Các phương pháp xử lý nền đất yếu Đối với nền đất yếu để xây dựng các công trình xử lý nền đất yếu nhằm mục đích làm tăng sức chịu tải của nền đất, cải thiện một số tính chất cơ lý của
Trang 2Tôi xin chân thành cảm ơn Quí thầy cô, các Giáo sư, Phó Giáo sư, Tiến sĩ, và các cán bộ công tác tại Khoa Công trình, Phòng Đào tạo ĐH và SĐH đã giúp tôi hoàn thành Luận văn cũng như trong quá trình học tập tại Trường Đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS Nguyễn Hồng Nam và TS Nguyễn Thành Công đã giúp tôi hoàn thành bản luận văn này Cuối cùng tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới bạn bè, đồng nghiệp tại Viện Thủy công – Viện
KH Thủy lợi VN cũng như gia đình đã giúp đỡ động viên tôi trong quá trình học tập và thực hiện luận văn
Trang 6Hình 1.1: Hầm chui qua cầu Văn Thánh 2 đường Nguyễn Hữu Cảnh 5
Hình 1.2: Hiện trường sự cố sập nhịp dẫn cầu Cần thơ 6
Hình 1.3: Xử lý nền đất yếu dùng đệm cát (Phạm Quang Tuấn, 2003) 9
Hình 1.4: Sơ đồ các dạng bệ phản áp thường được áp dụng (Phạm Quang Tuấn, 2003) 12
Hình 1.5: Cọc cát trong nền đất yếu 14
Hình 1.6: Dây chuyền công nghệ thi công trụ đất xi măng 15
Hình 1.7: Các ứng dụng của trụ đất xi măng trộn sâu 16
Hình 1.8: Cột vật liệu rời 17
Hình 1.9: Trình tự thi công cọc khoan nhồi 20
Hình 1.10: Móng cọc khoan nhồi 20
Hình 1.11: Dùng vải địa kỹ thuật gia cố nền đất yếu 21
Hình 1.10: Cách bố trí hệ thống giếng cát và tải trọng phụ tạm thời 28
Hình 1.12: Các sơ đồ để tính toán giếng cát 29
Hình 1.13: Mô hình nền xử dụng bấc thấm 31
Hình 2.1: Sơ đồ tính toán 34
Hình 2.2: Mô hình phân tố đơn vị của một vật thoát nước được bao quanh bởi trụ đất (Baron, 1948) 37
Hình 2.3: Sơ đồ của trụ đất với vật thoát nước thẳng đứng (theo Hansbo, 1997) 39
Hình 2.4: Chuyển đổi một phân tố đơn vị đối xứng trục thành điều kiện biến dạng phẳng (phỏng theo Hird và nnk, 1992 và Indraratna và Redana, 1997) 41
Hình 2.5: Ví dụ minh hoạ lưới PTHH theo Hird và nnk (1992) (Yildiz, 2009) 42
Hình 2.6: Ví dụ minh hoạ lưới PTHH theo Indraratna và Redana (1997) (Yildiz, 2009) 44
Hình 2.7: Xác định chiều dài tính toán bấc thấm trong các điều kiện thoát nước 45
Trang 7ơ đồ bố trí bấc thấm 52
Hình 2.10: Sơ đồ bố trí bấc thấm dạng lưới ô vuông (theo Yeung, 1997) 55
Hình 2.11: Biểu đồ quan hệ giữa URrR và (T’RrR)R 1 R (theo Yeung, 1977) 57
Hình 2.12: Quan hệ giữa α’ và n (theo Yeung, 1977) 58
Hình 3.1: Mặt cắt ngang điển hình tuyến đường và đê sông (đoạn đắp áp trúc thân đê cũ) 59
Hình 3.2: Sơ đồ tính toán của mặt cắt đường 60
Hình 3.3: Mô phỏng bài toán 61
Hình 3.4: Lưới phần tử hữu hạn 61
Hình 3.5: Biểu đồ các giai đoạn thi công 63
Hình 3.6a: Đường đẳng chuyển vị ngang trong thân và nền đường khi đắp đất đến cao trình +3m 64
Hình 3.6b: Đường đẳng chuyển vị ngang trong thân và nền đường khi xét tải trọng của người và xe đi lại 65
Hình 3.6c: Đường đẳng chuyển vị ngang trong thân và nền đường khi đất cố kết hoàn toàn 65
Hình 3.7: Độ lún tại các điểm trên tim đường theo thời gian 66
Hình 3.8a: Đường đẳng chuyển vị theo phương đứng trong thân và nền đường khi đắp đất đến cao trình +3m 66
Hình 3.8b: Đường đẳng chuyển vị theo phương đứng trong thân và nền đường khi xét tải trọng của người và xe đi lại q = 20 kN/mP 2 P 67
Hình 3.8c: Đường đẳng chuyển vị theo phương đứng trong thân và nền đường khi đất cố kết hoàn toàn 67
Hình 3.9a: Phân bố áp lực nước lỗ rỗng dư khi đắp đến cao trình đỉnh 68
Hình 3.9b: Phân bố áp lực nước lỗ rỗng dư khi xét tải trọng của người và xe đi lại q = 20 kN/mP 2 P 69
Trang 8Biến thiên áp lực nước lỗ rỗng dư theo thời gian tại các điểm trên
đường tim đường 70
Hình 3.10: Kết quả tính ổn định tại giai đoạn đắp đến cao trình +3m 70
Hình 3.11: Sơ đồ các thông số tính toán bấc thấm 71
Hình 3.12: Mặt cắt ngang điển hình tuyến đường đê bao Hải Phòng khi xử lý bằng bấc thấm 72
Hình 3.13 Mặt cắt tính toán mô phỏng theo Hird và nnk (1992) 74
Hình 3.14: Lưới phần tử hữu hạn theo phương pháp Hird và nnk (1992) 74
Hình 3.15: Biểu đồ các giai đoạn thi công 75
Hình 3.16a: Đường đẳng chuyển vị ngang trong thân và nền đường khi đắp đất đến cao trình +3m 77
Hình 3.16b: Đường đẳng chuyển vị ngang trong thân và nền đường khi xét tải trọng của người và xe đi lại q = 20 kN/mP 2 P 77
Hình 3.16c: Đường đẳng chuyển vị ngang trong thân và nền đường khi đất cố kết hoàn toàn 78
Hình 3.17: Độ lún tại các điểm trên đường tim đường theo thời gian 78
Hình 3.18a: Đường đẳng chuyển vị theo phương đứng trong thân và nền đường khi đăp đất đến cao trình +3m 79
Hình 3.18b: Đường đẳng chuyển vị theo phương đứng trong thân và nền đường khi xét tải trọng của người và xe đi lại q = 20 kN/mP 2 P 79
Hình 3.18c: Đường đẳng chuyển vị theo phương đứng trong thân và nền đường khi đất cố kết hoàn toàn 80
Hình 3.19a: Phân bố áp lực nước lỗ rỗng dư khi đắp đến cao trình đỉnh +3m 81
Hình 3.19b: Phân bố áp lực nước lỗ rỗng dư khi khi xét tải trọng của người và xe đi lại q = 20 kN/mP 2 P 81
Hình 3.19c: Phân bố áp lực nước lỗ rỗng dư khi cố kết hoàn toàn 82
Trang 9Hình 3.20: Kết quả tính ổn định tại giai đoạn đắp đến cao trình +3,0m 83
Hình 4.1: Mặt cắt tính toán mô phỏng theo Indraratna và Redana (1997) 86 Hình 4.2: Lưới phần tử hữu hạn theo phương pháp Indraratna và Redana (1997) 87 Hình 4.3a: Đường đẳng chuyển vị ngang trong thân và nền đường khi đắp đất
đến cao trình +3m 88
Hình 4.3b: Đường đẳng chuyển vị ngang trong thân và nền đường khi xét
