CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIấN CỨU
1.1.TỔNG QUAN VỀ ĐẤTYẾU Ở VIỆT NAM
1.1.1. Nguồn gốc và cỏc loại đất yếu thường gặp ở nước ta
Đất yếu cú nhiều nguồn gốc khỏc nhau (khoỏng vật hoặc hữu cơ) và cú điều kiện hỡnh thành khỏc nhau (trầm tớch ven biển, vịnh biển, đầm hồ, đồng bằng chõu thổ, vựng đầm lầy cú mực nước ngầm cao, vựng cú nước tớch đọng thường xuyờn…), núi chung đất yếu cú cỏc đặc trưng sau: Sức chịu tải nhỏ, hệ số rỗng lớn (e>1), đất ở trạng thỏi bóo hũa hoặc gần bóo hũa, tớnh thấm nước kộm (hệ số thấm nhỏ) và thay đổi theo sự biến dạng của đất yếu, tớnh biến dạng (lỳn) lớn khi chịu tỏc dụng của tải trọng ngoài.
Ở mỗi nước, đất yếu được phõn loại theo chỉ tiờu cơ lý của đất. Ở nước ta cỏch phõn loại đất yếu được quy định cụ thể tại 22TCN 262-2000 “ Quy trỡnh khảo sỏt thiết kế nền đường ụtụ đắp trờn đất yếu ”[3]. Trong đú chia thành cỏc loại cú nguồn gốc khoỏng vật và loại cú nguồn gốc hữu cơ.
Cỏc loại đất yếu thường gặp nước ta là bựn, than bựn, sột mềm, hữu cơ. Sột mềm là cỏc loại đất sột, ỏ sột tương đối chặt, bóo hũa nước, thường được bồi tụ trong nước theo những cỏch khỏc nhau như: Bồi tớch ven biển, đầm phỏ, cửa sụng, ao hồ… Đất sột gồm cỏc hạt nhỏ như thạch anh, felspat (phần tỏn thụ) và cỏc khoỏng vật sột. Đặc điểm quan trọng của sột mềm là tớnh dẻo được tạo thành bởi thành phần khoỏng vật của nhúm hạt cú kớch thước nhỏ hơn 0,002mm và hoạt tớnh của chỳng đối với nước. Sột mềm cú trạng thỏi từ dẻo chảy đến chảy. Bựn là cỏc lớp đất mới được tạo thành trong mụi trường nước ngọt hoặc nước biển, gồm cỏc hạt rất mịn (<200m), bản chất khoỏng vật thay đổi và thường cú kết cấu tổ ong. Bựn cú thể là ỏ cỏt, ỏ sột, sột, luụn no nước, cú hàm lượng hữu cơ thường nhỏ hơn 10% và rất yếu về mặt chịu lực. Than bựn cú nguồn gốc hữu cơ được hỡnh thành ở đầm lầy nơi đọng nước thường xuyờn hoặc cú mực nước ngầm cao, cỏc loại thực vật phỏt triển, thối rữa, phõn hủy tạo thành cỏc trầm tớch hữu cơ lẫn trầm tớch khoỏng vật. Than bựn cú độ ẩm cao, bị nộn lỳn lõu dài, khụng đều.
1.1.2. Sự phõn bố cỏc vựng đất yếu ở Việt Nam [34]
Do lịch sử địa chất, diện phõn bố đất yếu ở nước ta khỏ rộng từ vựng nỳi trung du đến cỏc đồng bằng, ở cả 3 miền Bắc bộ, Trung bộ và Nam bộ. Ở vựng nỳi và trung du, đất yếu nằm trong dải trũng rộng, vựng hồ, thung lũng … cú cấu trỳc khụng phức tạp, đồng nhất, chiều dày khụng lớn. Ở cỏc vựng đồng bằng, nền đất yếu khỏ phổ biến, cấu trỳc phức tạp, đa dạng, khụng đồng nhất, chiều dày lớn, thành phần trầm tớch, trạng thỏi và tớnh chất cơ lý của đất yếu cũng rất khỏc nhau.
