5. Cấu trúc của luận văn
1.3.2. Các phương pháp cải tạo nền đất yếu
Các phương pháp được dùng để giảm độ lún và cải thiện tính năng của nền đất có thể phụ thuộc vào sức kháng cắt của nền đất và có thể không cần thiết khi sức kháng cắt lớn. Đất sét quá cố kết, đất bụi và đá gốc sẽ không cần phải sử dụng các biện pháp cải tạo. Tuy nhiên, đối với đất bụi rời rạc, đất sét yếu, đất chứa nhiều hữu cơ thường có độ lún lớn và phải tiến hành các biện pháp cải tạo. Các biện pháp cải tạo nền đất có thể thường sử dụng như: Thay thế đất yếu, các biện pháp cơ học và hóa học, biện pháp gia tải trước có hoặc không có bấc thấm, các biện pháp sử dụng cọc cho nền đường.
1.3.2.1 Biện pháp thay thếđất yếu
Đây là biện pháp đơn giản nhất với việc đào bỏ lớp đất yếu, sau đó thay thế bằng lớp đất khác tốt hơn.
1.3.2.2 Biện pháp cơ học và hóa học
Các biện pháp cải tạo nền đất bằng cơ học như sử dụng cọc đá, cọc cát đầm, phương pháp đầm động. Biện pháp cải tạo nền đất bằng hóa học như sử dụng trụ xi măng đất, trụ vôi. Tuy nhiên, các biện pháp cải tạo nền đất bị giới hạn bởi chiều sâu lớp đất yếu.
1.3.2.3 Biện pháp gia tải trước
Trên thực tế, đối với việc xử lý lún và ổn định của nền đường đắp cao trên đất yếu ở phạm vi đầu cầu phải đảm bảo sao cho vùng nối tiếp giữa cầu và đường được khai thác êm thuận thì cần xem xét đến một số kinh nghiệm trong công tác thiết kế và ứng dụng trong thời gian qua, như sau:
- Khi nền đất đắp không quá cao, người ta có thể sử dụng giải pháp bấc thấm kết hợp gia tải trước. Tuy nhiên, giải pháp này tốn nhiều thời gian, nên áp dụng cho công trình thi công trong thời gian dài.
- Nếu yêu cầu cố kết để đẩy nhanh tiến độ thi công, đảm bảo tiến độ dự án, người ta thường sử dụng giải pháp giếng cát kết hợp gia tải trước. Tuy nhiên, giải pháp này đắt hơn nhiều so với phương pháp dùng bấc thấm, vì vậy hiệu quả kinh tế cần được xem xét.
- Một số trường hợp sử dụng giải pháp cọc cát đầm chặt, giải pháp này có thời gian hoàn thành ngắn hơn giải pháp dùng giếng cát. Có thể thi công nền đường và lớp áo nền đường ngay sau khi hoàn thành thi công cọc cát đầm chặt. Tuy nhiên, giải pháp này không kinh tế vì tốn nhiều chi phí nên ít sử dụng. Có một số công trình áp dụng phương pháp này tại khu vực đồng bằng Sông Cửu Long, nhưng vẫn xảy ra lún. Vì vậy, để sử dụng hiệu quả giải pháp cọc cát đầm chặt cần phải kết hợp với gia tải trước.
1.3.2.4 Biện pháp sử dụng cọc chống đỡ
Giải pháp dùng sàn bê tông cốt thép trên nền cọc sau mố được xem là giải pháp tốt nhất, nhưng chi phí cao. Vì vậy, giải pháp này chỉ áp dụng đối với xử lý đất yếu tại mố cầu. Với khả năng mang lại nhiều hiệu quả xử lý đất yếu và bảo vệ nền với các kết cấu gây ảnh hưởng hiện hữu, giải pháp này rất thuận tiện cho việc mở rộng nền đường đầu cầu. Bên cạnh đó, áp dụng giải pháp này sẽ đẩy nhanh tiến độ thi công và giảm cản trở lưu thông tại công trường.
