S = S1 + S2 ≤ Sgh (4.5)Trong đĩ : Trong đĩ :
S1: độ lún điểm cát;
S2: độ lún các lớp đất dưới đệm cát;
Sgh: độ lún giới hạn cho phép cho mỗi loại cơng trình.
Sau khi xác định chiều dày lớp đệm cát theo (4.3), cần kiểm tra điều kiện (4.1) và (4.5). Nếu chưa thỏa mãn thì tăng chiếu dày đệm cát hoặc tăng diện tích đáy mĩng.
Vật liệu làm lớp đệm cát:
Cát to và cát hạt trung là hai loại cát làm lớp đệm tốt nhất vì sau khi đầm chặt, cĩ thể đạt độ chặt khá cao, chịu được tải trọng lớn và khơng dịch chuyển dưới tác dụng của nước ngầm.
Cĩ thể dùng cát vàng (hạt trung) hay cát đen (hạt nhỏ) làm đệm cát. Hàm lượng SiO2 của cát vàng là 75% cát đen là 53%; hàm lượng hữu cơ cát vàng là 1,2% cát đen là 1,5 ÷ 2,5%, do vậy cát vàng làm đệm cát là tốt hơn, nhưng giá thành cao. Dùng cát đen cĩ thể hạ giá thành 40 ÷ 60% so với cát vàng, nhưng độ chặt kém hơn, dễ bị dịch chuyển dưới tác dụng của nước dưới đất cĩ áp lực cao; Do đĩ chỉ dùng cát đen làm đệm cát trong các cơng trình loại nhỏ, loại vừa và trong điều kiện thủy văn thích hợp.
Để lớp đệm cát ổn định trên nền đất yếu dưới tác dụng của tải trọng cơng trình, nên chọn các loại cát thỏa mãn một số điều kiện sau :
- Với cát vàng: hàm lượng SiO2 khơng nhỏ hơn 70%, hàm lượng hữu cơ khơng lớn hơn 5%, hàm lượng mika nên nhỏ hơn 1,5%, cở hạt d > 0.25mm chiếm trên 50% trọng lượng, cấp phối rải đều d = 5 ÷ 0,25mm.
- Với cát đen hàm lượng SiO2 khơng nhỏ hơn 80%, hàm lượng hữu cơ khơng lớn hơn 2%, hàm lượng mika và hàm lượng sét nên nhỏ hơn 2% .
- Cĩ thể trộn 70% cát vàng với 30% cát đen để làm đệm cát.
Thi cơng đệm cát :
Dùng máy đào hoặc máy ủi đào mĩng đê với chiều sâu hđ thiết kế đệm cát. Trải một lớp vải địa kỹ thuật xuống đáy hố mĩng. Lớp vải địa kỹ thuật cĩ tác dụng ngăn khơng cho cát chìm lẫn vào đất nền trong quá trình thi cơng đệm cát đảm bảo chiều dày đệm cát đúng thiết kế.
Cát được chọn làm vật liệu lớp đệm được rải thành từng lớp. Chiều dày mỗi lớp rải phụ thuộc vào thiết bị đầm nén.
Tuy nhiên do đặc thù đất nền đê biển Nam Bộ thường bão hịa nước và mực nước ngầm xấp xỉ mặt đất tự nhiên nên đầm nén đệm cát bằng phương pháp xỉa lắc là thích hợp hơn cả. Phương pháp này dùng loại xỉa thép dài 1,3 ÷ 1,4 m và cĩ 4 ÷ 6 răng, mỗi răng của xỉa dài 25 ÷ 30 cm và rộng 2 ÷ 4 cm ; trọng lượng tồn bộ của xỉa vào khoảng 4,4kg. Khi thi cơng, lớp cát đầu tiên được rải dày hơn vào khoảng 15 ÷ 20cm so với các lớp cát tiếp theo. Chiều dày trung bình của các lớp rải 30 ÷ 35cm.
