Vật liệu ĐKT là những vật liệu tổng hợp dùng để ổn định, gia cường nền đất và thường là những vật liệu cao phân tử (vật liệu polyme tổng hợp có kích thước và khối lượng phân tử lớn). Các loại VL ĐKT bao gồm vải địa kỹ thuật, lưới địa kỹ thuật, bạt chống thấm, đất sét tổng hợp, lưới thoát nước, ô địa kỹ thuật. Vì là các sản phẩm cao phân tử nên các VL ĐKT phù hợp với yêu cầu tăng cường khả năng chịu lực của nền đất, đồng thời có thời gian sử dụng lâu bền. VL ĐKT có ứng dụng rộng rãi trong các ngành xây dựng, giao thông, địa chất, môi trường, thủy lợi và nuôi trồng thủy sản. Những vật liệu này có thể dùng trong các ứng dụng ngoài trời, hoặc chôn lấp trong đất. Vải địa kỹ thuật được sản xuất có dạng tấm phẳng, linh hoạt , có thể cho nước thấm qua. Vải địa kỹ thuật thường được phân loại làm ba nhóm chính dựa theo cấu tạo sợi: dệt, không dệt và vải địa phức hợp.
Vật liệu địa kỹ thuật rất linh hoạt trong sử dụng, phù hợp với nhiều loại công trình và có thể kết hợp với nhiều loại vật liệu xây dựng khác. Chúng có ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực thuộc xây dựng dân dụng, đặc biệt là địa kỹ thuật, giao thông vận tải, tài nguyên nước, môi trường, bờ biển, kỹ thuật bờ biển. Vật liệu địa kỹ thuật được phát triển nhanh chóng trong vòng bốn thập kỷ qua do có những đặc tính cơ bản sau:
+ Không bị ăn mòn.
+ Không bị biến chất do tác động của sinh học và hoá học. + Độ bền cao dưới tải trọng lâu dài của các lớp đất bên trên. + Độ đàn hồi cao
+ Thể tích nhỏ + Vật liệu nhẹ
+ Dễ dàng lưu trữ và vận chuyển + Đơn giản trong lắp đặt
+ Đẩy nhanh quá trình thi công
+ Tạo giải pháp kinh tế và thân thiện với môi trường. + Tạo thẫm mỹ cho công trình.
Vật liệu địa kỹ thuật có nhiều áp dụng rộng rãi trong xây dựng dân dụng. Khi sử dụng tương tác với đất, đá hay các loại vật liệu xây dựng khác, chúng thường thể hiện một hoặc nhiều đặc tính cơ bản dưới đây:
» Sự gia cường cho nền » Sự phân cách lớp » Sự lọc
» Sự thoát nước » Sự ngăn dòng chảy » Sự bảo vệ nền
Nhưng trong xây dựng các công trình trên nền đất yếu, chủ yếu dựa trên 4 chức năng cơ bản sau:
- Phân cách (separation) - Lọc (filtration)
-Tiêu thoát nước (drainage) - Gia cường (reinforcement)
- Các loại vật liệu ĐKT: Loại vải có dệt, loại vải không dệt, loại vải đan.
+ Loại vải có dệt: Vải địa kỹ thuật được sản xuất bằng cách dệt từ các sợi hoặc bó sợi, được dệt ngang dọc giống như vải may. Biến dạng của nhóm này thường được thí nghiệm theo 2 hướng chính: hướng dọc máy, viết tắt MD (machine direction) và hướng ngang máy, viết tắt CD (cross machine direction). Sức chịu kéo theo hướng dọc máy bao giờ cũng lớn hơn sức chịu kéo theo hướng ngang máy.
+ Loại vải không dệt: gồm những sợi ngắn và sợi dài liên tục, không theo một hướng nhất định nào, được liên kết với nhau bằng phương pháp hóa học (dùng chất dính), hoặc nhiệt (dùng sức nóng) hoặc cơ (dùng kim dùi).