1.1.2.1. Đồng bằng Bắc bộ
Đồng bằng Bắc bộ cú diện tớch khoảng 15.000km2. Bề mặt phẳng cú cao độ 1-
12m, trung bỡnh 6-8m dốc nghiờng về phớa đụng. Địa hỡnh bị chia cắt bởi hệ thống sụng suối, kờnh mương chằng chịt. Đồng bằng Bắc bộ được hỡnh thành trờn một miền vừng rộng lớn, từ chế độ biển, sang chế độ vũng hồ, kết thỳc ở chế độ trầm tớch kỷ Thứ tư. Vựng này thuộc địa hỡnh bồi tụ, chiều dày rất lớn, từ vài một đến hơn trăm một. Cỏc tạo thành Đệ Tứ được phõn chia ra cỏc chu kỳ trầm tớch với tổ hợp cộng sinh. Cỏc chu kỳ đú được bắt đầu bởi cỏc tướng hạt thụ lục địa, tương ứng với cỏc pha biển lựi cực đại và kết thỳc bởi cỏc tướng hạt mịn chõu thổ hoặc biển vịnh ven bờ. Núi chung, cấu tạo lớp trong vựng rất phức tạp, chỳng thường xen kẽ nhau hoặc xen kẽ cỏc lớp cú khả năng chịu lực tốt hơn.
1.1.2.2. Đồng bằng ven biển miền Trung
Là đồng bằng mài mũn bồi tụ điển hỡnh. Trầm tớch kỷ Thứ Tư ở đõy thường thấy ở vựng thung lũng cỏc sụng và thường là loại phự sa bồi tớch. Vựng duyờn hải thuộc vựng trầm tớch phỏt triển trờn cỏc đầm phỏ cạn dần, bồi tớch trong điều kiện lắng đọng tĩnh.
1.1.2.3. Đồng bằng Nam Bộ
Căn cứ vào chiều dày lớp đất yếu, cú thể chia vựng đất yếu đồng bằng Nam bộ thành cỏc khu vực sau:
+ Khu vực cú lớp đất yếu dày 1-30m, gồm cỏc vựng ven thành phố Hồ Chớ Minh, thượng nguồn cỏc sụng Vàm Cỏ Đụng, Vàm Cỏ Tõy, phớa Tõy Đồng Thỏp Mười, rỡa quanh vựng Bảy Nỳi đến ven biển Hà Tiờn, Rạch Giỏ, rỡa đụng bắc đồng bằng từ Vũng Tàu đến Biờn Hũa.
+ Khu vực cú lớp đất yếu dày 5-30m, phõn bổ kế cận cỏc vựng trờn và chiếm đại bộ phận đồng bằng và khu vực trung tõm Đồng Thỏp Mười.
+ Khu vực cú lớp đất yếu dày 15-30m chủ yếu thuộc cỏc tỉnh Cửu Long, Bến Tre tới cỏc tỉnh duyờn hải Hậu Giang, Tiền Giang …
Nguồn gốc cỏc tầng đất yếu là cỏc loại trầm tớch chõu thổ (sụng, bói bồi, tam giỏc chõu), trầm tớch bờ, vũng vịnh và đều thuộc loại trầm tớch kỷ Thứ tư.
1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ Lí NỀN ĐẤT YẾU TRONG XÂY DỰNG CễNG TRèNH GIAO THễNG TRấN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM
1.2.1. Cỏc nguyờn tắc xử lý nền đất yếu trong cỏc cụng trỡnh giao thụng
Nguyờn tắc lựa chọn cụng nghệ xõy dựng nền đắp trờn đất yếu là ưu tiờn ỏp dụng cỏc giải phỏp đơn giản, chỉ tỏc động đến bản thõn nền đắp. Tiếp đú là đến cỏc giải phỏp xử lý nụng, rồi đến cỏc giải phỏp xử lý sõu.
Việc lựa chọn thường theo cỏc tiờu chớ sau: khả năng thực hiện tại chỗ về vật liệu, thiết bị, tay nghề, thời gian chờ cố kết, tuổi thọ của cụng trỡnh (vĩnh cửu, tạm thời hay độ lỳn cho phộp trong quỏ trỡnh khai thỏc), cụng nghệ thi cụng, vật liệu thi cụng.
1.2.2. Cỏc giải phỏp xử lý nền đường đắp trờn đất yếu hiện nay
1.2.2.1. Giải phỏp thay đất [23]
Giải phỏp thay đất là thay thế một phần hoặc toàn bộ lớp đất yếu dưới nền đường bằng lớp đất khỏc (đệm cỏt, đệm đất) cú khả năng chịu tải tốt hơn. Cú thể sử dụng vật liệu địa phương tại chỗ để cải thiện tớnh chất của nền đất yếu.
gia c−ờng đμo thay đất yếu
đắp trả bằng cát hạt nhỏ đầm chặt k90 2.0%
2.0% 2.0% 2.0%
2.00
2.00 Đất đắp k95
Lớp vải địa kỹ thuật ngăn cách không dệt
Lớp vải địa kỹ thuật (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Căn cứ vào thời gian cố kết dự kiến, yờu cầu về độ ổn định nền đắp cần đạt được để tớnh toỏn chiều dày lớp đất cần thay thế. Khi kiểm toỏn thiết kế nền đất yếu bằng giải phỏp thay đất, cần kiểm tra hai điều kiện: Biến dạng lỳn và ổn định trượt để xỏc định chiều dày thay đất, độ lỳn cũn lại và độ ổn định trượt trước và sau khi thay đất.
