Gia cố đường trên nền đất yếu vùng đồng bằng sông Cửu Long bằng cọc xi măng đất

Các vấn đề mắc phải của nền đường đắp trên đất yếu trong thời gian qua ở Việt Nam chủ yếu dưới dạng nền đường bị lún sụt trượt trồi và ở dạng lún kéo dài ảnh hưởng lớn đến chất lượng khai thác đường. Gần đây nhất, nhiều đoạn nền đường đắp trên đất yếu tuyến Pháp Vân Cầu Giẽ trên QL1A (đoạn cửa ngõ Hà Nội), mặc dù đã được xử lý và không xuất hiện các vết nứt nhưng biến dạng lún vẫn còn kéo dài. Theo số liệu đo đạc cho thấy, sau một năm đưa vào khai thác, nền vẫn lún thêm khoảng 4060 cm, ảnh hưởng lớn đến khai thác. Tuy nhiên, hiện nay vật liệu cát trong thiên nhiên ngày càng cạn kiệt, khai thác cát sẽ gây ô nhiễm môi trường, kiểm soát chất luợng thi công giếng cát, cọc cát gặp không ít khó khăn. Do vậy, đề tài này tập trung nghiên cứu xử lý nền đất khu vực đồng bằng sông Cửu Long cho xây dựng đê, đường bằng phương pháp Cọc đất – xi măng . Đây là phương pháp mới phát triển mạnh mẽ trong thời gian gần đây và đã được nhiều nước trên thế giới áp dụng cho gia cố nền đất yếu trong xây dựng đê, đập, đường bộ đạt hiệu quả rất cao.

CHƯƠNG MỞ ĐẦU: TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Tại Việt Nam từ các khu vực châu thổ Bắc Bộ, Thanh - Nghệ Tĩnh, ven biển Trung bộ, đến đồng bằng Nam Bộ đều có những vùng đất yếu

Đất nền vùng Đồng bằng sông Cửu Long thường là các lớp trầm tích mềm yếu, có độ ẩm cao, có hàm lượng hữu cơ lớn Do đó khi xây dựng công trình nói chung và công trình thuỷ lợi nói riêng thường gặp sự cố lún rất nhiều, lún lâu dài và lún không đều Trong thời gian gần đây, hàng loạt các công trình xây dựng đã gặp sự cố gây tốn kém rất lớn và ảnh hưởng xấu tới đời sống xã hội của nhân dân ta Một trong những nguyên nhân gây sự cố công trình trong vùng đất yếu này là thiết kế giải pháp xử lý nền không hợp

lý, không kiểm soát được quá trình lún của đất nền theo thời gian…

Đất mềm yếu nói chung là loại đất có khả năng chịu tải nhỏ (áp dụng cho đất có cường độ kháng nén quy ước dưới 50 daN/cm2), có tính nén lún lớn, hệ số rỗng lớn (e >1), có môđun biến dạng thấp (Eo < 50 kgN/cm2), và

có sức kháng cắt nhỏ Khi xây dựng công trình giao thông hoặc các công trình khác trên đất yếu mà thiếu các biện pháp xử lý hợp lý thì sẽ phát sinh biến dạng thậm chí gây hư hỏng công trình Nghiên cứu xử lý đất yếu là nhằm làm tăng độ bền của đất, làm giảm tổng độ lún và độ lún lệch, rút ngắn thời gian thi công và giảm chi phí đầu tư xây dựng

Các phương pháp cổ điển dùng giếng cát thoát nước thẳng đứng và cọc cát làm chặt đất kết hợp với việc chất tải tạm thời là phương pháp đơn giản nhất nhưng vẫn đạt hiệu quả cao cả về kỹ thuật, thời gian và kinh tế Theo phương pháp này, người ta thường dùng giếng cát đường kính 50-60 cm, được nhồi vào nền đất yếu bão hoà nước đến độ sâu thiết kế để làm chức năng như những kênh thoát nước thẳng đứng, nhằm đẩy nhanh quá trình cố kết nền đất yếu Do đó, phương pháp này luôn phải kèm theo biện pháp gia tải trước

để tăng nhanh quá trình cố kết Trong thực tế, phương pháp này đã được áp

dụng phổ biến từ năm 1990 để xử lý nền đất yếu Công trình có quy mô lớn đầu tiên áp dụng giếng cát để xử lý nền đất yếu được triển khai trên đường Thăng Long - Nội Bài (Hà Nội) và đoạn Km 93 QL5 (đoạn Cảng Chùa Vẽ, Hải Phòng) Sau này được áp dụng đại trà trên nhiều tuyến QL khác nữa, trong đó có đường Láng - Hoà Lạc (Hà Nội), đường Pháp Vân - Cầu Giẽ

Từ năm 1960 trở lại đây phương pháp sử dụng vải địa kỹ thuật được các nước trên thế giới áp dụng rộng rãi trong xử lý đất yếu Đặc biệt từ những năm

1990 trở lại đây, các nước ASEAN đã áp dụng phổ biến vải địa kỹ thuật với chức năng cơ bản là: ngăn cách, lọc nước, gia cường đất yếu, làm lớp bảo vệ

và ngăn nước Vải địa kỹ thuật cũng đã được áp dụng lần đầu tiên tại Việt Nam từ cuối những năm 90 của thế kỷ 20 trên QL5, QL51, QL10 và đường Láng - Hoà Lạc (Hà Nội)

Phương pháp gia cố nền đất yếu bằng cọc đất - xi măng là công nghệ được biết đến và áp dụng từ những năm 1970 và phát triển mạnh mẽ phải tính từ những năm 1990 trở lại đây Phương pháp cọc đất – xim¨ng có thể được chia

ra làm 2 loại : phương pháp trộn khô, phun khô và phương pháp trộn phun ướt

- mà thực chất phương pháp này là phun vữa Đối với Việt Nam, công nghệ cọc đất – xim¨ng lần đầu tiên được Thuỵ Điển chuyển giao công nghệ cho Bộ Xây dựng vào những năm 1992-1994, sử dụng trong gia cường nền nhà và công trình xây dựng dân dụng Tại nhiều nước trên thế giới, việc sử dụng công nghệ cọc đất – xim¨ng cho gia cố nền đất yếu trong các dự án đường bộ, đường sắt đã cho hiệu quả rất cao Do vậy, nếu nghiên cứu để áp dụng cho các dự án đường bộ đắp trên nền đất yếu khu vực đồng bằng sông Cửu Long thì rất có thể sẽ là một trong các phương pháp hiệu quả góp phần giải quyết tình trạng lún kéo dài và kém ổn định của nền đường tại khu vực này

Từ những năm 90 của thập kỷ trước, bên cạnh phương pháp cổ điển, lần đầu tiên công nghệ mới xử lý đất yếu bằng phương pháp bấc thấm thoát nước thẳng đứng (PVD) kết hợp gia tải trước đã được đưa vào sử dụng rộng rãi trên thế giới Tại Việt Nam, công nghệ mới bấc thấm này đã được sử dụng trong

xử lý nền đất yếu cho Dự án nâng cấp QL5 trên đoạn Km 47 - Km 62 vào năm 1993, sau đó dùng cho QL51 (TP Hồ Chí Minh đi Vũng Tàu) và đường Láng - Hoà Lạc Từ 1999 - 2004, phương pháp này đã được sử dụng rộng rãi

