Tiểu luận kỹ thuật xử lý nền đất yếu bơm hút chân không kết hợp gia tải trước bằng đất đắp

BƠM HÚT CHÂN KHÔNG KẾT HỢP GIA TẢI TRƯỚC BẰNG ĐẤT ĐẮP Tóm tắt: Bài báo trình bày việc thiết kế, vận hành và kết quả của một dự án cải tạo đất bằng phương pháp bơm hút chân không kết hợ

BƠM HÚT CHÂN KHÔNG KẾT HỢP GIA TẢI

TRƯỚC BẰNG ĐẤT ĐẮP

Tóm tắt: Bài báo trình bày việc thiết kế, vận hành và kết quả của một dự án cải tạo

đất bằng phương pháp bơm hút chân không kết hợp gia tải trước trên 480 000 m2 đất

ở Cảng Xingang, Thiên Tân , Trung Quốc Các khu vực được xử lý bằng phương pháp hút chân không có diện tích trong khoảng từ 5000 - 30 000 m2 Hiệu quả đạt được từ phương pháp này là độ lún cố kết trung bình đạt được là 2,0 m và sức kháng cắt không thoát nước tăng lên từ 2 - 4 lần và còn có thể lớn hơn Nghiên cứu đã chỉ ra rằng phương pháp bơm hút chân không rất có hiệu quả cho việc xử lý gia cố nền đất yếu, chứa nhiều sét trên một diện tích lớn Phương pháp này đặc biệt là khả thi trong trường hợp thiếu hụt đất đắp gia tải trước, sức chống cắt của nền rất thấp, đất mềm tiếp giáp với sườn dốc và có nguồn cung cấp điện

GIỚI THIỆU

Bài báo trình bày về việc thiết kế, vận hành và kết quả của một dự án cải tạo xử

lý nền đất bằng phương pháp bơm hút chân không trên 480 000 m2 đất tại Cảng

Xingang, Thiên Tân, Trung Quốc

Nguyên lý của phương pháp bơm hút chân không kết hợp gia tải trước trên nền sét yếu lần đầu tiên được giới thiệu bởi W Kjellman thuộc viện nghiên cứu địa chất Thụy Điển đầu 1950s Khi hút chân không một khối đất, nó sản sinh ra một áp lực nước lỗ rỗng âm Khi ứng suất tổng không đổi, áp lực nước lỗ rỗng âm là do sự gia tăng của ứng suất hữu hiệu, dẫn tới sự cố kết của đất Phương pháp bơm hút chân không được mô tả trong hình 1 Các chi tiết bao gồm một lớp đệm cát kết nối với hệ thống thoát nước đứng trong nền Một lớp màng chân không bao phủ bên trên lớp đệm cát bao phủ khu vực xử lý và được neo vào các rãnh rồi bịt kín bằng một lớp tường sét Một hệ thống ống đục lỗ được đặt bên dưới lớp màng chân không để thu nước Đặc biệt phải chuẩn bị hệ thống bơm hút có khả năng tạo chân không trong đất

và bơm hút nước – không khí được kết nối vào hệ thống thu gom Điều cần thiết là khu vực xử lý phải hoàn toàn kín và cách ly với các loại đất thấm xung quanh để tránh sự mất mát của khoảng chân không Cũng cần tránh các lỗ thủng và khe hở trong màng chân không Vì khi có lỗ mọt hoặc nứt rách trong màng chân không thì rất khó để xác định và sửa chữa do đó nó cần được kiểm tra cẩn thận trước khi đưa vào vị trí Để có được và duy trì trạng thái chân không cao cần phải bao phủ một lớp nước bên trên mặt lớp màng chân không, đồng thời lớp nước cũng giúp cho màng chân không giảm thiểu các tác động của môi trường và động vật Khi áp lực gia tải trước yêu cầu lớn hơn công suất của máy hút chân không, có thể gia tải thêm bằng đất đắp, hình 1 Đất đắp không được có đá hoặc các vật thể bén nhọn Nếu lớp đất đắp

nằm phía trên lớp màng chân không thì cần có một hệ thống chống rò rỉ nằm phía dưới lớp màng này nhằm xác định vị trị rò rỉ

Phương pháp hút chân không có những đặc điểm sau:

- Các thiết bị bơm hút chân không có sẵn hiện nay có thể đạt đến lực hút 600 mmHg (80 kPa), tương đương với một khối đất đắp cao 4.5m;

- Biến dạng theo phương ngang của đất hướng vào bên trong do hút chân không thay vì hướng ra trong phương pháp gia tải bằng đất đắp, làm gia tăng các vết nứt cạnh bên khu vực gia tải xử lý;

