CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT VÀ ĐẶC ĐIỂM KHAI THÁC TỔNG QUAN ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT VÀ ĐẶC ĐIỂM KHAI THÁC
2.2. Các giải pháp cải thiện nền đất yếu trong quá trình xây dựng
2.2.1. Đào một phần hoặc đào toàn bộ đất yếu (phương pháp thay đất)
Giải pháp này thích hợp lớp đất yếu có bề dày nhỏ hơn vùng ảnh hưởng của tải trọng đắp. Việc thay đất là đào bỏ lớp đất xấu để thay bằng đất tốt và đầm chặt. Việc thay đất này sẽ khó khăn hơn khi thi công dưới nước (trường hợp thường gặp với than bùn) và thực tế chỉ giới hạn với các chiều sâu đến vài mét. Mặt khác việc thay đất cũng thường ảnh hưởng đến môi trường (phải tìm các ch lấy đất và các ch đổ đất).
DUT.LRCC
H 2 8 G ớ
Việc thay thế toàn bộ hoặc một phần đất yếu bằng vật liệu có cường độ cao hơn và ít biến dạng hơn sẽ khắc phục đƣợc toàn bộ hoặc một phần các vấn đề về lún và ổn định. Có thể dùng cọc tre với mật độ 25cây/m² ( hoặc cọc tràm với mật độ 16cây/m² ) thay thế việc đào bớt lớp đất yếu trong phạm vi bằng chiều dài cọc đóng.
2.2.2. Thoát nước cố kết theo biện pháp bấc thấm
Xử lý nền bằng bấc thấm là phương pháp thoát nước thẳng đứng sử dụng vật liệu chế tạo sẳn là bấc thấm. Bấc thấm có chất dẽo đƣợc bao ngoài bằng vật liệu tổng hợp với tính chất đặc trƣng nhƣ sau:
Cho nước thấm qua lớp bọc ngoài.
Lõi chính là đường tập trung nước và dẫn nước thoát ra ngoài khỏi nền đất yếu bão hòa. Lớp vải địa bọc ngoài có tính năng ngăn cách phần đường dẫn và môi trường đất bên ngoài, ngăn không cho các hạt đất len vào trong làm tắc nghẽn.
Nguyên tắc cấu tạo xử lí nền bằng bấc thấm Nền đắp
Thay lớp đất tốt
Nền đất tốt Đất
yếu Đất
yếu
DUT.LRCC
H 2 9 ạ ử ý ằ
H 2 10 T ề ằ
DUT.LRCC
Giải pháp xử lý đất yếu bằng bấc thấm chỉ phát huy hiệu quả cao ở những khu vực có bề dày không lớn (thường < 15m). Đối với giải pháp này cần thiết áp lực đất đắp hoặc đất yếu đủ lớn để nước trong đất yếu thoát ra ngoài, làm tăng tốc độ cố kết và cường độ đất nền. Giải pháp này có ưu điểm là không cần cát lớn trong xử lý. Nếu áp dụng giải pháp này cần có điều tra nghiên cứu chi tiết về đất yếu nhƣ hàm lƣợng hữu cơ, thành phần khoáng hóa của đất vì nếu nhƣ đất có chƣa hàm lƣợng hữu cơ lớn thì khả năng thoát nước từ đất yếu của bấc thấm rất khó khăn và hiệu quả không cao. Mặt khác thoát nước thẳng đứng bằng bấc thấm cần có thời gian lưu tải tương đối dài để cố kết thấm cũng nhƣ phải khống chế tiến trình đắp.
Ƣu điểm:
- Máy thi công nhẹ và có thể thi công liên tục.
- Không rung và ồn khi thi công.
- Chất lượng vật liệu thoát nước ổn định.
Nhƣợc điểm:
- Chiều dài PVD lớn.
- Yêu cầu cường độ vải địa kỹ thuật cao để ổn định mái dốc.
Giá thành:
- Với khoảng cách lưới 2,0 (2,0m tới 3,5m) đường kính 30cm thì giá thành 1,521,9 triệu/m2
2.2.3. Cố kết hút chân không
Mục tiêu của giải pháp cố kết hút chân không là tăng vận tốc cố kết cho đất bên dưới, dưới tác động của gia tải trước (hút chân không + tải nước + tải đắp) và hệ thống bấc thấm tăng nhanh khả năng thoát nước l r ng thặng dư. Áp dụng xử lý cục bộ trong các khu vực đất rất mềm và không đƣợc đắp cao, đƣợc kết hợp với việc đắp đất thông thường.
