Nghiên cứu, đề xuất giải pháp xử lý nền đất yếu đường đầu cầu Bạch Đằng – Tỉnh Quảng Ninh

Giải pháp bấc thấm Giếng cát Cọc cát đầm chặt Cọc xi măng đất. Ngoài phần mở đầu và kết luận. Luận văn kết cấu gồm 3 chương. Chương 1. Tổng quan về đất yếu và các biện pháp xử lý nền đất yếu hiện nay đang áp dụng. Chương 2. Tổng quan về đường dẫn đầu cầu Bạch Đằng – Tỉnh Quảng Ninh Chương 3. Tính toán, so sánh và lựa chọn giải pháp thiết kế nền đất yếu cho đường đầu cầu Bạch Đằng – Tỉnh Quảng Ninh.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

NGUYỄN DUY TRUYỀN

NGHIÊN CỨU, ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU ĐƯỜNG ĐẦU CẦU BẠCH ĐẰNG –

TỈNH QUẢNG NINH

CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG ĐƯỜNG ÔTÔ VÀ ĐƯỜNG

THÀNH PHỐ

MÃ SỐ: 60.58.02.05.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS TRẦN THỊ KIM ĐĂNG

HÀ NỘI - 2016

Học viên xin chân thành cảm ơn trường Đại học Giao thông Vận tảitrong thời gian học tập chương trình cao học vừa qua đã trang bị cho học viênđược nhiều kiến thức cần thiết về các vấn đề kỹ thuật trong lĩnh vực xây dựngcông trình giao thông

Học viên xin chân thành cảm ơn tới Ban giám hiệu, các thầy cô giáotrong trường đã tạo điều kiện giúp đỡ học viên trong suốt quá trình nghiêncứu và hoàn thành luận văn của mình

Đặc biệt, học viên xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS-TS Trần ThịKim Đăng -Trường Đại học Giao thông vận tải đã quan tâm và tận tình hướngdẫn giúp đỡ học viên hoàn thành luận văn này

Xin chân thành cảm ơn tới những người thân, bạn bè đã luôn luôn độngviên và tạo điều kiện thuận lợi cho học viên trong suốt quá trình thực hiệnluận văn

Xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, Tháng 12 năm 2016

Học viên

Nguyễn Duy Truyền

LỜI CẢM ƠN 2

DANH MỤC BẢNG BIỂU 6

DANH MỤC HÌNH VẼ 7

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT 10

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Đối tượng nghiên cứu 3

3 Phạm vi nghiên cứu 3

4 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 3

5 Phương pháp nghiên cứu 4

6 Kết cấu của luận văn 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU VÀ CÁC BIỆN PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU HIỆN NAY ĐANG ÁP DỤNG 5

1.1 Đánh giá địa chất công trình vùng đất yếu 5

1.1.1 Khái niệm về đất yếu 5

1.1.2 Phân biệt nền đất yếu 5

1.1.3 Phân loại đất yếu 6

1.1.3.1 Đất sét mềm 6

1.1.3.2 Bùn 7

1.1.3.3 Than bùn 8

1.1.3 4 Các loại đất yếu khác 8

1.2 Khả năng chịu tải của các tầng đất yếu 9

1.2.1 Tính toán sức chịu tải của nền đất yếu 9

1.2.2 Các yêu cầu khi tính toán sức chịu tải của nền đất yếu 10

1.3 Các giải pháp xử lý nền đất yếu đang được áp dụng hiện nay 11

1.3.1 Mục đích của việc cải tạo và xử lý nền đất yếu 11

1.3.2 Các yêu cầu thiết kế nền đường đắp trên đất yếu 12

1.3.3 Các phương pháp xử lý nền đất yếu tiên tiến hiện nay 15

1.3.3.1 Các giải pháp gia tăng độ cố kết 16

1.3.3.2 Các giải pháp cải tạo điều kiện ổn định trượt 28

1.4 Kết luận chương 1 40

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ ĐƯỜNG DẪN ĐẦU CẦU BẠCH ĐẰNG – TỈNH QUẢNG NINH 42

2.1 Đường dẫn đầu cầu, yêu cầu và các vấn đề kỹ thuật 42

2.1.1 Tổng quan 42

2.1.2 Hiện tượng mất êm thuận tại vị trí tiếp giáp giữa đường và cầu 45

2.1.3 Các kết quả nghiên cứu trước đây về đường dẫn vào cầu 45

2.1.4 Các yếu tố đường dẫn đầu cầu và quy định chung 47

2.1.5 Yêu cầu thiết kế chung thiết kế đường dẫn đầu cầu 48

2.1.5.1 Tính toán và kiểm soát lún nền đường và công trình 48

2.1.5.2 Yêu cầu kỹ thuật đối với đoạn chuyển tiếp giữa đường và cầu 49

2.2 Các nguyên nhân và hiện tượng vênh cao độ tại đường dẫn đầu cầu 55 2.2.1 Khái quát chung 55

2.2.2 Lún nền đường vào cầu 57

2.2.3 Đầm nén chưa đạt yêu cầu và cố kết cuả vật liệu đắp 59

2.2.4 Tính toán kích thước và cấu tạo bản quá độ chưa đúng 60

2.3 Các giải pháp kỹ thuật công nghệ để đoạn đường chuyển tiếp giữa đường và cầu đảm bảo êm thuận 61

2.3.1 Tăng chiều dài cầu hoặc khẩu độ cống để hạ thấp chiều cao đất đắp sau mố cầu, cạnh cống 61

2.3.2 Xử lý đất yếu dưới nền đắp trong phạm vi đoạn chuyển tiếp 61

2.4 Giới thiệu dự án cầu Bạch Đằng – Tỉnh Quảng Ninh 66

2.4.1 Tổng quan về dự án 66 2.4.2 Điều kiện địa chất đường đầu cầu Bạch Đằng – Tỉnh Quảng Ninh.68

2.4.2.2 Đặc điểm địa chất khu vực 68

2.4.2.3 Địa tầng và đặc tính cơ lý của các lớp đất đá 69

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN, SO SÁNH VÀ LỰA CHỌN GIẢI PHÁP THIẾT KẾ NỀN ĐẤT YẾU CHO ĐƯỜNG ĐẦU CẦU BẠCH ĐẰNG – TỈNH QUẢNG NINH 79

3.1 Lựa chọn các chỉ tiêu cơ lý phục vụ tính toán cho đường đầu cầu 79

3.2 Tính toán khi chưa có giải pháp xử lý nền đường đầu cầu 80

3.2.1 Lý thuyết dự báo lún và ổn định tổng thể nền đường 80

3.2.1.1 Phương pháp dự báo độ lún 80

3.2.1.2 Kiểm toán ổn định tổng thể 85

3.2.1.3 Vật liệu đắp nền 87

3.3.1.4 Hoạt tải tác dụng nền đường 87

3.3.1.5 Lý thuyết và phương pháp tính toán Cọc cát đầm (SCP) 88

3.2.2 Kết quả tính toán đường đầu cầu khi chưa có giải pháp xử lý 91

3.3 Các giải pháp xử lý nền đất yếu đề xuất cho đường đầu cầu Bạch Đằng – Quảng Ninh 94

3.3.1 Xử lý nền đường đầu cầu bằng giếng cát (SD) 94

3.3.2 Giải pháp xử lý cọc cát đầm chặt (SCP) 97

3.3.3 Giải pháp xử lý cọc xi măng đất (CMD) 98

3.4 So sánh và lựa chọn biện pháp gia cố phù hợp 102

3.4 Kết luận chương 3 108

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 109

1 Kết luận 109

2 Kiến nghị 111

TÀI LIỆU THAM KHẢO 113

Bảng 1.1 Độ lún cố kết còn lại cho phép tại tim nền đường 13

Bảng 2.1 Quy định độ bằng phẳng theo phương dọc tim đường của đoạn chuyển tiếp giữa đường và cầu, cống 49