Quá trình vận hành của phương pháp xỉa như sau : đầu tiên nâng xỉa lên cao khoảng 50 cm, sau đĩ thả rơi tự do và tiến hành lắc xỉa ngập sâu dần vào trong đệm cát. Mỗi lần xỉa lắc khoảng 16 lần, cứ một lượt dọc rồi lại một lượt ngang. Theo kinh nghiệm thi cơng [12], mỗi lớp cát rải chỉ cần xỉa 4 lần là đạt độ chặt trung bình.
Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng đầm nén : Khi thi cơng đệm cát, việc trước tiên là xác định các chỉ tiêu đầm nén. Để đánh giá chất lượng đầm nén người ta
thường dựa vào hai chỉ tiêu quan trọng : độ chặt và độ ẩm đầm nén. Để đánh giá độ chặt của cát trong lớp đệm, cĩ thể dùng hệ số rỗng hoặc độ chặt tương đối D.
Đệm cát sau khi được đầm nén xong cĩ thể áp dụng một trong ba phương pháp sau đây để kiểm tra độ chặt: phương pháp cân, phương pháp dùng phao Kovalev, và phương pháp xuyên tiêu chuẩn.
* Xử lý nền bằng đệm đất:
Phạm vi áp dụng: Đệm đất thường được áp dụng trong những trường hợp lớp đất yếu phía trên ở trạng thái ẩm thấp và mực nước ngầm ở sâu.
Tính tốn và thiết kế đệm đất nhìn chung tương tự như đệm cát. Kích thước của đệm đất cũng phụ thuộc điều kiện biến dạng của nền, nghĩa là tổng ứng suất do tải trọng do đê và trọng lượng bản thân lớp đệm đất khơng vượt qua áp lực tiêu chuẩn ở trên mặt lớp đất dưới đáy lớp đệm, đồng thời độ lún của đê khơng được lớn hơn độ lún giới hạn.
Theo các điều kiện trên, chiều dày lớp đệm đất được xác định theo cơng thức sau:
hđ = n1.b (4.6) Trong đĩ :
n1 : hệ số xét đến điều kiện áp lực tác dụng lên đáy mĩng, khi tải trọng p = 1.5 kg/cm² thì n1 = 1,2; p = 2,0 kg/cm² thì n1 = 1,7; p = 2,5 kg/cm² thì n1 = 2,1; p = 3,0 kg/cm² thì n1 = 2,4 [8].
b : chiều rộng đáy mĩng đê, b = bm
bc : bề rộng đáy mĩng quy ước, bc = bm + 2hđtga
Chiều rộng lớp đệm đất được xác định theo cơng thức sau [8]:
bđ = b.(1 + 2n2) (4.7) Trong đĩ :
n2 : hệ số xét đến đặc tính phân bố biến dạng ngang trong nền, khi tải trọng p = 1,5 ÷ 2,0 kg/cm² thì n2 = 0,3; p = 2,5 ÷ 3,0 kg/cm² thì n2 = 0,35
β2 y M p Lớp đệm đất z bm = b + m1.H β1 Hình 4.10: Sơ đồ tải trọng tính tốn
Khi đất nền cĩ tính nén lún và khơng đồng đều thì chiều rộng lớp đệm đất được thiết kế theo Y.M.Abelev dựa vào điều kiện: ứng suất ngang do tải trọng thẳng đứng của đê σy truyền xuống nhỏ hơn ứng suất ngang cho phép của nền đất yếu q, nghĩa là :
σy ≤ q ; σy ≤ kyp (4.8) Trong đĩ :
ky : hệ số phụ thuộc tỷ số z/b và y/b, tra bảng ( z : chiều sâu diểm tính ứng suất so với đáy mĩng, y : khoảng cách từ điểm tính ứng suất tới trục giữa tim đê)
p = σ0tc, σ0tc là ứng suất tiêu chuẩn dưới đáy mĩng do tải trọng của đê truyền xuống.
q = n3Rtc, (n3 : hệ số áp lực ngang của đất ở trạng thái tự nhiên, với cát thì n3 = 0,35 ÷ 0,41; với sét pha cát thì n3 = 0,50 ÷ 0,70; với sét thì n3 = 0,70 ÷ 0,74; Rtc : áp lực tiêu chuẩn trên mặt đất yếu).
