằm ở sâu….) vùng mà khó có thể sử dụng các phương pháp truyềnthống khác Xa hơn nữa, phương pháp này có thể áp dụng bao gồm cả việc ổnđịnh của kết cấu móng, nền đường, đập chắn nước, ổn định nền đất các khuvực hầm lò.

III.2.4 Phương pháp gia cố đất bằng cọc cát - xi măng - vôi

Một vài năm gần đây, ở một số địa phương đã mạnh dạn áp dụngphương pháp gia cố nền đất yếu bằng cọc cát - xi măng - vôi phục vụ xâydựng các công trình có quy mô vừa và nhỏ Đây là phương pháp mới, pháthuy được những ưu điểm của phương pháp gia cố bằng cọc cát, cọc đất - ximăng, đất - vôi, tận dụng được nguồn nguyên liệu tại chỗ, phù hợp với điềukiện Việt Nam nên làm giảm giá thành công trình, mang lại hiệu quả kinh tếcao Tuy nhiên, việc áp dụng rộng rãi phương pháp này vẫn còn bị hạn chế,một phần là do chưa xây dựng được cơ sở lý thuyết và thực nghiệm vữngchắc, phần khác là do công nghệ thi công còn lạc hậu Do đó, bài toán đặt ra

là phải xây dựng được cơ sở lý thuyết cho phương pháp, tiến hành các nghiêncứu thực nghiệm để kiểm chứng và hoàn thiện công nghệ thi công Công việcnày đòi hỏi nhiều thời gian, công sức và kinh phí của nhiều tổ chức, nhiều cánhân cùng tham gia Có như vậy, giải pháp gia cố nền đất yếu bằng cọc cát -

xi măng - vôi mới có thể được áp dụng rộng rãi trong thực tế xây dựng, manglại hiệu quả kinh tế cao

III.2.4.1 Cơ sở lý thuyết của phương pháp gia cố nền đất yếu bằng cọc cát

- xi măng - vôi

Cũng như các phương pháp cải tạo, gia cố nền đất yếu khác, phươngpháp gia cố nền đất yếu bằng cọc cát - xi măng - vôi nhằm thay đổi tính chất

cơ lý của đất theo hướng nâng cao sức chịu tải, giảm biến dạng của nền Vấn

đề là cần làm sáng tỏ cơ chế của quá trình gia tăng cường độ của đất, xác địnhcác quá trình nào sẽ xảy ra trong đất khi gia cố nền bằng cọc cát - xi măng -vôi Làm sáng tỏ cơ chế của những quá trình cơ học và hoá lý xảy ra trongđất, hoàn thiện phương pháp tính toán nền chính là đã xây dựng được cơ sở lýthuyết của phương pháp

Trên cơ sở phân tích lý thuyết các phương pháp gia cố nền bằng cọccát, cọc đất - xi măng, đất - vôi có thể nhận thấy, khi gia cố nền đất yếubằng cọc cát - xi măng - vôi, trong nền đất sẽ diễn ra các quá trình cơ học

và hoá lý sau đây:

a- Quá trình cố kết cơ học

Gia cố nền bằng cọc cát - xi măng - vôi là dùng thiết bị chuyên dụng đưamột lượng vật liệu vào nền đất dưới dạng cọc hỗn hợp cát - xi măng - vôi.Lượng vật liệu cát, xi măng và vôi này sẽ chiếm chỗ các lỗ hổng trong đấtlàm cho độ lỗ rỗng giảm đi, các hạt đất sắp xếp lại, kết quả là đất nền đượcnén chặt Xét một khối đất có thể tích ban đầu Vo , thể tích hạt rắn Vho , thểtích lỗ rỗng ban đầu Vro, ta có:

Biểu thức (4) cho thấy: sự thay đổi thể tích khối đất khi gia cố chính là

sự thay đổi thể tích lỗ rỗng trong khối đất.