H 2 11 Xử ý ề ằ ú
DUT.LRCC
Giải pháp đƣợc thực hiện bằng cách đặt một màng mỏng kín trên mặt đất và bơm hút chân không. Các bơm này được nối với mạng lưới thoát nước ngang và một mạng lưới đường thấm thẳng đứng. Áp lực nước l r ng giảm dần và ứng suất trong đất tăng bằng ứng suất tổng. Việc tạo chân không này tối đa tương đương với 4 mét đất đắp lại, giảm được thời gian cố kết và không sợ mất ổn định của đất dưới tác dụng của tải trọng.
Ƣu điểm:
Giảm thời gian gia tải
Máy thi công nhẹ và có thể thi công liên tục.
Không rung và ồn khi thi công.
Chất lượng vật liệu thoát nước ổn định.
Nhƣợc điểm:
Ít kinh nghiệm cho diện gia tải lớn và chiều dài thoát nước lớn.
Ít kinh nghiệm thi công ở Việt Nam hay gặp rủi ro, tốn kém.
2.2.4. Thoát nước cố kết theo biện pháp cọc cát
2 2 4 1 N ữ ý ờ ẳ
Đường thấm thẳng đứng gồm một cột vật liệu thấm nước và thoát nước tự do nằm trong một vạch thẳng đứng đƣợc tạo thành trong đất yếu và một lớp cát đệm rải trên nền thiên nhiên. Chức năng của đường thấm thẳng đứng là làm thành một tuyến thoát nước nhân tạo để tăng nhanh tốc độ cố kết cho đất yếu nằm dưới nền đất đắp.
Khi chất tải lên lớp đất yếu nước l r ng chịu một áp lực, sinh ra một gradien thủy lực và bị đẩy ra đường giới hạn của lớp đất yếu. Nếu không có đường thấm thẳng đứng thì thời gian nước thấm từ l r ng chứa nước tới bề mặt thấm nước sẽ chậm hơn thời gian yêu cầu để đạt một độ cố kết cho trước.
Đường thấm thẳng đứng tạo thành một đường thoát nước nhân tạo gần nhất của nước l r ng để tăng nhanh độ cố kết. Để đạt được mục tiêu này phải bố trí khoảng cách của các đường thấm thẳng đứng thích hợp nhằm cho việc thoát nước và cố kết tăng nhanh và cho phép đạt đƣợc độ cố kết mong muốn trong thời gian quy định.
Với một đồ án thiết kế kinh tế và tối ưu thì mối tương quan giữa chiều dày của lớp đất yếu, độ thấm thẳng đứng và nằm ngang của nó, khoảng cách và đường kính giếng cát phải thật rõ ràng. Vì vậy mục đích của bản thuyết minh tính toán là phải thỏa mãn các mối tương quan này bằng cách giải thích giếng cát thiết kế thoát nước ra như thế nào.
Cũng cần lưu ý là việc tác dụng tải trọng gia tải phải gây ra một áp lực lớn hơn áp lực nước l r ng, áp lực chủ động cần thiết để đẩy nhanh việc thoát nước l r ng để tăng hiệu suất của đường thấm thẳng đứng.
DUT.LRCC
Bố trí các phương tiện thoát nước theo phương thẳng đứng (giếng cát, bấc thấm) nước cố kết ở các lớp sâu trong đất yếu dưới tác dụng của tải trọng đắp sẽ có điều kiện thoát nước nhanh (thoát nước theo phương nằm ngang ra giếng cát hoặc bấc thấm rồi theo chúng thoát ra mặt đất tự nhiên). Phương pháp này thường được áp dụng khi tầng đất yếu có bề dày lớn.Tuy nhiên để đảm bảo phát huy đƣợc hiệu quả thoát nước này thì chiều cao đắp tối thiểu nên là 4m.