1.3.2.5 Biện pháp sử dụng trụđất xi măng kết hợp với vải địa kỹ thuật
Phương pháp gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng nhằm thay đổi tính chất cơ lý của đất theo hướng nâng cao sức chịu tải, giảm biến dạng của nền. Nguyên lý của công nghệ này là dùng các trang thiết bị trộn sâu chuyên dụng (hay phương pháp trộn dưới sâu Deep mixing method - DMM) để trộn đất yếu tại chỗ với xi măng và tạo ra các trụ đất gia cố xi măng (là các trụ đất xi măng có sức chống cắt dưới 150 kPa – theo phân loại trụ của Thụy Điển). Các trụ này vừa thay thế một phần đất yếu vừa chèn vào trong đất yếu tạo ra các hạn chế nở hông theo phương ngang đối với đất yếu, tạo ra lực ma sát giữa trụ đất với đất yếu, từ đó tạo ra sự làm việc cùng nhau ở một mức độ nhất
định giữa trụ với đất yếu khi chịu tải trọng phía trên, tức là tạo ra được một móng làm việc theo nguyên lý ''nền móng phức hợp'' để tăng sức chịu tải và giảm độ lún của đất yếu dưới tải trọng ngoài.
Nguyên lý hình thành cường độ của bản thân các loại trụ này thì có thể hiểu qua 3 quá trình: Quá trình nén chặt cơ học, quá trình cố kết thấm, quá trình gia tăng cường độ của trụ gia cố và sức kháng cắt của đất nền.
+ Quá trình nén chặt cơ học: Gia cố nền bằng trụ đất xi măng là dùng thiết bị chuyên dụng đưa một lượng vật liệu vào nền đất dưới dạng trụ hỗn hợp xi măng.
+ Quá trình cố kết thấm: Ngoài tác dụng nén chặt đất, trụ đất xi măng còn có tác dụng làm tăng nhanh quá trình cố kết của đất nền.
Do trụ đất xi măng được đưa vào nền dưới dạng khô nên hỗn hợp xi măng sẽ hút nước trong đất nền để tạo ra vữa xi măng, sau đó biến thành đá xi măng. Quá trình tạo vữa xi măng làm tổn thất một lượng nước lớn chứa trong lỗ rỗng của đất, là làm tăng nhanh quá trình cố kết của nền đất. Quá trình này xảy ra ngay sau khi bắt đầu gia cố và kéo dài cho đến khi nền đất được gia cố xong, toàn bộ trụ đất xi măng trở thành một loại bê tông. Đây là quá trình biến đổi hoá lý phức tạp, chia làm hai thời kỳ: thời kỳ ninh kết và thời kỳ rắn chắc. Trong thời kỳ ninh kết, vữa xi măng mất dần tính dẻo và đặc dần lại nhưng chưa có cường độ. Trong thời kỳ rắn chắc, chủ yếu xảy ra quá trình thuỷ hoá các thành phần khoáng vật của clinke (thành phần chính trong xi măng).
+ Quá trình tăng cường độ của trụ đất xi măng và sức kháng cắt của đất nền: Khi gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng, sức kháng cắt của trụ dưới tác dụng của tải trọng ngoài xác định theo định luật Coulomb τ= σtgφ + c, với c là lực dính được tạo nên bởi liên kết xi măng. Giá trị c có thể xác định bằng thí nghiệm cắt mẫu thử.
Trên thế giới, công nghệ thi công trụ đất xi măng thì hiện tại đã phát triển phổ biến 2 loại công nghệ phun ướt (Wet Jet Mixing Method hay còn gọi là Jet-grouting) và công nghệ phun khô (Dry Jet Mixing Method).
Phương pháp trộn phun ướt hay gọi là phương pháp trộn vữa với đất yếu là một quá trình bê tông hóa đất. Nhờ có tia nước và tia vữa phun ra với áp lực cao (20 MPa), vận tốc lớn (> 100m/s), các phần tử đất xung quanh lỗ khoan bị xói tơi ra và hòa trộn với vữa phụt đông cứng tạo thành một khối xi măng - đất đồng nhất.