* Tăng cường bằng vải địa kỹ thuật:
Phạm vi áp dụng : Đối với những đoạn đê tương đối cao, cần thi cơng trong một mùa qua vùng đất yếu, thích hợp hơn cả là dùng vải địa kỹ thuật để gia cố thân đê và cải tạo phân bố ứng suất đất nền.
Việc đặt các lớp vải địa kỹ thuật lên bề mặt phân cách giữa thân đê và nền đê, đồng thời đặt các lớp vải địa kỹ thuật ở các cao trình khác nhau trong thân đê nằm song song với mặt nền. Lớp vải địa kỹ thuật đặt ở mặt nền cĩ tác dụng phân cách nền đê và thân đê, làm tăng cường độ chịu kéo và cải thiện độ ổn định của đất nền chống lại sự trượt trịn cho khối đất đắp, khơng bị lún chìm vào nền, áp lực đất đắp đê phân bố tương đối đồng đều vào mặt nền tạo điều kiện cho nền cố kết từ từ. Lớp vải đặt nằm ngang trong thân đê cĩ tác dụng phân bố áp lực đều theo từng cao trình mặt cắt ngang đê, tăng độ bền chống trượt của khối đất đắp và giảm mặt cắt ngang đê. h 2 h 1 b m
Vải địa kỹ thuật
Đê
Lớp đất yếu
Hình 4.11: Mặt cắt ngang đê xử lý bằng vải địa kỹ thuật
Trước khi trải vải địa kỹ thuật, mặt nền phải được san hoặc lấp để đạt độ phẳng và cao trình nhất định. Bề mặt tiếp xúc với vải phải đảm bảo cho vải tiếp xúc tốt với nền. Những vật cứng sắc nhọn phải được dọn sạch để khơng làm hỏng vải trong quá trình thi cơng.
Sau khi chuẩn bị nền xong, trải vải trực tiếp lên mặt đất đã được chuẩn bị theo yêu cầu đặt vải trên. Căng các thảm vải làm cùng lúc với việc san gạt, liên kết các băng vải kỹ thuật với nhau bằng khâu lại với nhau hoặc tăng chiều rộng phần vải phủ chồng lên nhau, tùy theo các đặc trưng của đất nền, cao trình mặt cắt ngang mà băng này phủ chồng lên băng kia từ 0,3 ÷ 1,0m.
Vải địa kỹ thuật được thiết kế tăng cường dù ở trong hay ngồi khối trượt đều phải đủ chiều dài neo trượt. Trong chiều dài đoạn neo tỷ số của lực ma sát của đất
với mặt trên và mặt dưới của vải Pf và lực kéo thiết kế của vải Pj (là lực kéo làm vải địa kỹ thuật dãn dài 10%) phải thoả mãn yêu cầu sau:
Pf / Pj > 1.5 (4.9)
Gĩc ma sát giữa lớp vải và đất đắp ϕf nên dựa vào kết quả thí nghiệm để xác định, hoặc cĩ thể tính theo cơng thức sau :
tgϕf = 2/3tgϕq (4.10) Trong đĩ :
ϕq là gĩc nội ma sát xác định bằng thí nghiệm cắt nhanh của đất đắp tiếp xúc với lớp vải.
Việc chọn vải địa kỹ thuật và tính tốn thiết kế cĩ thể tham khảo phần mềm thiết kế vải địa kỹ thuật (Design CD South East Asea) của hãng Polyfelt.
Dùng vải địa kỹ thuật gia cố nền đê xét về mặt kinh tế, kỹ thuật và thi cơng thuận lợi hơn các giải pháp trên. Tuy nhiên giá thành cho giải pháp này cũng khơng phải là thấp bởi vải địa kỹ thuật chủ yếu là mua của nước ngồi. Ở những địa phương cĩ nhiều tràm, tre, nứa, lá dừa… thì cĩ thể dùng các tấm phên tre, tràm, thảm xơ dừa…. Để gia cố nền đê tương tự như dùng vải địa kỹ thuật.
