3.1.1. Mục đích xử lý nền
Xử lý nền nhằm mực đính tăng sức chịu tải của nền, giảm độ biến dạng của đất nền khi đặt tải trọng của công trình lên trên. Để lựa chọn được giải pháp xử lý nền thích hợp đòi hỏi phải nghiên cứu kỹ toàn diện về đặc điểm thành phần, cấu trúc đất nền, điều kiện địa chất công trình, địa chất thủy văn, nguồn vật liệu, thời gian thi công, năng lực máy móc và tính kinh tế kỹ thuật…
3.1.2. Các phương pháp xử lý nền đất yếu phổ biến
Có nhiều các phương pháp xử lý nền, tuy nhiên có thể phân thành loại xử lý nền chống trượt và loại xử lý nền nhằm tăng nhanh độ cố kết.
+ Tăng khả năng chống trượt: Biện pháp bệ phản áp, vải địa kỹ thuật gia cường, trộn sâu, cọc cát, thay thế vật liệu…
+ Tăng nhanh độ cố kết: Giả tải trước, giếng cát, bấc thấm, bấc thấm kết hợp gia tải và hút chân không.
Mỗi phương pháp có ưu điểm và nhược điểm riêng, phù hợp với từng loại đất.
Trong đó có một vài phương pháp phổ biến, có phạm vi áp dụng rộng rãi như:
3.1.2.1 Phương pháp thoát nước thẳng đứng bằng bấc thấm
Bấc thấm là thiết bị tiêu nước thẳng đứng chế tạo sẵn. Chiều sâu xử lý có thể lên tới 30.0m, hiệu quả ở độ sâu < 20m. So với các loại giếng tiêu nước khác, thì bấc thấm có những ưu điểm riêng biệt sau:
- Tốc độ lắp đặt bấc thấm (cắm vào đất yếu) lớn đạt trung bình 10000m/ngày/máy. Vì vậy mà giảm giá thành thi công công trình.
- Trong quá trình lắp đặt bấc thấm, rất ít xảy ra hiện tượng đứt bấc thấm. Hiện tượng xảy ra nhiều đối quá trình thi công cọc cát, giếng cát.
- Trong quá trình cố kết, bấc thấm đặt trong nền đất yếu sẽ không xảy ra hiện tượng bị cắt trượt do lún cố kết gây ra.
- Bấc thấm có khả năng thấm nước cao.
- Khi thi công bấc thấm, ít gây tác động tới môi trường, phá hoại kết cấu đất
nền nhỏ hơn nhiều so với việc thi công cọc cát, giếng cát.
- Không yêu cầu nước phục vụ thi công.
- Dễ dàng kiểm tra chất lượng.
- Thoát nước tốt trong các điều kiện khác nhau.
- Bấc thấm là sản phẩm được chế tạo sẵn trong nhà máy nên công nghệ và chất lượng ổn định.
Khi sử dụng giải pháp thoát nước thẳng đứng bằng bấc thấm nhất thiết phải bố trí tầng đệm cát để tăng nhanh khả năng thoát nước từ phía dưới đất yếu lên trên.
Ngoài ra, để đạt hiệu quả cao nhất, nên kết hợp gia tải bằng vật liệu đắp hoặc bơm hút chân không.
3.1.2.2 Phương pháp thoát nước thẳng đứng bằng giếng cát
Biện pháp thoát nước thẳng đứng bằng giếng cát được áp dụng phổ biến để xử lý đất yếu có bề dày lớn. Giếng cát được dùng thường có đường kính từ (40 – 60) cm, bằng cát hạt trung hoặc thô. Áp dụng biện pháp xử lý bằng giếng cát đạt được hai mục đích chính sau:
- Tăng nhanh độ cố kết, làm cho nền đất có khả năng biến dạng đồng đều do đó giảm được thời gian lưu tải;
- Tăng cường độ của đất nền, đảm bảo độ ổn định của nền đường đắp trên các đoạn đất yếu.
Cần lưu ý rằng khi sử dụng giếng cát gia cố nền đất yếu cần đảm bảo đạt được độ đồng đều của cát trong suốt chiều dài giếng cát, tránh hiện tượng đứt đầu giếng dưới tác dụng các loại tải trọng.
