1.4.2.1. Biện pháp thay đất
Nguyên lý và phạm vi sử dụng: Giải pháp thay đất là đào bỏ lớp đất yêu và thay bằng đất tốt hay cát (cát hạt thơ hat cát hạt mịn). Thường thay đất với chiều sâu 1m-3m. Giải pháp thường sử dụng khi lớp đất yếu nằm sát mặt đất thiên nhiên, khơng dầy và chiều cao đất lắp khơng lớn (thường từ 1.5-3m). Nếu thay bằng cát trung và thơ sẽ cịn tác dụng thốt nước.
Theo các kết quả nghiên cứu thì trong cùng một lớp đất yêu tỉ lệ giảm được độ lún (trị số giảm lún so với độ lún tổng cộng) sẽ bằng khoảng 1,1 ÷ 1,3 lần tỉ lệ đào thay đất (chiều sâu thay đất so với chiều sâu vung gây lún). Ngồi ra nhờ giảm chiều dài đường thấm đào thay đất cũng gĩp phần tăng nhanh độ lún cố kết từ đĩ giảm thời gian chờ lún.
25
- Ưu điểm:
+ Giải pháp thi cơng đơn giản, thiết ị chủ yếu là máy đào và các thiết bị vận chuyển.
+ Khơng cần thời gian chờ cố kết, sau khi thay đất cĩ thể đắp nền được ngay.
+ Chi phí thấp, nhất là các khu vực gần mỏ cát. - Nhược điểm:
+ Nhược điểm quan trọng của cơng nghệ thay đất chính là giải quyết vấn đề bãi thải đất đổ đi vì địi hỏi cần diện tích bãi lớn.
+ Khơng cĩ tác dụng khi lớp địa chất yếu nằm sâu, hay dày.
Hình 1.3: Xử lý nền bằng biện pháp thay đất
Các dự án đã sử dụng phương pháp và hiệu quả:
Hầu hết các dự án đường trên vùng đồng bằng hay trung du đều sử dụng giải pháp này, như QL5A, phần cạp mở rộng trên gĩi thầu từ Km0-Km46; QL38 (đoạn Hải Dương - Bắc Ninh), dự án mở rộng QL1A, một số đoạn trên đường cao tốc Lào Cai-Nội Bài qua vùng trung du…
26
Nguyên lý của giải pháp: Giải pháp phản áp là đắp đất cạnh ta luy với chiều cao thấp hơn nền đường tạo nên khối phản áp, để chống lại khối gây ra trượt (về lý thuyết hiện tượng trượt xảy ra khi mơ men gây trượt lớn hơn mơ men chống trượt; khối phản áp dẽ đặt trong vùng chống trượt).
Ưu nhược điểm
- Ưu điểm: Giải pháp này cĩ tác dụng chống trượt sâu, được dùng phổ biến trong hầu hết các dự án Giao thơng, kết hợp đồng thời với giải pháp khác như thay đất bấc thấm, giếng cát,…hay dùng tại các đoạn sát đầu cầu hay cống hộp, đắp cao, thi cơng nhanh. Với một số cầu cao, cịn phải dùng phản áp đặt trước mố, để chống trượt dọc cầu.
- Nhược điểm của bệ phản áp: Đĩ là khơng giảm được thời gian lún cố kết và khơng những khơng giảm được độ lún mà cịn tăng thêm độ lún (do thêm tải trọng của bệ phản áp ở hai bên). Ngồi ra cịn cĩ nhược điểm là khối lượng đắp lớn và diện tích chiếm dụng lớn. Giải pháp này cũng khơng thích hợp với các loại đất yếu là than bìn và bùn sét.
31
cơ cao, do các sợi hữu cơ bị hút và bấc thấm, làm tắc đường dẫn nước, tuy nhiên vấn đề này chưa được kết luận), khơng dùng khi phía trên lớp đất yếu là đất cứng, khơng ấn được cần dẫn bấc thấm.