ọ
K
Một cột cát liên tục có tiết diện ngang hình tròn, đường kính không đổi được hình thành sau quá trình đƣa một lƣợng cát chọn lọc vào trong tầng đất yếu qua ống vách bằng phương pháp ấn và rút ống vách. Cọc cát được dùng để dẫn nước từ dưới nền đất yếu lên tầng đệm cát phía trên và thoát ra ngoài, nhờ đó tăng tốc độ cố kết, tăng nhanh sức chịu tải do thay đổi một số chỉ tiêu cơ lý cơ học về sức kháng cắt của bản thân đất yếu.
Xử lý nền bằng cọc cát: Làm các đường thấm bằng vật liệu cát đóng xuống bên dưới nền có tác dụng thoát nước cho nền. Biện pháp thoát nước thẳng đứng bằng cọc cát đƣợc áp dụng phổ biến để xử lý đất yếu có bề dày lớn. Cọc cát đƣợc dùng bằng cát hạt trung hoặc thô[4][5]. Áp dụng biện pháp xử lý bằng cọc cát đạt đƣợc hai mục đích chính sau:
- Tăng nhanh độ cố kết của nền đất do đó giảm được thời gian lưu tải.
Tăng cường độ của đất nền, đảm bảo độ lún của nền đất yếu.
Nhiệm vụ đặt ra là làm thế nào để rút ngắn thời gian lún để đảm bảo tiến độ xây dựng, đảm bảo độ lún còn lại sau khi đƣa công trình vào sử dụng không vƣợt quá độ lún cho phép. Thông thường người ta dùng cọc cát có đường kính = 30 ÷ 40cm, được đóng vào nền đất bão hoà nước đến độ sâu thiết kế để làm chức năng như những đường thoát nước ngắn nhất, nhằm đẩy nhanh quá trình cố kết nền đất yếu đó. Do đó, phương pháp này luôn luôn được kèm thêm đệm cát hay tải trọng ngoài chất lên trên bề mặt của tầng đất cần gia cố (gọi là gia tải trước). Lớp đất yếu bão hoà nước càng dày, phương pháp sử dụng càng hiệu quả về độ lún.
Tác dụng cọc cát trong xử lý nền:
Tăng nhanh tốc độ cố kết của nền, do đó làm cho công trình xây dựng ở trên nhanh chóng đạt đến giới hạn ổn định về lún, đồng thời làm cho đất nền có khả năng biến dạng đồng đều.
Tăng độ ổn định về cường độ của nền đất yếu dưới nền do nền thoát nước nhanh, cố kết nhanh. Vì vậy đẩy nhanh tiến độ thi công, đảm bảo an toàn trong khai thác sử dụng.
DUT.LRCC
H 2 12 Sơ ồ ý ớ ẳ ằ
Cần lưu ý rằng khi sử dụng cọc cát gia cố nền đất yếu cần đảm bảo đạt được độ đồng đều của cát trong suốt chiều dài cọc cát, tránh hiện tượng đứt đầu cọc cát dưới tác dụng các loại tải trọng. Xử lý nền đất yếu bằng cọc cát sẽ phát huy hiệu quả cao nếu đất yếu có hàm lượng hữu cơ không lớn (thường <10%) và tải trọng đắp lớn hơn áp lực tiền cố kết của đất yếu.
T ọ [5].
Trình tự thi công gia cố nền đất bằng cọc cát được thực hiện theo các bước sau:
- Bước 1: Chuẩn bị mặt bằng thi công
- Bước 2: Thi công lớp vải kỹ thuật ngăn cách
- Bước 3: Thi công lớp đệm cát thoát nước ngang và hệ thống thoát nước bề mặt
- Bước 4: Thi công cọc cát (thi công thí điểm; thi công đại trà) - Bước 5: Thi công hệ thống quan trắc
- Bước 6: Đắp vật liệu gia tải và dỡ tải.
DUT.LRCC
H 2 13 Xử ý ề ằ P ơ ể [6].
Nền sau khi gia cố bằng cọc cát đƣợc tính toán kiểm tra theo TCVN 9362-2012 về tiêu chuẩn thiết kế nền nhà và công trình:
- Trạng thái giới hạn thứ nhất dựa vào sức chịu tải (cường độ)
max II z gh
at
P
k
max ng
Rng
Trong đó:
zmax : Ứng suất lớn nhất theo phương đứng tại đáy móng.