Hình 2.7: Vải địa kỹ thuật loại không dệt
+ Loại vải đan: là loại vải sản xuất bằng cách đan các sợi hoặc các bó sợi lại bằng máy đan thay vì dệt các sợi lại với nhau
Hình 2.8: Vải địa kỹ thuật loại đan
• Geogrids (lưới địa kỹ thuật): Lưới địa kỹ thuật được làm bằng hợp chất polypropylen (PP), polyester (PE) hay bọc bằng polyetylen-teretalat (PET). Vật liệu dùng làm lưới địa có sức chịu kéo đứt rất lớn 40.000 psi (so với sắt là 36.000 psi)
Lưới địa được chia thành 3 nhóm: + Lưới một trục,
+ Lưới hai trục,
Hình 2.9: Lưới địa kỹ thuật loại một trục
Hình 2.10: Lưới địa kỹ thuật loại hai trục
• Geonet : có sản phẩm polimer có dạng tấm, bao gồm một mạng lưới dày đặc các ô. Thoạt đầu, geonet có hình dạng tương tự như geogrids, tuy nhiên, geonet khác geogrids không phải ở chất liệu hay đặc tính mà ở chức năng trong việc thoát chất lỏng hoặc chất khí trong phương mặt phẳng lưới
Hình 2.11: Geonet
• Geomembranes (màng địa kỹ thuật): là sản phẩm polymer tổng hợp ở dạng cuộn hoặc tấm có hệ số thấm rất thấp K=10-12 ÷10-16cm/s, màng địa kỹ thuật được sử dụng để chống thấm cho công trình hoặc làm tường vây ngăn cách giữa khu chế xuất, nhà máy lọc dầu, kho chứa chất lỏng … và khu dân cư. Loại màng chống thấm HDPE được sử dụng nhiều nhất ở Việt Nam hiện nay là màng địa kỹ thuật HDPE bề mặt nhẵn.
Hình 2.12: Geomembrane (màng địa kỹ thuật)
• Geocell (ô địa kỹ thuật): được tạo thành từ những tấm HDPE liền kề và liên tục được hàn nhiệt với nhau một cách với những khoảng cách nhất định, các tấm này khi kéo ra sẽ tạo thành các ô. Những ô này sau khi được đổ đất /đá/ sỏi sẽ tạo thành một kết cấu có khả năng gia cường nền đất, mái dốc nhằm chống xói mòn. địa kỹ thuật được đổ đất và để trên lớp màng HDPE của mái taluy ô chôn lấp giúp bảo vệ lớp màng chống thấm tránh được các tác động lâu dài về môi trường và các tác động cơ học bên ngoài. Mặt
khác hệ thống này sẽ tạo điều kiện thuận lợi để một lớp thảm cỏ thực vật mọc nhằm tạo cảnh quan.
Hình 2.13: Geocell (ô địa kỹ thuật)
• Geocomposite : là một thuật ngữ chỉ sản phẩm được kết hợp của các tấm mỏng hay các thanh từ hai hay nhiều chất liệu, trong đó ít nhất một thành phần là vật liệu địa kỹ thuật tổng hợp như vải địa kỹ thuật, lưới địa kỹ thuật, màng địa kỹ thuật hay một dạng khác). Với sự kết hợp đó, các tính năng sẽ phát huy hiệu quả hơn là khi sử dụng riêng rẽ
Hình 2.14: Geocomposite
• Geofoam: là vật liệu cao phân tử được chế tạo ở dạng nửa lỏng cùng với sự tham gia của phụ gia tạo bọt nên geofoam có trọng lượng nhẹ, được tạo tạo hình bản hoặc hình
khối với hệ số rỗng cao dùng làm vật liệu đắp trọng lượng nhẹ, vật liệu cách nhiệt và kênh dẫn nước.