Như vậy, khi gia cố nền bằng cọc cát - xi măng - vôi quá trình nén chặtđất sẽ xảy ra tức thời Hiệu quả nén chặt phụ thuộc vào thể tích vật liệu đượcđưa vào nền, nghĩa là phụ thuộc vào số lượng, đường kính cũng như khoảngcách giữa các cọc, hình dạng bố trí cọc Việc xác định đường kính cọc,khoảng cách giữa các cọc và sơ đồ bố trí cọc hoàn toàn có thể xác định nhưđối với cọc cát Còn chiều sâu gia cố phụ thuộc vào chiều sâu vùng hoạt động

nén ép dưới đáy móng công trình, nghĩa là, tại độ sâu mà ở đó thoả mãn mộttrong các điều kiện sau đây:

- ứng suất nén ép (σ z ) nhỏ hơn hoặc bằng 0,1 ứng suất bản thân (σ bt)của đất

- ứng suất nén ép (σ z) nhỏ hơn hoặc bằng áp lực bắt đầu cố kết thấmcủa đất

- ứng suất nén ép σ z ≤ 20 – 30 kPa

Việc kiểm tra đánh giá định lượng tác dụng nén chặt đất khi gia cố nềnbằng cọc cát - xi măng - vôi có thể thực hiện được bằng nhiều phương phápnhư khoan lấy mẫu đất trong phạm vi giữa các cọc để xác định hệ số rỗngcũng như khối lượng thể tích của đất sau gia cố hoặc dùng thí nghiệm xuyêntĩnh hay nén tĩnh nền Các công việc này đơn giản, dễ tiến hành

3CaO.SiO2 + nH2O ⇒ Ca(OH)2 + 2CaO.SiO2(n-1)H2O

2CaO.SiO2 + mH2O ⇒ 2CaO.SiO2mH2O

3CaO.Al2O3 + 6H2O ⇒ 3CaO.Al2O3.6H2O.

4CaO.Al2O3Fe2O3 + nH2O ⇒ 3CaO.Al2O3.6H2O +CaO.Fe2O3.mH2OCác sản phẩm chủ yếu được hình thành sau quá trình thuỷ hoá làCa(OH)2, 3CaO.Al2O3.6H2O, 2CaO.SiO2mH2O và CaO.Fe2O3.mH2O Quátrình rắn chắc của xi măng có thể chia ra làm 3 giai đoạn:

- Giai đoạn hoà tan: các chất Ca(OH)2, 3CaO.Al2O3.6H2O sinh ra sau

quá trình thuỷ hoá hoà tan được trong nước sẽ ngay lập tức hoà tan tạo thànhthể dịch bao quanh mặt hạt xi măng

- Giai đoạn hoá keo: đến một giới hạn nào đó, lượng các chất Ca(OH)2

, 3CaO.Al2O3.6H2O không hoà tan được nữa sẽ tồn tại ở thể keo Chất silicatbicalcit (2CaO.SiO2) vốn không hoà tan sẽ tách ra ở dạng phân tán nhỏ trongdung dịch, tạo thành keo phân tán Lượng keo này ngày càng sinh ra nhiều,làm cho các hạt keo phân tán tương đối nhỏ tụ lại thành những hạt keo lớnhơn ở dạng sệt khiến cho xi măng mất dần tính dẻo và ninh kết lại dần dầnnhưng chưa hình thành cường độ

- Giai đoạn kết tinh: các chất Ca(OH)2 , 3CaO.Al2O3.6H2O từ thể

ngưng keo chuyển sang dạng kết tinh, các tinh thể nhỏ đan chéo nhau làm cho

xi măng bắt đầu có cường độ, chất 2CaO.SiO2mH2O tồn tại ở thể keo rất lâu,sau đó có một phần chuyển thành tinh thể Do lượng nước ngày càng mất đi,keo dần dần bị khô, kết chặt lại và trở nên rắn chắc

Các giai đoạn hoà tan, hoá keo và kết tinh không xảy ra độc lập, màxảy ra đồng thời với nhau, xen kẽ nhau Ngoài ra, vôi trong hỗn hợp tạo cọc

có tác dụng như chất gắn kết giống như xi măng, đồng thời có khả năng hấpthụ nước lớn và toả nhiệt làm tăng sức kháng cắt của cọc và tăng nhanh quátrình cố kết của đất nền Quá trình thuỷ hoá vôi kèm theo sự toả nhiệt đượcbiểu diễn bằng phản ứng sau:

CaO + H2O ⇒ Ca(OH)2 + 15,5 kcalo

Cường độ của hỗn hợp tăng lên một phần do phản ứng silicat, một phần

do phản ứng carbonat, lượng CaCO3 còn dư trong vôi sẽ trở thành những

mầm kết tinh, bao quanh bởi các hạt keo và tinh thể, chúng phát triển và tăngdần cường độ.

