2.4. Cơ sở lý thuyết của phương pháp xử lý nền đất yếu bằng phương pháp ổn
2.4.1. Các kỹ thuật gia cố
Kỹ thuật gia cố tồn khối có thể được chia thành hai nhóm như sau: 1. Gia cố tại chỗ, “in situ”.
2. Gia cố đất đào/trầm tích ngồi cơng trường “ex situ”, có thể gọi là gia cố tại trạm. Các hình vẽ từ 2.3 đến 3.6 trình bày một số ứng dụng của biện pháp gia cố toàn khối với phương pháp gia cố tại chỗ và gia cố tại trạm.
1a) Gia cố toàn khối để tăng cường độ cho nền đất dưới cơng trình, như nền đường hoặc sân bãi với mục đích hạn chế độ lún, nâng cao ổn định (Hình 2.3a).
1b) Xử lý đất yếu xung quanh các đường ống. Việc xây dựng và khai thác các đường ống (đặc biệt là đường ống dẫn chất lỏng, có kích thước lớn, hạ ngầm) qua vùng đất yếu ln gặp nhiều khó khăn. Khi đào mương đặt ống, phải tốn chi phí để giữ vách, xử lý đất đào ra. Khi khai thác, đường ống ln có nguy cơ bị lún, lún lệch, gây đứt gẫy, biến dạng, ngày cả khi gối đỡ đã được xây dựng kiên cố. Các hạn chế này có thể được khắc phục tốt nếu áp dụng biện pháp gia cố để xử lý đất ở khu vực đặt ống trước khi thi cơng. (Hình 2.3b).
1c) Xử lý đất thừa có chất lượng thấp khi thi công nền đào. Khi thi công nền đào nằm trong khu vực đất yếu, xuất hiện nguy cơ ảnh hưởng tới cơng trình xung quanh do sạt lở đất; đất đào ra gặp khó khăn khi vận chuyển, khơng có khả năng tái sử dụng. Khi đó, nếu áp dụng biện pháp gia cố tồn khối trước khi thi cơng cho phép khắc phục được các hạn chế vừa nêu (Hình 2.3c).
2a) Xử lý đất đào yếu, kém chất lượng. Trong trường hợp này, thay vì đổ bỏ đi, đất yếu vẫn được được sử dụng để đắp nền. Tuy nhiên, ngay sau khi chuyển vào vị trí đắp, khối đắp phải được xử lý bằng phương pháp gia cố toàn khối. Nếu chiều dày lớp đắp mỏng, lớp đất tự nhiên ở phía dưới nền đắp cũng là đất yếu
37
thuộc loại sét hoặc than bùn thì có thể kết hợp xử lý ln lớp đất tự nhiên này (hình 2.4a).
2b) Xử lý bùn, đất yếu. Để tận dụng bùn, đất yếu hút từ sông, hồ lên đắp đắp các cơng trình ven bờ (như bãi cơng ten nơ, bến cảng), có thể sử dụng biện pháp gia cố tồn khối. Theo đó, tại khu vực cần đắp, xây dựng hệ thống đê bao bằng đất, kể cả đất yếu được xử ý bằng gia cố toàn khối. Bùn, đất yếu được đào, hút lên, bơm vào khu vực giữa các đê bao, sau đó được xử lý bằng biện pháp gia cố toàn khối. Sản phẩm cuối cùng sẽ là nền đồng nhất (bao gồm cả khu vực đê) đã được xử lý, có chất lượng tốt (Hình 2.4b).
3a) Đất yếu đào lên được xử lý gia cố toàn khối trong khu vực tập kết, sau khi được xử lý bằng gia cố toàn khối, sẽ được tái sử dụng như vật liệu đắp có chất lượng tốt (Hình 2.5a).
3b) Lớp đất gia cố tồn khối có thể sử dụng như lớp cách nước (Hình 2.5b). 3c) Khối đất gia cố tồn khối với hình dạng và vị trí thích hợp có thể được sử dụng như tường chống ồn hoặc đê ngăn lũ (Hình 2.5c).
4) Lượng đất nạo vét có thể được gia cố toàn khối trong một xà lan và sử dụng sau, như đất san lấp được xử lý trên biển hay trên đất liền (Hình 2.6).
2.4.2 Ảnh hưởng của gia cố tồn khối đối với các đặc tính của đất
2.4.2.1. Ảnh hưởng tới các chỉ tiêu cơ lý của đất
Gia cố toàn khối làm thay đổi đáng kể các chỉ tiêu cơ lý của đất như độ ẩm, độ dẻo, dung trọng, khả năng chịu cắt, chịu nén và tính thấm nước. Các ảnh hưởng tới sức kháng cắt và biến dạng được trình bày trong hình 2.7.