Hình 2.15: Geofoam
2.3.1. Lƣới địa kỹ thuật
Là một tổng hợp của các vật liệu sản xuất từ chế phẩm của dầu mỏ Polyethylene hoặc polypropylen, polyester hoặc Polyviyl, các biến thể của Lưới địa kỹ thuật ngày nay còn được sản xuất với cốt sợi thủy tinh, hoặc các lớp lỏi bằng HDPE và lớp phủ bằng sợi các bon, dùng để gia cường các công trình tường chắn của mái dốc của con đường với sức căng rất lớn.
Tùy theo công nghệ sản xuất của nhà cung cấp lưới địa mà có các sản phẩm và chế phẩm được cung cấp cho thị trường xây dựng hạ tầng cơ bản khác nhau. Lưới địa 2 trục, lưới địa 3 trục và lưới địa xoắn kép. Tiêu chuẩn của lưới địa ngày nay được thí nghiệm theo chuẩn của ASTM Quốc tế, Việt Nam vẫn có bộ tiêu chuẩn Quốc gia riêng, nhưng cơ bản vẫn là ASTM Quốc tế.
a. Các chức năng của lƣới địa kỹ thuật
Lưới địa kỹ thuật được làm bằng chấtpolypropylen(PP), polyester(PE) hay bọc bằngpolyetylen-teretalat (PET) với phương pháp ép và dãn dọc. Vật liệu dùng làm lưới địa có sức chịu kéo đứt rất lớn 40.000psi (so với sắt là 36.000 psi).
Lưới địa được chia thành 3 nhóm:
o Lưới một trục,
o Lưới hai trục,
+ Lưới một trục: có sức kéo theo hướng dọc máy, thường để gia cố mái dốc, tường chắn v.v.
+ Lưới hai trục: có sức kéo cả hai hướng, thường dùng để gia có nền đường, nền móng công trình v.v... Trái với vải, hướng ngang máy có sức chịu kéo lớn hơn dọc máy.
Giải pháp sử dụnglưới địa kỹ thuật được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới trong những công trình tường chắn dẫn vào đầu cầu, kè sông, kè biển và gia cố, sửa chữa mái dốc do những ưu điểm vượt trội sau đây:
- Độ an toàn cao, bền vững với môi trường, vòng đời thiết kế 120 năm. - Thời gian thi công nhanh chóng.
- Tận dụng vật liệu tại chỗ.
- Cho phép máy móc hạng nặng hoạt động gần khu vực mép mái dốc để đầm chặt đều.
- Sử dụng giải pháp trồng cỏ trên mặt taluy tạo cảnh quan và thân thiện với môi trường.
- Có thể thiết kế và thi công tường chắn đạt đến độ cao 45 mét.
- Nhiều lựa chọn cho bề mặt tường chắn, đảm bảo tính thẩm mỹ của công trình. - Tiết kiệm được chi phí so với các kết cấu trọng lực và bê tông gia cố truyền thống, ít bị hủy hoại bởi thời tiết,tia tử ngoại, bởi môi trường chung quanh như đất có axít, kiềm, và các chất độc hại khác.
b. Lƣới địa kỹ thuật với chức năng ổn định nền móng
Các lưới địa kỹ thuật chịu lực hai chiều kết hợp với hiệu quả hoạt động trong việc gia cố vật liệu rời và các lớp móng đường mang lại nhiều lợi ích:
- Giảm độ dày lớp vật liệu sỏi/đá tới 40% mà không giảm chất lượng công trình. - Giảm khối lượng đào cùng với việc bảo tồn được các nguồn vật liệu tự nhiên. - Giảm mức độ xáo trộn và khả năng làm yếu các lớp móng đường nhạy cảm. - Nâng cao độ chặt của lớp vật liệu đắp.
- Tăng vòng đời thiết kế.