Bảng 2.2 Chiều dài bản quá độ theo quy định của Tiêu cbuẩn JTG-D-30-2004 54

Bảng 2.3 Bảng tổng hợp giá trị trung bình cơ lý lớp đất 2 70

Bảng 2.4 Bảng tổng hợp giá trị trung bình cơ lý lớp đất 4 71

Bảng 2.5 Bảng tổng hợp giá trị trung bình cơ lý lớp đất 5 73

Bảng 2.6 Bảng tổng hợp giá trị trung bình cơ lý lớp đất 6a 74

Bảng 2.7 Bảng tổng hợp giá trị trung bình cơ lý lớp đất 7a 75

Bảng 3.1 Bảng giá trị tính toán chỉ tiêu cơ lý các lớp đất đưa vào tính toán 79 Bảng 3.2 Góc ma sát trong và Tỷ lệ phân chia ứng suất theo tỷ lệ thay thế .90 Bảng 3.3 Bảng tổng kết kết quả giải pháp xử lý nền đường đầu cầu Bạch Đằng – Quảng Ninh 102

Bảng 3.4 Các phương pháp xử lý đất yếu khả dụng 104

Hình 1.1 Sơ đồ đào thay đất yếu một phần 18

Hình 1.2 Sử dụng giếng cát để gia xử lý nền đất yếu 18

Hình 1.3a Giải pháp xử lý nền đường bằng giếng cát (SD) 20

Hình 1.3b Sơ đồ bố trí giếng cát mạng lưới hình hoa mai 21

Hình 1.3c Sơ đồ bố trí giếng cát mạng lưới ô vuông 21

Hình 1.4 Giải pháp xử lý nền đường bằng bấc thấm (PVD) 23

Hình 1.5 Quy đổi mặt cắt ngang tương đương của bấc thấm dựa vào thông số a và b 24

Hình 1.6a Sơ đồ bố trí bấc thấm mạng lưới hình hoa mai 24

Hình 1.6b Sơ đồ bố trí bấc thấmmạng lưới ô vuông 25

Hình 1.7 Mô hình xử lý nền bằng bơm hút chân không 25

Hình 1.8 Bố trí nước trong lầy theo phương pháp điện thấm 27

Hình 1.9 Sử dụng gia tải tạm thời để tăng tốc độ cố kết 28

Hình 1.10: Bệ phản áp để gia tăng độ ổn định mái dốc 29

Hình 1.11:Các ứng dụng của cọc cát đầm chặt 31

Hình 1.12.: Phương pháp thi công cọc cát đầm chặt (SCP) 32

(Theo Aboshi và Suematsu 1985) 32

Hình 1.13: Thiết bị thi công cọc cát đầm chặt SCP 33

Hình 1.14 Mô hình xử lý nền bằng cọc xi măng đất 35

Hình 1.15 Sơđồ bố trí vải địa kỹ thuật gia cường lớp nền đắp 37

Hình 2.1 Các vấn đề có thể phát sinh tại chỗ tiếp giáp giữa đường đầu cầu và cầu 42

Hình 2.2 Tỷ lệ sử dụng các giải pháp thiết kế tại khu vực nghiên cứu 44

Hình 2.3 Sự thay đổi đột ngột độ cứng nền đường tại vị trí tiếp giáp 45

Hình 2.4 Sơ đồ làm việc của kết cấu bản quá độ 46

Hình 2.5 Giới hạn độ bằng phẳng theo phương dọc Briaud, J.L (1997) 46

Hình 2.6 Quy định về độ bằng phẳng theo phương dọc tim đường của đoạn chuyển tiếp giữa đường và cầu (cống) 48

Hình 2.8 Tỉ lệ thay đổi độ lún theo phương dọc 53

Hình 2.9 Cách xác định đoạn chuyển tiếp đầu cầu 53

Hình 2.10 Bố trí bản quá độ 55

Hình 2.11 Minh họa bước nhảy tại đường đầu cầu 59

Hình 2.12a Xử lý đất yếu thay một phần đất yếu 62

Hình 2.12b Xử lý đất yếu bằng công nghệ bấc thấm kết hợp gia tải trước 62

Hình 2.12c Xử lý đất yếu bằng công nghệ giếng cát kết hợp gia tải trước 63

Hình 2.12d Xử lý đất yếu bằng công nghệ bấc thấm kết hợp cố kết chân không 63

Hình 2.13 Xử lý đất yếu bằng công nghệ cọc gia cường 64

Hình 2.14: Giải pháp thay đổi chiều dài và mật độ độ cọc ở đoạn đường chuyển tiếp để đảm bảo chuyển đổi êm thuận độ lún giữa đường và cầu, cống .65

Hình 2.15a Giải pháp đổi chiều dài và mật độ độ cọc và sàn giảm tải theo dạng bậc thang để đảm bảo chuyển đổi êm thuận độ lún giữa đường và cầu, cống 66

Hình 2.15b Phạm vi dự án cầu Bạch Đằng – Quảng Ninh 67

Hình 2.15c Tổng thể kết nối cầu Bạch Đằng liên kết Hải Phòng – Quảng Ninh 68 Hình 2.16 Cắt dọc và bình đồ địa chất đoạn tuyến đi qua Km19+800 -:-Km20+300 74

Hình 2.17 Cắt dọc và bình đồ địa chất đoạn tuyến đi qua Km20+300-:-Km20+800 75

Hình 2.18 Cắt dọc và bình đồ địa chất đoạn tuyến đi qua Km20+800-:-Km21+200 76

Hình 2.19 Cắt dọc và bình đồ địa chất đoạn tuyến đi qua Km21+200 -:-Km21+600 77

Hình 3.1a Mô hình kiểm toán ổn định trượt 86

Hình 3.1b Mô hình kiểm toán trượt sử dụng VĐKT gia cường 87

Hình 3.2a Sơ đồ xếp xe xác định hoạt tải tác dụng nền đường 87

Hình 3.2c Sơ đồ bố trí và quan niệm thiết kế Cọc cát đầm (SCP) 89

Hình 3.3 Kết quả kiểm toán ổn định tổng thể khi chưa có giải pháp xử lý 93

Hình 3.4 Dữ liệu cho thiết kết xử lý nền đầu cầu bằng SD 95

Hình 3.5 Kết quả xử lý đường đầu cầu bằng SD 96

Hình 3.6 Tiến trình đắp và lún giải pháp xử lý SCP 98

Hình 3.7 Kết quả kiểm toán ổn định tổng thể nền đường giải pháp CMD .101 Hình 3.8 Tiêu chuẩn thiết kế nền đường đắp của dự án 102

Hình 3.9 Lưu đồ thiết kế cải tạo đất 103

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Việt Nam 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 Bắc Bộ có điều kiện địachất phức tạp, nhiều khu vực có điều kiện địa chất đặc biệt yếu (chiều dàylớp đất yếu lớn) như Hải Phòng, Hải Dương vì vậy khi thiết kế các tuyếnđường qua những khu vực có điều kiện địa chất phức tạp cần được nghiêncứu kỹ lưỡng đến vấn đề đảm bảo độ lún dư quy định cũng như độ ổn địnhtổng thể của nền đường

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 việcphân tích lựa chọn giải pháp xử lý tình trạng lún và ổn định tổng thể nềnđường đầu cầu là những vấn đề cần quan tâm, xem xét cẩn thận để mang lạihiệu quả tối đa trong quá trình đầu tư xây dựng cơ sở hạ tầng

Hiện tại ở Việt Nam có rất nhiều biện pháp xử lý nền đất yếu được tiếpcận và đưa vào áp dụng cho các dự án lớn có đi qua các khu vực có địa chấtphức tạp như các dự án đường cao tốc Hà Nội - Hải Phòng, cao tốc Hà Nội -Lào Cai, cao tốc Hà Nội - Bắc Giang, cao tốc Đà Nẵng Quảng Ngãi , cụ thể:

- Phương pháp thay đất (dùng khi bề dày lớp đất yếu mỏng, có chiềudày đất yếu từ 2-4m);

- 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 (PVD) hoặc giếng cát (SD) Bấc thấm dùng vật liệu thấm nhân tạo(PVD) còn giếng cát thường dùng các cọc có đường kính D = 35÷45 cm;

Phương pháp vừa có tác dụng tăng nhanh cố kết, giảm lún và tăng khảnăng ổn định tổng thể nền đường cọc cát đầm chặt (SCP), giải pháp lần đầutiên được áp dụng vào đường cao tốc Hà Nội - Hải Phòng

- 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;