để xử lý đất yếu trong các dự án nâng cấp và cải tạo QL1A, QL18, QL60, QL80

Các vấn đề mắc phải của nền đường đắp trên đất yếu trong thời gian qua ở Việt Nam chủ yếu dưới dạng nền đường bị lún sụt - trượt trồi và ở dạng lún kéo dài ảnh hưởng lớn đến chất lượng khai thác đường Gần đây nhất, nhiều đoạn nền đường đắp trên đất yếu tuyến Pháp Vân - Cầu Giẽ trên QL1A (đoạn cửa ngõ Hà Nội), mặc dù đã được xử lý và không xuất hiện các vết nứt nhưng biến dạng lún vẫn còn kéo dài Theo số liệu đo đạc cho thấy, sau một năm đưa vào khai thác, nền vẫn lún thêm khoảng 40-60 cm, ảnh hưởng lớn đến khai thác

Tuy nhiên, hiện nay vật liệu cát trong thiên nhiên ngày càng cạn kiệt, khai thác cát sẽ gây ô nhiễm môi trường, kiểm soát chất luợng thi công giếng cát, cọc cát gặp không ít khó khăn Do vậy, đề tài này tập trung nghiên cứu xử

lý nền đất khu vực đồng bằng sông Cửu Long cho xây dựng đê, đường bằng phương pháp Cọc đất – xi măng Đây là phương pháp mới phát triển mạnh

mẽ trong thời gian gần đây và đã được nhiều nước trên thế giới áp dụng cho gia cố nền đất yếu trong xây dựng đê, đập, đường bộ đạt hiệu quả rất cao

Đề tài sử dông các lý thuyết cố kết, tính lún của các nước phát triển để tính toán độ lún của nền khi chưa xử lý và sau khi đã đươc xử lý Đồng thời trong nghiên cứu này dùng phần mềm PLAXIS để tính toán tốc độ lún theo thời gian, ổn định mái dốc của khối đất đắp theo thời gian khi nền đất chưa được xử lý và khi nền đất đã được xử lý bằng phương pháp Cọc đất – xi măng Đề tài được áp dụng tính toán cho công trình thực tế ở Đồng bằng sông Cửu Long, đó là đường giao thông từ thành phố Cà Mau đến cụm công nghiệp Khí - Điện – Đạm giai đoạn I ( KM 0 + 000 đến KM 8 +350)

CHƯƠNG 1: ĐƯỜNG GIAO THÔNG TỪ THÀNH PHỐ CÀ

MAU ĐI KHU CÔNG NGHIỆP KHÍ ĐIỆN ĐẠM

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Căn cứ vào các tài liệu khảo sát địa chất đường đầu cầu do công ty Tư Vấn thiết kế Giao thông Vận tải Phía Nam ( TEDI SOUTH) tiến hành ta thÊy

®ường giao thông từ thành phố Cà Mau đến cụm công nghiệp Khí Điện Đạm

có điểm bắt đầu từ Km0+000 (giao lộ đường Ngô Quyền và đường Nguyễn Trãi) và kết thúc tại điểm nối vào đường số 2 thuộc khu công nghiệp Khí Điện Đạm Đoạn đường được chia ra làm 2 phân đoạn:

Phân đoạn 1: Từ Km0+000 đến cầu Khánh An Km8+350 gồm 7 cầu:

Kênh Thống Nhất (Km1+994) Giồng Kè (Km3+887)

Bạch Ngưu (Km4+631) Xáng Ba Trí (Km5+230) Kênh Xáng giữa (Km5+825) Rạch Bần 1 (Km6+391) Rạch Bần 2 (Km6+745) Phân đoạn 2: Từ Km8+350 đến Km14+215 gồm có 3 cầu:

Khánh An (Km8+720) Rạch Nhum (Km10+970) Rạch Ván (Km13+950) 1.2 ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN

1.2.1 Đặc điểm địa hình địa mạo và cấu trúc nền đất

Nền đất có bề mặt khá bằng phẳng, địa hình bị phân cắt mạnh bởi hệ thống sông ngòi và kênh rạch Những vùng trùng thường bị ngập hoặc bán ngập Cấu tạo nên dạng địa hình này là các trầm tích Halocen, thành phần hóa học là bùn sét, có nguồn gốc hỗn hợp sông – biển – đầm lầy, bề dày từ 15 –

20 m Các trầm tích này phân bố rộng khắp trong vùng

Nằm trực tiếp dưới các trầm tích halocen là các trầm tích Pleistocen nguồn gốc sông – biển, thành phần thạch học gồm sét, sét pha và cát Các

trầm tích Pleistocen có bề dày khá lớn, phân bố rộng

1.2.2 Đặc điểm địa chất

Căn cứ vào các tài liệu khảo sát địa chất đường đầu cầu B¹ch Ng­u do công ty Tư Vấn thiết kế Giao thông Vận tải Phía Nam ( TEDI SOUTH) tiến hành, đất nền từ mặt đất xuống độ sâu khảo sát gồm có 3 lớp chính:

Lớp đất đắp: được thấy trong một số hố khoan và có cao độ mặt lớp từ

+0.6 đến +1.1, cao độ đáy lớp biến thiên từ -0.6 m đến 1.0 m với chiều dày thay đổi từ 0m đến 1.4m Lớp này có đặc trưng là cát hạt nhỏ, màu vàng, xám đen

Lớp bùn sét: Nằm dưới lớp đất đắp, có màu xám trắng, xám xanh Cao

độ đáy lớp biến thiên từ -17.0m đến -22m Lớp có chiều dày trong khoảng 17.5m đến 21.5 m Chỉ tiêu cơ lý đặc trưng của lớp được thể hiện trong bảng 1.1

Lớp sét: Nằm dưới lớp bùn sét, có màu vàng, xám xanh, vàng sậm, đôi

chỗ kẹp cát hoặc vỏ sò, trạng thái dẻo mềm đến dẻo cứng Dựa vào các lỗ khoan cầu cao độ đáy lớp biến thiên từ -30m đến -38m, lớp có chiều dày trung bình từ 12m đên 16m Chỉ tiêu cơ lý đặc trưng của lớp được thể hiện trong bảng 1.2

Mực nước đo tại các lỗ khoan dao động từ cốt -0.05 đến -0.068 với mực nước trung bình là +0.0m

Bảng 1.1 Các thông số đặc trưng của lớp bùn sét đường dẫn c¸c đầu cầu

Chỉ tiêu Ký

hiệu Đơn vị

Kenh Thong Nhat

Giong

Ke

Bach Nguu

Xang

Ba Tri

Kenh Xang Giua

Rach Ban

Rach Ban 2

Cao độ mặt đất GL m 0.8 0.6 1.1 0.75 0.9 1 0.6

Mực nước ngầm GW

L m -0.05 0.58 -0.18 0.1 0.02 0 -0.1 Cao độ mặt lớp đỉnh -0.6 0.6 -0.5 0.75 0.6 1 -0.8 Cao độ đáy lớp đáy -22 -17 -17.5 -18.5 -18 -17.7 -18.8 Chiều dày lớp H m 21.4 17.6 17.00 19.25 18.6 18.7 18