2.4.2.2. Ảnh hưởng tới mơi trường trong đất
Gia cố tồn khối cũng có thể được áp dụng trong xử lý các khu vực đất bị ô nhiễm. Khi được xử lý, chất liên kết làm cho chất độc hại trong đất trở thành một dạng ít hịa tan, từ đó có thể tận dụng hoặc loại bỏ khối đất ô nhiễm một cách an tồn.
38
Bên cạnh đó, có thể ứng dụng biện pháp gia cố toàn khối để xây dựng ngay trong đất các các tường ngăn để cô lập các chất độc hại mà không cần các biện pháp thi công đào mở, gây xáo trộn đất, ngăn chặn lây lan của chúng vào mơi trường. Bên cạnh đó, một số chất liên kết cịn cho phép làm thay đổi thuộc tính của các chất độc hại có trong đất theo hướng có lợi.
Hình 2. 3: Gia cố toàn khối tại chỗ: Cải thiện lớp nền và vật liệu xây dựng
a) Cải thiện lớp nền đất của một nền đường đắp với gia cố toàn khối; b) Cải thiện đất xung quanh đường ống; c) Khối đất sét yếu được xử lý trước có thể được đào và tận dụng.
Hình 2. 4: Gia cố toàn khối tại trạm: khối đất được gia cố trong một khu vực ổn
định
a) Đất yếu thừa từ khối đất cần thay thế được xử lý gia cố toàn khối và được tận dụng để đắp; b) Nạo vét bùn được thực hiện trong một lưu vực hạn chế
39
Hình 2. 5: Gia cố tồn khối tại trạm: vật liệu đất được xử lý ổn định trong một lưu
vực được tận dụng một nơi nào khác.
a) Đắp nền đường; b) Lớp chống nước, ví dụ: đỉnh của lớp đá dăm hoặc lớp đá nghiền và ở dưới của lớp đất đỉnh; c) Tường cách âm
Hình 2. 6 Gia cố toàn khối tại trạm: nguyên liệu đất xử lý gia cố toàn khối trong
một xà lan, sau đó được sử dụng ở một nơi khác.
40
Hình 2. 7: Ảnh hưởng của các biện pháp gia cố tới khả năng chống cắt của đất sét
khi được xử lý gia cố (Sổ tay ổn định toàn khối)
2.4.3 Giải pháp thiết kế gia cố toàn khối
2.4.3.1. Khảo sát số liệu đầu vào
Lượng số liệu đầu vào yêu cầu cho thiết kế gia cố toàn khối thay đổi phụ thuộc vào từng mục tiêu. Ví dụ, số liệu về điều tra đất sẽ ít hơn nếu xác định rõ ràng được ranh giới giữa các lớp đất cần phải gia cố và các lớp còn lại. Nếu điều kiện về nền đất càng không rõ ràng thì càng cần nhiều thơng tin ban đầu hơn để luận chứng kinh tế kỹ thuật. Nhìn chung, trước khi bắt đầu cơng tác thiết kế gia cố tồn khối, các số liệu liên quan đến mục tiêu của dự án cần phải được thu thập bao gồm:
- Ranh giới giữa các lớp đất.
Gia cố toàn khối Gia cố cọc
Sét
41
- Các chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất (tỷ lệ cỡ hạt, độ ẩm và hàm lượng chất hữu cơ).
- Các điều tra đặc biệt về các lớp đất (ví dụ độ pH, hàm lượng SO4 và/hoặc Cl, độ ơ nhiễm....).
- Đặc tính về cường độ của các lớp đất. - Đặc tính biến dạng của các lớp đất. - Mực nước ngầm.
- Các cơng trình, kết cấu hiện trạng.
Thiết kế gia cố toàn khối bắt đầu với kế hoạch bổ sung các điều tra về đất. Kết quả thăm dò và các thơng tin của các mẫu thí nghiệm thu thập được trong các điều tra bổ sung tạo nền tảng cho kế hoạch các nghiên cứu về gia cố toàn khối và tiến hành thiết kế địa kỹ thuật. Thiết kế gia cố toàn khối bao gồm các yếu tố sau đây:
- Kế hoạch các nghiên cứu bổ sung
+ Thăm dị khảo sát, và các mẫu thí nghiệm, bản đồ ... - Thí nghiệm gia cố
+ Hỗn hợp chất liên kết (chất lượng và hàm lượng). + Cường độ nén và cắt.
+ Độ lún trong quá trình gia tải trước (nếu có). + Mơ đun ép chẻ
- Thiết kế địa kỹ thuật: + Kiểm toán ổn định. + Tính tốn lún.
42 + Ổn định nền đào và mương rãnh. + Xác định chiều sâu đất bị đóng băng. + Các thiết kế khác.
- Bản vẽ
+ Mặt bằng tổng thể.