- 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 ứng với vùng quy địnhcủa chúng, tùy theo điều kiện địa chất, chiều cao nền đắp cụ thể và kinh phíđầu tư mà đề ra phương án phù hợp, trong nhiều trường hợp có thể kết hợphai phương án để tăng hiệu quả xử lý

Dự án cầu Bạch Đằng, đường dẫn và nút giao cuối tuyến có chiều dài5,41km, rộng 25m, diện tích đất sử dụng 41,9ha, được thiết kế 4 làn xe, vậntốc tối đa 100km/h Điểm đầu kết nối với điểm cuối Dự án đường nối TP HạLong với cầu Bạch Đằng (Km19+800), điểm cuối kết nối với cao tốc Hà Nội

- Hải Phòng Riêng cầu Bạch Đằng dài 3,054km, có kết cấu vĩnh cửu bằngthép, bê tông cốt thép, bê tông cốt thép dự ứng lực, tĩnh không thông thuyềnrộng 250m, cao 48,4m, chịu được động đất cấp VIII Cầu có 3 trụ tháp (trụtháp giữa cao 99,74m, trụ tháp 2 bên cao 94,5m với 4 nhịp cầu dây văng, 2nhịp chính dài 250m, 2 nhịp 2 bên dài 100m hình nan quạt)

Bắc qua sông Bạch Đằng, cây cầu khi hoàn thành sẽ rút ngắn quãngđường TP Hạ Long (Quảng Ninh) - Hà Nội từ 180 km xuống còn 130 km; từ

Hạ Long đi Hải Phòng xuống còn 25 km, thay vì 75 km như hiện tại Dự ánđược đầu tư theo hình thức BOT với tổng kinh phí lên tới hơn 7.600 tỷ đồng.Trong đó, hơn 7.200 tỷ đồng do Công ty Cổ phần BOT cầu Bạch Đằng gồmliên danh 8 nhà đầu tư, số còn lại là từ ngân sách nhà nước

Đường đầu cầu Bạch Đằng đi qua có điều kiện địa chất yếu phức tạp,chiều dày lớp đất yếu thay đổi từ 12-30m, do là đường đầu cầu nên hầu hếtchiều cao đắp nền thay đổi từ 3 đến 8m do dễ gây mất ổn định tổng thể và độlún nền đường nếu không có xử lý nền đất yếu, do vậy khi tiến hành nghiêncứu xây dựng qua những khu vực như trên cần có nghiên cứu kỹ lưỡng nhữngbiện pháp xử lý nền một cách triệt để đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật đề ra, đểtuyến đường sau khi hoàn thành đi vào hoạt động được êm thuận và hiệu quả.Nhằm đáp ứng được những yêu cầu về độ lún và ổn định tổng thể nền đườngđầu cầu đảm bảo kỹ thuật và kinh tế trên tuyến đường dự án cầu Bạch Đằng,

tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu, đề xuất giải pháp xử lý nền đất yếu đường đầu cầu Bạch Đằng – Tỉnh Quảng Ninh”

2 Đối tượng 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 ngoàinước

Nghiên cứu mô hình số trên cơ sở sử dụng các chương trình tính có độtin cậy cao như phương pháp phần tử hữu hạn, các phần mềm tính toán kếtcấu

Qua nghiên cứu điều kiện địa chất và tính toán độ lún cũng như ổn địnhnền đường khi chưa có giải pháp xử lý, từ đó đề xuất ra phương án xử lý nếu

nó không đạt yêu cầu về độ lún và ổn định tổng thể nền đường đầu cầu

5 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu dựa trên cơ sở lý thuyết về tính toán độ lún và ổn định nềnđường phổ biến hiện nay để áp dụng vào dự án, bên cạnh đó kết hợp với việcthu thập xử lý số liệu quan trắc hiện trường để so sánh đối chiếu và kết luận

6 Kết cấu của luận văn

Ngoài phần mở đầu và kết luận Luận văn kết cấu gồm 3 chương

Chương 1 Tổng quan về đất yếu và các biện pháp xử lý nền đất yếu

hiện nay đang áp dụng

Chương 2 Tổng quan về đường dẫn đầu cầu Bạch Đằng – Tỉnh Quảng

Ninh

Chương 3 Tính toán, so sánh và lựa chọn giải pháp thiết kế nền đất yếu

cho đường đầu cầu Bạch Đằng – Tỉnh Quảng Ninh

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU VÀ CÁC BIỆN PHÁP XỬ

LÝ NỀN ĐẤT YẾU HIỆN NAY ĐANG ÁP DỤNG 1.1 Đánh giá địa chất công trình vùng đất yếu

1.1.1 Khái niệm về đất yếu

Nền đất yếu (Compessible soil) là nền nằm dưới đất đắp, là loại sét cótrạng thái từ dẻo mềm đến nhão, có tính chịu nén lớn và tuỳ theo hàm lượngvật chất hữu cơđược gọi là bùn (soft organic soil) hoặc than bùn (peat)

Khi đất đắp nằm trên nền đất yếu thì độ ổn định và mức độ biến dạng củachúng không chỉ phụ thuộc vào chất lượng đất đắp mà chủ yếu phụ thuộc vàonền đất yếu

Nghiên cứu xử lý nền đất yếu là nghiên cứu bản chất trạng thái hoạt độngcủa chúng, đánh giá độ ổn định, biến dạng và đề ra các giải pháp xử lý, gia cố

để công trình đắp trên nền đất yếu được an toàn, đạt được yêu cầu kinh tế kỹthuật cho thiết kế, thi công và khai thác sử dụng

Đất mềm yếu nói chung là loại đất có khả năng chịu tải nhỏ (áp dụng chođất có cường độ kháng nén quy ước dưới 0,50 daN/ cm2), có tính nén lún lớn,

hệ số rỗng lớn (eoi>1), có môđun biến dạng thấp (Eo< 50 daN/cm2), và có sứckháng cắt nhỏ Khi xây dựng công trình trên đất yếu mà thiếu các biện pháp

xử lý thích đáng và hợp lý thì sẽ phát sinh biến dạng thậm chí gây hư hỏngcông trình Nghiên cứu xử lý đất yếu có mục đích cuối cùng là làm tăng độbền 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

1.1.2 Phân biệt nền đất yếu

Cách phân biệt nền đất yếu ở trong nước cũng nhưở nước ngoài đều cócác tiêu chuẩn cụ thể để phân loại nền đất yếu

 Theo nguyên nhân hình thành: loại đất yếu có nguồn gốc khoáng vậthoặc nguồn gốc hữu cơ

- Loại có nguồn gốc khoáng vật : thường là sét hoặc á sét trầm tíchtrong nước ở ven biển, vùng vịnh, đầm hồ, thung lũng

- Loại có nguồn gốc hữu cơ : hình thành từ đầm lầy, nơi nước tích đọngthường xuyên, mực nước ngầm cao, tại đây các loại thực vật phát triển, thốirữa phân huỷ tạo ra các vật lắng hữu cơ lẫn với trầm tích khoáng vật

 Phân biệt theo chỉ tiêu cơ lý (trạng thái tự nhiên)

Thông thường phân biệt theo trạng thái tự nhiên và tính chất cơ lý củachúng như hàm lượng nước tự nhiên, tỷ lệ lỗ rỗng, hệ số co ngót, độ bão hoà,góc nội ma sát (chịu cắt nhanh) cường độ chịu cắt

 Phân biệt đất yếu loại sét hoặc á sét, đầm lầy hoặc than bùn (phân loạitheo độ sệt)

1.1.3 Phân loại đất yếu

Nói chung các dạng đất yếu thường có những đặc điểm sau:

- Thường là loại đất sét có lẫn hữu cơ hoặc nhiều hoặc ít

- Hàm lượng nước cao và trọng lượng thể tích nhỏ

- Độ thấm nước rất nhỏ

- Cường độ chống cắt nhỏ và khả năng nén lún lớn

Ở Việt Nam thường gặp các loại đất sét mềm, bùn và than bùn Ngoài ra

ở một số vùng còn gặp loại đất có ở nhiều tính chất của loại đất lún sậpnhưđất Badan ở Tây Nguyên và thỉnh thoảng còn gặp các vỉa cát chảy lànhững loại đất yếu có những đặc điểm riêng biệt