tải trọng của người và xe đi lại q = 20 kN/mP
2
P
89 Hình 4.3c: Đường đẳng chuyển vị ngang trong thân và nền đường khi đất
cố kết hoàn toàn 89 Hình 4.4: Độ lún tại các điểm trên đường tim đường theo thời gian 90 Hình 4.5a: Đường đẳng chuyển vị theo phương đứng trong thân và nền đường
khi đắp đất đến cao trình +3m 90
Hình 4.5b: Đường đẳng chuyển vị theo phương đứng trong thân và nền đường
khi xét tải trọng của người và xe đi lại q = 20 kN/mP
2
P
91 Hình 4.5c: Đường đẳng chuyển vị theo phương đứng trong thân và nền đường khi đất cố kết hoàn toàn 91 Hình 4.6a: Phân bố áp lực nước lỗ rỗng dư khi đắp đến cao trình đỉnh +3m 92
Hình 4.6b: Phân bố áp lực nước lỗ rỗng dư khi khi xét tải trọng của người và
xe đi lại q = 20 kN/mP
2
P
93 Hình 4.6c: Phân bố áp lực nước lỗ rỗng dư khi cố kết hoàn toàn 93 Hình 4.6d: Biến thiên áp lực nước lỗ rỗng dư theo thời gian tại các điểm trên
đường tim đường 94 Hình 4.7: Mặt cắt tính toán mô phỏng theo Chai và nnk (2001) 95 Hình 4.8: Lưới phần tử hữu hạn theo Chai và nnk (2001) 96 Hình 4.9a: Đường đẳng chuyển vị ngang trong thân và nền đường khi đắp đất
đến cao trình +3m 97
Trang 10Hình 4.9c: Đường đẳng chuyển vị ngang trong thân và nền đường khi đất
cố kết hoàn toàn 98 Hình 4.10: Độ lún tại các điểm trên đường tim đường theo thời gian 99 Hình 4.11a: Đường đẳng chuyển vị theo phương đứng trong thân và nền đường
khi đắp đất đến cao trình +3m 99
Hình 4.11b: Đường đẳng chuyển vị theo phương đứng trong thân và nền đường
khi xét tải trọng của người và xe đi lại q = 20 kN/mP
2
P
100 Hình 4.11c: Đường đẳng chuyển vị theo phương đứng trong thân và nền đường khi đất cố kết hoàn toàn 100 Hình 4.12a: Phân bố áp lực nước lỗ rỗng dư khi đắp đến cao trình đỉnh +3m 101
Hình 4.12b: Phân bố áp lực nước lỗ rỗng dư khi cố kết hoàn toàn khi xét tải
trọng của người và xe đi lại q = 20 kN/mP
2
P
102 Hình 4.12c: Phân bố áp lực nước lỗ rỗng dư khi cố kết hoàn toàn 102 Hình 4.12d: Biến thiên áp lực nước lỗ rỗng dư theo thời gian tại các điểm trên
đường tim đường 103 Hình 4.13: So sánh độ lún tại điểm C(0; 19,5) trong quá trình thi công tính toán theo của 3 phương pháp 104 Hình 4.14: Biến thiên áp lực nước lỗ rỗng theo các giai đoạn đắp theo 3 phương pháp 105 Hình 4.15: Biến thiên áp lực nước lỗ rỗng khi cố kết hoàn toàn theo 3 phương
pháp 106 Hình 4.16: Ảnh hưởng của chiều sâu bấc thấm đến lún của nền tại điểm E(0; 8,5) (tính từ lúc bắt đầu cho đến khi đắp đến đỉnh) 109 Hình 4.17: Ảnh hưởng của chiều sâu bấc thấm đến lún của nền theo thời gian, tại điểm E(0; 8,08) 109 Hình 4.18: Ảnh hưởng của chiều sâu bấc thấm đến tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng
dư lớn nhất trong nền 110
Trang 11Hình 4.19: Ảnh hưởng của chiều sâu bấc thấm đến lún của nền, tại điểm E(0; 8,5) (tính từ lúc bắt đầu đắp cho đến khi đắp đến đỉnh) 112 Hình 4.20: Ảnh hưởng của chiều sâu bấc thấm đến lún của nền theo thời gian, tại điểm E(0; 8,08) 112 Hình 4.21: Ảnh hưởng của chiều sâu bấc thấm đến tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng
dư lớn nhất trong nền 113 Hình 4.22: Ảnh hưởng của khoảng cách bấc thấm đến lún của nền theo thời gian, tại điểm E(0; 8,08) 115 Hình 4.23: Ảnh hưởng của khoảng cách bấc thấm đến tiêu tán áp lực nước lỗ
rỗng dư lớn nhất trong nền 116 Hình 4.24: Ảnh hưởng của độ xáo trộn đến lún của nền, tại điểm E(0; 8,08)
(tính từ lúc bắt đầu thi công cho đến khi đắp đên đỉnh) 118 Hình 4.25: Ảnh hưởng của độ xáo trộn đến lún của nền theo thời gian, tại điểm E(0; 8,08) 119 Hình 4.26: Ảnh hưởng của độ xáo trộn đến tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng dư lớn nhất trong nền 119 Hình 4.27: Ảnh hưởng của hệ số thấm ngang đến lún của nền, tại điểm E(0; 8,08) (kể từ khi bắt đầu đến khi đắp đến đỉnh) 121 Hình 4.28: Ảnh hưởng của hệ số thấm ngang đến lún của nền theo thời gian,
tại điểm E(0; 8,08) 122 Hình 4.29: Ảnh hưởng của hệ số thấm ngang đến tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng
dư lớn nhất trong nền 122 Hình 4.30: Ảnh hưởng của hệ số thấm vùng xáo trộn đến lún của nền, tại điểm E(0; 8,08) (vừa thi công xong) 124 Hình 4.31: Ảnh hưởng của hệ số thấm vùng xáo trộn đến lún của nền theo thời gian, tại điểm E(0; 8,08) 125 Hình 4.32: Ảnh hưởng của hệ số thấm vùng xáo trộn đến tiêu tán áp lực nước
lỗ rỗng dư lớn nhất trong nền 125
Trang 12Bảng 1.1: Các đặc trưng cơ lý của các loại đất yếu 3 Bảng 3.1: Các thông số mô hình đất nền và đất đắp 62 Bảng 3.2: Độ lún và thời gian cố kết tại các điểm trong nền dọc tim đường khi độ
cố kết đạt 90 và 100% 64 Bảng 3.3: Các tham số mô hình đất đắp và đất nền theo mô hình Mohr-Coulomb 73 Bảng 3.4: Độ lún và thời gian cố kết tại các điểm trong nền dọc tim đường khi độ
cố kết đạt 90 và 100% 76 Bảng 4.1: Các tham số mô hình đất đắp và đất nền theo mô hình Mohr-Coulomb 86 Bảng 4.2: Độ lún và thời gian cố kết tại các điểm trong nền dọc tim đường khi độ
cố kết đạt 90 và 100% 88 Bảng 4.3: Các tham số mô hình đất đắp và đất nền theo mô hình Mohr-Coulomb 94 Bảng 4.4: Độ lún và thời gian cố kết tại các điểm trong nền dọc tim đường khi độ
cố kết đạt 90 và 100% 97
Bảng 4.5: So sánh kết quả tính độ lún cực đại (m) theo 3 phương pháp tại các
giai đoạn thi công khác nhau 103
Bảng 4.6: Kết quả tính lún tại điểm C(0; 19,5) của 3 phương pháp 104 Bảng 4.7: So sánh kết quả tính áp lực nước lỗ rỗng dư lớn nhất (kPa) theo 3