*
Đắp đê trên bè cây:
Đắp đất trên bè làm bằng bạch đàn, tràm, tàu lá dừa bĩ cành cây…, là một trong những phương pháp sử dụng lâu đời, đã từng được xử dụng thành cơng trong xây dựng đê. Bè cây làm lớp đệm trước khi đắp đê trên nền đất yếu là một trong những phương pháp lâu đời.
Khi sử dụng bè cây cĩ những tác dụng chính sau :
- Mở rộng diện tích truyền tải trọng, làm cho nền thiên nhiên chịu một tải trọng phân bố đều.
- Cĩ thể ngăn khơng cho mặt trượt sâu xuyên qua nền đê.
Các loại đất mềm yếu thường cĩ tính nén lún lớn và mực nước ngầm cao do đĩ sau một thời gian ngắn nền lún cố kết bè cĩ thể chìm xuống dưới mực nước ngầm sẽ khĩ mục nát nên thời gian sử dụng được kéo dài đến khi nền cố kết xong.
Dựa trên vật liệu sử dụng cĩ thể chia bè thành 2 loại : Bè mềm và bè cứng. Bè mềm được làm bằng các bĩ cành cây hoặc cây con như : tràm, tre, tàu lá dừa… cĩ đường kính 2÷5 cm thường được dùng để đắp đê lấn biển và đê qua đầm lầy, qua các khu rừng ngập mặn. Ngồi ra bè mềm cịn được dùng làm lớp lĩt trên nền đất yếu trước khi làm lớp đệm cát thay cho lớp vải địa kỹ thuật.
Bè cứng thường được làm bằng tre hoặc gỗ cĩ đường kính lớn ghép lại, giải pháp bè cứng chưa được sử dụng nhiều bởi giá thành cao.
m H Đê Bè cây m Lớp đất yếu b
Hình 4.12: Mặt cắt ngang cấu tạo bè cây
Phương pháp đắp đê trên bè cĩ ưu điểm là thi cơng đơn giản , trọng lượng nhẹ do đĩ ở những nơi cĩ sẵn vật liệu làm bè thì đây cũng là một phương án khả thi. Tuy nhiên việc tính tốn cụ thể cấu tạo của bè, đặc biệt khả năng dùng ở những nơi mực nước ngầm khơng ổn định chưa được nghiên cứu sâu mà thường là bố trí cấu tạo theo kinh nghiệm.
Xử lý nền đất yếu bằng bè cây đã được áp dụng ở đê biển Cà Mau, những đoạn xử lý nền bằng biện pháp này chiều cao đắp được nâng lên; thời gian thi cơng được rút ngắn chỉ trong một mùa khơ. Những đoạn khơng xử lý nếu khơng đắp đất theo giai đoạn theo thiết kế phải 3 năm mới hồn thành thì thường bị gặp sự cố lún sụt, trồi mái…
* Đắp đê cĩ bệ phản áp :
Phạm vi áp dụng: Các tuyến đê đi qua ao hồ hoặc vùng bùn lầy, chiều dày lớp đất yếu ≥ 3.0m. Khi cường độ chống cắt của nền đất yếu khơng đủ để thi cơng đê theo từng giai đoạn hoặc khi thời gian cố kết quá dài so với thời hạn thi cơng thì cĩ thể áp dụng giải pháp này.
So với việc làm thoải độ dốc mái đê, việc đắp bệ phản áp (cơ đê) với một khối lượng đất đắp như nhau sẽ cĩ lợi hơn do giảm được mơmen của các lực trượt (do xuất hiện vùng biến dạng dẻo dưới nền đất yếu) nhờ tập trung tải trọng về phía chân mái đê.