- Không cần phải kiểm soát tốc độ hút chân không vì phương pháp này làm gia tăng trực tiếp ứng suất hữu hiệu trong đất nên không làm đất bị phá hoại

Hình 1 Lược đồ phương pháp hút chân không

Mặc dù có một sự hiểu biết tương đối tốt về phương pháp hút chân không (Holtz 1975) , nhưng nó vẫn không được sử dụng rộng rãi cho đến đầu 1980s, vấn đề chủ yếu là do chi phí Công nghệ đã đạt được sự chú ý trong cộng đồng địa kỹ thuật châu Á vào 1980s (Qian et al 1992) vì những tiến bộ về vật liệu tổng hợp trong địa

kỹ thuật và do sự thiếu hụt đất đắp Bấc thấm tỏ ra rất hiệu quả, chi phí rẻ hơn so với cọc cát, nên kéo theo chi phí cho phương pháp hút chân không cũng dễ chấp nhận hơn ngay cả với những nước đang phát triển

Hiện nay, các nghiên cứu về phương pháp hút chân không kết hợp gia tải trước đang tập trung vào các khía cạnh như mô hình số ba chiều của quá trình cố kết, ứng dụng trong đất ngập nước (Harvey 1997) và các vấn đề kỹ thuật như việc thực hiện

và bảo vệ các lớp màng chân không trên một diện tích xử lý lớn cũng như phát triển các thiết bị hút chân không cho hiệu quả cao hơn

KHÁI QUÁT VỀ KHU VỰC XỬ LÝ

Cảng Xingang, một cảng thương mại quốc tế ở phía bắc Trung Quốc, thuộc Thiên Tân, thành phố lớn thứ ba Trung Quốc Bến phía đông là một cầu cảng hình thang, hình 2a và 2b Phần trung tâm bến là một lớp đất bồi đắp trải dài 1.133 m và

có tổng diện tích khoảng 480 000 m2 Các công trình được xây dựng trên bến này bao gồm chỗ neo tàu, nhà kho, đường giao thông và bãi chất hàng Địa chất: sét mềm yếu dày 20m, bao gồm cả lớp đất yếu dày 4m trên bề mặt, vì vậy cải tạo đất là điều cần thiết trước khi việc xây dựng các công trình Dự án được tài trợ bởi vốn vay từ Ngân hàng Thế giới thông qua đấu thầu hơn 20 công ty trên thế giới The 1st Navigational Engineering Bureau of China đã đề xuất sử dụng phương pháp hút chân không kết hợp gia tải trước và đã được trao hợp đồng Dự án kéo dài 29 tháng kể từ ngày

15/06/1987 đến 07/11/1989, trước 68 ngày so với dự kiến ban đầu là 31 tháng

ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT

Để xác định số liệu địa chất người ta tiến hành khoan 7 lỗ khoan thể hiện như trong hình 2b

Các số liệu địa chất từ tây sang đông xác định từ các bản ghi lỗ khoan được hiển thị trong hình 3, gồm sáu lớp:

(1) từ cao độ +5,7 đến +1,5m: đất bồi đắp từ các công tác nạo vét từ các lưu vực bến cảng và các kênh trong khoảng 1982-1986 Đất vẫn còn trong quá trình cố kết dưới tải trọng bản thân Do đó không thể đi trên bề mặt này do sức kháng cắt là rất thấp

(2) từ cao độ +1,5 đến -2.0m: lớp sét bụi và sét dày từ 1,0 – 1.5 m

(3) từ cao độ -2.0 đến -6,0 m: đất sét hữu cơ mềm xen lẫn các thấu kính mỏng cát bùn Tính thấm ngang cao Sức kháng cắt không thoát nước thấp hơn 15 kPa

(4) từ cao độ -6,0 đến -9,0 m: sét hữu cơ - than bùn có độ ẩm lên đến 60% Tính thấm gần như đẳng hướng cả hướng ngang và đứng Sức kháng cắt không thoát nước khoảng 20 kPa

( 5 ) từ cao độ -9,0 đến -14,0 m: đất tương tự như lớp 4 nhưng độ ẩm ở lớp này nhỏ hơn lớp (4) Sức kháng cắt không thoát nước khoảng 29 kPa

( 6 ) Dưới cao độ -14,0 m: sét bùn và bùn cát với sức kháng cắt không thoát nước cao hơn 50 kPa