phương pháp tại các giai đoạn thi công khác nhau 105 Bảng 4.8: Các tham số thiết kế bấc thấm khi chiều dài thay đổi theo phương
pháp Hird và nnk (1992) 107
Bảng 4.9: Độ lún và thời gian cố kết của nền tại điểm E(0; 8,08) 108
Bảng 4.10: Các tham số thiết kế bấc thấm khi chiều dài thay đổi theo Indraratna
và Redana (1997) 110
Bảng 4.11: Độ lún và thời gian cố kết của nền tại điểm E(0; 8,08) 111
Trang 13Bảng 4.13: Độ lún và thời gian cố kết của nền tại điểm E(0; 8,08) 115
Bảng 4.14: Các tham số thiết kế bấc thấm khi độ xáo trộn thay đổi theo phương pháp Hird và nnk (1992) 116
Bảng 4.15: Độ lún và thời gian cố kết của nền tại điểm E(0; 8,08) 118
Bảng 4.16: Các tham số thiết kế khi hệ số thấm ngang thay đổi theo phương
pháp Hird và nnk (1992) 120
Bảng 4.17: Độ lún và thời gian cố kết của nền tại điểm E(0; 8,08) 121
Bảng 4.18: Các tham số thiết kế khi hệ số thấm trong vùng xáo trộn thay đổi
theo phương pháp Hird và nnk (1992) 123
Bảng 4.19: Độ lún và thời gian cố kết của nền tại điểm E(0; 8,08) 124
Trang 14MỞ ĐẦU
I Tính cấp thiết của đề tài
Nền đất yếu là một trong những yếu tố hàng đầu gây ra các sự cố cho các công trình nói chung và công trình thủy lợi nói riêng, dẫn đến những thiệt hại về người và của Nền đất yếu phân bố rộng ở đồng bằng Bắc Bộ và đồng bằng sông Cửu Long Mặt khác, đây là hai khu vực có tốc độ phát triển kinh tế xã hội nhanh, mật độ xây dựng các khu công nghiệp, khu đô thị mới, các công trình giao thông, công trình thủy lợi không ngừng tăng; vì thế, khi công trình gặp sự cố nó kéo theo rất nhiều yếu tố bị ảnh hưởng, càng làm tăng thiệt hại Tiêu biểu cho các sự cố công trình do nền đất yếu gây nên như sự cố sập nhịp dẫn cầu Cần Thơ vào tháng 9 năm 2007 gây thiệt hại nghiêm trọng về người và của, nguyên nhân là do lún lệch đài móng trụ tạm; Sự cố cầu Văn Thánh 2, quận Bình Thạnh bị nứt, lún sâu tới hàng mét, sau nhiều lần sửa chữa vẫn không có kết quả đáng kể Đặc biệt đối với các công trình thủy lợi như các hệ thống hồ chứa đê bao dù nhỏ hay lớn khi sự cố xảy ra vùng bán kính ảnh hưởng rất lớn không những gây ra thiệt hại về người và của mà còn làm ảnh hưởng đến môi trường; gần đây nhất vào ngày 4 tháng 1 năm 2010 đoạn đê bao dọc theo Rạch Võ (phường Hiệp Bình Chánh Q.Thủ Đức, TPHCM) bị vỡ làm 200
hộ dân bị ngụp lặn trong nước, nguyên nhân dẫn đến sự cố là do việc sử lý nền không đúng yêu cầu Để tránh được những hư hỏng gây thiệt hại lớn và ảnh hưởng xấu tới đời sống xã hội, trước khi xây dựng bất cứ công trình gì việc đánh giá khả
năng chịu tải, biến dạng dưới tác dụng tải trọng, xử lý nền trong vùng đất yếu là một vấn đề quan trọng và hết sức cấp thiết
II Mục đích của đề tài
Đề tài có mục đích nghiên cứu, phân tích các nhân tố ảnh hưởng chủ yếu đến sự làm việc của bấc thấm được sử dụng xử lý nền đất yếu
Trang 15III Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
Thu thập, phân tích các tài liệu đã có trong vùng dự án
Mô phỏng bài toán cố kết thấm nền đất yếu được xử lý bằng bấc thấm theo
phương pháp phần tử hữu hạn, sử dụng phần mềm Plaxis
Đề tài tập trung nghiên cứu và áp dụng tính toán cho công trình đê bao Hải Phòng
IV Kết quả dự kiến đạt được
Phân tích được các nhân tố ảnh hưởng chủ yếu đến sự làm việc của bấc thấm
xử lý nền đất yếu như: chiều sâu cắm bấc, khoảng cách bấc, độ xáo trộn, sức cản, hệ
số thấm ngang
Đề xuất giải pháp thiết kế hiệu quả khi sử dụng bấc thấm xử lý nền công trình
đê bao Hải Phòng
Trang 16CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NỀN ĐẤT YẾU VÀ CÁC BIỆN PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU
1.1 Khái niệm về đất yếu
Đất yếu có khả năng chịu tải nhỏ (0,5÷1 daN/cmP
Khả năng chống cắt bé (ϕ, c bé); khả năng thấm nước bé; hàm lượng nước trong đất
cao, độ bão hòa nước G > 0,8 dung trọng bé
Đất yếu có thể là đất sét yếu, đất cát yếu, bùn, than bùn và đất hữu cơ, đất
thải,…Đất yếu được tạo thành ở lục địa (tàn tích, sườn tích, do gió, …), ở vùng vịnh
(cửa sông, tam giác châu, vịnh biển) hoặc ở biển (khu vực nước nông) Chiều dày
lớp đất yếu thay đổi có thể từ một vài mét đến 35 ÷ 40 m
Các đặc trưng địa kỹ thuật của đất yếu được quyết định bởi chính các thành
phần khoáng vật sét cấu tạo đất và cấu trúc nguyên tử của đất Các đặc trưng cơ lý
nền đất yếu tham khảo Bảng 1.1 (Nguyễn Quang Chiêu và Nguyễn Xuân Đào,
2004)
Bảng 1.1: Các đặc trưng cơ lý của các loại đất yếu
Các đặc trưng Than bùn Đất hữu cơ Bùn Đất sét mềm
Suất biến đổi của CRuR
λ= ∆CRuR/∆σ’ 0.5 0.2 ÷0.3 0.2 ÷0.3 0.2 ÷0.3
Trang 17Khối lượng thể tích khô
Do vậy khi xây dựng công trình trong vùng có nền đất yếu trên, để công trình
làm việc bình thường thì cần phải gia cố và xử lý nền
1.2 Một số sự cố công trình trên nền đất yếu
Những sự cố thường gặp của công trình khi xây dựng trên nền đất yếu là: lún
nhiều, lún không đều và lún kéo dài gây ảnh hưởng đến kết cấu phần trên công trình
và các công trình lân cận
Dưới đây là một số sự cố công trình nghiêm trọng xảy ra gần đây mà nguyên
nhân sự cố là do nền đất yếu
Dự án đường Nguyễn Hữu Cảnh, quận Bình Thạnh do Công ty Thanh niên xung phong (thuộc Lực lượng thanh niên xung phong TP HCM) làm chủ đầu tư Độ
dài suốt tuyến gần 3,7 km Điểm đầu tuyến tại giao lộ đường Tôn Đức Thắng, quận
1, kết thúc tại khu vực chân cầu Sài Gòn với 3 cây cầu trên tuyến: Thị Nghè 2, Văn
Thánh 2 và vượt nút giao thông đầu cầu Sài Gòn