Mặt khác, nếu tỷ lệ phối trộn giữa xi măng, cát và vôi cũng như thànhphần hạt của cát hợp lý thì cọc cát - xi măng - vôi sau khi đông cứng vẫn cóthể cho nước thoát qua và làm việc tương tự như một giếng thu nước thẳngđứng, giống như cọc cát Dưới tác dụng của tải trọng ngoài, cùng với thờigian, ứng suất hữu hiệu tăng lên, ứng suất trung tính giảm đi, nước trong lỗrỗng của đất sẽ thấm theo phương ngang vào cọc rồi sau đó thoát ra ngoài dọctheo chiều dài cọc

Khi trong nền có các cọc cát - xi măng - vôi, chiều dài đường thấm theophương ngang sẽ nhỏ hơn nhiều lần chiều dài đường thấm theo phương đứng,

do đó có thể coi vai trò thoát nước theo phương ngang của cọc cát xi măng vôi là chủ yếu Tuy vậy, trong tính toán quá trình cố kết của nền đất gia cốvẫn thường xác định độ cố kết toàn phần (kết quả tổng hợp của quá trình thoátnước theo phương ngang và theo phương đứng) bằng định đề Carrillo:

-P = 1 - (1 - -Ph)(1 - -Pv)Trong đó:

P : độ cố kết toàn phần của đất

Ph : độ cố kết trung bình của đất theo phương ngang

Pv : độ cố kết trung bình của đất theo phương đứng

Hệ số thấm của cọc cát - xi măng - vôi ảnh hưởng nhiều đến quá trình

cố kết của nền đất Theo nhiều nghiên cứu, khi hệ số thấm ngang của nền đất

kh < 1.10-7 cm/s hoặc hệ số cố kết theo phương ngang Ch < 1.10-4 m2/ng.đ thìtác dụng cố kết của nền đất sẽ bị hạn chế Để đảm bảo cọc cát - xi măng - vôilàm việc tốt trong quá trình cố kết thì hệ số thấm của vật liệu cọc cần lấy > 2÷

3 m/ng.đ Muốn vậy, cần chế tạo mẫu chế bị với các tỷ lệ xi măng, cát và vôikhác nhau và tiến hành thí nghiệm mẫu xác định hệ số thấm Để đánh giá địnhlượng quá trình cố kết của nền đất khi gia cố bằng cọc cát - xi măng - vôi cóthể đặt các thiết bị đo áp lực nước lỗ rỗng tại các thời điểm trước, sau khi gia

cố và trong thời gian sử dụng công trình

c Quá trình gia tăng cường độ của cọc gia cố và sức kháng cắt của đất nền

Khi gia cố nền đất yếu bằng cọc cát, sức kháng cắt của cọc cát dưới tácdụng của tải trọng ngoài xác định theo định luật Coulomb τ = σ tgϕ , với ϕ làgóc ma sát trong của cát Khi trộn thêm xi măng và vôi vào cát, do hình thànhliên kết xi măng - vôi trong cọc nên khả năng chịu lực nén và lực cắt của cọcgia cố tăng lên đáng kể Lúc đó, sức kháng cắt của cọc cát - xi măng - vôi xácđịnh theo biểu thức τ = σ tgϕ + Cxm, với Cxm là lực dính được tạo nên bởiliên kết xi măng - vôi Giá trị Cxm có thể xác định được nhờ thí nghiệm cắtcác mẫu chế bị ở trong phòng

Như vậy, khác với cọc cát, cọc cát - xi măng - vôi có độ bền lớn nhờlực dính trong hỗn hợp tạo cọc tăng lên Độ bền của cọc cát - xi măng - vôiphụ thuộc vào lực dính trong liên kết xi măng - vôi, nghĩa là phụ thuộc vàohàm lượng xi măng và vôi trong hỗn hợp tạo cọc

Mặt khác, khi trộn xi măng, vôi vào trong cát và đưa vật liệu vào nềnđất, ở mặt tiếp xúc giữa cọc và đất nền sẽ xảy ra quá trình trao đổi ion và phảnứng puzolan Các ion calci hoá trị 2 thay thế các ion natri và hydro hoá trị 1 ởtrong lớp điện kép bao quanh mỗi hạt khoáng vật sét Vì cần ít hơn calci hoátrị 2 để trung hoà lưới điện âm trên mặt của mỗi khoáng vật sét nên giảmđược kích thước của lớp điện kép và do đó làm tăng lực hút của các hạt sét,dẫn đến lực dính của đất tăng lên Hơn nữa, silic và nhôm trong khoáng vậtsét sẽ phản ứng với silicat calci và hydrat nhôm calci trong phản ứng puzolan,tạo ra các hợp chất có độ bền cao và rất bền trong môi trường nước Nhữngquá trình này làm tăng lực ma sát và lực dính của đất xung quanh cọc gia cố,dẫn đến làm gia tăng cường độ của đất nền