Ưu nhược điểm: - Ưu điểm:
+ Sử dụng trong vùng cĩ đất yếu dày, nằm sâu.
+ Thiết bị thi cơng tương đối đơn giản, thường cải tiến từ máy đào, cần cẩu thủy lực.
+ Tiến độ thi cơng nhanh (hơn giếng cát). + Giá thành rè hơn giếng cát.
+ Tiết kiệm được khối lượng đào đắp (nếu thay đất), giảm được chi phí vận chuyển.
- Nhược điểm:
+ Khơng cĩ tác dụng thay đất như giếng cát hay cọc cát.
+ Dùng kém hiệu quả khi lớp đất yếu là bùn hữu cơ (vấn đề này đang nghiên cứu).
+ Chiều sâu cắm bấc thấm sâu hạn chế hiệu quả thốt nước, do bấc cĩ thể bị thay biến hình, khơng thẳng, cĩ thể bị đứt, nếu bấc dài >20m.
+ Phương pháp xử lý này vẫn cịn nhiều tồn tại như cịn nghi ngờ khơng đảm bảo liên tục dưới biến dạng lớn.
32
Hình 1.7: Thi cơng bấc thấm
Các dự án đã sử dụng phương pháp và hiệu quả
Bấc thấm được bắt đầu sử dụng ở Việt Nam vào cuối những năm 1980 cho dự án xây dựng trường ĐH Hàng Hải. Bắt đầu sử dụng cho ngành GT vào năm 1994 cho cầu Đồng Niên và Phú Lương (dự án nâng cấp QL5A) do Cơng ty xây dựng của Đài Loan thi cơng, và sau đĩ sử dụng phổ biến cho ngành Giao thơng tại các dự án nâng cấp đường, chủ yếu cho các dự án nằm trong đồng bằng sơng Hồng, sơng Cửu Long và các dự án ven biển. Cơng nghệ mới xử lý đất yếu bằng phương pháp bấc thấm thốt nước thẳng đứng (PVD) kết hợp gia tải trước đã được đưa vào sử dụng rộng rãi trên thế giới. Cơng nghệ bấc thấm này đã được sử dụng trong xử lý nền đất yếu cho Dự án nâng cấp QL5A trên đoạn Km 47 - Km 62 vào năm 1993, sua đĩ dùng cho QL51 (TP. Hồ Chí Minh đi Vũng Tàu) và đường Láng - Hịa Lạc.
+ Năm 1997 xảy ra sự cố đường đầu cầu vượt đường sắt (dự án cầu Hồng Long); sử dụng bấc thấm để gia cố nền đất yếu, khi đắp đến 6m, tồn bộ đoạn nền dài gần 100m bị trượt sâu, nguyên nhân khi thiết kế chiều dầy lớp cát đệm thốt nước 1m bị lún tồn bộ trong nền đất thiên nhiên, nên khơng thốt được nước, mặt khác đoạn này nằm trên con sơng chết, nên địa chất rất xấu, nhưng khảo sát các lỗ khoan quá thưa, nên khơng phát hiện được, sau phải xử lý bằng giếng cát và đắp bệ phản áp hai bên đường. Do thay đổi này dự án phải tốn thêm gần 10 tỷ đồng và phải thêm 1 nhịp cầu Hồng Long.
+ Năm 1998 hai đầu cầu Đồng Niên Km49+300 ÷ Km49+900 QL5 xử lý bằng bấc thấm sâu 17-19m, dự báo theo tính tốn: lún tổng cơng cộng S=1,7m, lún thực tế đến tháng 4/1998 là 2,64-3,3m. Khắc phục bằng cách liên tục rải bê tơng nhựa bù phụ, từ tháng 4/1998 vẫn cịn tiếp tục lún (chưa cĩ số liệu cập nhật tiếp).