Bảng 1.2 Các thông số đặc trưng của lớp sét đường dẫn c¸c đầu cầu

Chỉ tiêu Ký

hiệu Đơn vị

Kenh Thong Nhat

Giong

Ke

Bach Nguu

Xang

Ba Tri

Kenh Xang Giua

Rach Ban

Rach Ban 2

CĐ mặt lớp đỉnh -22 -17 -17.5 -18.5 -18 -17.7 -18.8

CĐ đáy lớp đáy -30 -30 -30 -30 -30 -30.5 -29 Chiều dày lớp H m 16.5 13 12.5 11.5 12 12.8 10.2

Dung trọng riêng

kh« γk KN/m3 20.2 18.8 15.5 19 18.8 19 20 Dung trọng riêng

1.3 MẶT CẮT NGANG ĐIỂN HÌNH

Các thông số chung của mặt cắt ngang có chiều dày đất đắp cao nhất

các đường đầu cầu và chiều cao nâng cốt của các đoạn đường dẫn đầu cầu

được thể hiện trong bảng 1.3 dưới đây:

Bảng 1.3 Các thông số chung về đường dẫn đầu cầu

Giồng

Kè (3+887)

Bạch Ngưu (4+631)

Xáng

Ba Trí (5+230)

Kênh Xáng Giữa (5+825)

Rạch Bần (6+391)

Rạch Bần 2 (6+745)

kế

FG

H m 3.22 5.28 4.83 1.96 2.58 3.16 2.6

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT

BIẾN DẠNG VÀ ỔN ĐỊNH

2.1 Phương pháp tính ứng suất biến dạng nền và thân

đường dẫn

2.1.1 Hiện tượng ép co đất bão hoà nước

Đối với đất bão hoà nước, hiện tượng ép co xảy ra khi các hạt dịch chuyển được khi chịu nén, nước trong lỗ rỗng thoát ra khi nền đất chịu tải trọng ngoài Nếu nước chưa hoặc không ép thoát ra ngoài thì lỗ rỗng không

được thu hẹp và môi trường đất không được nén chặt lại Tốc độ ép co của đất dưới tác dụng của tải trọng ngoài hay tải trọng bản thân của khối đất đắp tuỳ thuộc vào tốc độ ép thoát nước tức là phụ thuộc vào hệ số thấm của đất

Tuy nhiên trong thực tế thì môi trường đất nền và đặc biệt đất đắp thường chưa đạt tới trạng thái bão hoà Do đó trong môi trường đất gồm ba pha (hạt rắn, nước và khí), do đó quá trình cố kết xảy ra phức tạp hơn, hiện tượng này xảy ra do cả quá trình thoát nước và khí trong lỗ rỗng trong môi trường đất

Ngoài quá trình cố kết thấm, quá trình ép co còn liên quan đến quá trình

từ biến của cốt đất, tức là áp lực nước lỗ rỗng dư đã tiêu tán hết, nhưng quá trình ép co vẫn tiếp tục xảy ra do các hạt đất bị vỡ, màng màng nước liên kết qung quanh hạt bị biến dạng về hình dạng Quá trình này liên quan đến tính nhớt của màng nước bao quanh hạt đất Quá trình này còn gọi là quá trình cố kết thứ cấp

Nhìn chung quá trình cố kết của đất xảy ra khá phức tạp, tuy nhiên quá trình cố kết thấm vẫn đóng vai trò quan trọng Khi quá trình cố kết thấm kết thúc thì quá trình cố kết thứ cấp bắt đầu Quá trình cố kết thứ cấp thường chỉ xảy ra với 1 số loại đất nhất định và thường xảy ra ở những đất có thành phần

hạt mịn cao, hàm lượng hữu cơ cao Trong tính toán công trình thường bỏ qua quá trình cố kết từ biến

2.1.2 Sự chuyển hoá ứng suất trong quá trình cố kết thấm của đất bão hoà nước

Khi tải trọng truyền lên nền đất bão hoà nước, theo thời gian thì một phần tải trọng truyền cho nước và một phần truyền cho cốt đất Tải trọng truyền cho nước sẽ gây ra áp lực nước lỗ rỗng dư và làm nước lỗ rỗng ép thoát

ra ngoài Tải trọng truyền lên cốt đất sẽ gây ra áp lực nén chặt và có tác dụng nén chặt đất Khi áp lực nước lỗ rỗng tăng thì ứng suất hiệu quả giảm và ngược lại Năm 1923 K.Terzghi đã đề xuất mô hình cơ học đơn giản mô phỏng 1 phân tố đất bão hoà nước và dùng làm công cụ để giải thích quá trình

cố kết thấm và sự chuyển hoá ứng suất của đất dưới tác dụng của tải trọng ngoài Mô hình gồm 3 bộ phận chính: bình dựng đầy nước, một lò xo đặt đứng trong bình và 1 nắp bình có đục lỗ đặt phía trên dạng pittông (hình 2.1) Toàn

bộ mô hình đặc trưng cho mẫu đất bão hoà nước (hình 2.2) Lò xo đặc trưng cho cốt đất, nước trong bình đặc trưng cho nước chứa đầy trong lỗ rỗng của

đất

Hình 2.1: Mô hình cố kết thấm Hình 2.2: Mẫu đất bão hoà nước

Từ mô hình của K Terzaghi ta nhận thấy, khi tác dụng áp lực p lên nắp bình, nếu lỗ nắp bình bịt kín thì nước trong bình không thể thoát ra Do nước hầu như không bị nén ép nên độ lún bằng không và áp lực nước lỗ rỗng u = p

áp lực nước lỗ rỗng còn được gọi là ứng suất trung hoà Khi mở lỗ đục ở nắp bình thì nước sẽ bắt đầu thoát ra ngoài Khi thời gian t càng tăng thì nước thoát ra càng nhiều, biến dạng của lò xo càng lớn, có nghĩa là ứng suất trong

lò xo tăng lên Điều đó chứng tỏ chứng khi nước trong lỗ rỗng thoát ra dần thì ứng suất trung hoà, u, sẽ tiêu tán (lúc này u nhỏ hơn p) để chuyển thành ứng suất hiệu quả,  ', (ứng suất tác dụng lên lò xo) ở thời điểm t đủ lớn, nước ngừng thoát ra (nước trong lỗ rỗng có khả năng thoát ra ngoài ứng với tải trọng p đã hết), lúc này cường độ nén của lò xo đã cân bằng với áp lực nén p Nắp bình không hạ thấp tiếp nữa lúc này áp lực nước lỗ rỗng u = 0, quá trình

cố kết thấm kết thúc,  '  p Từ kết quả của mô hình này Terzaghi đã đưa ra công thức ứng suất hiệu quả như sau:

Quá trình cố kết thấm của đất bão hoà nước thực chất là quá trình chuyển hoá ứng suất trung hoà u thành ứng suất hiệu quả  ' Nói cách khác là sau khi tác dụng tải trọng trên nền đất thì ứng suất trung hoà suy giảm theo thời gian và quá trình tăng ứng suất hiệu quả làm cho đất dần dần chặt lại, đất tăng cường độ, giảm độ lún

2.1.3 Lý thuyết cố kết thấm

Những giả thiết cơ bản của lý thuyết cố kết thấm:

 Trong quá trình cố kết, nước và hạt rắn không ép co

 Tốc độ nén lún của đất chỉ phụ thuộc vào tốc độ thoát nước trong đất

 Tính thấm nước của đất tuân theo định luật Darcy

 Hệ số thấm k và hệ số ép co a trong quá trình cố kết thấm là 1 hằng số

áp lực nước lỗ rỗng theo lý thuyết cố kết thấm của đất bão hoà nước:

Khi đất thấm nước yếu bão hoà nước chịu nén dưới tác dụng của tải trọng phân bố đều nằm giữa 2 tầng thoát nước hoặc 1 tầng thoát nước, thì

nước trong tầng thấm nước yếu sẽ ép thoát ra ngoài theo chiều thẳng đứng tương tự quá trình nén không nở hông Lớp đất bị nén như vậy gọi là cố kết thấm một hướng

 q

z dz

u

yn dz

Hinh 2.3 Sơ đồ cố kết của đất chịu tải trọng phân bố đều

Theo giả thiết, thấm của pha nước tuân theo định luật Darcy, nên ta có:

Mặt khác

n

u h

Như vậy phương trình trên là phương trình vi phân cố kết thấm của môi trường đất bão hoà nước Phương trình này có dạng tượng tự phương trình

truyền nhiệt , do đó có thể dùng phương pháp phân ly biến số (phương pháp sai phân hữu hạn, phần tử hữu hạn) để giải Kết hợp điều kiện ban đầu và điều kiện biên của bài toán sẽ tìm được nghiệm riêng áp lực nước lỗ rỗng u ở thời

điểm t bất kỳ tại độ sâu z bất kỳ

2.1.4 Giải bài toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) ngày càng được ứng dụng rộng rãi để giải các bài toán địa kỹ thuật Xây dựng mối quan hệ giữa chuyển vị tại các nút phần tử và các lực được đặt tại nút hay trong phần tử Quá trình thiết lập này rất cần thiết một phương pháp giải các bài toán ở trạng thái cân bằng, nhưng có thể áp dụng cho các bài toán trong cơ học môi trường liên tục với kết quả khá phù hợp Phương trình cân bằng biểu diễn dưới dạng ma trận như sau:

được viết dưới dạng ma trận như sau:

' 'T 0

 H - véctơ thành phần ứng với áp lực kẽ rỗng trong phần tử,

 T - véctơ thành phần ứng với biến dạng thể tích trong mỗi phần tử,

K '- ma trận độ cứng

Quá trình cố kết bắt đầu từ một số phân bố ứng suất ban đầu, thường là không thoát nước đối với biến dạng thể tích đã biết Giải phương trình (2 10)

để tìm áp lực nước lỗ rỗng áp lực nước lỗ rỗng này được dùng để tính sự thay

đổi thể tích trong mỗi phần tử trong khoảng thời gian t Từ đó xây dựng

được hàm phân bố biến dạng thể tích mới, cứ tiếp tục như vậy cho đến khi đạt

được trạng thái ổn định Điều cần thiết là tính độ biến thiên thể tích từ áp lực nước lỗ rỗng

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH ỔN ĐỊNH

Để tính toán ổn định mái dốc người ta thường dùng phương pháp phần

tử hữu hạn hoặc phương pháp cân bằng giới hạn Phương pháp cân bằng giới hạn dựa trên cơ sở giả thiết định trước mặt trượt và phân tích trạng thái cân bằng giới hạn của các phân tố đất trên mặt trượt giả định trước Độ ổn định

được đánh giá bằng tỷ số giữa thành phần lực chống trượt đất nếu được huy

động hết so với thành phần lực gây trượt

Phương pháp cân bằng giới hạn dựa vào mặt trượt giả định trước (cân bằng giới hạn cố thể) Để có cơ sở lựa chọn dạng mặt trượt, phải có những kết quả nghiên cứu thực nghiệm và tài liệu quan sát hiện trường Thực tế thấy rằng, hình dạng mặt trượt phụ thuộc vào nhiều yếu tố: như địa tầng các lớp

đất, loại đất, góc dốc của mái dốc, tính chất nứt nẻ của bề mặt mái dốc, khả năng thấm nước trên mặt xuống

Các phương pháp tính ổn định mái dốc chủ yếu khác nhau ở việc giả thiết hình dạng mặt trượt, lực tương tác giữa các thỏi, điểm đặt của lực tương tác giữa các thỏi Hiện nay người ta đã dùng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích ổn định mái dốc

2.3 Cơ sở các phương pháp tính ổn định trượt mái

2.3.1 Định luật Mohr-Coulomb

Cường độ chống cắt của đất theo đinh luật Mohr-Coulomb:

Trong đó : f : Cường độ chống cắt của đất

 : ứng suất pháp (ứng suất toàn phần theo phương thẳng góc với mặt trượt)

, c : Góc ma sát và lực dính tương ứng với ứng suất tổng

Trong trường hợp ứng suất hiệu quả thì định luật Mohr-Coulomb được viết như sau:

Trong đó : u : áp lực kẽ rỗng của đất

', c' : Góc ma sát và lực dính hiệu quả của đất

2.3.2 Các phương pháp tính toán ổn định trượt mái

Có các phương pháp để kiểm tra ổn định trượt của mái dốc đó là: Phương pháp cân bằng giới hạn, phương pháp phân tích giới hạn và phương pháp phần tử hữu hạn giảm cường độ chống cắt c, φ

- Phương pháp cân bằng giới hạn dựa trên cơ sở giả định trước mặt trượt (coi khối trượt như một cố thể) và phân tích trạng thái cân bằng tới hạn của các phân tố đất trên mặt trượt đã giả định trước Sự ổn định được đánh giá bằng tỷ số giữa thành phần lực kháng trượt (lực ma sát, lực dính) huy động trên toàn mặt trượt với thành phần lực gây trượt (trọng lượng, áp lực nước, áp lực thấm, động đất )

- Phương pháp phân tích giới hạn dựa trên cơ sở phân tích ứng suất trong toàn miền của công trình (cả đất đắp và đất nền) Dùng các thuyết bền như : Mohr-corlomb, Hill-Tresca, Nises-Shleiker kiểm tra ổn định cục bộ tại mỗi