P II gh : Tải trọng giới hạn thứ II của nền (tính theo Cơ học đất).
kat : Hệ số an toàn thường chọn từ 1,5 2.
ngmax : Ứng suất lớn nhất tác dụng theo phương ngang tại mặt bên của móng.
Rng : Sức chịu tải theo phương ngang của nền.
- Trạng thái giới hạn thứ hai dựa vào biến dạng (độ lún)
S Sgh
Trong đó:
S : Tổng độ lún của công trình được tính theo phương pháp cộng từng lớp.
Sgh: Độ lún cho phép đối với công trình dân dụng
DUT.LRCC
Ƣu điểm:
- Khi áp dụng phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc cát, nó đóng vai trò như một giếng cát bền chắc. Tuy nhiên, ƣu điểm của nó so với thi công giếng cát là cọc cát được đầm chặt hơn. Vừa giúp nước ở trong đất thoát nhanh qua các l r ng của cát, vừa tăng cường sức tải và tăng mức độ ổn định của đất. Rút ngắn thời gian cố kết và giảm độ lún, độ biến dạng của nền đất trong quá trình xử lý đất.
- Thi công cọc cát tại nơi có nền đất yếu giúp nền đất đƣợc ép chặt, lèn chặt nền đất vào l ống thép. Lượng nước có trong đất sẽ bị nén chặt và thoát ra ngoài các l khoan đƣợc nhồi thép. Điều này cũng làm tăng khả năng chịu lực của nền đất yếu sau khi đã đƣợc xử lý.
- Một ƣu điểm khác nữa khiến nhiều nhà thầu công trình thích xử lý nền đất yếu bằng cọc cát bởi cát là một vật liệu khá r , có sẵn và rất dễ mua với số lƣợng lớn so với vật liệu khác.
- Thi công cọc cát cho mọi công trình đƣợc thực hiện khá đơn giản.
Nhƣợc điểm:
- Cọc cát có thể co ngót trong quá trình thi công và khai thác.
- Khả năng nén và độ chặt của đất phụ thuộc vào kích thước ống l cọc cát cũng nhƣ các thiết bị sử dugnj khi thi công cọc cát.
- Khi xử lý nền đất yếu bằng cọc cát cần trang bị các thiết bị thi công nặng và ống dài.
- Thời gian thi công kép dài có thể gây xáo trộn cấu trúc nền đất.
2.2.5. Gia cố nền đất yếu bằng cọc đất gia cố xi măng
Hìn 2 14 ọ 2 2 5 1 K
Cọc trộn dưới sâu là phương pháp mới để gia cố nền đất yếu, sử dụng vật liệu là xi măng... làm chất đóng rắn, nhờ vào cần khoan xoắn và thiết bị bơm phụt vữa vào trong đất để trộn cƣỡng bức đất yếu với chất đóng rắn (dạng bột hoặc dung dịch), lợi
DUT.LRCC
dụng một chu i phản ứng hóa học - vật lý xảy ra giữa chất đóng rắn với đất, làm cho đất mềm yếu đóng rắn lại thành một thể cọc có tính chỉnh thể.
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 ch với xi măng hoặc vôi và tạo ra các cột đất gia cố xi măng hoặc vôi mềm hoặc nửa cứng (là các cột đất có sức chống cắt dưới 150 kPa - theo phân loại cột của Thụy Điển). Các cột này vừa thay thế một phần đất yếu lại vừa chèn vao trong đất yếu tạo ra các hạn chế nở hông theo phương ngang đối với đất yếu, tạo ra lực ma sát giữa cột đất với đất yếu và từ đó tạo ra đƣợc sự cùng làm việc ở một mức độ nhất định giữa cột với đất yếu khi chịu tải trọng đắp phía trên, tức là tạo ra đƣợc một móng làm việc theo nguyên lý '' nền móng phức hợp '' dẫn đến tăng sức chịu tải và giảm độ lún của đất yếu dưới tải trong ngoài, kể cả trường hợp có độ sâu đến hoặc không đến lớp địa chất chịu lực tốt.