+ Hai đầu cầu Phú Lương: đắp cao 10-12m, xử lý bấc thấm, lún trong thời gian đắp (cm) (cả đắp gia tải) 222,2cm-205,4cm (trong cả thời gian đắp và chờ trước khi đưa vào khai thác), lún sau khi đưa vào khai thác: 10,7-17cm sau 12
33
tháng đưa vào khai thác, lún đều, tạo bậc và nứt ngang trước mố. Khắc phục: Rải bù lún hiện vẫn cịn lún (chưa cĩ số liệu cập nhật tiếp).
Sau sự cố này bấc thấm bị nghi ngờ về hiệu quả và ứng dụng chậm lại mất vài năm. Từ năm 1999-2004, phương pháp này đã được sử dụng rộng rãi để xử lý đất yếu trong các dự án nâng cấp và cải tạo QL1A, QL18, QL60, QL80… Nhưng từ những năm gần đây, biện pháp này lại tiếp tục được sử dụng phổ biến như trong các dự án hành lang ven biển phía Nam, dự án đường cao tốc Sài Gịn - Trung Lương Quốc lộ 18, 10, dự án đường cao tốc Pháp Vân - Cầu Giẽ và Cầu Giẽ - Ninh Bình, dự án đường cao tốc QL3… Biện pháp xử lý này đã đưa lại một số hiệu quả khi kết hợp với biện pháp khác.
Thực tế các sự cố cho thấy: Dù được xử lý bấc thấm, nếu khơng khống chế tốc độ hoặc khơng dự báo đúng tốc độ tăng độ chống cắt của đất yếu thì sự mất cần bằng giữa tải trọng đắp với cường độ chống cắt trong khi đất yếu vẫn sẽ xảy ra. Trong trường hợp đĩ cĩ sử dụng bấc thấm thì cũng khơng cĩ tác dụng và việc lạm dụng các biện pháp đĩ lại trở nên lãng phí vơ ích. Theo báo cáo về các sự cố cơng trình nền đường ơ tơ xây dựng trên vùng đất yếu trong những năm gần đây, các vấn đề mắc phải của nền đường đắp trên đất yếu trong thời gian qua ở Việt Nam chủ yếu dưới dạng nền đường bị lún sụt - trượt trồi và ở dạng lún kéo dài ảnh hưởng lớn đến chất lượng khai thác đường. Gần đây nhất, nhiều đoạn nền đường đắp trên đất yếu tuyến Pháp Vân - Cầu Giẽ trên QL1A (đoạn cửa ngõ Hà Nội), mặc dù đã được xử lý và khơng xuất hiện các vết nứt nhưng biến dạng lún vẫn cịn kéo dài. Theo số liệu đo đạc quan trắc cho thấy, sau một năm đưa vào khai thác, nền vẫn lún thêm khoảng 40-60cm, ảnh hưởng lớn khai thác.
1.4.5.2. Giải pháp thốt nước thẳng đứng bằng giếng cát
Nguyên lý và phạm vi sử dụng: Một trong những giải pháp gia cố đất, bằng cách cho thốt nước thẳng đứng bằng mao dẫn, là giếng cát thơng qua các cọc bằng cát trung hoặc thơ, D=30-50cm (phổ biến là 40cm cĩ hệ số thấm lớn với chiều dài cĩ thể tới 28-30m, xuyên qua các lớp đất yếu, do tính chất mao
34
dẫn, nước được dẫn theo chiều thẳng đứng, sau đĩ được chẩy ngang theo lớp đệm cát đặt trên đỉnh các cọc cát. Nếu các cọc cát chủ yếu để thốt nước thẳng đứng thì gọi là giếng cát, nếu cĩ thêm chức năng để tăng cường độ của đất, thì gọi là cọc cát (thực ra giếng cát cũng cĩ chức năng này nhưng nhỏ). Giải pháp thi cơng là dùng máy khoan hay ấn các ống thép rỗng đến độ sâu cần thiết, sau đĩ lèn chặt cát hạt thơ hay trung bằng rung, khi rút lên đầu của ống mở ra, để lại cát.
Hình 1.8: Sử dụng giếng cát để gia xử lý nền
Ưu nhược điểm: - Ưu điểm:
+ Sử dụng trong vùng cĩ đất yếu dày, nằm sâu hơn bấc thấm.