1.1.3.1 Đất sét mềm

Theo quan điểm địa kỹ thuật thì không có sự phân biệt rõ ràng giữa đấtsét mềm và bùn Tuy nhiên ở đây ta hiểu đất sét mềm là loại đất sét hoặc á séttương đối chặt, bão hoà và có cường độ cao hơn so với bùn Đất sét mềm cónhững đặc điểm riêng biệt nhưng cũng có nhiều tính chất chung của các đất

đá thuộc loại sét, đó là sản phẩm ở giai đoạn đầu của quá trình hình thành đất

đá loại sét Đất sét gồm chủ yếu là các hạt nhỏ như thạch anh, fenspat (phầnphân tán thô) và các khoáng vật sét (phần phân tán mịn) Các khoáng vật sét

này là các silicat alumin có chứa các ion Mg, K, Ca, Na và Fe , chia thành

ba loại chính là ilit, kaolinit, môn-mônrilônit Đây là những khoáng vật làmcho đất sét có đặc tính riêng của nó

Ilit là khoáng vật đại biểu của nhóm hi-dromica – hidromica đượcthành tạo chủ yếu là ở môi trường kiềm (PH tới 9.5), trung tính và axit yếu,luôn chứa khá nhiều kali trong dung dịch Về cấu tạo màng tinh thể, ilit chiếm

vị trí trung gian giữa kaolinit và môn-mônrilônit

Kaolinit được thành tạo do phong hoá đá phún xuất, đá biến chất và đátrầm tích trong điều kiện khí hậu khác nhau nhưng nhất thiết phải ẩm Đặcđiểm của mạng tinh thể kaolinit là tương đối bền, ổn định

Mônmônrilônit được thành tạo chủ yếu trong quá trình phong hoá đáphún xuất và điều kiện môi trường kiềm (PH = 7 – 8.5), khí hậu khô, ôn hoà

và ẩm

Các hạt sét và hoạt tính của chúng với nước trong đất làm cho đất sétmang những tính chất mà những loại đất khác không có: tính dẻo và sự tồn tạicủa gradien ban đầu, khả năng hấp thu, tính chất lưu biến từ đó mà đất sét cónhững đặc điểm riêng về cường độ, tính biến dạng

Một trong những đặc điểm quan trọng của đất yếu mềm là tính dẻo.Nhân tố chủ yếu chi phối độ dẻo là thành phần khoáng vật của nhóm hạt kíchthước nhỏ hơn 0.002 mm và hoạt tính của chúng đối với nước Một trongnhững tính chất quan trọng nữa của đất sét là độ bền cấu trúc (hay cường độkết cấu Œc) của chúng Nếu tải trọng truyển lên đất nhỏ hơn trị số Œc thì biếndạng dần ứng suất trong đất khi biến dạng không đổi, gọi là sự chùng ứngsuất Thời gian mà ứng suất gây nên biến dạng đang xét giảmđi e=2.7183 lầngọi là chu kỳ chùng ứng suất

1.1.3.2 Bùn

Theo quan điểm địa chất thì bùn là các lớp đất mới được tạo thànhtrong môi trường nước ngọt hoặc môi trường biển, gồm các hạt rất mịn, bảnchất khoáng vật thay đổi và thường có kết cấu tổ ong Tỷ lệ phần trăm cácchất hữu cơ nói chung dưới 10% Bùn được thành tạo chủ yếu do sự bồi lắngtại các đáy biển, vũng, vịnh, hồ hoặc các bãi bồi cửa sông, nhất là các cửasông chịu ảnh hưởng của thuỷ triều Bùn luôn no nước và rất yếu về mặt chịulực

Cường độ của bùn rất nhỏ, biến dạng rất lớn ( bùn có đặc tính là nénchặt không hạn chế kèm theo sự thoát nước tự do), modun biến dạng chỉ vàokhoảng 1 – 5 daN/cm2 ( với bùn sét) và từ 10 – 15 daN/cm2 (với bùn á sét, ácát), hệ số nén lún thì có thể đạt tới 2 - 3 cm2/daN Như vậy bùn là nhữngtrầm tích nén chưa chặt và dễ bị thay đổi kết cấu tự nhiên, do đó việc xâydựng trên bùn chỉ có thể thực hiện được sau khi áp dụng các biện pháp xử lýđặc biệt

1.1.3.3 Than bùn

Than bùn là đất yếu nguồn gốc hữu cơ , được thành tạo do kết quả phânhuỷ các di tích hữu cơ ( chủ yếu là thực vật) tại các đầm lầy Than bùn códung trọng khô rất thấp ( 3 – 9 KN/m3), hàm lượng hữu cơ chiếm 20 – 80%,thường có mầu đen hoặc nâu sẫm, cấu trúc không mịn, còn thấy tàn dư thựcvật Trongđiều kiện tự nhiên, than bùn có độ ẩm cao, trung bình từ 85 – 95%

và có thể đạt hàng trăm phần trăm Than bùn là loại đất nén lún lâu dài, khôngđều và mạnh nhất: hệ số nén lún có thể đạt từ 3.8 – 10 cm2/daN

rất nhỏ, có thể bỏ qua, còn vượt quá Œc thì đường cong quan hệ giữa hệ

số rỗng và áp lực bắt đầu có độ dốc lớn

Tính lưu biến cũng là tính chất quan trọng của đất sét yếu Đất sét yếu

là môi trường dẻo nhất Chúng có tính từ biến và có khả năng thay đổi độ bềnkhi chịu tác dụng lâu dài của tải trọng Khả năng đó gọi là tính lưu biến.Ngoài sự từ biến, trong tính chất lưu biến của đất sét còn có biểu hiện giảm

1.1.3 4 Các loại đất yếu khác

a) Cát chảy

Cát chảy là loại cát hạt mịn, có kết cấu rời rạc, khi bão hoà nước có thể

bị nén chặt hoặc pha loãng đáng kể, có chứa nhiều chất hữu cơ hoặc sét Loạicát này khi chịu tác dụng chấn động hoặc ứng suất thuỷ động thì chuyển sangtrạng thái lỏng nhớt gọi là cát chảy Trong thành phần hạt cát chảy, hàmlượng cát hạt bụi ( 0.05 – 0.002mm) chiếm 60 – 70 % hoặc lớn hơn Ở trạngthái thiên nhiên, cát chảy có thể có cường độ và khả năng chịu lực tương đốicao nhưng khi bị phá hoại kết cấu và làm rời rạc thì không còn tính chất đónữa, lúc đó cát chuyển sang trạng thái chảy như chất lỏng Ngoài ra còn cóloại cát chảy giả, chỉ bị chảy khi có áp lực thuỷ động Thành phần cát chảygiả là cát mịn sạch không lẫn vật liệu keo Khi gặp cát chảy cần nghiên cứu

kỹ, xác định chính xác nguyên nhân phát sinh, phát triển để áp dụng các biệnpháp xử lý thích hợp

b) Đất ba dan

Đất ba da là một loại đất yếu với đặc điểm là độ rỗng rất lớn, dungtrọng khô rất thấp, thành phần hạt của nó gần giống với thành phần hạt củađất á sét, khả năng thấm nước rất cao

1.2 Khả năng chịu tải của các tầng đất yếu

1.2.1 Tính toán sức chịu tải của nền đất yếu

Công thức tổng quát tính sức chịu tải của đất nền được tính toán theoMeyerhof (1963) tương tự như của Tezaghi có xét thêm các hệ số hình dạng

và hệ số tải trọng Cụ thể như sau:

Trong đó:

F cs , F qs , F s : Hệ số hình dạng

F cd , F qd , F d : Hệ số ảnh hưởng chiều sâu chôn móng

F ci , F qi , F i : Hệ số ảnh hưởng của độ nghiêng tải trọng tác dụng lên nền

đường

N c : Hệ số khả năng chịu tải - ảnh hưởng lực dính.