Xử lý nền đất yếu bằng giếng 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. Khi ứng dụng giếng cát cũng cần chú ý rằng, nếu nền đất có trị số độ dốc thủy lực ban đầu và độ bền cấu trúc lớn thì hiệu quả giếng cát sẽ có phần bị hạn chế.
Giếng cát đóng vai trò thoát nước là chính nên gia cố bằng giếng cát thường phải đi kèm với biện pháp gia tải trước để nước thoát ra nhanh hơn.
3.1.2.3 Phương pháp thoát nước thẳng đứng bằng cọc cát đầm
Nén chặt đất bằng cọc cát đầm được sử dụng rộng rãi để tăng nhanh quá trình cố kết của đất nền, làm cho nền đất có khả năng biến dạng đều và nhanh chóng đạt đến giới hạn ổn định về lún. Phương pháp này thường được sử dụng khi xây dựng các công trình có tải trọng lớn đặt trên nền đất yếu và chiều dày lớp đất yếu lớn.
Dưới tác dụng của tải trọng, cọc cát đầm và vùng đất được nén chặt xung quanh cọc cùng làm việc đồng thời đất được nén chặt đều trong khoảng cách giữa các cọc.
Ưu nhược điểm của phương pháp và điều kiện áp dụng
- Khi dùng cọc cát đầm, chỉ số mođul biến dạng ở trong cọc cát đầm cũng như ở vùng đất được nén chặt xung quanh sẽ giống nhau ở mọi điểm. Vì vậy, sự phân bố ứng suất trong nền đất được nén chặt bằng cọc cát đầm có thể xem như là nền thiên nhiên.
- Khi dùng cọc cát đầm, quá trình cố kết của nền đất diễn biến nhanh hơn nhiều so với nền đất thiên nhiên hoặc nền đất dùng cọc cứng. Phần lớn độ lún của nền đất có cọc cát đầm thường kết thúc trong quá trình thi công, do đó tạo điều kiện cho công trình mau chóng đạt đến giới hạn ổn định. Bởi vì lúc này cọc cát đầm làm việc như các giếng thoát nước, nước trong đất có điều kiện thoát ra nhanh theo chiều dài cọc dưới tác dụng của tải trọng ngoài. Điều này không thể có được đối với nền đất thiên nhiên hoặc nền đất dùng cọc cứng.
- Tính ưu việt của cọc cát đầm về mặt kinh tế còn thể hiện ở vật liệu cọc. Cát dùng trong cọc là loại vật liệu rẻ hơn nhiều so với gỗ, thép, bêtông cốt thép dùng trong cọc cứng và không bị ăn mòn nếu nước ngầm có tính xâm thực.
Tuy nhiên kỹ thuật thi công cọc cát đầm khá phức tạp, đòi hỏi phải có thiết bị chuyên dụng và có thể gây ảnh hưởng xấu đến các công trình lân cận.
Kinh nghiệm xây dựng cũng như những kết quả đã nghiên cứu cho thấy rằng:
Pương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc cát đầm có phạm vi áp dụng khá lớn, có thể áp dụng cho các loại đất yếu có chiều dày lớn như các loại đất cát nhỏ, cát bụi rời ở trạng thái bão hòa nước, các đất cát có xen kẽ những lớp bùn mỏng, các loại đất dính yếu (sét, sét pha cát và cát pha sét) cũng như các loại đất bùn và than bùn.
3.1.2.4 Phương pháp trụ đất gia cố xi măng
- Trụ đất xi măng là loại cọc được thi công theo phương pháp trộn sâu, bằng cách trộn đều xi măng với nền đất yếu tạo thành một loại cọc đường kính cọc từ 0,6 – 1,2m, chiều sâu mà cọc làm việc hiệu quả từ 20 30m.