+ Khả năng chống thấm mất ổn định trượt sâu, cao hơn bấc thấm, vì ngồi tác dụng chính là thốt nước để cố kết đất, cịn cĩ tác dụng cải thiện đất ngay trong quá trình thi cơng giếng cát (lèn đất và thay đất yếu bằng cát trung trong các giếng cát).
- Nhược điểm:
+ Phải cĩ thiết bị thi cơng, nhất là khi cần cắm giếng cát sâu lớn hơn 20m (khi chiều sâu nhỏ, cĩ thể cải tiến máy thi cơng từ các máy đào, cần cẩu).
+ Phải tốn cát cĩ hệ số thấm ca để lấp giếng (thường dùng cát hạt trung, hạt thơ được sàng tuyển kỹ).
35
+ Cần lưu ý rằng khi xử dụng giếng các gia cố nền đất yếu cần đảm bảo đạt được độ đồng đều của cát trong suốt chiều dài giếng cát, tránh hiện tượng dứt đầu giếng cát dưới tác dụng các loại tải trọng.
Xử lý nền đất yếu bằng giếng cát sẽ phát huy hiệu quả cao nếu đất yếu cĩ hàm lượng hữu cơ khơng lớn (thường < 10%) vài tải trọng đắp lớn hơn áp lực tiền cố kết đất yếu.
Hình 1.9: Trình tự thi cơng giếng cát
Các dự án đã sử dụng phương pháp và hiệu quả.
Giếng cát được sử dụng trong ngành Giao thơng từ từ đầu những năm 1990 trong dự án đường Thăng Long Nội Bài, cĩ hệu quả tốt với đoạn qua đầm Vân Trì, nhưng khơng tốt với đoạn đầu tuyến (sau khi xử lý vẫn cịn hiện tượng bị lún nhiều và mất ổn định). Sau này càng được sử dụng rộng rãi kết hợp với các giải pháp khác như: Dự án nâng cấp QL 18, dự án hành lang ven biển phía Nam, dự án đường cao tốc Pháp Vân – Cầu Giẽ và Cầu Giẽ - Ninh Bình, dự án đường cao tốc QL3…kết hợp với bấc thấm (giếng cát được tại các đoạn đất yếu sâu hơn, xấu hơn, đường đắp cao hơn đoạn đoạn dùng bấc thấm).
36
1.4.5.3. Giải pháp cọc đầm chặt (Sand compaction pile method – SCP).
Thời gian gần đây ở Việt Nam cĩ thêm biện pháp xử lý nền đất yếu cọc cát đầm chặt. Phương pháp cọc cát đầm chặt là một phương pháp cải tạo đất yếu đã được phát triển ở Nhật Bản, Hàn Quốc, Thái Lan…Phương pháp này sử dụng cách rung hạ ống vách thép vào trong các lớp đất yếu và nhồi cát hoặc vật liệu tương tự vào bên trong để tạo ra cát đầm chặt.
Phương pháp cọc cát (SCP) sử dụng tải trọng nén kết hợp rung để xuyên một ống nhồi cát và đầm chặt vào lớp đất yếu hoặc cĩ kết cấu xốp, rời rạc làm cho nền đất được nén chặt, hệ số rỗng giảm, từ đĩ tăng cường độ và mơ đun biến dạng của đất nền. Đồng thời dưới áp lực của tải trọng ngồi, cọc cát làm việc như một giếng cát thốt nước, quá trình cố kết của nền đất diễn ra nhanh hơn. Khi xử lý nền bằng cọc cát đầm chặt cĩ thể xem cọc cát với đất nền xung quanh làm việc đồng thời thời như nền đất hỗn hợp.
37
Hình 1.10: Các ứng dụng của cọc cát đầm chặt
Ưu nhược điểm: - Ưu điểm:
+ Hiệu quả trong việc chống trượt và gia tăng tốc độ cố kết của đất nền, giảm thời gian thi cơng đặc biệt khi xử lý nền của các hầm chui.