+ Mặt cắt dọc và mặt cắt ngang.
- Các yêu cầu về chất lượng và chỉ dẫn kỹ thuật thi công
+ Yêu cầu về chất lượng chất liên kết, hàm lượng liên kết và sai số cho phép.
+ u cầu thi cơng gia cố tồn khối.
+ Cường độ ổn định yêu cầu và sai số cho phép. - Thiết kế trong q trình gia cố tồn khối
+ Thiết kế được tiến hành trong q trình gia cố tồn khối và tiếp theo.
2.4.3.2. Xác định các thơng số thíết kế
Các thơng số thiết kế của đất được trộn tồn khối được xác định dựa vào kết quả của các thí nghiệm trong phịng và kết quả trộn toàn khối thử ở khu vực dự án; hoặc dựa vào các thơng tin về các cơng trình trộn tồn khối nền đất đã thực hiện cùng trong phạm vi dự án. Nếu thơng tin của các cơng trình trộn tồn khối ở các vùng lân cận của khu vực dự án được sử dụng trong thiết kế, thì cần phải kiểm tra lại đặc tính của đất. Trong trường hợp tối thiểu, hàm lượng hữu cơ và độ ẩm của cả khu vực phải được điều tra.
43
Việc lên kế hoạch thử nghiệm trong phòng và đánh giá kết quả gia cố ngoài hiện trường bắt đầu bằng việc xác định trình tự và số lượng các phương pháp khác nhau, bao gồm:
+ Lựa chọn chất liên kết và hỗn hợp liên kết. + Hàm lượng chất liên kết.
+ Qui trình kỹ thuật thi công chi tiết. + Thời gian ninh kết, đông cứng.
Các mẫu trong phịng thí nghiệm sẽ xác định cường độ nén và mô đun biến dạng E (E50) với các thí nghiệm nén tự do. Trong một số trường hợp yêu cầu, có thể xác định thơng số về cường độ và biến dạng của đất trộn tồn khối với thí nghiệm nén 3 trục để đảm bảo kết quả thí nghiệm sát với điều kiện thực tế.
Vật liệu đất được trộn tồn khối thơng thường là khơng đồng nhất. Vì vậy trong q trình trộn tồn khối thử, cần thực hiện công tác kiểm tra quản lý chất lượng phù hợp. Để xác định được cường độ cắt thì cần tối thiểu từ 8 đến 10 thí nghiệm xuyên và từ 4 đến 6 thí nghiệm cắt cánh cho từng phương án trộn liên kết.
Cường độ cắt của khối đất được trộn tồn khối có thể đã được xác định trước đó thơng qua thí nghiệm trong phịng. Việc lựa chọn chất liên kết và hàm lượng của chúng được kết thúc dựa vào các kinh nghiệm thực tế trước đây. Điều này phụ thuộc vào cường độ yêu cầu ban đầu và các chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất (tỷ lệ cỡ hạt, độ ẩm và hàm lượng chất hữu cơ và hàm lượng sun phát).
Cường độ của các mẫu thử trong phịng thí nghiệm thường cao hơn cường độ thực tế ngoài hiện trường. Sự khác nhau chủ yếu là do việc trộn hỗn hợp chất liên kết và đất đạt hiệu quả cao hơn khi thực hiện ở trong phịng thí nghiệm. Ngồi ra nhiệt độ phổ biến ở trong phịng thí nghiệm thường ổn định hơn và khác so với nhiệt độ ngoài hiện trường thực tế. Cường độ các mẫu thí nghiệm trong phịng đạt được thông thường khoảng từ 10 đến 50 lần cường độ của đất tự nhiên (không được gia cố) (Theo
44
EuroSoilStab 2002). Cường độ đất được gia cố tồn khối tại hiện trường thơng thường đạt khoảng từ 20% đến 100% cường độ của các mẫu trong phịng thí nghiệm. Các mẫu thí nghiệm trong phịng và các mẫu ngồi hiện trường thường tương đồng nhau hơn khi ở cấp có cường độ thấp và hàm lượng vôi trong chất liên kết cao. Giá trị cường độ cắt xác định được trong phịng thí nghiệm cần phải nhân thêm hệ số điều chỉnh qhiện trường / qphịng thí nghiệm để xác định cường độ ngồi hiện trường (ví dụ được giới thiệu trong tiêu chuẩn EN 14679 – Hình 2.8). Tuy nhiên đồ thị khơng thể hiện được cường độ điển hình của đất được gia cố toàn khối (<100kPa). Cường độ được lấy từ thực tế cho chất liên kết xi măng và hệ số điều chỉnh có thể nhỏ hơn 1 nhiều nếu độ ẩm của đất lớn và lượng chất liên kết thấp.