H 2 15 M ọ
Về nguyên lý hình thành cường độ của bản thân các loại cột này thì có thể hiểu đó là nguyên lý gia cố đất với vôi hoặc xi măng dùng trong xây dựng nền mặt đường thông thường. Do vậy cường độ của bản thân m i cột cũng phụ thuộc loại đất, điều kiện hình thành đất yếu, thành phần khoáng hóa, hàm lƣợng muối, hàm lƣợng hữu cơ, độ pH, độ ẩm.
DUT.LRCC
H 2 16 ọ
Công nghệ cột đất vôi hoặc xi măng lần đầu tiên đƣợc Mỹ nghiên cứu thành công sau đại chiến thế giới thứ II gọi là ''Mixed in Place Pile'' với đường kính lúc đó bằng 0,3 0,4m sâu 10 12m. Tiếp đó đƣợc nghên cứu nhiều ở Thụy Điển với các cột đường kính 60cm bố trí cách nhau 1 1,2m và ở Nhật (từ năm 1953). Cho đến nay chúng đã được phổ biến ra nhiều nước trên thế giới .
Về công nghệ thi công cột đất xi măng hoặc vôi thì hiện tại trên thế giới đã phát triển thuần thục 2 loại công nghệ trộn phun ƣớt (Wet Jet Mixing Method) và công nghệ phun khô (Dry Jet Mixing Method).
Phương pháp trộn phun ướt hay phương pháp trộn vữa với đất yếu: Theo công nghệ này vữa xi măng hoặc vữa vôi đƣợc phun vào đất yếu với áp lực có thể tới 20MPa từ một vòi phun xoay nằm giữa trục cần khoan. Trình tự thi công theo phương pháp trộn phun ướt trước hết là khoan tới độ sâu thiết kế, phun vữa lỏng ở đáy l cho vữa xâm nhập vào cả 2 bên đáy l , tiếp đó vừa rút cần khoan lên vừa phun (có thể rút cần lên từng đoạn rồi lại hạ cần xuống để phun vữa lại) cứ nhƣ vậy cho đến cách cao trình đỉnh l 30cm (sau phải san gạt phần đất 30cm này đi trước khi đắp nền). 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.
H 2 18 Sơ ồ ộ ớt
DUT.LRCC
Phương pháp trộn phun khô: Theo công nghệ này bột xi măng hoặc vôi được khí nén bơm phun vào trong đất ở dưới sâu qua một ống có l phun bố trí ở tim của cần khoan (cũng tức là trục của thiết bị trộn), tiếp đó bột đƣợc trộn cơ học bằng cách quay trong điều kiện không thêm nước vào đất yếu. Như vậy công nghệ này có ưu điểm hơn công nghệ trộn phun ướt vì chỉ sử dụng nước có trong đất yếu để thủy hóa chất liên kết nên cường độ đất gia cố sẽ cao hơn, them vào đó lượng nhiệt tạo ra khi thủy hóa làm khô thêm đất yếu lân cận và hiệu quả gia cố cũng cao hơn.
H 2 19 Sơ ồ ộ
Sử dụng cột xi măng (hoặc vôi) để xử lý nền đất yếu có thể theo cách bố trí cột đường kính hiện tại thường dùng là 30cm, kiểu hoa mai với khoảng cách 1 1,2m, nhƣng cũng có thể bố trí thành hàng (các cột đứng liên tiếp xít nhau thành dãy) chắn hai bên chân taluy để hạn chế chuyển vị ngang do đó góp phần giảm lún thẳng đứng và hạn chế trƣợt trôi ngang.
2 2 5 2 T ọ
Trình tự thi công gia cố nền đất bằng cọc đất gia cố xi măng đƣợc thực hiện theo các bước sau:
- Bước 1: Định vị thiết bị trộn
- Bước 2: Xuyên đầu trộn xuống độ sâu thiết kế đồng thời phá tơi đất - Bước 3: Rút đầu trộn lên, đồng thời phun xi măng vào đất
- Bước 4: Đầu trộn quay và trộn đều xi măng với đất - Bước 5: Kết thúc thi công.
2 2 5 3 P ơ ể
Nền sau khi gia cố bằng cọc cát đƣợc tính toán kiểm tra theo TCVN 9362-2012 về tiêu chuẩn thiết kế nền nhà và công trình:
- Trạng thái giới hạn thứ nhất dựa vào sức chịu tải (cường độ)
max II z gh
at
P
k
max ng
Rng
DUT.LRCC