+ Chi phí xây dựng thấp hơn với các giải pháp cùng cơng nghệ xử lý sâu như đất cọc xi măng hoặc sàn giảm tải.
+ Sử dụng trong vùng cĩ đất yếu dày, nằm sâu. + Tốc độ cố kết thường nhanh hơn giếng cát. - Nhược điểm:
+ Phải cĩ thiết bị thi cơng riêng. + Tốn cát làm cọc.
+ Thời gian thi cơng cọc cát chậm hơn bấc thấm và giếng cát. Phương pháp cọc cát đầm chặt SCP
Dất dính
Tăng sức chịu tải cho nền đất Tăng áp lực bị động Tăng khả năng chịu tải ngang Tăng độ ổn định cho nền đường
Giảm độc lún Đất rời
Tăng sức chịu tải cho nền đất Giảm độ lún
38
+ Cơng nghệ và thiết bị thi cơng chưa phổ biến tại Việt Nam. Cơng nghệ thi cơng.
Cọc cát đầm thường được thi cơng bằng cách đĩng một ống cĩ cấu tạo đặc biệt tại đáy, xuyên qua các lớp rời tới cát chặt hay một lớp sét từ yếu đến chặt nhờ việc sử dụng một thiết bị rung đặt tại đỉnh của ống vách. Trong suốt quá trình đĩng hoặc ngay sau khi đĩng ống thép, cát được nhồi đầy vào ống thép. Cát tự nhiên được làm chặt bằng cách lặp lại sự nâng lên và ấn xuống của việc rung ống thép. Ống vách thép được rút lên khoảng 2 – 3m nhờ cần trục và được hạ xuống 1 – 2m nhờ búa rung. Hành trình lên và xuống được lặp lại cho đến khi ống thép được rút lên hồn tồn khỏi mặt đất.
46
Để tăng cường ổn định và giảm lực đẩy của nền đắp vào mĩng mố cầu cĩ thể dùng giải pháp làm bệ phản áp trước mố phía sơng hoặc đĩng thêm cọc phía sau mố.
Hình 1.15: Sử dụng ống cống thay cho đất đắp nền đường đầu cầu để giảm nhẹ tải trọng tác dụng lên nền đất yếu bên dưới
1.4.8.2. Phương pháp hút chân khơng.
Nguyên lý giải pháp: Dùng bơm hút để tạo ra một khoảng chân khơng giữa một màng kín phủ phía trên với khu vực đất yếu cần xử lý ở phía dưới. Nhờ lực hút chân khơng nước cố kết theo các phương tiện thốt nước thẳng đứng và băng thốt nước ngang thốt ra hào thu nước bố trí hai bên. Thơng thường giải pháp này tạo được một áp lực cĩ hiệu lực trong đất yếu tối đa tương đương với một chiều cao đắp bằng 4m nhưng nhờ bơm hút nên cố kết đạt được nhanh hơn rất nhiều với việc đắp cao đến 4m rồi chờ cho thời gian đến cố kết xong. Hơn nữa so với việc đắp trực tiếp rồi chờ cịn cĩ lợi là khơng bị rủi ro trong quá trình đắp khi tốc độ cố kết khơng tăng kịp với tốc độ đắp. Gần đây cơng nghệ này phát triển thêm một bước mà khơng cần phủ màng kín mà dùng các đầu nối trực tiếp phải đảm bảo tuyệt đối kín (nếu hở thì mất tác dụng chân khơng và khơng hút được nước lên).
47
- Ưu điểm của giải pháp này là giảm được thời gian chờ cố kết xuống đến mức ít nhất là tùy thuộc vào năng lực bơm hút đồng thời đảm bảo được đất yếu lún trước khi xây dựng nền đắp của cơng trình bên trên (tức là khơng để xảy ra lún sau khi đưa vào cơng trình khai thác). Phương pháp áp dụng tốt với trường hợp gia cố nền đất yếu trên mặt bằng rộng.