N q : Hệ số khả năng chịu tải - ảnh hưởng tải trọng bề mặt

N: Hệ số khả năng chịu tải - ảnh hưởng tải của đất xung quanh móng c’: Hệ số lực dính của đất.

q = Hm* m : Tải trọng bề mặt

: Dung trọng của đất

Đối với nền đất yếu, nền đất dưới tác dụng của tải trọng nền đườngluôn đạt trạng thái bão hòa Với điều kiện không cố kết, không thoát nước sứcchịu tải của đất nền được tính toán theo công thức sau đây:

Trong đó:

C u : Sức kháng cắt của đất không cố kết, không thoát nước

σ’ vo = Hm* m

1.2.2 Các yêu cầu khi tính toán sức chịu tải của nền đất yếu

Sức chịu tải thiết kế cho phép của nền đất được tính theo công thức:

1.3 Các giải pháp xử lý nền đất yếu đang được áp dụng hiện nay

Do đất yếu có khả năng chịu tải thấp, mức độ biến dạng lớn nên cầnthiết phải có các biện pháp xử lý trước khi xây dựng công trình bên trên Đốivới công trình đường và công trình đắp ở Việt Nam hiện nay, các biện pháp

xử lý được phân chia làm 2 nhóm chính:

- Các biện pháp gia cường thường được áp dụng như: Vải địa kỹ thuật,lưới địa kỹ thuật, đất trộn vôi, trộn ximăng, silicat Trong trường hợp này, đấtnền và đất trong khối đắp sau khi được gia cường có khả năng chịu tả i caohơn, tính biến dạng giảm, từ đó độ ổn định của công trình được gia tăng vàđảm bảo điều kiện làm việc của công trình Trong điều kiện thực tế ở Việtnam, các biện pháp vải địa kỹ thuật, đất trộn ximăng thường được sử dụngnhiều nhất

- Các biện pháp xử lý thường được áp dụng như giếng cát, bấc thấm kếthợp gia tải trước hoặc bơm hút chân không Trường hợp này, thời gian cố kếtđược rút ngắn, đất nền nhanh đạt độ lún ổn định để có thể đưa vào sử dụngcông trình

Ngoài ra, việc chọn lựa chiều cao đắp hay bố trí kích thước công trìnhhợp lý cũng có tác dụng làm thay đổi trạng thái ứng suất của đất nền, đảm bảođiều kiện làm việc ổn định Các biện pháp thường được sử dụng trong trườnghợp này là: Đệm cát, làm thoải mái taluy, bệ phản áp

1.3.1 Mục đích của việc cải tạo và xử lý nền đất yếu

Xử lý nền đất yếu nhằm mục đích làm tăng sức chịu tải của nền đất, cảithiện một số tính chất cơ lý của nền đất yếu như: Giảm hệ số rỗng, giảm tínhnén lún, tăng độ chặt, tăng trị số modun biến dạng, tăng cường độ chống cắtcủa đất Đối với công trình thủy lợi, việc xử lý nền đất yếu còn làm giảm tínhthấm của đất, đảm bảo ổn định cho khối đất đắp

Các phương pháp xử lý nền đất yếu gồm nhiều loại, căn cứ vào điều kiệnđịa chất, nguyên nhân và đòi hỏi với công nghệ khắc phục Kỹ thuật cải tạonền đất yếu thuộc lĩnh vực địa kỹ thuật, nhằm đưa ra các cơ sở lý thuyết vàphương pháp thực tế để cải thiện khả năng tải của đất sao cho phù hợp vớiyêu cầu của từng loại công trình khác nhau

Với các đặc điểm của đất yếu như trên, muốn đặt móng công trình xâydựng trên nền đất này thì phải có các biện pháp kỹ thuật để cải tạo tính năngchịu lực của nó Nền đất sau khi xử lý gọi là nền nhân tạo

1.3.2 Các yêu cầu thiết kế nền đường đắp trên đất yếu

1.3.2.1 Các yêu cầu khi tính toán ổn định nền

Nền đắp trên đất yếu phải đảm bảo ổn định, không bị lún trồi và trượtsâu trong quá trình thi công đắp nền và trong suốt quá trình đưa vào khai thác

sử dụng sau đó, tức là phải đảm bảo cho nền đường luôn ổn định

Theo tiêu chuẩn thiết kế nền đắp trên nền đất yếu 22TCN 262-2000 quyđịnh:

- Khi áp dụng phương pháp nghiệm toán ổn định theo cách phân mảnh

cổ điển với mặt trượt tròn khoét xuống vùng đất yếu thì hệ số ổn định nhỏnhất Kmin =1.2 (riêng trường hợp dùng kết quả thí nghiệm cắt nhanh khôngthoát nước ở trong phòng thí nghiệm để tính toán thì Kmin=1.1)

- Khi áp dụng phương pháp Bishop để nghiệm toán ổn định thì hệ số ổnđịnh nhỏ nhất Kmin=1.2 ( ứng với giai đoạn thi công) và Kmin=1.4 (ứng với giaiđoạn hoàn thiện và đưa công trình vào khai thác)

Tốc độ di động ngang không được lớn hơn 5mm/ngày

1.3.2.2 Yêu cầu về độ lún và tiêu chuẩn tính toán thiết kế

Phải tính toán chính xác độ lún Độ lún tuy tiến chiển trậm hơn nhữngcũng rất bất lợi khi độ lún lớn mà không được xem xét ngay từ khi bắt đầuxây dựng thì có thể làm biến dạng nền đắp nhiều, không đáp ứng được yêucầu sử dụng

Ngoài ra khi nền đường lún có thể phát sinh các lực đẩy lớn làm hưhỏng các kết cấu chôn trong đất ở xung quanh (các mố , trụ cầu, cọc ván)

Yêu cầu phải tính được độ lún tổng cộng kể từ khi bắt đầu đắp nềnđường đến khi lún kết thúc để xác định chiều cao phòng lún và chiều rộngphải đắp thêm ở hai bên đường

Khi tính toán độ lún tổng cộng nói trên thì tải trọng gây lún phải xétđến chỉ gồm tải trọng nền đắp thiết kế bao gồm cả phần đắp phản áp (nếu có),không bao gồm phần đắp gia tải trước (nếu có) và không xét đến tải trọng xe

cộ Tuy nhiên hiện nay ở một số dự án đường cao tốc (Hà Nội – Hải Phòng,

Hà Nội – Lào Cai, QL1A) đã và đang có xét đến lún gây ra bởi tải trọng xecộ

Sau khi hoàn thành công trình nền mặt đường xây dựng trên vùng đấtyếu, phần độ lún cố kết còn lại ∆Sr tại trục tim của nền đường được cho phépnhư bảng 1.1 (theo tiêu chuẩn 22TCN262-2000)

Đối với đường cấp 20; 40 và đường chỉ sử dụng kết cấu áo đường mềmcấp cao A2 trở xuống thì không cần để cập đến vấn đề độ lún cố kết còn lạikhi thiết kế

Bảng 1.1 Độ lún cố kết còn lại cho phép tại tim nền đường

Loại cấp đường

Vị trí đoạn nền đắp trên đất yếu

Gần mố cầu

Trên cống hoặc đường chui dân sinh

Các đoạn nền đắp thông thường

- Chiều dài đoạn đường gần mố cầu được xác định bằng 3 lần chiều dàimóng mố cầu liền kề Chiều dài đoạn có cống thoát nước hoặc cống chiu qua

đường ở dưới được xác định bằng 3-:-5 lần bề rộng móng cống hoặc bề rộngcống chui qua đường.