- Kiểm soát được các khả năng lún chênh lệch…
c. Gia cố nền đƣờng nhựa
Những mặt đường chịu tải trọng cao liên tục cũng như những đường bê tông có phủ nhựa hoặc những đường có móng đá trộn sẽ hoạt động tốt hơn nếu được gia cố. Các
sản phẩm gia cố nền đường nhựa sẽ giúp giảm chi phí bảo dưỡng và phù hợp với tất cả các loại hỗn hợp nhựa:
- Giảm độ dày lớp nhựa đến 40%;
- Giảm đáng kể hiện tượng nứt mặt đường; - Giảm hiện tượng lún đến 70%;
- Tăng vòng đời mặt đường; - Dễ thi công.
d. Các ứng dụng của lƣới địa kỹ thuật
Chính vì những lợi ích trên, lưới địa kỹ thuật sẽ được sử dụng rất hiệu quả trong những ứng dụng: làm đường tạm cho xe vào thi công khi đi qua khu vực đất yếu, kết cấu áo đường cho mặt đường cao tốc, bãi container trong cảng biển, đường cho xe siêu trường, siêu trọng, sàn làm việc cho phương tiện thi công hạng nặng.
- Tường chắn trọng lực: Lưới được trải nằm ngang, liên kết với các tấm hoặc các khối ốp mặt ngoài nhằm chống lại các lực cắt của khối trượt có thể xảy ra, và có thể xây các tường chắn cao tới 17 m với mái dốc đến 90 độ.
- Mái dốc: Lưới được trải thành từng lớp nằm ngang trong thân mái dốc để tăng khả năng ổn định, khống chế trượt. Mặt ngoài của mái dốc có thể được neo bằng chính lưới địa kỹ thuật hoặc chắn bằng các bao tải đất hoặc thảm thực vật nhân tạo chống xói mòn bề mặt. Mái dốc xây dựng theo phương pháp này có thể đạt tới độ cao 50 m.
- Đường dẫn đầu cầu: Giống như tường chắn trọng lực, lưới được trải thành từng lớp ngang, neo giữa các tấm ốp mái ở hai mái đường dẫn đầu cầu, vừa tăng khả năng chịu tải đồng thời tiết kiệm không gian hai bên đường dẫn.
- Liên kết cọc: Sau khi đóng cọc móng, lưới được trải trên các cọc, tạo thành một hệ đỡ truyền tải trọng từ công trình bên trên xuống tất cả các cọc một cách hiệu quả, đồng thời giúp tiết kiệm được số lượng cọc sử dụng.
- Tạo lưới đỡ trên nền có nhiều hốc trống: Lưới được sử dụng phủ nền có nhiều hốc trống, phần nền đá vôi, phần nền có nhiều vật liệu khối lổn nhổn... hạn chế sụt lỗ rỗng, bảo vệ các lớp lót như màng chống thấm (ô chôn lấp rác, hồ chứa trên núi đá đồi, vùng mỏ, v.v.)
- Tăng ma sát trên mái dốc: Nhằm tăng ma sát của vật liệu đắp trên mái dốc có trải các lớp màng chống thấm trơn hoặc vật liệu địa kỹ thuật khác.
2.3.2 Các chức năng của vải địa kỹ thuật
2.3.2.1. Vải địa kỹ thuật với chức năng làm lớp phân cách
Vải địa kỹ thuật đóng vai trò phân cách khi nó được đặt nằm giữa nền đất yếu và lớp vật liệu tốt đắp bên trên nhằm ngăn cản sự trộn lẫn giữa hai loại vật liệu này với nhau. Vải địa kỹ thuật phân cách ngăn ngừa tổn thất vật liệu đắp do chìm lún vì vậy tiết kiệm đáng kể chi phí xây dựng. Ngoài ra vải địa kỹ thuật còn ngăn chặn không cho đất yếu thâm nhập làm suy giảm lớp cốt vật liệu đắp bên trên, nhằm bảo vệ các đặc tính cơ lý của vật liệu đắp (mođun đàn hồi, góc ma sát…). Điều này đặc biệt quan trọng cho việc duy trì khả năng hấp thụ, chống chịu, truyền và phân bố hữu hiệu toàn bộ tải trọng giao thông.