Đường Nguyễn Hữu Cảnh đứng đầu trong số những địa chỉ thường xuyên ngập lụt ở Thành phố Hồ Chí Minh Nguyên nhân bị ngập chủ yếu do lún quá mức, thấp hơn cao độ cần thiết chống triều cường Một kết quả đo đạc của Phân viện Khoa học công nghệ xây dựng cùng Cục giám định và quản lý công trình giao thông cho
thấy, năm 2004 độ lún lớn nhất của đường là 57cm, một năm sau lún đến 70÷80cm Trung bình mỗi tháng, mặt đường lún khoảng 3,3÷8mm Độ lún thực tế của nền
đường nhiều hơn, kéo dài hơn so với dự kiến của thiết kế Nguyên nhân ở đây là do công tác xử lý nền đã không được thực hiện
Trang 18Nằm trên đường Nguyễn Hữu Cảnh, cầu Văn Thánh 2 từ khi đưa vào sử dụng năm 2002 liên tục gặp sự cố lún, nứt, sụt lở Quan trắc nền đường dẫn vào cầu từ
tháng 2/2003 đến nay cho thấy điểm có độ lún lớn nhất trong tháng là 3 cm/tháng, còn lại là 2 cm/tháng, có đoạn lún đến 50 cm so với thiết kế Cục giám định và quản lý công
trình giao thông nhận định, hiện tượng chuyển dịch ngang của mố cầu là do thi công xử
lý nền, đắp các đường dẫn lên cầu không đúng quy trình thiết kế được duyệt Cụ thể như bỏ qua công đoạn đắp đất gia tải chờ lún, thi công nhanh để kịp tiến độ
Thêm vào chi phí để khắc phục những sự cố này đã đẩy mức đầu tư Dự án lên cao Tổng vốn đầu tư xây dựng ban đầu dự án cầu đường Nguyễn Hữu Cảnh là 278
tỷ đồng, sau được điều chỉnh thành hơn 419 tỷ đồng Ngày 30/7/2007 UBND TP HCM chi hơn 141 tỷ đồng sửa chữa cho riêng cầu Văn Thánh và đường dẫn 2 đầu cầu Chi phí bồi thường cho 57 hộ dân bị nứt nhà khoảng gần 4 tỷ đồng
(http://www.vnexpress.net)
1.2.2 Sự cố lún, nứt đốt hầm Thủ Thiêm
Hầm Thủ Thiêm nằm dưới đáy sông Sài Gòn thuộc Dự án đại lộ Đông Tây, là công trình ngầm vượt sông đầu tiên ở Việt Nam Theo thiết kế, đường ngầm này bắt
Trang 19đầu chui xuống đất bởi 2 đoạn dẫn ở hai bờ quận 1 và quận 2, với độ nghiêng 4% Với tổng vốn đầu tư gần 10.000 tỷ đồng, hầm sẽ dìm dưới lòng đất bằng 4 đốt, mỗi
đốt dài 93 m, rộng 33 m, cao 9 m, ở độ sâu xấp xỉ 14 m so với mặt nước giữa sông
Sài Gòn Dự kiến đầu năm 2010, hầm Thủ Thiêm chính thức được vận hành Giữa năm 2008, cơ quan chức năng đã phát hiện nứt rạn bê tông trên bề mặt và một số vết nứt xuyên các đốt hầm dìm Ngoài ra hầm chữ U - hầm dẫn xuống 4 đốt hầm
Thủ Thiêm cũng đang bị lún với tốc độ 10 mm/tháng
trụ cầu đang được xây dựng thì bị đổ sụp, kéo theo giàn giáo cùng nhiều công nhân,
kỹ sư đang làm việc xuống đất Đến ngày 2 tháng 7 năm 2008, Bộ trưởng Xây dựng
Trang 20Theo kết quả điều tra, sự cố xảy ra trong quá trình thi công tại hai nhịp neo của
cầu Cần Thơ, mỗi nhịp dài 40m Qua kiểm tra địa chất, hàng cọc gần phía trụ P14
có mũi cọc tựa trên lớp cát xốp và hàng cọc gần phía trụ P13 có mũi cọc tựa trên lớp cát chặt vừa Điều này dẫn tới hàng cọc gần trụ P14 bị lún nhiều hơn hàng cọc gần trụ P13 làm đài móng trụ tạm T13 nghiêng về trụ P14 Độ lún lệch theo tính toán
đạt 12mm gây mất ổn định trụ tạm T13 và sau đó là sự sụp đổ của các kết cấu bên
trên (tài liệu Ủy ban Quốc gia điều tra sự cố)
1.3 Các phương pháp xử lý nền đất yếu
Đối với nền đất yếu để xây dựng các công trình xử lý nền đất yếu nhằm mục đích làm tăng sức chịu tải của nền đất, cải thiện một số tính chất cơ lý của nền đất yếu như: Giảm nhẹ hệ số rỗng, giảm tính nén lún, tăng độ chặt, tăng trị số môđun biến dạng, tăng cường độ chống cắt của đất v.v… Đối với các công trình thủy lợi, việc sử lý nền đất yếu còn làm giảm tính thấm của đất, đảm bảo ổn định cho khối đất đắp
Đối với những công trình xây dựng trên nền đất yếu thường có hai biện pháp giải quyết
Biện pháp kết cấu bên trên công trình để làm tăng độ cứng, bao gồm việc chọn
sơ đồ kết cấu hợp lý, bố trí khe lún, cấu tạo các gối tựa cứng, chọn loại móng và độ sâu chôn móng thích hợp
Biện pháp thứ hai là gia cố nhân tạo nền đất yếu để tăng sức chịu tải, giảm khả
năng biến dạng Hướng giải quyết này gồm có các nhóm phương pháp như: Nhóm phương pháp nhằm cải tạo sự phân bố ứng suất và điều kiện biến dạng của nền (dùng đệm cát, đệm sỏi, đệm đất, bệ phản áp…), nhóm phương pháp làm tăng độ chặt của đất nền (dùng cọc cát, cọc vôi, nén trước bằng tải trọng tĩnh, nén chặt đất trên mặt và dưới sâu, làm chặt đất bằng năng lượng nổ…), nhóm phương pháp nhằm truyền tải trọng công trình xuống lớp chịu lực tốt (móng cọc, móng trụ, giếng chìm), nhóm phương pháp đất có cốt (dùng các dải kim loại, vải địa kỹ
Trang 21thuật…), nhóm phương pháp xử lý bằng hóa lý (phụt vữa ximăng, silicat hóa, điện
thấm, điện hóa học…)
Tùy theo điều kiện địa chất công trình, địa chất thủy văn khu vực xây dựng và tính chất sử dụng của công trình để chọn biện pháp xử lý thích hợp Đối với những công trình quan trọng cần phải kết hợp cả hai biện pháp trên
Trong phạm vi đề tài này chỉ giới thiệu các phương pháp của biện pháp thứ hai:
Gia cố nhân tạo nền đất yếu
1.3.1 Nhóm ph ương pháp cải tạo sự phân bố ứng suất và điều kiện biến dạng của nền
Khi lớp đất yếu có chiều dày không lớn (thường nhỏ hơn 3m) nằm trực tiếp
dưới móng công trình thì có thể áp dụng các biện pháp xử lý nhân tạo như đệm cát, đệm đá hoặc bệ phản áp, … để gia cố đất nền Việc thay thế lớp đất yếu bằng đệm cát, đệm đá… có tác dụng tăng khả năng chịu lực của nền, giảm bớt độ lún toàn bộ
và lún không đều, đồng thời tăng nhanh quá trình cố kết, giảm kích thước và chiều sâu chôn móng
a) Lớp đệm cát có chiều dày không đổi Áp dụng ở nơi có lớp đất yếu
mỏng nhưng tương đối chặt, cường độ không quá thấp.