- Đối với các đường có tốc độ 40Km/h trở xuống cũng như các đườngchỉ thiết kế kết cấu áo đường mềm cấp cao A2 hoặc cấp thấp thì không cần đềcập đến yêu cầu về độ lún cố kết còn lại khi thiết kế (Điều này cho phép vậndụng để thiết kế kết cấu áo đường theo nguyên tắc phân kỳ đối với các đườngcấp III trở xuống nhằm giảm chi phí xử lý nền đất yếu)

1.3.2.3 Yêu cầu quan trắc lún

Các yêu cầu chung

Theo tiêu chuẩn thiết kế nền đắp trên nền đất yếu 22TCN 262-2000 quyđịnh:

- Đối với công trình xây dựng trên đất yếu, trong mọi trường hợp, dù ápdụng giải pháp xử lý nào, dù đã khảo sát tính toán kỹ vẫn phải thiết kế hệthống quan trắc lún, chỉ trừ trường hợp áp dụng giải pháp đào vét hết đất yếu

hạ đáy nền đắp đến tận lớp đất không yếu Hệ thống này phải được bố trí theocác quy trình quy phạm hiện hành

- Trong đồ án thiết kế phải quy định chế độ quan trắc lún chặt chẽ:

+ Đo cao độ lúc đặt bàn đo lún và đo lún mỗi ngày một lần trong quátrình đắp nền và đắp gia tải trước, nếu đắp làm nhiều đợt thì mỗi đợt đều phảiquan trắc hàng ngày

+ Khi ngừng đắp và trong 2 tháng sau khi đắp phải quan trắc lún hàngtuần, tiếp đó quan trắc hàng tháng cho đến hết thời gian bảo hành và bàn giaocông trình Mức độ chính xác phải đến mm

+ Đối với các đoạn nền đắp trên đất yếu có quy mô lớn và quan trọnghoặc có điều kiện địa chất phức tạp như đoạn có chiều cao đắp lớn, hoặc phân

bố các lớp địa chất không đồng nhất (có lớp vỏ cứng) khiến cho thực tế cónhững điều kiện khác nhiều với các điều kiện dùng trong tính toán ổn định vàlún thì nên bố trí thêm hệ thống quan trắc áp lực nước lỗ rỗng (cùng các điểm

quan trắc mực nước ngầm) và các thiết bị đo lún ở độ sâu khác nhau (thiết bịkiểu guồng xoắn)

- Yêu cầu cụ thể của việc quan trắc lún là:

Xác định được khối lượng đất hoặc cát đắp lún chìm vào trong đất yếu(so với mặt đất tự nhiên trước khi đắp)

Vẽ được biểu đồ quan hệ giữa độ lún tổng cộng S với thời gian (có ghi

rõ thời gian từng đợt đắp nền và đắp gia tải) Dựa vào biểu đồ này để xử lýtách riêng các phần lún tức thời (là các phần lún tăng đột ngột trong thời giancác đợt đắp) và lập ra biểu đồ lún cố kết Sttheo thời gian t kể từ khi kết thúcquá trình đắp nền và đắp gia tải trước

Miêu tả quan hệ St= f (t) thực tế quan trắc được một cách gần đúngnhất bằng một hàm số toán học dạng

Với  và  là các hệ số hồi quy từ số liệu quan trắc lún, để làm cơ sở

dự báo phần độ lún cố kết còn lại

1.3.3 Các phương pháp xử lý nền đất yếu tiên tiến hiện nay

1.3.3.1 Nhận xét chung

Ngành Giao Thông đường bộ của Việt Nam từ những năm cuối thế kỷ

XX có những tiến bộ vượt bậc về số lượng, chiều dài, cấp các tuyến đường.Trong quá trình phát triển, xuất hiện nhiều yêu cầu kỹ thuật; một trong nhữngvấn đề đó là yêu cầu xử lý chỗ tiếp giáp giữa cầu và đường, nguyên nhân vìvới cầu khi thiết kế cần yêu cầu đoạn chuyển tiếp từ đường vào cầu có độ lún

dư còn lại rất nhỏ (độ lún dư còn lại ≤10 cm) Trong khi đó đoạn đường tiếpgiáp với chúng thường đắp cao, nếu nền đất thiên nhiên yếu sẽ dẫn đến có độlún tổng cộng rất lớn nếu như chưa có giải pháp xử lý, do vậy tạo nên chênhlệch cao độ đột ngột giữa đường và công trình cầu; mặt khác đắp cao và đắpnhanh cũng gây mất ổn định gây trượt ngang mố trụ cầu

Việc xử lý nền đường đoạn đầu cầu, để khắc phục độ lún chênh lệch,trong các dự án giao thông ở Việt Nam ngày càng được quan tâm do cácnguyên nhân:

- Các tuyến đường quốc lộ, tỉnh lộ ngày càng được nâng cấp với tốc độthiết kế cao hầu hết đều đạt ≥ 60Km/h (phổ biến là 80Km/h), các trục đườngcao tốc đạt ≥ 100 km/h Do vậy yêu cầu êm thuận rất quan trọng

- Các khu kinh tế và các đô thị lớn của Việt Nam chủ yếu tập trung tạicác vùng đồng bằng, ven biển, trong đó đó quan trọng nhất là vùng đồng bằngchâu thổ sông Cửu Long (miền Nam) và châu thổ sông Hồng (miền Bắc), vàmật độ đường giao thông, cầu cống lớn tại đây cũng rất cao Trong khi đó địachất các khu vực này chủ yếu là bồi tích từ các con sông nên thường có nhiềulớp đất yếu, có khu vực phía cực nam ven biển ở độ sâu 80m trị số SPT vẫn

<10

- Thời gian thi công các dự án thường yêu cầu ngắn trong 1-2 năm, dovậy nếu không xử lý độ lún dư còn rất lớn (trước những năm 1990, thườngthời gian thi công kéo dài, nên sự chênh lệch lún xảy ra chậm) hoặc xảy ramất ổn định (trượt sâu hay trượt phẳng khi đang thi công hay khi khai thác)

Do vậy với tất cả các dự án giao thông hiện nay, vấn đề xử lý nền đấtyếu đều phải được đặt ra, đặc biệt tại đoạn đường vào công trình cầu

Trong phần này sẽ đề cập đến các giải pháp xử ổn định nền đường đầucầu đã sử dụng tại Việt Nam, phạm vi sử dụng, ưu nhược điểm của từng giảipháp

1.3.3.1 Các giải pháp gia tăng độ cố kết

a) Đào một phần hoặc toàn bộ nền đất yếu

Nguyên lý và phạm vi sử dụng: Giải pháp thay đất là đào bỏ lớp đất yếu

và thay bằng đất tốt hay cát (cát hạt thô hay cát hạt mịn) Thường thay đất vớichiều sâu 1m-3m Giải pháp thường sử dụng khi lớp đất yếu nằm sát mặt đấtthiên nhiên, không dày và chiều cao đất đắp không lớn (thường từ 1.5-3m).Nếu thay bằng cát trung và thô sẽ còn tác dụng thoát nước

Theo các kết quả nghiên cứu thì trong cùng một lớp đất yếu tỉ lệ giảmđược độ lún (trị số giảm lún so với độ lún tổng cộng) sẽ bằng khoảng 1,1 -:-1,3 lần tỉ lệđào thay đất (chiều sâu thay đất so với chiều sâu vùng gây lún).Ngoài ra nhờ giảm chiều dài đường thấm đào thay đất cũng góp phần tăngnhanh độ cố kết từđó giảm thời gian chờ lún.

Ưu nhược điểm:

+ Không có tác dụng khi lớp địa chất yếu nằm sâu, hay dày

Dùng cọc tre đóng 25 cọc/m2 cũng là một giải pháp cho phép thay thếviệc đào bớt đất yếu trong phạm vi chiều sâu cọc đóng (thường có thể đóngsâu 2 – 2.5 m) Tương tự có thể dùng cọc tràm loại có đường kính đầu lớn 12

cm, đầu nhỏ 5cm, đóng sâu 3-5 m với mật độ 16 cọc/m2

Chi tiết giải pháp thay đất một phần thể hiện như hình 1.1dưới đây:

Hình 1.1 Sơ đồ đào thay đất yếu một phần b) Xử lý nền đất yếu bằng giếng cát kết hợp gia tải trước (SD)

Nguyên lý và phạm vi sử dụng: Một trong những giải pháp gia cốđất,

bằng cách cho thoát nước thẳng đứng bằng mao dẫn, thông qua các cọc bằngcát trung hoặc thô, D=30-50cm (phổ biến là 40cm) có hệ số thấm lớn vớichiều dài có thể tới 28-30m, xuyên qua các lớp đất yếu, do tính chất mao dẫn,nước được dẫn theo chiều thẳng đứng, sau đóđược chảy ngang theo lớp đệmcát đặt trên đỉnh các cọc cát Nếu các cọc cát chủ yếu để thoát nước thẳngđứng thì gọi là giếng cát, nếu có thêm chức năng để tăng cường độ của đất, thìgọi là cọc cát (thực ra giếng cát cũng có chức năng này nhưng nhỏ) Giải phápthi công là dùng máy khoan hay ấn các ống thép rỗng đến độ sâu cần thiết,sau đó lèn chặt cát hạt thô hay trung bằng rung, khi rút lên đầu của ống mở ra,

để lại cát

NÒN §¾P

GiÕng c¸t

Hình 1.2 Sử dụng giếng cát để gia xử lý nền đất yếu

Ưu nhược điểm:

- Ưu điểm:

+ Sử dụng trong vùng có đất yếu dày, nằm sâu hơn bấc thấm

+ Khả năng chống mất ổn định trượt sâu, cao hơn bấc thấm, vì ngoàitác dụng chính là thoát nước để cố kết đất, còn có tác dụng cải thiện đất ngaytrong quá trình thi công giếng cát (lèn đất và thay đất yếu bằng cát trung trongcác giếng cát)

- Nhược điểm:

+ Phải có thiết bị thi công, nhất là khi cần cắm giếng cát sâu lớn hơn20m (khi chiều sâu nhỏ, có thể cải tiến máy thi công từ các máy đào, cần cẩu).