Giải phỏp thay đất thi cụng đơn giản, tăng khả năng ổn định của nền đất đắp, thường ỏp dụng trong cỏc trường hợp khi thời hạn thi cụng ngắn; chiều cao đất đắp là khụng lớn; đặc trưng cơ lý, đặc biệt là sức chịu tải của đất yếu là rất nhỏ mà việc cải thiện nú bằng cố kết là khụng cú hiệu quả để đạt được chiều cao thiết kế của nền đắp; đất yếu là than bựn loại I hoặc loại ỏ sột dẻo mềm, dẻo chảy. Chiều dày lớp đất yếu dưới 2m nờn đào bỏ toàn bộ lớp đất yếu để đỏy nền đường tiếp xỳc với tầng đất khụng yếu. Giải phỏp này đó được ỏp dụng trờn nhiều dự ỏn như QL1A, đường cao tốc TP Hồ Chớ Minh - Trung Lương (đoạn nỳt giao Bỡnh Thuận)…
1.2.2.2. Giải phỏp đắp trực tiếp và đắp dần theo thời gian [23]
Đắp trực tiếp chỉ đảm bảo ổn định khi chiều cao đắp < chiều cao đắp giới hạn Hgh. Đắp dần theo giai đoạn là lợi dụng thời gian thi cụng cho phộp để tăng chiều cao đất đắp trực tiếp lờn trờn trị số Hhg1. Lần đắp này gọi là giai đoạn 1, duy trỡ tải trọng đắp trong một thời gian để chờ đất yếu cố kết và tăng chiều cao đất đắp giới hạn Hhg2. Đến đõy lại cú thể chờ đắp giai đoạn 3 lờn Hgh3.
Giải phỏp này thi cụng đơn giản, kinh tế tuy nhiờn đũi hỏi thời gian thi cụng kộo dài do chờ lỳn; phự hợp với chiều sõu đất đắp nhỏ (thường dưới 6m), chiều cao nền đắp dưới 3m và cú thời gian thi cụng dài. Cần lưu ý quóng thời gian chờ cho phộp (phụ thuộc vào tớnh toỏn dự bỏo cố kết), nếu khụng sẽ xảy ra cỏc trường hợp như đắp xong từng giai đoạn nhưng khụng thấy lỳn hoặc chưa đắp đến Hgh nhưng lại xảy ra trượt trồi. Do vậy ngoài việc tớnh toỏn thiết kế cần thiết phải quan trắc lỳn thẳng đứng cũng như chuyển vị ngang của đất yếu trong thi cụng để cú những điều chỉnh phự hợp. Ở nước ta giải phỏp được ỏp dụng trờn QL5, QL1, QL18…
1.2.2.3. Giải phỏp bệ phản ỏp [31]
Giải phỏp xử lý nền đất yếu bằng bệ phản ỏp là giải phỏp cổ điển thường được ỏp dụng nhằm mục đớch chớnh là tăng cường sự ổn định trượt của nền đường trong quỏ trỡnh đắp cũng như trong quỏ trỡnh đưa tuyến đường vào khai thỏc.
Hỡnh 1.2a - Bệ phản ỏp 1 cấp
Hỡnh 1.2b - Bệ phản ỏp 2 cấp
Khi dựng giải phỏp bệ phản ỏp, khụng cần khống chế tiến trỡnh đắp, vỡ vậy thi cụng đắp thõn đường nhanh, tuy nhiờn đũi hỏi diện tớch chiếm dụng đất lớn. Bệ phản ỏp thường được ỏp dụng khi cường độ chống cắt của nền đất yếu nhỏ, khụng đảm bảo để xõy dựng nền đắp theo giai đoạn, cú khả năng xảy ra trượt trồi ở hai bờn; thời hạn thi cụng ngắn, khụng đủ thời gian cố kết; chiều cao đất đắp tương đối lớn, độ ổn định khụng đạt yờu cầu và chiều sõu đất yếu tương đối lớn. Giải phỏp này thường được ỏp dụng cho cỏc đoạn đường đầu cầu, cú chiều dài ngắn và diện tớch đất xung quanh khụng được sử dụng.