b) Lớp đệm cát ở giữa dày, hai bên mỏng Được áp dụng ở nơi có lớp
bùn tương đối dày Ở giữa chịu ứng suất lớn, hai bên chịu ứng suất nhỏ
Trang 22c) Lớp đệm cát ở giữa mỏng, hai bên dày Được áp dụng ở nơi có lớp đất yếu thay đổi Làm dày ở hai bên có tác dụng để không cho bùn bị đẩy
sang và nếu nằm trên đất cứng thì có thể đắp bằng đá
Dùng lớp đệm cát việc thi công đơn giản hơn nhưng thời gian đắp đất tương đối lâu (vì thường kết hợp với giải pháp xây dựng theo từng giai đoạn)
Phương pháp này thích hợp được sử dụng trong các điều kiện sau:
- Chiều cao nền đất đắp từ (6,0÷9,0) mét và lớp đất yếu không quá dày
- Có nguồn khai thác cát ở gần và dễ vận chuyển
Nếu chiều dày lớp đất yếu lớn hơn 3,0 mét hoặc nước ngầm có áp lực tác dụng
trong phạm vi lớp đệm cát, không nên áp dụng các biện pháp xử lý này
Nếu chiều dày lớp đất yếu lớn thì khối lượng đào đất hoặc nạo vét chuyển đi sẽ tăng lên Còn khi nước ngầm có áp lực xuất hiện thì cát trong lớp đệm có khả năng
di động, đồng thời gây ra độ lún phụ thêm dưới móng công trình Lớp đệm cát được thi công sau khi đã đào bỏ một phần lớp đất yếu Có thể bố trí theo các dạng mặt cắt như trên Hình 1.3
Chiều dày của lớp đệm cát trong trường hợp trên phụ thuộc vào ứng suất của nền đất đắp tác dụng lên trên mặt lớp cát Cát làm đệm được thi công trải ra thành từng lớp, chiều dày của mỗi lớp phụ thuộc vào thiết bị đầm nén
Cát để dùng làm lớp đệm tốt nhất là dùng các hạt lớn và các hạt vừa, không lẫn đất bụi Với một số nền không quan trọng lắm và không có mực nước ngầm ở cao thì có thể sử dụng đệm cát đen để hạ giá thành
Trang 23Cát sau khi đầm nén xong phải kiểm tra độ chặt tại hiện trường bằng phao Kôvalep, phương pháp cân trong nước hoặc phương pháp xuyên
Việc thi công lớp đệm cát rất đơn giản Chỉ cần dùng mái ủi san lấp, không cần các thiết bị thi công đặc biệt khác Cần khống chế cẩn thận chuyển vị ngang và độ lún khi thi công Trước khi đắp lớp cát đầu tiên, nếu không vét được bùn thì cần lót một lớp bó cành cây (hoặc vải Địa kỹ thuật) để cát hoặc đá khỏi bị chìm vào lớp bùn
Chuyển vị ngang trung bình mỗi ngày không quá 4,0÷6,0 mm, khống chế trong khoảng 1,0 cm/ngày là có thể đảm bảo nền đường ổn định
Đối với nền đường, nền đất đắp nằm trên vùng bùn lầy thì việc áp dụng bệ phản
áp để khống chế khả năng phát triển của vùng biến dạng dẻo do lớp đất yếu gây ra, chống trượt hai bên là một trong những biện pháp xử lý có hiệu quả nhất
Bệ phản áp đóng vai trò như một đối trọng làm tăng độ ổn định, cho phép đắp nền đường với chiều cao lớn hơn Do đó đạt được độ lún cuối cùng trong một thời gian ngắn, có tác dụng phòng lũ, chống sóng và chống thấm nước
Giải pháp này không làm rút bớt được thời gian lúc đất cố kết và không giảm được độ lún, còn tăng thêm khả năng nén lún (do phụ thêm tải trọng của bệ phản áp
ở hai bên đường) Nó có nhược điểm là khối lượng đất đắp lớn và diện tích chiếm đất nhiều Phương pháp này chỉ thích hợp nếu vật liệu đắp nền rẻ cũng như khối lượng quỹ đất dồi dào, khoảng cách vận chuyển không bị hạn chế về phạm vi
Giải pháp này cũng không thích hợp với các loại đất yếu là than bùn loại III và bùn sét, vật liệu dùng là các loại đất hoặc cát thông thường Trong trường hợp khó khăn có thể sử dụng cả đất lẫn hữu cơ
Xác định kích thước là vấn đề mấu chốt trong việc tính toán và thiết kế bệ phản
áp Nhiều phương pháp dựa vào giả thiết khác nhau nhưng chỉ gần đúng Có tác giả dựa vào sự hình thành vùng biến dạng dẻo phát triển ở hai bên công trình Người khác dựa vào giả thiết mặt trượt của đất nền có dạng hình trụ tròn Cũng có tác giả
Trang 24tính toán dựa theo lý luận cân bằng giới hạn để xác định mặt trượt và suy ra trạng thái giới hạn của đất nền Để đơn giản hơn trong tính toán, một số tác giả dựa vào điều kiện khống chế ứng suất ngang để quyết định kích thước của bệ phản áp
Với các công trình nền đường, nền đất đắp,… phương pháp tính toán kích thước bệ phản áp dựa vào sự phát triển của vùng biến dạng dẻo được áp dụng nhiều hơn Tăng chiều rộng của bệ phản áp, hệ số an toàn sẽ tăng lên
Theo kinh nghiệm của Trung Quốc thì:
- Chiều cao bệ phản áp HRpaR> 1/3 lần chiều cao nền đường HRnđ
- Bề rộng của bệ phản áp LRpaR = (2/3÷3/4) lần chiều dài truồi đất
Theo toán đồ của Pilit thì:
- Chiều cao bệ phản áp HRpaR = (40÷50)% chiều cao nền đường HRnđ
- Bề rộng của bệ phản áp LRpaR = (2÷3) lần chiều dày lớp đất yếu D
a) Bệ phản áp làm tăng độ chôn sâu của nền đường hay công trình đất đắp, được
áp dụng khi nền đường hay công trình đất đắp có dạng hình thang
Trang 25b) Bệ phản áp làm xoải mái dốc taluy của nền đường hay công trình đất đắp, được
áp dụng khi nền đường hay nền công trình đất đắp có dạng hình tam giác hay
gần với hình tam giác
(Phạm Quang Tuấn, 2003)
Bệ phản áp được đắp cùng một lúc với việc xây dựng nền đất đắp chính Nếu
xe máy thường xuyên đi lại trên đó, phần dưới của bệ phản áp phải được đắp bằng vật liệu thấm nước và cần đầm lèn cho cẩn thận
Chiều cao của bệ phản áp không được quá lớn để có thể lại gây trượt trồi (mất
ổn định) đối với chính phần đất đắp Khi thiết kế thường giả thiết chiều cao bệ phản
áp bằng chiều cao của nền đất đắp rồi nghiệm toán ổn định theo phương pháp mặt
trượt trụ tròn Chiều cao trung bình bệ phản áp lấy từ (1,5÷2,0) mét Độ chặt đất đắp
nên đạt K ≥ 0,9 (đầm nén tiêu chuẩn)
Ưu điểm của phướng pháp là thi công đơn giản, nhanh gọn, tận dụng được nguồn quỹ đất khai thác ngay tại địa phương
Nhược điểm là khối lượng đất đắp lớn, chiếm nhiều diện tích đất tự nhiên, không phù hợp đối với các loại đất yếu là than bùn và bùn sét Đồng thời hoàn toàn không phù hợp với những khu vực thi công phải vận chuyển đất đắp từ nơi khác
Trang 26đến; Giải pháp này không làm giảm được thời gian lún cố kết mà còn làm tăng thêm
độ lún của công trình do tăng thêm tải trọng do bệ phản áp ở hai bên đường
Giải pháp này chỉ nên dùng khi đắp đường trực tiếp trên nền đất với tác dụng chính làm tăng cường mức ổn định chống trượt trồi cho nền đường, nhằm đạt được yêu cầu về ổn định cả trong quá trình đắp và quá trình khai thác lâu dài; Tầng đất yếu có chiều dày không lớn lắm và nền đường đắp cao trung bình; Quỹ đất để xây dựng thật dồi dào và dễ khai thác, gần khu vực thi công; Khi độ lún còn lại của công trình ≤ 30,0cm
Đối với đất có độ rỗng lớn ở trạng thái rời, bão hòa nước, tính nén lớn hoặc đất