điểm trong toàn miền công trình sẽ mất ổn định tổng thể khi tổng hợp các

điểm cục bộ bị mất ổn định làm thành một mặt liên tục

- Phương pháp phần tử hữu hạn giảm cường độ chống cắt c, φ : Quan điểm của phương pháp này là một mái dốc thuần tuý tạo bởi ma sát của đất sẽ không

bị trượt dưới tác dụng của trọng lượng bản thân khối đất đó khi trọng lượng bản thân của khối đất tăng lên Tỷ lệ giữa cường độ kháng cắt thực tế và cường độ kháng cắt nhỏ nhất mà ở đó đất ở trạng thái cân bằng là hệ số an toàn

2.3.3 Phương pháp cân bằng giới hạn chia thỏi

- Dạng mặt trượt được chọn tùy theo từng phương pháp cụ thể

- Dựa trên cơ sở các phương trình cân bằng tĩnh học đối với toàn khối trượt và đối với từng lát trượt được phân nhỏ để tìm hệ số an toàn (K) Mặt trượt nguy hiểm nhất sẽ là mặt trượt giả định nào cho hệ số an toàn nhỏ nhất,

sẽ tính được bằng cách thử dần

- Khối lượng tính toán khá nhiều, do đó hiện nay phân tích ổn định theo phương pháp phân mảnh thường cần sự hỗ trợ của máy tính điện tử

b Những giả thiết chung của phương pháp

Sức kháng của đất (f ) xác định theo phương trình (2.12)

Hệ số an toàn đối với thành phần lực dính bằng hệ số an toàn đối với thành phần ma sát :

m m

m

gh

tg

tg C

C K

'

' '

Trong đó: m, C'm , tg'm : sức kháng cắt, lực dính và hệ số ma sát được huy

động tối đa

gh, C', tg': sức kháng cắt, lực dính và hệ số ma sát giới hạn ( huy động hoàn toàn)

Sự phá hoại của đất là phá hoại cắt tương ứng theo tiêu chuẩn phá hoại Mohr-Coulomb Xét tại một điểm:

K

C tg u m

r

' ' 

được huy động để điểm đó đạt trạng thái cân bằng giới hạn

Như vậy hệ số an toàn K trong phương pháp chia thỏi còn có ý nghĩa là hệ số giảm lực dính và lực ma sát của đất để nó đạt trạng thái cân bằng giới hạn tính toán Từ công thức (2.12) ta nhận thấy tại 1 điểm bất kỳ trên mặt trượt nào đó nếu biết được ứng suất tiếp  thì xác định được các hệ số an toàn K:

- Nếu K = 1 có nghĩa là cường độ chống cắt (lực dính và ma sát được huy động hết) nên điểm đó đạt trạng thái cân bằng giới hạn

- Nếu K >1 thực tế đất còn mức dự trữ lực ma sát và lực dính nên điểm

đó còn ổn định (nằm trong trạng thái cân bằng bền) , nhưng khi tính toán, xem như điểm đó đạt trạng thái cân bằng giới hạn do giảm lực dính C và hệ số ma sát tg bởi hệ số an toàn K

- Nếu K < 1 về lý thuyết để tính toán, ta xem như tăng lực dính và hệ số

ma sát lên bởi hệ số an toàn (K) để điểm đó vẫn nằm trong trạng thái cân bằng giới hạn thực tế nó đã bị phá hoại

c Bài toán cân bằng giới hạn chia thỏi

Để tính toán hệ số an toàn (K), ta chia khối trượt thành n thỏi bởi (n-1) mặt cắt song song thẳng đứng như trên hình 2.4

Hình 2.4 Sơ đồ chia thỏi tính toán ổn định

Xét các lực tác dụng vào 1 thỏi trượt có thể có: Trọng lượng bản thân thỏi, lực pháp tuyến, lực tiếp tuyến ở mặt bên và đáy thỏi, áp lực thấm, lực do

động đất, tải trọng công trình áp lực nước do mái dốc ngập nước, áp lực nước trong khe nứt

Hệ số an toàn (K) và vị trí mặt trượt nguy hiểm nhất được xác định bằng cách thử dần Giả thiết nhiều mặt trượt khác nhau, với mỗi mặt trượt giả định, xác định các lực tác dụng vào từng thỏi trượt đã được chia nhỏ, dùng các phương trình cân bằng tĩnh học để xác định hệ số an toàn tương ứng

Trong trường hợp tổng quát thì số phương trình cân bằng có khả năng lập được cho một khối trượt bao gồm n thỏi trượt như sau:

Điểm tác dụng của lực giữa các thỏi E, X : n -1

Điểm tác dụng của lực pháp tuyến ở đáy thỏi N : n

6n-2 Chênh lệch giữa số ẩn số và phương trình là (n-2) - 4n = 2n - 2 nên bài toán là không xác định Do đó mọi phương pháp phân thỏi đều cần phải dùng

bổ sung một số giả thiết để tìm hệ số an toàn (K) Dưới đây là một số phương pháp đại biểu cùng với các giả thiết tương ứng

Bảng 2.1 Các giả thiết của một số phương pháp đại biểu

Phương pháp

Phương trình cân bằng

Các giả thiết Lực

đứng

Lực ngang

Spencer + + + Hướng tác dụng của các lực tương tác E và

X không đổi trong toàn khối trượt

Morgenstern

-Price

+ + + Hướng của E và X được xác định bởi một

hàm tuỳ ý Hệ số phần trăm (  ) của hàm yêu cầu thoả mãn các phương trình cân bằng mô men và cân bằng lực

2.3.4 Phương pháp PTHH - giảm cường độ chống cắt c, φ

Quan điểm của phương pháp này là một mái dốc thuần tuý tạo bởi ma sát của

đất sẽ không bị trượt dưới tác dụng của trọng lượng bản thân khối đất đó

khi trọng lượng bản thân của khối đất tăng lên Do đó hệ số ổn định K

được tính như sau:

m equilibriu for

needed

available maximum

S

S

Trong đ ó S là cường độ kháng cắt Tỷ lệ giữa cường độ kháng cắt thực tế

và cường độ kháng cắt nhỏ nhất mà ở đó đất ở trạng thái cân bằng là hệ số

an toàn

Khi áp dụng với với điều kiện chuẩn Morh – Coulomb, hệ số an toàn, xác

định như sau:

r tg

số ổn định được định nghĩa là giá trị của  Msf ở thời điểm phá huỷ, với

điều kiện tại thời điểm phá huỷ, giá trị bất biến trong một số cấp tải trọng liên tục

Chương 3 : Các phương pháp xử lý nền đất

yếu

3.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Đối với những cụng trỡnh xõy dựng trờn nền đất yếu thường cú hai biện phỏp giải quyết:

3.1.1 Biện phỏp kết cấu bờn trờn cụng trỡnh để làm tăng độ cứng

Khi xõy dựng cỏc cụng trỡnh chịu tải trọng lớn trờn nền đất yếu, cần phải kiểm tra khả năng chịu tải, độ lỳn, độ lỳn khụng đều giữa cỏc bộ phận của cụng trỡnh Với cỏc kết cấu của cụng trỡnh khỏc nhau (tuyệt đối cứng, mềm, cứng hữu hạn) thỡ độ nhạy lỳn của cụng trỡnh cũng khỏc nhau Dựa vào tớnh chất làm việc của cụng trỡnh đối với nền đất lỳn khụng đều, cú thể chon hỡnh thức kết cấu thớch hợp với sơ đồ nền đất cụ thể