+ Phải tốn cát có hệ số thấm cao để lấp giếng (thường dùng cát hạttrung, hạt thô được sàng tuyển kỹ)

+ Có thể xảy ra hiện tượng cát nhồi bị ngắt quãng trong giếng, khi đótác dụng dẫn nước bị giảm

+ Tiến độ thi công chậm hơn bấc thấm

+ Cần lưu ý rằng khi sử dụng giếng cát gia cố nền đất yếu cần đảm bảođạt được độđồng đều của cát trong suốt chiều dài giếng cát, tránh hiện tượngđứt đầu giếng cát dưới tác dụng các loại tải trọng

Xử lý nền đất yếu bằng giếng cát sẽ phát huy hiệu quả cao nếu đất yếu

có hàm lượng hữu cơ không lớn (thường <10%) và tải trọng đắp lớn hơn áplực tiền cố kết của đất yếu

Cấu tạo hệ thống xử lý nền đất yếu bằng giếng cát kết hợp gia tải trước thường có ba bộ phận chính: lớp đệm cát, giếng cát, tải trọng tạm (hình 1.2).

- Lớp đệm cát:

+ Ngoài chức năng phân bố lại ứng suất trong đất nền do ứng suất tậptrung vào lớp cát thay thế, lớp đệm cát đóng vai trò như lớp đệm thoát nước.Nước lỗ rỗng trong đất bị nén ép bởi tải trọng khối đắp gia tải bên trên sẽthoát hướng về giếng cát, từ các giếng cát nước lỗ rỗng này theo môi trườngcát trong giếng (có tính thấm tốt) thoát về phía đệm cát, đệm cát dẫn nướcthoát ngang và tiêu tán ra ngoài

Hình 1.3a Giải pháp xử lý nền đường bằng giếng cát (SD)

- Các thông số của giếng cát:

+ Thường dùng cát hạt thô, hạt trung (có hệ số thấm lớn)

+ Đường kính giếng cát thường sử dụng: 0.3 -:- 0.45 m

+ Chiều sâu giếng cát bố trí hết vùng hoạt động chịu nén của nền

+ Sơ đồ bố trí giếng cát thường có hai dạng chủ yếu: lưới tam giác và ôvuông

• Dạng lưới hình tam giác đều (dạng hoa mai) như trong hình 1.3adưới đây:

Hình 1.3b Sơ đồ bố trí giếng cát mạng lưới hình hoa mai

• Dạng lưới hình vuông (như trong hình 1.3b)

Hình 1.3c Sơ đồ bố trí giếng cát mạng lưới ô vuông

- Vật liệu đắp gia tải:

+ Thường dùng cát hoặc đất, nhằm tạo quá trình nén trước nền đấttrước khi đặt tải trọng công trình

+ Chiều cao đắp (hay tải trọng công trình) được chọn sao cho đảm bảođiều kiện ổn định của nền đất yếu và khối đắp, phải tạo ra được ứng suất lớnhơn áp lực tiền cố kết của nền đất để nền đất có thể cố kết

Có khá nhiều phương pháp tính toán khác nhau cho bài toán dự báo độlún của nền đất yếu xử lý giếng cát kết hợp gia tải trước Tổng quát lại, cácgiá trị cần tính toán là:

• Độ lún cố kết cuối cùng (Sc) giá trị độ lún khi mà áp lực nước lỗrỗng thặng dư trong đất nền bị tiêu tán hoàn toàn

• Độ lún theo thời gian (St )

Uv:Độ cố kết trung bình do thoát nước theo phương đứng

Uh:Độ cố kết trung bình do thoát nước theo phương ngang

c) Xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp gia tải trước (PVD)

Nguyên lý và phạm vi sử dụng

Một trong những giải pháp chính để tăng cường độ của đất nền yếu làlàm giảm hàm lượng nước chứa trong đất bằng cách cắm vào trong đất yếumột vật liệu dẫn nước tốt như bấc thấm, cột cát; trên phủ lớp cát đệm để thoátnước ngang (gần đây dùng bấc thấm đặt ngang để tăng khả năng thoát nướcngang)

Bấc thấm làm bằng vật liệu tổng hợp có khả năng dẫn nước tốt (nêngọi là bấc thấm), dùng máy cắm bấc thấm ấn bấc thấm xuống Chiều dài củabấc thấm thông thường từ 10-20m, gần đây có thể tới 28-30m Bấc thấm cócác tính chất vật lý đặc trưng sau:

- Cho nước trong lỗ rỗng của đất thấm qua lớp vải địa kỹ thuật bọcngoài vào lõi chất dẻo

- Lõi chất dẻo chính là đường tập trung nước và dẫn chúng thoát rangoài khỏi nền đất yếu bão hòa nước

Bấc thấm được sử dụng phổ biến trong vùng có đất yếu dày và sâu (cómột số tài liệu khuyến cáo không nên dùng trong đất bùn có hàm lượng chấthữu cơ cao, do các sợi hữu cơ bị hút vào bấc thấm, làm tắc đường dẫn nước,tuy nhiên vấn đề này chưa được kết luận), không dùng khi phía trên lớp đấtyếu là đất cứng, không ấn được cần dẫn bấc thấm

Ưu nhược điểm:

- Ưu điểm:

+ Sử dụng trong vùng có đất yếu dày, nằm sâu

+ Thiết bị thi công tương đối đơn giản, thường cải tiến từ máy đào, cầncẩu thuỷ lực

+ Tiến độ thi công nhanh (hơn giếng cát)

+ Giá thành rẻ hơn giếng cát

+ Tiết kiệm được khối lượng đào đắp (nếu thay đất), giảm được chi phívận chuyển

- Nhược điểm:

+ Không có tác dụng thay đất như giếng cát hay cọc cát

+ Dùng kém hiệu quả khi lớp đất yếu là bùn hữu cơ (vấn đề này đangnghiên cứu)

+ Chiều sâu cắm bấc thấm sâu hạn chế hiệu quả thoát nước, do bấc cóthể bị thay biến hình, không thẳng, có thể bịđứt, nếu bấc dài >20m

+ Phương pháp xử lý này vẫn còn nhiều tồn tại như còn nghi ngờkhông đảm bảo liên tục dưới biến dạng lớn

Cấu tạo hệ thống xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp gia tải trước cũng gồm ba phần chính như hình 1.4 dưới đây:

- Lớp đệm cát và tải trọng tạm tương tự như hệ thống xử lý bằng giếngcát kết hợp gia tải trước

Hình 1.4 Giải pháp xử lý nền đường bằng bấc thấm (PVD)

- Bấc thấm:

+ Quá trình thi công bấc thấm nhanh nếu có máy thi công chuyên dụng.+ Cũng như giếng cát, bấc thấm chỉ nên sử dụng khi có mặt bằng rộng.+ Khi cắm bấc thấm xuống độ sâu lớn thì khả năng thoát nước của bấcthấm sẽ giảm đi do giảm tiết diện ngang của bấc thấm, do các hạt nhỏ tích vàolòng bấc thấm khi qua được màng lọc Trong công trình đường, vùng hoạtđộng chịu nén thường không quá lớn nên bấc thấm kết hợp gia tải trước vẫnđược sử dụng khá rộng rãi