Hình 2 Schematic map (a) and site layout (b) of East Pier, Xingang Port

Các chỉ số kỹ thuật và tính chất của đất được tóm tắt trong Bảng 1 Độ ẩm cao hơn giới hạn chảy trong tất cả các lớp, sức kháng cắt không thoát nước nhỏ và hệ số rỗng lớn, đó là những đặc điểm tiêu biểu của đất sét Các hệ số cố kết từ thí nghiệm

oedometer thông thường kết quả cho trong khoảng 0,6 đến 1,5×10-3 cm2/s Dựa trên những số liệu khảo sát địa chất cho thấy rằng cần xử lý bằng phương pháp hút chân

không kết hợp gia tải trước cho các lớp đất từ cao độ +5.7 đến -14.0 m

THIẾT KẾ

Phân chia các khu vực xử lý

Diện tích xử lý được chia thành 6 phân khu dựa trên tải thiết kế của các công

trình được xây dựng, 6 phân khu được đánh thứ tự từ I-VI thể hiện trong hình 2b Áp lực chân không tại từng khu vực xử lý được đánh dấu 1-72 trong hình 2b Diện tích

của mỗi khu vực xử lý khoảng từ 5000 đến 30000 m2 Những kinh nghiệm trong quá khứ đã chỉ ra rằng diện tích của một khu vực xử lý phụ thuộc vào điều kiện đất đai,

công suất của máy bơm chân không, chất lượng của màng kín khí, và tay nghề

Hình 3 Mặt cắt địa chất Bảng 1: Các tính chất của đất

Soil layer Elevation (m)

Water content

wn (%)

Unit weight (kN/m3)

Void ratio (e)

Liquid limit

wL (%)

Plastic limit

wp (%)

Triaxial (UU) cuu

Vane cu

Coefficient

of consolidation

cv (×10–3 cm2/s)

4 –6.0 to –9.0 61.0 16.6 1.65 52.7 27.6 10.3 21.7 0.6

Bảng 2: Các chỉ tiêu cải tạo đất

Division (see Fig 2b)

Method of treatment Vacuum Vacuum Vacuum + Vacuum + Vacuum + Vacuum +

preloading preloading preloading preloading

Preloading pressure pp (kPa) 80 80 80 + 17 80 + 17 80 + 17 80 + 17

cu (up to 10 m depth) (kPa)a ≥15 ≥15 ≥20 ≥20 ≥20 ≥20 Residual settlement under design load (cm) ≤20 ≤20 ≤30 ≤15 ≤15 ≤15

a Below 10 m depth, cu = cuo + 0.2pd, where cuo is the initial undrained shear strength and pd is the effective overburden pressure.

Áp lực gia tải trước

Chỉ tiêu thiết kế được tóm tắt trong bảng 2 Áp lực thiết kế trong khoảng 50

đến 87 kPa Sức kháng cắt không thoát nước trong 10m đất đầu tiên phải lớn hơn 15

kPa Độ lún dư dưới cấp áp lực thiết kế cho đợt cố kết đầu tiên không được vượt qua

khoảng 15- 30cm Phương pháp hút chân không được thiết kế xử lý ở phân khu I và

II phải có áp lực cố kết là 80 kPa, gấp 1.6 lần so với áp lực thiết kế Để đạt được áp

lực thiết kế tại phân khu III-VI, tổng áp lực gia tải trước phải đạt 97 kPa, trong đó bao gồm áp lực chân không là 80 kPa và tải đắp là 17 kPa (1m đất đắp), gấp 1.11-1.21 lần

so với áp lực thiết kế Để so sánh kết quả hút chân không kết hợp gia tải trước, 4 vị trị được đưa ra thử nghiệm (50mx50m), được đánh dấu S-1, S-2, S-3, S-4 trong hình 2b

Tải đất đắp tương đương với 97 kPa đắp thành 3 đợt Trong quá trình xử lý, các thiết

bị đo đạc ghi nhận các giá trị độ lún trên bề mặt, biến dạng đứng theo chiều sâu, biến

dạng ngang, áp lực nước lỗ rỗng và áp lực chân không, 3 khu vực 12-13, 44 và S-2

trong hình 2b đại diện cho 3 phương pháp xử lý: hút chân không, hút chân không kết

hợp gia tải đất đắp và chỉ gia tải đất đắp

Hình 4 Áp lực chân không theo độ sâu tại khu vực 44

Thoát nước đứng

Thoát nước đứng là hệ thống bấc thấm với vận tốc thấm là 25 cm3/s Chiều sâu cắm bấc thấm từ 16-20m Nhưng trong một số chỗ bấc thấm có thể được cắm tới độ sâu 25m Khoảng cách giữa các bấc thấm là 1.3m bố trí theo lưới ô vuông