Cần phải nhấn mạnh rằng, tất cả các quá trình nén chặt cơ học, quá trình

cố kết, quá trình gia tăng cường độ của cọc và đất nền khi gia cố bằng cọc cát

- xi măng - vôi đều có liên hệ hữu cơ với nhau Các quá trình này không độclập với nhau mà diễn ra đồng thời với nhau, là động lực thúc đẩy phát triểncủa nhau

d Tính toán sức chịu tải và biến dạng của nền đất sau gia cố

Hiện nay, việc tính toán sức chịu tải và biến dạng của nền gia cố bằngcọc cát - xi măng - vôi đang còn là vấn đề tranh cãi Một số nhà khoa học kiếnnghị tính toán như đối với cọc cứng, số khác lại đề nghị tính toán như đối vớinền thiên nhiên, có tác giả lại đề nghị tính toán sức chịu tải như đối với cọccứng, còn biến dạng thì tính toán theo nền Sở dĩ còn nhiều những quan điểmtrái ngược nhau là vì bản thân vấn đề rất phức tạp, cần phải có nhiều côngtrình nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm làm sáng tỏ vai trò mang tải củacọc, của đất nền xung quanh cọc.

III.3 Phương pháp gia tải trước

III.3.1 Đặc điểm và phạm vi áp dụng

Khi xây dựng công trình trên nền đất yếu bão hoà nước người ta có thểdùng biện pháp gia tải trước để hạn chế biến dạng cho công trình Nguyên lýcủa phương pháp này là dựa vào cách tính toán cố kết của nền đất

Khi nền đất chịu tác dụng của tải trọng thì sinh ra ứng suất có hiệu (σ’)

và áp suất nước lỗ rỗng (u) Trong đó tổng ứng suất nước lỗ rỗng và ứng suất

có hiệu luôn bằng tải trọng ngoài sinh ra:

Đối với nền đất dính bão hoà nước thì độ lún của nền đất phụ thuộchoàn toàn vào tốc độ thoát nước lỗ rỗng do đó dùng phương pháp gia tảitrước thì thời gian t để cho nền đạt độ lún cố kết thường kéo dài Hiện nay đểtăng nhanh tốc độ cố kết người ta kết hợp phương pháp gia tải trước và sửdụng các đường thấm thẳng đứng (giếng cát hoặc bấc thấm)

III.3.2 Phương pháp nén trước không dùng các đường thấm thẳng đứng.

- Điều kiện áp dụng:

Muốn làm cho nền đất được cố kết thì nước lỗ rỗng phải thoát ra ngoài

tầng để lớp sét bão hoà nước có thể lún cố kết là lớp sét phải tiếp xúc với lớpcát thoát nước.

- Tính toán gia tải trước một lần:

Chiều cao của lớp đất gia tải trước thường được lựa chọn như sau:+ Sử dụng áp lực gia tải trước đúng bằng tải trọng của công trình nềnđường đắp sau này

- Dùng áp lực nén trước lớn hơn tải trọng công trình sau này (thông thườngđược lấy lớn hơn 20%, không nên chọn quá lớn vì khi đó đất yếu thường làđất có khả năng chịu cắt kém nên chọn lớn có thể gây ra hiện tượng trượttrong đất yếu khi thi công công trình) để tăng nhanh quá trình cố kết của lớpđất dính

Độ lún St của nền đất sẽ được tính toán theo lý thuyết cổ điển củaTerzaghi và Zerxevanov Tuy nhiên để cho nền đạt hết độ lún cố kết thì phải cầnmột thời gian dài do đó trong Quy trình thiết kế nền đường đắp trên nền đất yếungười ta cho phép sau khi xử lý nền đường vẫn có thể lún với độ lún ∆S

Trong đó:

S∞ : độ lún ổn định của nền khi chịu tác dụng của công trình

St : độ lún của nền đất khi chịu tác dụng của tải trọng nén trước

∆S : độ lún còn lại mà công trình xây dựng sẽ phải chịu, độ lún nàyđược quy định để đảm bảo công trình vẫn đảm bảo ổn định theo trạng tháigiới hạn 2

Từ điều kiện trên ta tính được St và từ đó ta có thể tính được thờigian cần thiết cho công trình đạt được độ lún St dưới tác dụng của tải trọnggia tải trước

Thông thường thì với tải trọng gia tải trước để nền đường đạt được độlún St thường phải mất nhiều năm, điều này không phù hợp với điều kiện thicông công trình chỉ cho phép trong một thời gian ngắn Để khắc phục vấn đề