2.3.2.2. Vải địa kỹ thuật với chức năng làm lớp lọc ngƣợc
Thoát nước sau lưng tường chắn đất hoặc một hệ thống thoát nước ngầm trong những công trình đất đắp về giao thông, thủy lợi… trước đây người ta dùng vật liệu hạt làm tầng lọc ngược – với một cấp phối vật liệu nhất định.
Tuy nhiên hiệu quả của tầng lọc ngược không đạt yêu cầu sau một thời gian sử dụng do các hạt bụi, sét bám, lấp kín tầng lọc ngược làm giảm hoặc mất khả năng thoát nước của tầng lọc ngược. Vải địa kỹ thuật có chức năng như một tầng lọc ngược khi được đặt tiếp xúc với đất. Nó cho phép nước chảy qua nhưng đồng thời phải ngăn cản sự cuốn theo các hạt đất xuyên qua vải. Do đó nó đòi hỏi đồng thời cả 2 thuộc tính thấm nước (yêu cầu phải có cấu trúc rỗng để thấm nước) và ngăn giữ đất (cần phải có kích thước lỗ rỗng vừa đủ nhỏ để chặn giữ đất). Ngoài các đặc tính trái ngược nhau này, vải địa kỹ thuật phải liên tục kết hợp thực hiện các chức năng này trong suốt thời kỳ thiết kế của bất kỳ ứng dụng nào.
2.3.2.3. Vải địa kỹ thuật với chức năng làm lớp tiêu thoát nƣớc
Vải địa kỹ thuật ngoài khả năng thấm lọc nước theo phương thẳng góc với vải, nó còn đóng vài trò tiêu thoát nước theo phương song song mặt phẳng vải (trong bề dày của vải địa kỹ thuật). Nó giúp thu gom các chất lỏng hoặc khí và dẫn chóng áp lực nước kẽ rỗng thặng dư của đất trong quá trình thi công cũng như sau khi xây dựng dẫn đến sức kháng cắt của đất nền sẽ được tăng lên và do đó tăng khả năng ổn định tổng thể của công trình theo thời gian.
Vải địa kỹ thuật không dệt, xuyên kim có chiều dày và tính thấm lọc nước cao là vật liệu có khả năng tiêu thoát tốt theo cả phương vuông góc và trong mặt phẳng vải.
Các loại vải địa kỹ thuật dệt hoặc vải không dệt liên kết nhiệt đều có khả năng tiêu thoát nước kém (đặc biệt theo bề mặt tiếp xúc giữa đất và vải). Thêm vào đó, các loại vải này của khuynh hướng “đóng bánh” gần vải, hình thành một màn ngăn không thấm nước do sự tích tựu các hạt đất nhỏ, mịn dưới tác dụng động của tải trọng giao thông. Điều này làm giảm đáng kể khả năng thấm thoát nước của chúng.
2.3.2.4. Vải địa kỹ thuật với chức năng gia cƣờng nền đắp trên đất yếu
Với các công trình đắp cao như: đường đắp cao, đê đập, đường vào cầu, đường có mái dốc lớn hoặc thẳng đứng… Khi đó dưới tác dụng của tải trọng bản thân lớn (do đắp cao) và tải trọng giao thông sẽ gây ra biến dạng cắt trượt trong đất và phát triển thành mặt trượt phá hoại gây mất ổn định công trình. Thông thường biến dạng cắt sẽ gây ra những vùng chịu kéo và nén trong đất. Do đó vải địa kỹ thuật với khả năng chịu kéo tốt được đặt theo phương của biến dạng kéo, giúp gia cường khắc phục nhược điểm chịu kéo của đất. Lực kéo trong vải được huy động thông qua lực ma sát tại mặt tiếp xúc giữa vải với đất khi có chuyển vị trượt tương đối giữa chúng. Khả năng chịu kéo của vải đóng vai trò gia cường, góp phần làm giảm thành phần làm gây phá hoại, đồng thời làm tăng thành phần