có kết cấu dễ bị phá hoại và kém ổn định dưới tác dụng của tải trọng Để xây dựng công trình trên nền đất này cần xử lý bằng cọc cát, cọc vôi hoặc nén trước bằng tải
trọng tĩnh, nén chặt đất trên mặt và dưới sâu, làm chặt đất bằng năng lượng nổ…
1.3.2.1 Ph ương pháp cọc cát
Khi xử lý nền bằng cọc cát (Hình 1.5), nền đất được nén chặt lại làm cho độ rỗng, độ ẩm của nền giảm đi, trọng lượng thể tích, mô đun biến dạng, lực dính và góc ma sát trong tăng lên, do đó sức chịu tải của nền tăng lên Dưới tác dụng của tải trọng, cọc cát và vùng đất được nén chặt xung quanh cọc làm việc đồng thời, trị số
mô đun biến dạng gần như giống nhau tại mọi điểm Vì vậy sự phân bố ứng suất trong nền đất được xử lý bằng cọc cát có thể xem như nền thiên nhiên Đây cũng là
ưu điểm của cọc cát so với các loại cọc cứng khác, mô đun biến dạng của vật liệu làm cọc lớn hơn nhiều lần mô đun biến dạng của đất xung quanh thân cọc, do đó toàn bộ tải trọng công trình sẽ truyền lên các cọc, các lớp đất dưới mũi và xung quanh cọc Đất ở xa cọc hầu như không tham gia chịu lực
Khi dùng cọc cát làm tăng nhanh quá trình cố kết của đất nền Ngoài tác dụng nén chặt nền, nó còn làm việc như các giếng cát thoát nước, nước trong đất thoát ra
Trang 27nhanh theo chiều dài cọc dưới tác dụng của tải trọng Phần lớn độ lún của nền đất có cọc cát thường kết thúc trong quá trình thi công (Hoàng Văn Tân và nnk, 2006)
Hình 1.5: Cọc cát trong nền đất yếu
1.3.2.2 Ph ương pháp cọc vôi
Phương pháp này được sử dụng thích hợp với đất yếu như bùn, than bùn, sét và
á sét ở trạng thái dẻo nhão Đặc điểm của cọc vôi là sau khi tác dụng với nước thì cường độ tăng lên rất nhanh, vôi tăng thể tích 2 lần làm cho đất xung quanh nén chặt, môđun biến dạng tăng 3÷4 lần, lực dính tăng 1,5÷3 lần, cường độ nền cọc vôi tăng 2÷3 lần Theo kết quả thực nghiệm, cường độ của cọc vôi khi nén một trục có thể đạt tới 10÷25kG/cmP
Trang 28khi thi công sẽ được các cột có đường kính nhất định, cải thiện được độ ổn định và giảm nhỏ độ lún, tăng sức chịu tải của nền 3÷4 lần Kỹ thuật này ít phổ biến khi xử
lý trên diện rộng và yêu cầu phải có đơn vị thi công chuyên nghiệp (Hoàng Văn Tân
và nnk, 2006)
1.3.2.4 Ph ương pháp trụ đất xi măng
Trụ đất xi măng là trụ tròn bằng hỗn hợp đất - xi măng, hay đất - vữa xi măng được chế tạo bằng cách trộn cơ học xi măng hoặc vữa xi măng với đất tại chỗ Quá trình trộn có thể là trộn khô hoặc trộn ướt Trộn khô là quá trình xáo tơi đất bằng cơ học tại hiện trường và trộn bột xi măng khô với đất, có hoặc không có phụ gia Trộn ướt là quá trình xáo tơi đất bằng cơ học tại hiện trường và trộn vữa xi măng gồm nước, xi măng, có hoặc không có phụ gia với đất Khi gia cố trụ, hiện tượng nổi trội chính là sự phân bố lại ứng suất trong hệ thống trụ-đất theo thời gian Ngay khi tác động, tải trọng được chịu bởi áp lực nước lỗ rỗng dư Trụ tăng độ cứng theo thời gian sẽ chịu dần tải trọng, giảm bớt tải trọng lên đất Hệ quả là áp lực nước lỗ rỗng
dư trong đất yếu giảm nhanh Phân bố lại ứng suất là nguyên nhân chính để giảm độ lún và tăng tốc độ lún (Hoàng Văn Tân và nnk, 2006)
Hình 1.6: Dây chuyền công nghệ thi công trụ đất xi măng
Dưới đây là các ứng dụng chính của trụ đất xi măng trộn sâu
Trang 29Hình 1.7: Các ứng dụng của trụ đất xi măng trộn sâu
1.3.2.5 Ph ương pháp cột Balát (cột vật liệu rời)
Hệ thống cột balát đầm chặt được tạo thành trong đất nhờ một đầm dùi chấn động hoặc bằng cách hạ một ống rỗng rồi rót đá balát vào và đầm chặt bằng chấn
động tạo thành các cột đá balát đường kính từ 60 ÷ 120cm Các cột này có tác dụng
như các điểm tăng cường đất mềm, cải thiện độ ổn định và giảm nhỏ độ lún Do là vật liệu rời nên nó cũng có tác dụng thoát nước thẳng đứng Có thể kiểm tra các đặc trưng cơ học của cột bằng thiết bị xuyên và thí nghiệm gia tải trên cột Tuy nhiên phương pháp này chỉ hiệu quả với chiều dày xử lý không lớn hơn 15m và giá thành tương đối cao (Hoàng Văn Tân và nnk, 2006)
Trang 30Hình 1.8: Cột vật liệu rời
Dùng năng lượng nổ để gia cố nền đất yếu là một phương pháp được Viện Thiết kế Bộ Giao thông Vận tải đưa vào sử dụng bắt đầu từ những năm chống chiến tranh phá hoại của giặc Mỹ
Nội dung của phương pháp này như sau: trong phạm vi bề mặt và chiều dày của lớp đất yếu cần được gia cố sẽ bố trí các quả mìn dài theo mạng lưới tam giác đều Những giếng được năng lượng nổ tạo thành sẽ nén đất ra xung quanh Kích thước
và khoảng cách giếng phải được tính toán đủ đảm bảo nén đất đến độ chặt cần thiết Sức chịu tải của nền yếu tăng lên đơn thuần nhờ sức nổ ép làm cho các hạt đất sắp xếp lại, sít vào nhau hơn và cũng có thể do tác dụng của quá trình cố kết thấm của các giếng cát lấp các giếng nổ (Hoàng Văn Tân và nnk, 2006)
1.3.2.7 Ph ương pháp nén trước bằng tải trọng tĩnh
Đối với nền đất dưới công trình có tính nén lớn và biến dạng không đồng đều như sét, sét pha cát ở trạng thái chảy hoặc cát nhỏ, cát nhỏ ở trạng thái bão hòa nước, muốn nén chặt nó yêu cầu phải có tải trọng tác dụng thường xuyên trong thời
Trang 31gian dài thì mới có hiệu quả Trong nhiều trường hợp, nếu độ lớn dự tính rất lớn, vượt quá những chỉ dẫn cho phép trong quy phạm, để đảm bảo cho công trình có thể
sử dụng được ngay sau khi thi công thì một trong những biện pháp hay dùng là nén trước bằng tải trọng tĩnh
Tác dụng của biện pháp này là làm cho nền đất được nén chặt một phần, độ ẩm
và biến dạng của đất giảm đi và khả năng chịu lực của đất nền tăng lên (Hoàng Văn Tân và nnk, 2006)
Khi chịu các tải trọng nằm ngang, móng cọc có thể chống uốn khi đang chống đỡ tải trọng thẳng đứng của công trình Trường hợp này xảy ra khi thiết kế xây dựng các công trình chắn đất và móng các nhà cao tầng chịu lực gió hay động đất
Công trình xây dựng trên đất trương nở hay sụt lở có khả năng thay đổi thể tích khi độ ẩm thay đổi, áp lực trương nở có thể rất cao nên dùng móng nông thì rất không an toàn, phải thay bằng móng cọc với độ sâu cọc ở dưới đới xảy ra co ngót và trương nở
Trang 32 Các móng ở dưới mực nước ngầm chịu lực đẩy ngược của nước ngầm, cọc được dùng để chống lại lực đẩy ngược này
Các trụ cầu thường xây dưng trên móng cọc để tránh khả năng tổn thất sức chịu tải do đất ở mặt đất bị xâm thực
Tuy nhiên, cũng cần chú ý rằng không phải lúc nào dùng móng cọc cũng mang lại hiệu quả tốt, mà ngược lại có khi vì ứng dụng không đúng chỗ có thể gây lãng phí và nguy hiểm đối với công trình Chẳng hạn, lớp đất bên trên tương đối tốt, còn bên dưới là lớp đất yếu thì khi đóng cọc xuống, lớp đất bên trên sẽ bị phá hoại, còn lớp đất bên dưới sẽ sinh ra biến dạng phụ thêm gây nên nguy hiểm đối với điều kiện làm việc của công trình