Bệ phản áp cịn làm tăng độ ổn định, giảm khả năng làm trồi đất ra hai bên, mặt khác cịn cĩ tác dụng phịng lũ, chống sĩng và chống thấm cho thân đê…
Xác định kích thước bệ phản áp là vấn đề mấu chốt trong tính tốn và thiết kế bệ phản áp. Hiện nay cĩ nhiều phương pháp tính tốn kích thước bệ phản áp dựa vào các giả thiết khác nhau nhưng chỉ là những phương pháp gần đúng. Đối với cơng trình đắp đê thì phương pháp tính tốn kích thước bệ phản áp dựa vào sự phát triển của vùng biến dạng dẻo ở hai bên đê theo lý luận cân bằng giới hạn để xác định mặt trượt và trạng thái giới hạn của đất nền, theo điều kiện khống chế ứng suất ngang… được áp dụng nhiều ở nước ta.
Với cơng trình đắp đê, tải trọng phân bố dạng hình thang và vùng biến dạng dẻo dưới đê cĩ dạng hình trái xoan lõm giữa. Vùng biến dạng dẻo cho phép phát triển bằng nửa khoảng cách hai mép ngồi của bệ phản áp. Chiều rộng vùng biến dạng dẻo xác định theo lưới đường cong gĩc lệch θM cĩ trị số bằng nhau. Trị số gĩc lệch θM xác định theo cơng thức sau [13]:
sinθM = (σ1 – σ2) / [(σ1 + σ2+ 2γ(z + hm + hc)] (4.11) Trong đĩ :
σ1, σ2: ứng suất chính ở điểm khảo sát trong đất nền (σ1 = µp; σ2 = νp; m và n : hệ số phụ thuộc z/b và y/b, được tra bảng; p : ứng suất gây lún trung bình phân bố dươi đáy mĩng).
hoặc θM cĩ xác định theo các thành phần ứng suất σz; σy và τxy như sau : sinθM = [(σz – σy)2 + 4 τ2
xy] / [(σz + σy+ 2γ(z + hm + hc)²] (4.12) Trong đĩ :
σz; σy và τxy: thành phần ứng suất theo phương thẳng đứng, phương ngang và ứng suất tiếp ở điểm khảo sát (σz = kzp; σy = kyp và τxy = τyz = ktp – các hệ số kz,ky, và kt phụ thuộc z/b và y/b, được tra bảng [13])
γ : trọng lượng thể tích nền.
z, hm : chiều sâu điểm khảo sát và chiều sâu đặt mĩng
hc = c / γtgϕ (c : lực dính đơn vị đất nền, ϕ: gĩc ma sát trong đất nền)
Theo kinh nghiệm thiết kế, chiều rộng bệ phản áp bằng 2 lần chiều rộng vùng biến dạng dẻo. Theo kinh nghiệm của Trung Quốc [6]: chiều cao h > 1/3H, chiều rộng L = (2/3 ÷ 3/4) chiều dài trồi đất.
θM > ϕ vùng biến dạng dẻo m2 h b bệ phản áp H m 1 L Hình 3.8 – Mặt cắt ngang bệ phản áp
Tuy nhiên, muốn cho bệ phản áp phát huy được hiệu quả để cĩ thể xây dựng nền đắp một giai đoạn thì khối lượng của nĩ rất lớn. Vì vậy giải pháp đắp bệ phản áp chỉ thích hợp nếu vật liệu đắp rẻ và phạm vi đất đắp khơng bị hạn chế.
Các giải pháp nêu trên (đệm cát, đệm đất, vải địa kỹ thuật, bè cây, bệ phản áp) đều nhằm mục đích cải tạo sự phân bố ứng suất và biến dạng của nền đất yếu. Chỉ nên áp dụng cho các trường hợp khi lớp đất nền yếu cĩ chiều dày khơng lớn (≤
3.0m) nằm trực tiếp dưới đáy mĩng đê để làm tăng khả năng chịu lực và hạn chế biến dạng, đặc biệt là biến dạng khơng đều của đất nền dưới tác dụng của tải trọng cơng trình.
Các giải pháp trên bị hạn chế khi chiều dày lớp đất yếu lớn (> 3.0m), hoặc trong lớp đất yếu cĩ nước áp lực cao.