Hình 2. 8: Mối quan hệ giữa cường độ tính tốn tại hiện trường và trong phịng thí
nghiệm (deep stabilization). (EN 14679:2005+AC:2006).
2.4.4 Ổn định tổng thể
2.4.4.1. Trình tự thíết kế
Hệ số an toàn cho kết cấu gia cố tồn khối được xác định theo ‘‘Quy trình khảo sát thiết kế nền đường trên đất yếu” 22TCN 262-2000 và áp dụng phương pháp
45
Bishop để tính cho bài tốn trượt sâu (mặt trượt tròn khoét sâu vào vùng đất yếu) thì phải đảm bảo hệ số ổn định nhỏ nhất Kmin = 1.40.
Khi cần có thể tham khảo thêm trong mục 5.5 “Cải thiện và gia cố đất” của tiêu chuẩn hiện hành EN1997 đã chỉ ra rằng nội dung cải thiện đất sẽ được soạn thảo lại trong phiên bản Eurocode tiếp theo. Mục 5.1 có đoạn sau “Đất được xử lý để cải thiện các đặc tính của nó có thể là đất tự nhiên hoặc nền đắp. Quy trình thiết kế cho các công tác địa kỹ thuật bao gồm phương thức cải thiện sẽ được trình bày từ mục 6 đến mục 12. (Mục 6. Nền trải rộng, mục 7. Nền xử lý bằng cọc, mục 8. Neo đất, mục 9. Kết cấu che chắn, mục 10.Sự cố liên quan tới nước, mục 11. Ổn định tổng thể và mục 12.Nền đắp). Trong thực tế, quy trình thiết kế liên quan đến “ổn định tổng thể” và “nền đắp” là rất cần thiết cho quá trình gia cố. Tiêu chuẩn thi cơng cải thiện nền đất được đề ra trong CEN TC 288 (thi công các công tác địa kỹ thuật đặc biệt). Hiện nay tiêu chuẩn thi cơng gia cố tồn khối là “EN 14679: Trộn sâu – Deep Mixing” có đề cập tới các yếu tố thiết kế (phụ lục B). Tuy nhiên những yếu tố này ứng dụng cho ổn định theo phương đứng và có một vài nguyên tắc cơ bản là phù hợp cho phương pháp gia cố toàn khối.
Hướng dẫn thiết kế gia cố nền đất ở Châu Âu – The EuroSoilStab Design Guide (Soft Sol Stabilisation CT97-0351, 2003) giới thiệu qui trình thiết kế cho gia cố nơng và ổn định nền theo phương thẳng đứng. Quy trình này được soạn thảo dựa trên phiên bản ban đầu của Eurocode 7 (ENV 1997-1) và khơng theo qui trình hiện tại là EN 1997. Trong hướng dẫn thiết kế ESS (ESS Design Guide), gia cố toàn khối được như là 1 phương pháp thiết kế làm cho kết cấu ổn định và vùng xung quanh gần nó có thể đạt được ổn định tổng thể loại trừ được các sự cố do biến dạng lớn.
2.4.4.2. Tính tốn ổn định
Trong tính tốn ổn định, giả thiết rằng đất được gia cố toàn khối như là một lớp đất đàn hồi dẻo đồng nhất. Các kết quả không rõ ràng về sự đồng nhất và trộn đều của đất được gia cố toàn khối cần phải xem xét trong quá trình thiết kế (Hình 2.10).
46
Việc đầu tiên của sự phân tích ổn định là kiểm tốn ổn định với kết cấu đất khơng được xử lý và sau đó kiểm tốn ổn định với kết cấu được gia cố. Ranh giới của các trạng thái ổn định ở hai trường hợp trên cho phép tính tốn thiết kế ổn định bằng gia cố nông.
Ổn định của nền đất đã gia cố nơng trước hết được kiểm tốn ổn định theo mặt trượt trụ trịn. Nếu khơng gia cố hết lớp đất yếu, đặc biệt là lớp đất yếu có thế nằm nghiêng so với phương ngang, cần phải kiểm toán thêm cả trạng thái trượt phẳng trên nền tự nhiên.
Nếu kết cấu gia cố nơng có mặt nghiêng hoặc chịu tải trọng ngang, cần phải xem xét sự tiếp xúc giữa các lớp đất gia cố tồn khối và lớp đất kém dính ở dưới. Khi tính tốn thiên về an tồn, có thể giả thiết khơng có sự tiếp xúc giữa các lớp đất được gia cố tồn khối và các lớp đất kém dính ở dưới.
Trong một số trường hợp đặc biệt, nếu kết cấu được gia cố tồn khối có kích thước hẹp, chịu tải trọng nặng, nằm trên 1 lớp đất yếu thì cần phải kiểm tra nguy cơ cắt