+ Để tiện cho việc tính toán, xem mặt cắt ngang của bấc thấm tươngđương có dạng hình tròn đường kính dw Theo Rixner và Hansbo, dw được tínhnhư sau:

• Dạng lưới hình tam giác đều (như trong hình 1.6a)

Hình 1.6a Sơ đồ bố trí bấc thấm mạng lưới hình hoa mai

Hình 1.6b Sơ đồ bố trí bấc thấmmạng lưới ô vuông

Phương pháp tính toán tương tự như giếng cát nhưng được xét với cácthông số củabấc thấm

d) Xử lý nền đất yếu bằng bơm hút chân không

Nguyên lý của phương pháp này là tạo ra một áp suất hút chân khôngtác động trực tiếp vào khối đất làm giảm áp lực nước lỗ rỗng (hút nước ra),dẫn đến tăng ứng suất hữu hiệu trong nền đất trong khi ứng suất tổng khôngthay đổi, từđó làm tăng quá trình cố kết của nền đất

Theo lý thuyết áp lực của cột khí quyển (xấp xỉ100KN/m2) thay thếcho vật liệu gia tải Trong thực tế, giá trị tải trọng có thểđạt được từ bơm hútchân không xấp xỉ 80KN/m2

Hiện nay công nghệ này đã vàđang được xem là một giải pháp xử lýnền hiệu quả vàứng dụng ở nhiều dự án lớn tại Việt Nam

Hình 1.7 Mô hình xử lý nền bằng bơm hút chân không

Phạm vi ứng dụng:

Áp dụng hiệu quả cho các công trình trên nền đất yếu và rất yếu:

- Các công trình đường giao thông

- Các công trình công nghiệp, kho tàng, bến bãi

- Công trình lấn biển

- Công trình dân dụng thấp tầng và trên diện rộng

Ưu điểm nổi bật:

- Giảm khối lượng thi công do không cần chất tải

- Giá thành rất hợp lý, đặc biệt khi diện tích xử lý nền lớn

- Rút ngắn thời gian thi công rất nhiều so với giải pháp chất tải truyềnthống

- Thân thiện với môi trường

Tuy nhiên, đây là phương pháp xử lý có yêu cầu kỹ thuật thi công phứctạp hơn các phương pháp khác, thiết bị thi công chuyên dụng

Trong quá trình thi công bơm hút chân không, nếu không có biện pháp

xử lý tốt có khả năng gây nứt, lún các công trình lân cận Nên sử dụng chocông trình có yêu cầu gấp về tiến độ

e) Công nghệ sử dụng nguyên lý điện thấm để tăng nhanh độ cố kết của đất:

Công nghệ này đã được Trung Quốc sử dụng thí nghiệm xây dựngđường Ninh Ba từ những thập kỷ 60 thế kỷ trước Theo nguyên lý điện thấmkhi có một dòng điện thông qua đất sét bão hòa nước thì phân tử nước bị phân

ly Nước sẽ tập trung về phía cực âm, còn hạt sét mang điện tích âm sẽ tậptrung về phía cực dương và người ta sẽ bố trí hút nước ở phía cực âm bằngcác ống sắt có đục lỗ để tăng nhanh quá trình cố kết của đất yếu

Vận dụng nguyên lý này người ta thiết kế bố trí một hệ thống điện cựcsao cho nước trong phạm vi dưới nền đắp thoát ra hai bên, trong đó cựcdương có thể dùng các thanh ray đường sắt, cực âm dùng ống sắt 50mm cóchâm lỗ trong phạm vi 1,5m ở dưới để nước trong lầy thoát vào ống khi cho

dòng điện qua lầy Từ cực âm nước được máy bơm hút tháo đi Vì thế cực âmnên đặt trong lỗ khoan có đổ cát to xung quanh để thấm nước vào làm tắc lỗ.

-§ êng èng hót n íc

Cùc d ¬ng

Cùc ©m

Hình 1.8 Bố trí nước trong lầy theo phương pháp điện thấm.

Ở Việt Nam chưa được thông tin về sử dụng giải pháp này trong ngànhGiao Thông

f) Phương pháp gia tải tạm thời

Phương pháp này gồm có việc đặt một gia tải ( thường là 2 – 3 m nềnđắp bổ sung trong vài tháng rồi sẽ lấy đi ở thời điểm t mà ở đó nền đường sẽđạt được độ lún cuối cùng dự kiến như trường hợp với nền đắp không giatải Nói cách khác đây là phương pháp cho phép đạt được một độ cố kết yêucầu trong một thời gian ngắn hơn

Gia tải này phù hợp với điều kiện ổn định của nền đắp Phương phápnày nên dùng khi chiều cao tới hạn cao hơn nhiều so với chiều cao thiếtkế.Nếu chiều dày lớp đất yếu lớn(≥ 5m) thì việc đắp thêm 2m gia tải cũng íthiệu quả

Hình 1.9 Sử dụng gia tải tạm thời để tăng tốc độ cố kết

1.3.3.2 Các giải pháp cải tạo điều kiện ổn định trượt

a) Tăng chiều rộng nền đường, làm bệ phản áp

Giải pháp này chỉ dùng khi đắp nền đường trực tiếp trên đất yếu với tácdụng tăng mức ổn định chống trượt trồi cho nền đường sang hai bên

Bệ phản áp đóng vai trò như là một đối trọng , tăng ổn định và chophép đắp nền đường với các chiều cao lớn hơn ,do đó đat được độ lún cuốicùng trong một thời gian ngắn hơn

Chiều cao bệ phản áp không quá lón để có thể gây trượt trồi (mất ổnđịnh) đối với chính phần đắp phản áp ;khi thiết kế thường giả thiết chiều cao

bệ phản áp bằng 1/3-1/2 chiều cao nền đắp rồi nghiệm toán ổn định theo

phương pháp mặt trượt trụ tròn với bản thân bệ phản áp và đối với nền đắp có

bệ phản áp

Độ chặt đất đắp bệ phản áp nên đạt K ≥ 0.9 (đầm nén tiêu chuẩn)

Hình 1.10: Bệ phản áp để gia tăng độ ổn định mái dốc

 Ưu nhược điểm

- Ưu điểm: Giải pháp này có tác dụng chống trượt sâu, được dùng phổbiến trong hầu hết các dự án Giao thông, kết hợp đồng thời với giải pháp khácnhư thay đất bấc thấm, giếng cát hay dùng tại các đoạn sát đầu cầu hay cốnghộp, đắp cao, thi công nhanh Với một số cầu cao, còn phải dùng phản áp đặttrước mố, để chống trượt dọc cầu

- Nhược điểm của bệ phản áp: Đó là không giảm được thời gian lún cốkết và không những không giảm được độ lún mà còn tăng thêm độ lún (dothêm tải trọng của bệ phản áp ở hai bên) Ngoài ra còn có nhược điểm là khốilượng đắp lớn và diện tích chiếm dụng lớn Giải pháp này cũng không thíchhợp với các loại đất yếu là than bùn và bùn sét

b) Xử lý nền đất yếu bằng cọc cát đầm chặt (SCP)

Thời gian gần đây ở Việt Nam có thêm biện pháp xử lý nền đất yếu cọccát đầm chặt Phương pháp cọc cát đầm chặt là một phương pháp cải tạo đấtyếu đã được phát triển ở Nhật Bản, Hàn Quốc, Thái Lan, Việt Nam Phươngpháp này sử dụng cách rung hạ ống vách thép vào trong các lớp đất yếu vànhồi cát hoặc các vật liệu tương tự vào bên trong để tạo ra các cọc cát đầmchặt

Phương pháp cọc cát đầm (SCP) sử dụng tải trọng nén kết hợp rung đểxuyên một ống nhồi cát và đầm chặt vào lớp đất yếu hoặc có kết cấu xốp, rờirạc làm cho nền đất được nén chặt, hệ số rỗng giảm, từ đó tăng cường độ vàmôđun biến dạng của đất nền Đồng thời dưới áp lực của tải trọng ngoài, cọccát làm việc như một giếng cát thoát nước, quá trình cố kết của nền đất diễn

ra nhanh hơn Khi xử lý nền bằng cọc cát đầm chặt có thể xem cọc cát với đấtnền xung quanh làm việc đồng thời như nền đất hỗn hợp