Giải phỏp bệ phản ỏp đó được ỏp dụng trong xõy dựng giao thụng ở nước ta như tuyến QL1A (cỏc đoạn đường đầu cầu), tuyến đường ven sụng Lam, đường đầu cầu Hàm Rồng, đường cao tốc TP Hồ Chớ Minh - Trung Lương…
1.2.2.4. Giải phỏp đất cú cốt [19]
Đất cú cốt là thuật ngữ chung liờn quan đến việc sử dụng đất tại chỗ, đất nhõn tạo hoặc vật liệu khỏc trong đú cỏc cốt (cốt cứng hoặc cốt mềm) chịu kộo làm việc nhờ ma sỏt tiếp xỳc, khả năng chịu đựng và cỏc hiệu quả khỏc nhằm tăng cường ổn định.
Cốt thường đặt ở đỏy nền đắp và trong thõn nền đường làm tăng độ ổn định của nền đắp trờn đất yếu chớnh là nhờ tỏc dụng ngăn ngừa vật liệu đắp dịch chuyển sang ngang, hạn chế đẩy trồi đất yếu. Do ứng suất cắt trượt truyền từ đất yếu và vật liệu đắp khiến cho cốt chịu kộo và nhờ cú lực kộo đú mà nền đất ổn định.
Cỏc loại cốt được sử dụng bao gồm cỏc loại dải (thanh), lưới hoặc khung bằng thộp (cốt cứng) hoặc bằng polyme (Vải địa kỹ thuật, lưới địa kỹ thuật - cốt mềm) và cốt chốn và cốt gia cường đất tại chỗ (cốt tre, cốt thộp)…
Hỡnh 1.3- Giải phỏp đất cú cốt trong thi cụng nền đường
Thiết kế thường ỏp dụng theo hai trạng thỏi giới hạn: Cường độ (ổn định trượt) và yờu cầu sử dụng cụng trỡnh (mức độ ổn định về biến dạng và chuyển vị vượt quỏ giới hạn cho phộp).
Giải phỏp đất cú cốt cú ưu điểm giảm thiểu khả năng lỳn lệch của nền đắp do cải thiện được sự phõn bố đều ứng suất của đất đắp trờn nền đất yếu tuy nhiờn đũi hỏi chi phớ xõy dựng lớn, cụng nghệ thi cụng phức tạp, khú kiểm soỏt về mặt chất lượng… Do vậy thường được ỏp dụng khi chiều cao đất đắp lớn nhưng diện tớch mặt bằng nhỏ, khụng đủ để đắp theo độ dốc quy định (thường là 1/1,5) như tại cỏc nỳt giao thụng, đường đầu cầu, trong thành phố thỡ giải phỏp này cú hiệu quả và tiết kiệm được diện tớch chiếm dụng.
Ở nước ta, đất cú cốt được ỏp dụng từ lõu trong xõy dựng nền đường giao thụng nụng thụn ở miền Bắc và miền Nam, (sử dụng cốt cành cõy để đắp nền đường). Gần đõy đó ỏp dụng vải địa kỹ thuật, lưới địa kỹ thuật trong xõy dựng đường trờn đất yếu như QL1A, đường Lỏng - Hũa Lạc, tuyến N2, đường cao tốc TP Hồ Chớ Minh - Trung Lương…
1.2.2.5. Giải phỏp vải địa kỹ thuật [2], [33]
Vải địa kỹ thuật là loại vật liệu Polyme cú tớnh thấm tốt, được sản xuất theo cụng nghệ dệt thoi, dệt kim hoặc khụng dệt và sử dụng trong cỏc cụng trỡnh xõy dựng.
Khi bố trớ vải địa kỹ thuật giữa đất yếu và nền đắp, ma sỏt giữa đất đắp và vải địa kỹ thuật sẽ tạo ra một lực giữ khối đất đắp, nhờ đú mức độ ổn định của nền đất đắp được tăng lờn đỏng kể.