Đối với nền đất cú tớnh nộn lớn và lỳn khụng đều thỡ dung loại kết cấu

cú tớnh lỳn ớt Với nền lỳn khụng đều cú thể dung cỏc biện phỏp kết cấu như

bố trớ khe lỳn, tăng cường độ và độ cứng của kết cấu bằng cỏc giằng gạch cốt thộp, bờ tụng cốt thộp, cỏc gối tựa cứng…

Dựng neo liờn kết vững chắc giữa bản, sàn giữa cỏc tầng và mỏi với cột tường hoặc những kết cấu khỏc… để đối phú khả năng nghiờng giữa cột và tường chịu lực hướng thẳng đứng hoặc cú thể tăng diện tựa của những cấu kiện độc lập để đảm bảo an toàn đối với sự truyền lực khi tường và cột bị nghiờng theo hướng thẳng đứng

3.1.2 Gia cố nhõn tạo nền đất yếu

Mục đớch nhằm tăng sức chịu tải, giảm khả năng biến dạng, biến dạng khụng đều của cụng trỡnh đỏp ứng yờu cầu của cụng trỡnh xõy dựng Phương hướng gia cố nhõn tạo nền đất yếu gồm cú :

a Cải tạo sự phõn bố ứng suất và điều kiện biến dạng của đất nền

Biện phỏp này thường dựng khi lớp đất yếu cú chiều dày khụng lớn, nằm trực tiếp dưới múng cụng trỡnh Đất nền được gia cố bằng đệm đất, đệm cỏt, bệ phản ỏp…Trong thực tế, đệm đất, đệm cỏt, đệm sỏi… thường được dựng để thay thế lớp đất yếu cú chiều dày khụng lớn hơn 3m dưới múng tường, múng cột trong cỏc cụng trỡnh dõn dụng, cụng nghiệp, dưới bản đỏy

các công trình thuỷ lợi…Bệ phản áp được dùng để khống chế vùng biến dạng dẻo phát triển nền nằm trên lớp bùn

để nén chặt các lớp sét bão hoà nước, đất than bùn

Việc xây dựng các công trình có kích thước móng lớn như nền đường, nền sân bay, bản đáy các công trình thuỷ lợi, móng dưới hệ thống xêlô…chịu tải trọng lớn thay đổi theo thời gian được đặt trên bùn, than bùn, đất dính bão hoà nước…thì có thể dùng giếng cát để rút ngắn thời gian lún nhằm khi đưa công trình vào sử dụng, độ lún tiếp đó không vượt quá giới hạn cho phép

Gia tải trước bằng tải trọng tĩnh làm cho nền đất được nén chặt một phần, độ ẩm và biến dạng của đất giảm đi, khả năng chịu lực của đất nền tăng lên và công trình có thể sử dụng ngay sau khi thi công

Đất trên mặt có thể nén chặt bằng đầm lăn, đầm nện và đầm rung Độ

ẩm, thành phần hạt, thành phần khoáng hoá của đất, chiều dày lớp đất nén chặt… quyết định độ chặt sau khi đầm Với các loại đất rời (cát và đất đắp) khi chiều sâu lớn hơn 1,5m có thể dùng phương pháp chấn động và thuỷ chấn

để nén chặt đất

c Truyền tải trọng công trình xuống lớp chịu tải tốt

Các công trình có tải trọng lớn đặt trên nền đất yếu có chiều dày lớn thì

có thể dùng móng cọc, móng trụ, giếng chìm…để truyền tải trọng của các kết cấu bên trên xuống lớp chịu lực nằm ở dưới sâu

Móng cọc có tính ưu việt ở chỗ : khắc phục hoặc hạn chế được biến dạng lún quá lớn hay không đều, đảm bảo ổn định cho công trình khi có tải trọng ngang tác dụng mà còn rút ngắn thời gian thi công, giảm bớt vật liệu xây móng, khối lượng đào đắp đất, công nghiệp hoá khâu chế tạo và thi công cọc

Nếu trong đất nền cú cỏc chướng ngại vật như đỏ tảng khụng thể đúng cọc qua hay cọc dài quỏ khụng thể hạ xuống được thỡ cần phải dựng múng sõu: múng trụ, giếng chỡm…

Tuỳ theo điều kiện địa chất cụng trỡnh, địa chất thuỷ văn khu vực xõy dựng và tớnh chất sử dụng của cụng trỡnh để ta chọn biện phỏp xử lý thớch hợp Đối với những cụng trỡnh quan trọng, để đảm bảo mức độ ổn định tuyệt đối của cụng

trỡnh cần phải kết hợp cả hai biện phỏp kết cấu lẫn gia cố nền

đầm, búa rung làm chặt đất Các yếu tố chính làm ảnh hưởng đến khả năng

đầm chặt của đất gồm: độ ẩm, công đầm, thành phần hạt, thành phần khoáng hoá, nhiệt độ của đất và phương thức tác dụng của tải trọng Để làm chặt đất cần phải xác định được độ ẩm tốt nhất ứng với giá trị khối lượng thể tích khô lớn nhất

Do được làm chặt, các chỉ tiêu về độ bền của đất tăng lên đáng kể, tính biến dạng và tính thấm giảm đi Hiện nay phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong xây dựng đường giao thông, sân bay, các công trình thủy lợi và trong xây dựng dân dụng, công nghiệp Có một số phương pháp làm chặt đất bằng cơ học như sau:

+ Làm chặt đất bằng đầm rơi:

Bản chất của phương pháp là dùng đầm rơi bằng vật nặng làm chặt đất Vật

đầm thường làm bằng bê tông cốt thép hoặc bằng gang, có khối lượng từ 2 đến

4 tấn, cho rơi từ độ cao 4  5m Chiều dày nén chặt của đất phụ thuộc vào

đường kính, khối lượng và chiều cao rơi của vật đầm cũng như tính chất của

đất Thông thường, độ chặt của đất tăng lên ở các lớp trên mặt và giảm đi ở những lớp phía dưới

+ Làm chặt đất bằng đầm lăn:

Bản chất của phương pháp là dùng đầm lăn, xe lu để làm chặt đất Phương pháp này thường được sử dụng khi làm đường giao thông Tuỳ thuộc trọng lượng xe lu và số lần đầm mà chiều sâu làm chặt có thể đạt đến 0,5  0,6 m Khi dùng đầm lăn có mặt nhẵn, do chiều dày lớp đất được đầm nhỏ nên hiệu suất đầm thường thấp, chất lượng đầm không đều, khối lượng thể tích của đất giảm theo chiều sâu Vì vậy đối với các công trình đắp đất lớn dùng đầm mặt nhẵn không hiệu qủa Đối với các loại đất dính dạng cục thì dùng đầm lăn chân dê mang lại hiệu qủa cao hơn, chất lượng đầm đều hơn và tạo ra mặt ráp liên kết tốt giữa các lớp đất đầm với nhau