- Công nghệ trộn sâu (Deep mixing - DM) tạo trụ đất xi măng là công nghệ trộn xi măng với đất tại chỗ - dưới sâu. Phương pháp gia cố nền đất bằng công nghệ trộn sâu là phương pháp cải tạo đất nền dùng cho đất sét dẻo, bùn sét, đất lẫn hữu cơ, đất lẫn bùn, cát chảy,... Việc trộn hỗn hợp xi măng - đất sẽ làm tăng cường độ, độ chặt, khống chế biến dạng, tăng mô đun đàn hồi của đất gia cố. Sự phát triển cường độ được hình thành ngay sau khi gia cố và phát triển cường độ theo thời gian. Nói tóm lại là làm thay đổi đất, nâng cao chất lượng của đất bằng cách cứng hoá tại chỗ
- Trụ đất xi măng dùng để cải tạo nền đất theo phương pháp trộn sâu thường được áp dụng nhằm gia cố nền đường hay tường chắn, mố cầu dẫn, bờ dốc … để đảm bảo yêu cầu chống trượt, giảm độ lún và làm tăng sức chịu tải của nền đất.
- Hiện nay có nhiều quy trình thiết kế, tính toán của các nước như Nhật Bản, Trung Quốc, Thụy Điển... Tại Việt Nam chỉ có tiêu chuẩn xây dựng về thiết kế - thi công – nghiệm thu cọc xi măng đất TCVN 9403:2012 Gia cố đất nền yếu – Phương pháp trụ đất xi măng.
Ưu điểm của giải pháp trụ đất xi măng
- Triệt tiêu độ lún, tăng cường khả năng chịu tải của móng. Ở độ sâu lớn, phương pháp này rất hiệu quả.
- Chất lượng cao: Quá trình trộn lẫn đều, đồng nhất tạo ra cột đất – xi măng trong nền đất dẫn tới hiệu quả rất cao. Dễ dàng san phẳng mặt bằng công trình, làm sạch đầu cọc.
- Thời gian xây dựng ngắn do không mất thời gian chờ lún.
- Tính an toàn rất cao vì mô hình tính toán có thể xem như là móng cọc.
- Đang được áp dụng phổ biến ở Việt Nam.
- Tận dụng hoàn toàn vật liệu tại địa phương.
- Phương pháp này ngăn ngừa việc sụt lún và đứt gãy trượt, cải thiện cường độ đất theo cột hoặc toàn khu vực bằng cách trộn các chất gia cố xi măng từ bề mặt đất yếu đến một độ sâu phù hợp nhất định.
- Phương pháp này thích hợp cho dự án vì lớp đất yếu dày (bề dày trung bình
≥ 20m), do phương pháp này tăng cường đất bằng cách dùng cọc tạo nên phần chính trong đất.
- Phổ biến và được áp dụng cho khu vực trung tâm thành phố, như những nơi cần giữ lại kết cấu công trình hiện hữu lân cận.
- Có thể thi công ở nơi có mặt bằng hẹp.
- An toàn khi thi công, ít nguy hiểm trong vận hành, giảm thiểu lao động.
- Nhanh chóng đem lại thuận lợi về cho công trình: Hiệu quả nhanh, vô hại cho nền đất, chu kỳ thi công ngắn, đơn giản và tiết kiệm được nhiều nguyên liệu, thời gian lao động, vận chuyển.
- Công nghệ cọc đất gia cố xi măng được sử dụng rộng rãi cho nhiều loại đất:
cát, sét có độ dẻo cao, đất nhiều mùn.
- Không gây ô nhiễm đối với các công trình xung quanh: Không gây chấn độ nền đất hay gây tiếng ồn; quy trình không gây chất thải; không bị các trường hợp xâm thực do nước ngầm, muối khoáng, axít hữu cơ và vô cơ, nước biển, …
- Cột đất xi măng không bị phình trướng sau khi thi công.
- Nền đất xung quanh cột không bị chèn, phá lệch gây ảnh hưởng xấu đến các nhà lân cận.
3.1.3. Luận chứng lựa chọn giải pháp thiết kế xử lý nền
Như đã trình bày ở chương 2, phạm vi khu vực nghiên cứu được phân thành 02 loại cấu trúc:
+ Kiểu I: lớp đất yếu có chiều dày nhỏ hơn hoặc bằng 17.0m. Đề xuất phương án thoát nước thẳng đứng bằng bấc thấm kết hợp gia tải và bơm hút chân không.
+ Kiểu II: lớp đất yếu và các lớp cát xen kẹp có chiều dày lớn hơn 17.0m (17.0m – 25m). Đề xuất phương án trộn sâu trụ đất gia cố xi măng (CDM).