Hỡnh 1.4 - Rải vải địa kỹ thuật trong thi cụng nền đường
Việc lựa chọn loại và tớnh chất của vải địa kỹ thuật cũng như xỏc định số lớp vải dựa trờn kết quả tớnh toỏn ổn định trượt trờn cơ sở độ ổn định trượt nền đất cần đạt được và cường độ kộo đứt cho phộp của vải địa kỹ thuật cũng như chỉ tiờu cơ lý của đất đắp và đất yếu. Khi bố trớ nhiều lớp vải địa kỹ thuật, mỗi lớp vải được xen kẽ bằng cỏc lớp vật liệu đắp (cỏt, đất cấp phối) cú bề dày 15 - 30cm phụ thuộc vào khả năng lu lốn của thiết bị và loại vật liệu đắp.
Cú thể dựng vải địa kỹ thuật loại dệt, cường độ kộo đứt tối thiểu là 25kN/m để đảm bảo hiệu quả đầm nộn đất trờn vải, tạo ra hệ số ma sỏt cao giữa đất đắp và vải địa kỹ thuật.
Vải địa kỹ thuật cú ưu điểm nhẹ, cấu tạo hoàn chỉnh liờn tục, cường độ chịu kộo cao, thi cụng thuận tiện, giỏ thành rẻ; phõn bố đều ứng suất dưới nền đắp, giảm thiểu khả năng phỏt sinh lỳn khụng đều, lỳn lệch; tăng quỏ trỡnh thoỏt nước từ đất yếu ra ngoài, đẩy nhanh quỏ trỡnh cố kết thấm, tăng độ bền của đất yếu. Tuy nhiờn Tiờu chuẩn thiết kế - thi cụng - nghiệm thu là TCN 248 - 98 núi chung cũn sơ sài, nội dung tiờu chuẩn chưa qui định về tớnh toỏn lỳn, thấm lọc, bảo vệ và gia cường; cần sớm nghiờn cứu, sửa đổi, bổ xung TCN 248 – 98.
Giải phỏp sử dụng vải địa kỹ thuật thường được ỏp dụng dưới nền đất đắp trờn đất yếu để tăng cường ổn định nền đất yếu; làm lớp phõn cỏch đất yếu với cỏc lớp đất nền đường; sử dụng cho thoỏt nước bề mặt, chống xúi bề mặt.
Vải địa kỹ thuật được kết hợp với một số giải phỏp thoỏt nước thẳng đứng (giếng cỏt, bấc thấm) hoặc thay đất, gia tải trước trong xử lý nền đắp trờn đất yếu. Ở Việt nam, giải phỏp này được ỏp dụng trong xõy dựng giao thụng tại cỏc cụng trỡnh như đường cao tốc TP Hồ Chớ Minh - Trung Lương, QL1A đoạn Phỏp Võn - Cầu Giẽ, QL18, tuyến N2, đường Bắc Thăng Long - Nội Bài, tuyến Quản Lộ - Phụng Hiệp, QL91 Cần Thơ- An giang, QL61B Hậu Giang - Cần Thơ...
1.2.2.6. Giải phỏp nền đắp trờn múng cứng (cọc bờ tụng cốt thộp - sàn giảm tải) [23] (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Đối với những đoạn nền đường đắp cao, yờu cầu độ lỳn cũn lại nhỏ (như đoạn đường đầu cầu, cống) thỡ giải phỏp dựng cọc bờ tụng cốt thộp nhằm tăng cường sự ổn định của đất đắp và nền đất yếu, giảm thiểu độ lỳn của nền đất rỳt ngắn thời gian thi cụng. Cú thể đắp nền đường trực tiếp trờn đầu cọc, hoặc đắp nền đường trờn cỏc tấm bờ tụng liờn kết đầu cỏc cọc (sàn giảm tải).
Hệ cọc bờ tụng cốt thộp đúng xuống nền đất yếu cú tỏc dụng truyền tải trọng từ đất đắp nền đường qua cọc, xuống lớp đất tốt phớa dưới, hoặc truyền xuống một độ sõu nhất định mà nền đất cú đủ cường độ chịu lực để tiếp nhận tải trọng đất đắp (qua lực ma sỏt giữa nền đất và thõn cọc hoặc sức chống của mũi cọc). Sàn giảm tải liờn kết đầu cọc cú tỏc dụng phõn bố đều tải trọng nền đắp lờn đầu cọc.
Hỡnh 1.5- Giải phỏp nền đắp trờn múng cứng (sàn giảm tải)
Giải phỏp này chỉ cần thời gian thi cụng ngắn nhưng đũi hỏi chi phớ xõy dựng lớn; thường được ỏp dụng khi nền đường đắp cao (trờn 4m) ở đường đầu cầu, qua