Hiện nay, người ta còn sử dụng cả đầm lăn bánh hơi để đầm chặt cả đất dính và đất rời Mức độ đầm chặt phụ thuộc vào số lần đầm, chiều dày lớp

đầm, áp suất bánh xe, tải trọng xe, vận tốc di chuyển của xe cũng như độ ẩm

và cấu tạo của đất Muốn đất được đầm chặt như nhau ở mọi nơi thì yêu cầu tải trọng đầm phải phân bố đều lên các bánh xe, không phụ thuộc vào độ gồ ghề của mặt đất và sức chịu tải của đất tại các vị trí đầm

số giao động của đất đầm

Chiều dày lớp đất được làm chặt bằng đầm rung thường thay đổi từ 0,3 đến 1,5 m, đôi khi đến 2 m

3.2.2 Nhóm các phương pháp làm chặt đất dưới sâu bằng chấn động

đất là gia tốc chấn động, độ ẩm của đất, khoảng cách giữa các vị trí đầm, tính

đàn hồi của đất và bán kính máy chấn động Khi làm chặt đất cát ở độ sâu nhỏ hơn 3 m thì bán kính làm chặt có thể đạt 1,5 m Khi bán kính máy chấn động tăng thì gia tốc chấn động và hệ số nén chặt chấn động cũng tăng lên

+ Nén chặt đất bằng thủy chấn:

Khi lớp cát cần nén chặt có chiều dày lớn thì người ta dùng phưong pháp thủy chấn Bản chất của phương pháp là vừa phun nước vừa tạo chấn động tác dụng vào đất cát Khi đó lực dính giữa các hạt giảm đi, các hạt lớn sẽ lắng xuống còn các hạt nhỏ sẽ nổi lên, hình thành chuyển động xoắn ốc làm phát sinh cấp phối mới và như vậy sẽ hình thành cấp phối tốt nhất của đất ở trạng thái nén chặt

Để thi công nén chặt đất bằng phương pháp thủy chấn, người ta đóng vào trong đất những ống thép đường kính 19  25 mm và có đầu nhọn, phần ống dưới dài khoảng 50  60 cm, có đục lỗ xung quanh với đường kính 5  6 mm Lợi dụng sức nước cao áp để đưa ống thép và máy chấn động đến độ sâu thiết

kế và cho máy chấn động làm việc nén chặt đất từ dưới lên trên, mỗi đoạn làm chặt thường từ 30  40 cm trong khoảng thời gian 40  120 giây Sau khi làm chặt được lớp đất thứ nhất thì lại nâng máy đầm lên làm chặt lớp đất thứ 2 và

cứ làm như vậy làm chặt cho đến khi lên mặt đất

3.2.3 Nhóm các phương pháp gia cố bằng thiết bị tiêu nước thẳng

đứng

Đối với các nền đất sét yếu, do hệ số thấm của đất sét rất nhỏ nên qúa trình

cố kết của đất nền ở điều kiện bình thường cần rất nhiều thời gian Trong khi

đó hầu hết các công trình xây dựng lại đòi hỏi tốc độ thi công nhanh, đảm bảo tiến độ yêu cầu Do vậy, người ta thường dùng các thiết bị tiêu nước thẳng

đứng kết hợp với gia tải để làm tăng nhanh tốc độ cố kết của đất nền Thiết bị tiêu nước thẳng đứng gồm nhiều loại khác nhau Nguyên lý làm việc của các loại này là, dưới tác dụng của tải trọng ngoài, trong đất sẽ xuất hiện gradient thủy lực làm cho nước lỗ rỗng thoát ra theo phương ngang về phía các thiết bị tiêu nước, sau đó chảy tự do theo phương dọc theo các thiết bị để thoát nước lên mặt đất Như vậy, việc đặt các thiết bị tiêu nước thẳng đứng trong nền đất

có tác dụng rút ngắn chiều dài đường thấm và dẫn đến giảm thời gian hoàn thành cố kết Các công nghệ gia cố bằng tiêu nước thẳng đứng bao gồm:

cố kết nền

+ Gia cố nền bằng bấc thấm và các thiết bị tiêu nước chế tạo sẵn (PVD):

Bấc thấm là thiết bị tiêu nước thẳng đứng chế tạo sẵn, gồm nhiều loại, chiều rộng thường 100  200 mm, dày 3  5 mm Lõi của bấc thấm là một băng chất dẻo được bọc bởi lớp vải địa kỹ thuật plyeste không dệt, bằng vải địa cơ

propylene hoặc giấy tổng hợp có nhiều rãnh nhỏ để đưa nước lên cao nhờ mao dẫn Để cắm bấc thấm vào đất nền đất người ta dùng một máy chuyên dụng tự hành Sau khi thi công bấc thấm, người ta cũng tiến hành gia tải nén trước giống như đối với giếng cát Để nước thoát ra dễ dàng từ đầu bác thấm người

ta thường phủ lên phía trên mặt lớp đất yếu một lớp vải địa kỹ thuật và trên lớp vải địa kỹ thuật đắp một lớp cát hạt to làm lớp thấm nước

3.2.4 Gia cố nền bằng năng lượng nổ

Phương pháp này cũng đã được sử dụng từ lâu trên thế giới Bản chất của phương pháp này là dùng năng lượng của sóng nổ để nén chặt đất Người ta bố trí các qủa mìn dài trong các giếng, phân bố theo mạng lưới tam giác đều và sâu hết chiều dày lớp đất yếu Phía trên các qủa mìn người ta đổ cát thành

đống hoặc đặt các thùng đựng cát không đáy Khi mìn nổ, năng lượng được tạo ra sẽ nén đất ra xung quanh, cát sẽ rơi xuống lấp đầy vào giếng vừa được tạo ra Sau đó, người ta tiếp tục đổ thêm cát vào giếng và đầm tới độ chặt yêu cầu

3.2.5 Gia cố nền bằng vải địa kỹ thuật

Trong những năm gần đây, vải địa kỹ thuật đã được ứng dụng rộng rãi ở nước ta, nhất là trong gia cố nền đường giao thông Tùy theo mục đích sử dụng, vải địa kỹ thuật có thể được sử dụng để: (1) Làm chức năng như mặt phân cách nước (2) Làm chức năng như vật liệu tiêu nước Ngoài ra vải địa kỹ thuật còn dùng để chống xói mòn, bảo vệ bờ vv

3.2.6 Nhóm các phương pháp gia cố nền bằng chất kết dính

Bản chất của các phương pháp này là đưa vào nền đất các vật liệu kết dính như ximăng, vôi, bitum nhằm tạo ra các liên kết mới bền vững hơn nhờ các qúa trình hoá lý và hoá học diễn ra trong đất, dẫn đến làm thay đổi tính chất cơ lý của đất nền Tùy vật liệu đưa vào mà có những công nghệ như sau:

+ Gia cố nền bằng phương pháp trộn vôi:

Khi trộn vôi vào đất, vôi có tác dụng hút ẩm làm giảm độ ẩm của đất và

đóng vai trò là chất kết dính liên kết các hạt đất Khi tác dụng với nước, vôi chưa tôi có khả năng ngưng kết và đông cứng nhanh trong vòng 5 đến 10 phút Qúa trình hyđrát hoá vôi chưa tôi có khả năng hấp thụ một khối lượng nước lớn (32 đến 100% khối lượng ban đầu) nên nhanh chóng làm nền đất khô ráo, dẫn đến đất nền được nén chặt

Để gia cố nền đất yếu ở dưới sâu người ta sử dụng cọc vôi hoặc cọc đất – vôi Vôi tác dụng với nước sẽ tăng thể tích nên tiết diện các cọc vôi sẽ tăng lên làm tăng độ chặt của nền Ngoài ra các tác động của vật lý và hóa học sẽ làm tăng

độ bền nén, lực dính và góc ma sát trong làm cho sức chịu tải tổng hợp của khối đất gia cố tăng lên

+ Gia cố nền bằng phương pháp trộn ximăng:

Khi trộn ximăng vào đất sẽ xảy ra qúa trình kiềm và sau đó là qúa trình thứ sinh Qúa trình kiềm là qúa trình thủy phân và hyđrát hóa ximăng, được coi là quá trình hình thành nên độ bền của đất gia cố Qúa trình kiềm sẽ tạo ra một lượng lớn hyđroxyt canxi làm tăng độ pH của nước lỗ rỗng trong đất, tạo điều kiện thúc đẩy qúa trình thứ sinh ở điều kiện bình thường, các khoáng vật sét

có thành phần hoá học chính là các ôxít nhôm và silích khá bền vững, khó bị hòa tan, song trong môi trường kiềm có độ pH cao, chúng dễ bị hoà tan dẫn

đến sự phá hủy của khoáng vật Các ô xít nhôm và silích ở dạng hòa tan tạo nên một phần vật liệu đông cứng và làm tăng cường độ của hỗn hợp đất ximăng Quá trình thứ sinh xảy ra chậm chạp trong một thời gian dài

hạt, kết quả là nhận được vật liệu mới đất-bitum liên kết bởi màng đàn hồi vật chất sét-bitum, ổn định đối với nước Phương pháp gia cố đất bằng bitum thường được sử dụng nền đường giao thông có chiều dày gia cố nhỏ

+ Gia cố nền bằng keo polime tổng hợp:

Các chất polime tổng hợp không có sẵn trong thiên nhiên mà được tổng hợp

từ dầu mỏ, khí đốt, than đá Phân tử của chúng gồm rất nhiều khâu, nối với nhau bởi liên kết hóa học, tạo nên những chuỗi xích có cấu trúc thẳng, phân nhánh và mạng 3 chiều Keo polyme tổng hợp có tính bám dính cao, thời gian

đông cứng nhanh Khi cho keo vào đất các qúa trình hoá lý, vật lý và hoá học phức tạp giữa các hạt đất và keo, tạo thành chuỗi xích thẳng đi xuyên qua khối

đất, hình thành bộ khung không gian bao bọc các hạt đất hoặc tiếp xúc các hạt

đất, tạo nên cấu trúc không gian thống nhất với polime Keo polime tổng hợp thường được sử dụng để gia cố nền hay làm móng hay mặt đường giao thông với đất không chứa cacbonat và có độ pH nhỏ hơn 7

- Gia cố nền bằng dung dịch vữa ximăng:

Bản chất của phương pháp là phun vào lỗ rỗng của đất đá một lượng vữa ximăng cần thiết để sau khi đông cứng, làm giảm tính thấm và tăng sức chịu tải của nền Phương pháp này được sử dụng rộng rãi đối với các công trình thủy lợi, thích hợp với các loại cát, đất sỏi và các loại nền đá nứt nẻ, đặc biệt hiệu qủa khi kích thước khe nứt > 0,15 mm, tốc độ thấm > 80 m/ngđ nhưng không vượt quá 200 m/ngđ

+ Gia cố nền bằng phụt dung dịch Silicát:

Nếu nền đất và nền đá có độ rỗng và khe nứt nhỏ không thể sử dụng phương pháp phụt vữa ximăng thì người ta dùng phương pháp bơm hóa chất để gia cố Chất hóa học thường dùng là natri silicat ( thủy tinh lỏng –

Na2O2SiO2) và canxi clorua (CaCl2) Phương pháp này sử dụng thích hợp nhất khi đất nền là:

- Cát khô và bão hòa nước, có hệ số thấm từ 2 đến 80 m/ngđ

- Cát nhỏ và cát bụi, có hệ số thấm từ 0,5 đến 5 m/ngđ

- Đất hoàng thổ có hệ số thấm từ 0,1 đến 2m/ngđ

Trường hợp đất có thấm ướt các loại dầu mỡ, tạp chất của dầu hỏa hoặc khi nước ngầm có độ pH > 9 thì không sử dụng được phương pháp này

+ Gia cố nền bằng phương pháp phụt nhựa bitum:

Phương pháp phụt nhựa bitum sử dụng thích hợp trên các nền đá dăm, cuội, sỏi hoặc trong nền đá có nhiều khe nứt Hiện nay, trên thế giới người ta thường dùng hai phương pháp phụt nhựa bitum: phụt nhựa bitum nóng và phụt nhựa bitum lạnh

- Phương pháp phụt nhựa bitum nóng dùng thích hợp trong đá cứng nứt nẻ, hang hốc và trong cuội sỏi Nội dung của phương pháp là phụt nhựa bitum lỏng qua những lỗ khoan hoặc ống phụt vào trong lỗ rỗng của nền hoặc khe nứt Nhược điểm của phương pháp này là thiết bị thi công cồng kềnh, phức tạp, nhựa bitum sau khi lạnh thể tích bị giảm nên dễ gây ra biến dạng

- Phương pháp phụt nhựa bi tum lạnh, còn gọi là phương pháp phụt nhũ tương bi tum, dùng để gia cố nền đất cát và đá gốc có khe nứt nhỏ Thường dùng nhũ tương bitum lỏng gồm 65% bitum, 35  40% nước và chất gây ra nhũ tương

3.2.7 Nhóm các phương pháp vật lý gia cố nền đất yếu

+ Gia cố nền bằng phương pháp điện thấm

Bản chất của phương pháp là cắm vào đất dính bão hòa nước hai điện cực, cực dương là thanh kim loại, cực âm là ống kim loại có nhiều lỗ nhỏ Sau khi cho dòng điện một chiều chạy qua, các hạt đất sẽ dịch chuyển về phía cực dương còn nước trong đất sẽ dịch chuyển về phía cực âm Bố trí thiết bị thoát nước về phía cực âm thì lượng nước sẽ thoát ra đáng kể, làm tăng nhanh tốc độ

cố kết, hạ thấp mực nước ngầm

+ Gia cố nền bằng phương pháp điện hoá học:

Phương pháp này dựa vào nguyên lý điện thấm, chỉ khác là người ta đưa vào

đất qua cực dương các dung dịch hoá học như canxi clorua, nattri silicat để khi

có dòng điện chạy qua, các điện cực sẽ bị phá hủy và các sản phẩm phá hủy