Thời gian áp tải

Thời gian áp tải, bao gồm hút chân không và gia tải đất đắp ít nhất là 120 ngày

và áp lực chân không 80 kPa phải được duy trì trong suốt khoảng thời gian này

VẬN HÀNH

Trước khi tiến hành phương pháp hút chân không

Lớp đất mặt cần được xử lý sơ bộ vì nó quá yếu để tiến hành các công tác thi công Việc xử lý gồm 3 bước:

1 Thi công 2 lớp đệm từ các cành cây khô, nhỏ

2 Đỗ các đống đất cao 30 cm lên trên bằng xe đẩy tay

3 Trải một lớp cát hạt trung dày 40cm lên cùng Sau khi xử lý sơ bộ, có thể cho máy móc vào thi công cắm bấc thấm

Thi công hệ thống thoát nước đứng

Máy khoan sẽ hạ 287 626 bấc thấm (tổng chiều dài của các bấc thấm 5 124 851m) trong vòng 18 tháng

Thi công hệ thống thoát nước ngang

Một hệ thống các ống thoát nước ngang được đặt phía trên lớp cát sau khi đã thi công xong hệ thống bấc thấm Các ống này có đường kính 76mm và dài 6m được bọc bằng vải lọc Khoảng cách giữa các ống là 6m

Thi công lớp màng chân không

Lớp màng nhựa tổng hợp được neo vào các rãnh và được bịt kín Các rãnh neo phải nằm sâu dưới lớp sét hữu cơ, phía dưới các lớp đệm thi công và được bịt kín bằng đất sét được nén chặt

Bơm hút chân không kết hợp gia tải trước

Các máy bơm chân không được sử dụng trong dự án có công suất 7.5 MW và

có thể tạo ra một áp lực chân không lên đến 80 kPa trong phạm vi 1000-1500 m2 Sau khi đã hoàn thành các công tác đã nêu trên máy bơm sẽ chạy thử 6h để kiểm tra khả năng làm việc của hệ thống Hút chân không gia tải trước bắt đầu từ tháng 1 năm

1988 và kết thúc vào tháng 11 năm 1989 Áp lực chân không phải đạt đến giá trị 600 mmHg (80 kPa) Và hầu hết các phân khu đều đạt đến giá trị áp lực này sau 15 ngày, nơi ngắn nhất là 1 ngày và lâu nhất là 58 ngày Hình 4 là biểu đồ áp lực chân không phân bố theo độ sâu được đo tại một trong những bấc thấm ở khu vực 44 (hình 2b) cho thấy áp lực chân không phân bố đều và ổn định sau 60 ngày Dựa trên kinh

nghiệm, việc xử lý cải tạo kết thúc khi độ lún ít hơn 1mm/ngày trong khoảng thời gian 10 ngày Thời gian xử lý cải tạo trung bình là 135 ngày tại I-II, nơi chỉ xử lý bằng hút chân không, và 175 ngày tại III-IV, nơi xử lý bằng phương pháp hút chân không kết hợp gia tải trước bằng khối đất đắp cao 1m Các phân khu còn lại thời gian

xử lý cải tạo là khoảng 247 ngày

Đắp nền

Một lớp vật liệu đắp nền (cát hạt trung và mô đất) được thi công sau khi bề mặt đạt đến cao độ +5.4 m

KẾT QUẢ

Độ lún

Độ lún trên bề mặt tại từng phân khu được đo bằng các chân đo lún (settlement pins) được chôn trong các rãnh Độ lún gây ra bởi lớp vật liệu đắp (0.3 m cành khô và 0.4 m cát hạt trung) sau khi đã cấy bấc thấm từ 0.6-1.2 m trong giai đoạn trước xử lý Hình 5 là một bản đồ đường đồng mức biểu thị độ lún cố kết sau khi cấy bấc thấm Nhìn chung, độ lún là khá đồng đều, độ lún lớn dọc theo các biên và nhỏ dần trong khu vực trung tâm Mối quan hệ giữa độ lún và thời gian trong quá trình hút chân không được ghi nhận tại khu vực 44, hình 6 Độ lún sau khi hút chân không và đắp đất gia tải trước là 1.4 m sau 250 ngày

Hình 5 Contour map showing settlement due to surface pretreatment (0.7 m of fill) All contour lines are in metres

Hình 6 Settlement versus time in subdivision 44

Hình 7 Contour map showing settlement due to vacuum preloading All contour lines are in metres

Hình 8 Contour map showing total settlement due to the combined effects

of surface settlement and vacuum preloading All contour lines are in metres

Hình 9 Lateral displacement distribution with depth in subdivisions 44 (vacuum and surcharge) and S-2 (surcharge only)