Vữa xi măng cần có tỷ lệ N/X = 0,45 ÷ 0,55 và có thể sử dụng thêm các phụ gia giảm nước, chậm đông cứng hoặc tăng nhanh cường độ. Trình tự thi công phương pháp trộn phun ướt:
Bước 1: Khoan tới độ sâu thiết kế.
Bước 2: Phun vữa lỏng ở đáy lỗ cho vữa xâm nhập vào cả 2 bên đáy lỗ.
Bước 3: Vừa rút cần khoan lên vừa phun vữa cho đến cách cao trình đỉnh lỗ 30cm.
Phương pháp trộn phun khô: Theo công nghệ này bột xi măng được khí nén bơm phun vào trong đất ở dưới sâu qua một ống có lỗ phun bố trí ở tim của cần khoan, tiếp đó bột được trộn cơ học bằng cách quay trong điều kiện không thêm nước vào đất yếu. Công nghệ này có ưu điểm hơn công nghệ trộn phun ướt vì sử dụng nước có trong đất yếu để thủy hóa chất liên kết nên cường độ đất gia cố sẽ cao hơn, lượng nhiệt tạo ra khi thủy hóa làm khô thêm đất yếu lân cận và hiệu quả gia cố cao hơn.
Trộn ướt là quá trình phun trộn vữa xi măng với đất có hoặc không có chất phụ gia. Quá trình phun chất kết dính để trộn với đất trong hố khoan, theo yêu cầu có thể thực hiện ở cả hai pha khoan xuống và rút lên của mũi khoan hoặc chỉ thực hiện ở pha rút mũi khoan.
Sử dụng trụ đất xi măng để xử lý nền đất yếu có thể theo cách bố trí trụ đường kính hiện tại thường dùng là 60cm, kiểu hoa mai với khoảng cách 1 ÷ 1,2m, cũng có thể bố trí thành chắn hai bên chân taluy để hạn chế chuyển vị ngang góp phần giảm lún thẳng đứng và hạn chế trượt ngang.
- Quan điểm xem trụ đất xi măng và nền đất tự nhiên chưa được gia cố cùng làm việc đồng thời như một nền tương đường. Tính toán và thiết kế như đối với nền thông thường.
- Quan điểm trụ đất xi măng làm việc như một cọc đơn chịu lực. Tính toán thiết kế như móng cọc.
- Quan điểm hỗn hợp: Tính sức chịu tải của nền theo móng cọc, tính biến dạng theo nền tương đương.
Ưu điểm phương pháp trụ đất xi măng: Không cần gia tải; Độ lún cố kết thấp; Thời gian thi công nhanh; Cường độ đất nền cao; Không có rung động và tiếng ồn.
Nhược điểm: Giá thành cao; Số lượng máy thi công nhiều; Kinh nghiệm thi công ở Việt Nam còn ít.
Kết luận chương 1 1.4.
Đất yếu là loại đất có sức chịu tải thấp, có tính biến dạng lớn nhất thiết phải xử lý khi xây dựng công trình. Hiện nay có rất nhiều phương pháp xử lý lún nền đường dẫn vào cầu trên đất yếu bằng cách tăng độ bền cho lớp đất yếu, tăng khả năng chịu tải cho nền đường, giảm thời gian cố kết, giảm độ lún công trình trong quá trình sử dụng.
Phương pháp trụ đất xi măng kết hợp với vải địa kỹ thuật là giải pháp xử lý nền đất yếu đã và đang được ứng dụng hiệu quả ở nhiều nước trên thế giới. Ở Việt Nam, giải pháp trụ đất xi măng kết hợp với vải địa kỹ thuật cũng đã được thử nghiệm và áp dụng đạt hiệu quả tốt đặc biệt là với các công trình có quy mô không quá lớn, đất yếu dày như ở đồng bằng Sông Cửu Long.
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN Phương pháp tính toán theo tiêu chuẩn Châu Âu