Dưới đây giới thiệu một số loại cọc chủ yếu thường dùng trong thiết kế hiện nay
- Cọc tre: Ở nước ta cọc tre từ lâu đã được sử dụng để gia cố nền đất yếu có
chiều dày không lớn (2÷3m) dưới các công trình dân dụng, công nghiệp và thủy lợi loại vừa và nhỏ Tuổi thọ của cọc tre có khi đạt đến 30÷50 năm, tuy nhiên không nên dùng cọc tre ở những nơi đất nền khô hoặc khô ướt theo mùa, độ ẩm đất nền thay đổi sẽ làm cọc tre nhanh mục và hư hỏng Chiều dài làm việc có hiệu quả của cọc tre thường 2÷3m và đường kính cọc lớn hơn 6cm Tre làm cọc phải là loại tre đực, già trên 2 năm, thẳng và tươi Khi đóng cọc cần bảo đảm đầu cọc không giập
hoặc vỡ
- Cọc bê tông cốt thép: Cọc bê tông cốt thép là loại cọc dùng phổ biến trong
việc xây dựng các công trình trên nền đất yếu Loại cọc này có khả năng tiếp thu được tải trọng lớn từ công trình, mỗi cọc có thể chịu được tải trọng 250÷300 tấn Cọc thường được cấu tạo tiết diện tròn, vuông, tam giác hoặc đa giác Để tăng tính kinh tế, giảm bớt lượng xi măng, thép và dễ dàng hơn trong vận chuyển, thay vì cọc đặc như trước đây người ta thường chế tạo những cọc rỗng Với những cọc có chiều dài lớn người ta thường dùng loại cọc bê tông cốt thép ứng lực trước để tăng cường
khả năng chịu lực của cọc
Trang 33- Cọc nhồi: Cọc nhồi là loại cọc được chế tạo hạ xuống đất ngay tại chỗ bằng
cách khoan đào sẵn trong đất những lỗ cọc, đặt cốt thép sau đó đổ bê tông nhồi đầy
lỗ cọc Để cho lỗ cọc không bị sụt nở, người ta thường dùng ống vách bằng thép kết hợp với dung dịch sét bentonite
Cọc nhồi khắc phục được một trong những khó khăn chủ yếu khi ứng dụng móng cọc ở nước ta là thiết bi đóng hạ cọc còn hạn chế
Hình 1.9: Trình tự thi công cọc khoan nhồi
Trang 341.3.4 Nhóm phương pháp dùng đất có cốt
Đất có cốt là vật liệu xây dựng gồm có đất đã được tăng cường độ bằng cách bố trí các vật liệu chịu kéo như các thanh và dải kim loại, vải không bị phân hủy sinh học trong đất (vải địa kỹ thuật) Lợi ích cơ bản của đất có cốt là làm tăng cường độ chống kéo và cường độ chống cắt của đất do lực ma sát tồn tại ở mặt phân cách đất - cốt (Nguyễn Uyên, 2008)
Do nhược điểm của vật liệu làm cốt là dải kim loại thường bị ăn mòn, nên hiện nay thường dùng vải địa kỹ thuật làm cốt cho đất
Vải địa kỹ thuật có tác dụng chính là: Tác dụng thoát nước, vải làm cho nước trong đất thoát nhanh làm tăng độ bền chống cắt, độ ổn định của đất; Tác dụng lọc, khi đất ở giữa hai lớp hạt thô và hạt mịn, vải địa kỹ thuật vẫn cho nước thấm qua các lớp nhưng giữ cho không cho hạt mịn lôi cuốn vào hạt thô; Tác dụng chia tách, chia tách các lớp đất trong thi công và khi công trình làm việc; Tác dụng gia cố, làm tăng sức chịu tải nền đất do độ bền chống kéo của vải
Vải địa kỹ thuật có thể bố trí một hay nhiều lớp, (1÷5)lớp Mỗi lớp vải xen kẽ với một lớp cát đắp dày (15,0÷30,0)cm tùy theo khả năng lún và lu lèn khi thi công Tổng cường độ chịu kéo đứt của các lớp vải địa kỹ thuật có Fmax tương ứng
Nên chọn loại vải sợi dệt (wowen), cường độ chịu kéo đứt tối thiểu 25 kN/m để
đảm bảo hiệu quả đầm nén đất trên vải nhằm tạo hệ số ma sát cao
Trang 35Ưu diểm là thi công đơn giản, nhanh gọn, không cần có thiết bị máy móc; Tăng cường ổn định cho nền đất đắp trên đất yếu, giá thành thấp; Không phụ thuộc vào mực nước ngầm cao hay thấp; Ngăn không cho cát chui xuống đất yếu và có tuổi thọ cao
Nhược điểm là không làm giảm thời gian lún, độ lún cố kết của công trình,
thích hợp khi độ lún còn lại của công trình ≤ 30,0 cm
Có thể thay thế lớp vải địa kỹ thuật bằng lưới địa kỹ thuật Loại này có cường
độ cao hơn vải địa kỹ thuật và có lỗ mắt cáo tạo lên một sức cài chặt
1.3.5 Nhóm phương pháp xử lý bằng hóa lý
Khi cắm vào trong đất dính bão hòa nước hai điện cực, cực dương là một thanh kim loại, cực âm là một ống kim loại có nhiều lỗ nhỏ, sau khi cho dòng điện một chiều chạy qua, hạt đất chuyển dịch về phía cực dương, còn nước trong đất chuyển
về phía cực âm, khiến cho ống làm cực âm đầy nước Tại đây sẽ bố trí thiết bị hút nước, kết quả là nước thoát ra và đất ở giữa các điện cực được nén chặt lại
Phương pháp điện thấm trong xây dựng có tác dụng: Nâng cao khả năng chịu lực và tăng nhanh tốc độ cố kết của đất sét yếu; Làm tăng độ ổn định của mái dốc
và đáy hố móng khi thi công; Hạ mực nước ngầm trong đất (Hoàng Văn Tân và nnk, 2006)
Phương pháp điện hóa học dựa vào nguyên lý điện thấm để gia cường nền đất Phương pháp này bố trí cực dương là một thanh kim loại và cực âm là ống kim loại
có nhiều lỗ nhỏ để hút nước Để làm tăng tốc độ cố kết và hiệu quả nén chặt của đất nền khi cho dòng điện một chiều chạy qua, người ta thường dùng các dung dịch hóa học như canxi clorua, natri silicat,…Các dung dịch này được đưa vào trong đất qua cực dương Khi có dòng điện chạy qua, các điện cực sẽ bị phá hủy Các sản phẩm
Trang 36phá hủy liên kết với các hạt sét làm cho khối đất trở nên cứng lại và nước sẽ thải ra cực âm
Hiệu quả ứng dụng của phương pháp điện hóa học phụ thuộc vào thành phần hóa học của loại đất cần gia cường Nếu đất có lượng muối lớn thì hiệu quả cao Do
đó, phương pháp điện hóa học không những chỉ dùng với đất sét có hàm lượng bụi
và hàm lượng sét lớn hơn 50% mà còn có thể áp dụng đối với các loại đất bùn ở biển có nồng độ muối cao
Phương pháp nhiệt dùng để gia cường các loại đất hoàng thổ có hệ số thấm 10÷20cm/phút nằm ở trên mực nước ngầm Phương pháp này chỉ dùng tốt khi chiều dày lớp đất gia cường lớn trên 3m Thực chất của phương pháp này là dùng nhiệt độ cao để gia cường đất và kết quả là loại trừ được tính lún sập, đồng thời làm tăng khả năng chịu tải và tính chịu nước của đất
Hiện nay gia cường đất bằng nhiệt có thể tiến hành theo cách là phụt vào trong đất qua lỗ khoan dòng khí nóng có nhiệt độ 600÷800P
1.3.6 Giải pháp thiết bị thoát nước thẳng đứng xử lý nền đất yếu
Giải pháp này sử dụng cho loại đất có độ rỗng lớn ở trạng thái rời, bão hòa nước, tính nén lún lớn, đất có kết cấu dễ bị phá hoại và kém ổn định dưới tác dụng của tải trọng còn nhỏ (đất cát rời, đất dính ở trạng thái dẻo chảy, đất bùn, than bùn) Khi chiều dày của lớp đất yếu khá lớn (bề dày tầng đất yếu vượt quá bề rộng đáy nền đất đắp) Không thể dùng các biện pháp khác để xử lý được