Độ lún trong giai đoạn hút chân không được thể hiện trong hình 7 Trong phân khu I và II áp lực gia tải trước là 80 kPa, chỉ có phương pháp hút chân không, độ lún vào khoảng 1.0-1.2 m Các phân khu còn lại, áp lực gia tải trước là 97 kPa, hút chân không kết hợp gia tải trước bằng khối đất đắp 1m, độ lún vào khoảng 1.1-1.4 m Độ lún trong 4 khu vực thử nghiệm (S-1, S-2, S-3, S-4) trong phân khu IV và V không cho một kết quả khác biệt nào, điều đó cho thấy phương pháp hút chân không và gia tải trước bằng đất đắp có hiệu quả giống nhau trong quá trình cố kết

Tổng độ lún của là từ 1.6 m đến 2.3 m, hình 8 Nhìn chung, độ lún lớn là ở

III-VI, nơi có áp lực gia tải trước là 97 kPa, lớn hơn I và II, nơi chỉ có áp lực chân không

là 80 kPa

Chuyền vị ngang

Chuyển vị ngang của đất sau khi xử lý cải tạo được đo bằng inclinometers tại khu vực 44 và S-2, sử dụng 2 phương pháp xử lý khác nhau, khu vực 44 là hút chân không kết hợp gia tải đất đắp còn S-2 chỉ có gia tải đất đắp, hình 9 Phương pháp hút chân không kết hợp gia tải trước tạo ra một chuyển vị ngang là 300 mm hướng vào trong khu vực xử lý, trái ngược với phương pháp gia tải đất đắp tạo ra một chuyển vị

470 mm hướng ra ngoài khu vực xử lý Rõ ràng, phương pháp hút chân không tránh được các sự cố như nền đất bị phình trồi và phá hủy khi chất tải đắp quá nhanh như trong phương pháp gia tải đất đắp Tuy nhiên cũng có điều đáng chú ý là chuyển vị theo hướng hướng vào trong này tạo ra các vết nứt xung quanh khu vực xử lý Vì vậy cần tránh xây dựng hoặc hạn chế sử dụng phương pháp này trong phạm vi 20 m xung quanh khu vực xử lý cải tạo đất và các công trình lân cận phạm vi này cũng cần được theo dõi nứt

Độ ẩm và hệ số rỗng

Độ ẩm và hệ số rỗng được thể hiện trong hình 10a và 10b (ghi nhận tại khu vực 12-13, dùng phương pháp hút chân không), 11a và 11b (ghi nhận tại phân khu 44, dùng phương pháp hút chân không kết hợp gia tải trước), 12a và 12b (tại S-2, dùng phương pháp gia tải đất đắp) Độ ẩm giảm trung bình là 17.3; 16.3; 22.5% trong các khu vực 13;44 và S-2 Vệ độ giảm hệ số rỗng lần lượt là 16.2; 14.9; 19.9% tại 12-13; 44 và S-2 Độ ẩm và hệ số rỗng giảm không đáng kể dưới cao trình -8 m tại 12-13 (hình 10) Trong khi đó tại phân khu 44 và S-2 (hình 11 và 12) hiệu quả của công tác

xử lý cải tạo đạt đến cao trình -10 m

Sức kháng cắt

Sức kháng cắt của đất sau xử lý cải tạo trong các thí nghiệm UU, VST và CPT – hình 10c-10e; 11c-11e; 12c-12e

Tại phân khu 12-13, sức kháng cắt không thoát nước thu được từ thí nghiệm

UU và VST cho kết quả giống nhau, tăng 1700% tại đỉnh và tăng 30-40% tại đáy trong khu vực xử lý Các giá trị thiết kế được liệt kê trong bảng 2 Kết quả thí nghiệm CPT, hình 10e, sức kháng cắt tăng trong phạm vi -12m

Trong phân khu 44 cũng tương tự cũng có sự tương đồng giữa thí nghiệm UU

và VST Sức kháng cắt trong thí nghiệm VST sau khi xử lý đất là 25-51 kPa, so với giá trị ban đầu là 4 - 37 kPa Hoàn toàn thỏa các giá trị thiết kế trong bảng 2 Sức kháng cắt tăng từ 33% tại đáy (cao trình -13m) đến 2327% tại bề mặt (cao trình

+5.5m) Kết quả của thí nghiệm CPT là phù hợp với độ giảm hệ số rỗng và độ ẩm và

sự gia tăng sức kháng cắt không thoát nước, hình 11e