Nhờ cách bố trí các phương tiện thoát nước theo phương thẳng đứng (giếng cát, bấc thấm) nên nước cố kết ở các lớp sâu trong lòng đất yếu dưới tác dụng của tải trọng đắp sẽ có điều kiện thoát nhanh (nước dịch chuyển theo phương ngang thẩm thấu vào giếng cát hoặc bấc thấm rồi theo đường này thoát lên mặt đất tự nhiên)
Trang 37Chiều cao nền đất đắp tối thiểu 4,0 mét khi thiết kế cần thỏa mãn: (Phạm Quang Tuấn, 2003)
σR vz R + σR z R ≥ (1,2÷1,5).σR pz R và y = ( )
( vz z) vz
pz z
vz
σσ
σ
σσ
σ
lglg
lglg
−+
−+
> 0,6
Trong đó:
σR vz R = Σ γR i R - hR i R ứng suất (áp lực) thẳng đứng do trọng lượng bản thân các lớp đất yếu gây ra ở độ sâu z (Mpa)
γR i R và hR i R - trọng lượng thể tích và bề dày của lớp đất thứ i nằm trong phạm vi
từ mặt tiếp xúc của đất với đắy nền đắp (z = 0) đến độ sâu z Đối với các lớp đất yếu nằm dưới mực nước ngầm thì trị số γR i Rphải dùng trọng lượng thể tích đẩy nổi
σR z R - ứng suất (áp lực) thẳng đứng do tải trọng đất đắp (phần nền đắp và phần gia tải trước, nhưng không kể phần chiều cao đắp hR x R quy đổi từ tải trọng phía trn gây ra ở độ sâu z trong đất yếu kể từ đáy nền đắp (MPa);
σR pz R - xác định từ thí nghiệm, áp lực tầng cố kết ở độ sâu z (MPa)
Hai điều kiện trên phải thỏa mãn đối với độ sâu z trong phạm vi từ đáy nền đất đắp đến hết chiều sâu đóng giếng cát hoặc bấc thấm Nếu không thỏa mãn các điều kiện nói trên thì có thể kết hợp với biện pháp gia tải trước để tăng σR z R
cm cao hơn mặt trên của tầng đệm cát
Nhiệm vụ chủ yếu của lớp đệm cát là để cho nước từ trong nền đất yếu dưới nền đường thoát ra ngoài Không có lớp đệm cát, nền đường lại đắp bằng loại đất dính thì khả năng vắt nước từ trong nền đất ra hầu như không có hoặc rất nhỏ Tác
Trang 38dụng kèm theo là chịu lực thay cho lớp đất yếu trên mặt nền có sức chịu tải nhỏ nhất nhưng lại chịu các ứng suất cắt và nén lớn nhất
Trong điều kiện đất yếu, lớp đệm cát có chiều dày tối thiểu 0,5 mét Nếu là chiều dày nhỏ hơn, khi gặp đất yếu, đặc biệt là đất bùn, chúng sẽ xâm nhập vào đệm cát, làm mất tính chất thoát nước của nó Lớp đệm cát sử dụng hiệu quả nhất khi tầng đất yếu ở trạng thái bão hòa nước và có chiều dày nhỏ (2,0 3,0) mét
Cát dùng làm tầng đệm phải là cát hạt to, hạt trung, có thể sử dụng cát hạt nhỏ nhưng không được dùng cát hạt mịn hoặc hạt bụi, có tỉ lệ hữu cơ < 5%, cỡ hạt lớn hơn 0,25 mm chiếm trên 50%, cỡ hạt nhỏ hơn 0,08 mm chiếm ít hơn 5% và phải thỏa mãn một trong hai điều kiện sau:
2 30
.D D
D
> 1 Trong đó:
DR 30 R – kích cỡ hạt cát mà lượng chứa các hạt nhỏ hơn nó chiếm 30%
DR 10 R – kích thước đường kính hạt cát lượng chứa cỡ nhỏ hơn chiếm 10% Chiều dày tầng đệm cát ít nhất phải bằng độ lún tổng cộng, nhưng không được nhỏ hơn 50,0cm Độ chặt đầm nén đạt yêu cầu K ≥ 0,9 độ chặt tiêu chuẩn
Bề rộng của mặt tầng đệm cát phải rộng hơn đáy nền đất đắp mỗi bên tối thiểu
là (0,5÷2,0) mét Mái dốc và phần mở rộng mỗi bên của tầng cát đệm phải cấu tạo tầng lọc ngược sao cho nước cố kết có thể thoát ra không lôi theo cát Nhất là khi lún chìm vào đất yếu nước cố kết vẫn có thể thoát ra Khi cần thiết dùng bơm hút bớt nước sẽ không gây phá hoại tầng cát đệm
Để đảm bảo nước trong đất có khả năng thoát ra theo phương thẳng đứng khi sử dụng giếng cát, chiều dày lớp đệm cát xác định như sau: hR đ R = S + (0,3÷0,5)m, với S
là độ lún tính toán của nền đất yếu
Trang 391.3.6.1 Phương pháp giếng cát
Đất yếu như bùn, than bùn và các loại đất dính ở trạng thái bão hòa nước có biến dạng lớn kéo dài và sức chịu tải thấp Với những trường hợp này đòi hỏi phải rút ngắn giai đoạn lún và độ lún tiếp đó trong thời gian đã đưa công trình vào sử dụng không vượt quá giới hạn cho phép
Giếng cát là một trong những phương pháp gia cố nền đáp ứng được các yêu cầu trên Giếng cát có tác dụng chính là: Tăng nhanh tốc độ cố kết của nền, làm cho công trình xây dựng trên đó nhanh chóng đạt đến giới hạn ổn định về lún, đồng thời làm cho đất nền có khả năng biến dạng đồng đều
Giếng cát và cọc cát có kích thước (đường kính và chiều dài) tương tự nhau, nhưng khoảng cách các giếng cát lớn hơn cọc cát Chính vì vậy mà cọc cát có nhiệm vụ chủ yếu là nén chặt đất, tăng sức chịu tải của nền, còn nhiệm vụ thoát nước lỗ rỗng là thứ yếu
đoạn: giai đoạn đầu tiên và giai đoạn cuối cùng
Xác định theo trị của tải trọng an toàn (ứng với vùng biến dạng dẻo, chỉ tồn tại một điểm ở hai mép diện chịu tải) hoặc một điểm trên trục đối xứng của tải trọng cho tải trọng phân bố theo luật tam giác cân
- Cho tải trọng phân bố đều:
qR at R = ( )
2 cot
cot
Π
− +
+ Π
ϕϕ
ϕγ
g
g c h
ϕ sin cos
.
Trong trường hợp này ϕ và c ứng với trạng thái tự nhiên của đất chưa cố kết
Trang 40Tải trọng phụ cho giai đoạn cuối cùng: Xác định theo tải trọng an toàn (qR at R) nêu trên nhưng các trị số C và ϕ lấy ứng với trường hợp đất nền đã được tăng lên do tác dụng vắt ép nước của tải trọng phụ tạm thời cho giai đoạn đầu tiên
Quá trình thoát nước của các giếng cát sẽ làm giảm độ ẩm của đất yếu Làm tăng cao C và ϕ, làm xảy ra trước độ lún của nền đất yếu
Giếng cát có nhiệm vụ chủ yếu là rút ngắn chiều dài đường thấm thoát nước thẳng đứng ở trong nền đất yếu và cải tạo một phần tính chất của đất Hệ thống giếng cát gồm 3 bộ phận chính không thể thiếu: giếng cát, đệm cát và tải trọng phụ tạm thời có tác dụng tao ra gradient trong nền đất yếu để ép đẩy nước ra ngoài Khi không có giếng cát, chỉ có lớp đệm cát ở trên mặt thì dưới tác dụng của tải trọng công trình, nước trong vùng hoạt động D có khả năng thoát ra theo phương thẳng đứng dưới tác dụng của gradient thuỷ lực (iR v R) ép đẩy nước theo phương đứng Khi có bố trí giếng cát trong nền đất yếu, dưới tác dụng của tải trọng nền đường, nước trong đất thoát ra chủ yếu theo phương ngang để đi vào các giếng cát dưới tác dụng của gradient thuỷ lực Ở mặt phẳng đáy các giếng cát gradient thuỷ lực theo phương ngang iR r Rlớn hơn 10 lần gradient theo phương đứng iR v R (iR r R ≥ 10.iR v R) Nếu các giếng cát bố trí theo kiểu tam giác đều thì chiếu dài đường thấm:
Trong đó: a- cự ly giữa các giếng cát và r- bán kính của giếng cát
phụ thuộc vào đường kính giếng cát và tốc độ cố kết của nền đất yếu Dựa vào đặc tính của nền đất yếu và tính chất tác dụng của tải trọng Ứng với mỗi kích thước của đường kính có thể chọn khoảng cách giữa các giếng cát một cách hợp lý Theo kinh nghiệm thực tế, khoảng cách giữa các giếng cát có thể chọn trong phạm vi từ (1,0÷10) mét Trong thực tế hay chọn khoảng cách (1,0÷5,0) mét