a) Khái quát phương pháp
Nền đất sét yếu cĩ hệ số thấm nhỏ,vì vậy để hồn thành giai đoạn lún cố kết cần phải cĩ nhiều thời gian.Để rút ngắn thời gian cố kết này người ta thường dùng thiết bị tiêu nước thẳng đứng kết hợp gia tải trước can thiệp trực tiếp vào nền đất.
Trong phương pháp gia cố nền bằng bấc thấm,người ta dùng bấc thấm cắm vào lịng đất đến độ sâu cần thiết kết hợp với gia tải trước nhằm tạo gradien thủy lực làm cho nước lỗ rỗng thốt ra khi nước trong đất chảy nhanh theo phương ngang về phía bấc thấm rồi sau đĩ chảy tự do ra ngồi.
62
Việc đặt bấc thấm vào trong nền đất sét sẽ làm giảm chiều dài đường thấm và dẫn đến giảm thời gian hồn thành quá trình cố kết.Như vậy bấc thấm đặt vào trong nền đất cĩ hai mục đích là:làm tăng tốc độ cố kết của nền đất và từ đĩ nâng cao sự ổn định của cơng trình đặt trên nền đất yếu.
Hình 2.3: Chất tải trước kết hợp thốt nước thẳng đứng
b) Cấu tạo bấc thấm
Bấc thấm là tên gọi chung để gọi các băng chất dẻo được cắm vào trong đất bằng thiết bị đặc biệt,thường cĩ bề rộng khoảng 100~200mm bề dày từ 4~7mm. Lõi bấc thấm là một băng chất dẻo cĩ nhiều rãnh nhỏ để:
Tạo các rãnh để dẫn nước thấm dọc theo lõi
Nâng đỡ lớp vỏ bọc khơng bị dính vào nhau do áp lực ngang trong đất Chống chịu lực kéo căng khi thi cơng giúp bấc thấm khơng bị đứt khi thi cơng hoặc do cắt trượt khi cĩ chuyển vị ngang lớn xảy ra trong đất.
63
Hình 2.4:Mặt cắt điển hình của bấc thấm PVD
Hình 2.5: Bấc thấm PVD điển hình.
Lõi được bọc bằng một lớp vải địa kỹ thuật. Lớp vải được chế tạo bằng polyester khơng dệt,vải địa kỹ thuật cĩ polypropylene hay giấy vật liệu tổng hợp.Nĩ là hàng rào vật lý ngăn cách lịng dẫn của dịng chảy với đất bao quanh và là bộ lọc hạn chế đất hạt mịn đi vào lõi làm tắc đường dẫn.
*/ Vải địa kỹ thuật phải đạt chỉ tiêu cơ lý sau:
Cường độ chịu kéo 1.0kN Độ giãn dài < 65%
Khả năng chống xuyên thủng 1500 – 5000N Kích thước lỗ vải O90 < 0.15mm
64
Hệ số thấm của vải 1.4.10-4m/s
*/ Các kiểu bấc thấm:
Sand drains ( Cọc cát): Được sử dụng rộng rãi trong chất tải trước từ đầu
những năm 30 của thế kỷ trước. Cọc cát (đường kính 300-500 mm) được tạo bằng cách đĩng một ống chống bằng thép, đầu ống cĩ thể mở rộng, xuống nền đất và sau đĩ lấp đầy ống bằng cát. Cọc cát cĩ đường kính nhỏ hơn cĩ thể sẽ bị ngắt đoạn vì hiệu ứng tạo vịm của cát.
Sand wicks (Dồi cát): Dồi cát được làm từ vải đay hoặc vật liệu dễ thấm
khác như HDPE, may lại thành các ống hình trụ và đựng đầy cát. Dồi cát được làm sẵn trên mặt đất, cĩ thể làm thủ cơng) rồi thả vào bể cho bão hịa nước. Đĩng một ống hình trụ đường kính 65-75 mm, đầu bọc sắt, xuống nền đất sét. Sau đĩ tuồn dồi cát vào khi đang rút ống lên. Dồi cát để nhơ lên trên mặt đất và phủ một tấm đệm thốt nước. Đường kính dồi cát cĩ thể dao động trong khoảng 55-75 mm, cách nhau khoảng 1-2 m.
Band drains (Bấc thấm): Bấc thấm làm từ vải địa kỹ thuật PVD cĩ tính
thấm cao, thường rộng khoảng 75-100 mm, dầy khoảng 3-5 mm. Chúng được ấn vào trong nền đất bằng xe cẩu chuyên dụng.
Ngồi ra cịn cĩ các loại bấc thấm dây hoặc carton.Hiện nay thực tế người ta chỉ cịn sử dụng bấc thấm PVD, sản xuất sẵn đại trà và dễ thi cơng bằng thiết bị chuyên dụng.
c) Gia tải trước
Là biện pháp tác dụng áp lực tạm thời lên nền đất để tăng nhanh quá trình ép thốt nước lỗ rỗng,tăng nhanh tốc độ cố kết của đất,làm cho nền được lún trước và lún tới khi ổn định.Cĩ 2 phương pháp gia tải trước:
+Gia tải bằng trọng lượng khối đắp +Gia tải bằng bơm hút chân khơng
- Tổng tải trọng gia tải >= 1.2 tải trọng thiết kế cơng trình
- Vật liệu gia tải trước cĩ thể là đất loại cát,loại sét hoặc tải trọng cơng trình
65
- Phải đắp theo giai đoạn,trong từng giai đoạn giai đoạn đắp phải đảm bảo nền ổn định.
- Cường độ đất yếu được gia tăng sau cố kết được tính theo cơng thức
∆Cu = γ H1 U tgϕ
Trong đĩ:
:giá trị gia tăng của lực dính
*H1 : ứng suất nén thẳng đứng trong lớp đất yếu do nền đất đắp đầu tiên gây ra
U: mức độ cố kết của nền đất yếu
: gĩc ma sát ứng với từng mức độ cố kết U
- Thời gian lưu tải phải đảm bảo quá trình cố kết hồn thành,nền đất lún đến ổn định
- Khi bên trên cĩ một lớp đất tốt,mỏng thì gia tải phải đảm bảo phá vỡ độ bền liên kết của kiến trúc này
- Áp lực gia tải phải lớn hơn áp lực tiền cố kêt của đất nền và khơng vượt quá sức chịu tải của đất nền.
- Cần tính lượng bù lún.
d) Ưu - nhược điểm của bấc thấm */ Ưu điểm:
- Tốc độ lắp đặt cao,5000m/ngày/máy - Khơng xảy ra hiện tượng đứt bấc
- Hệ số thấm cao,do đĩ thốt nước nhanh 30.10-6 - 90.10-6 m3/s (giếng cát 20.10 -6 m3/s)
- Khơng xảy ra hiện tượng bị cắt trượt - Phạm vi đới phá hủy nhỏ
- Chiều sâu cắm bấc thấm cĩ thể đạt 40m - Dễ dàng kiểm tra chất lượng
66
- Chất lượng bấc thấm ổng định
*/ Nhược điểm:
- Kém hiệu quả khi chiều dày lớp đất yếu quá dày. - Thời gian chờ đợi khá nhiều.
- Dễ bị hư hại khi cắm vào đất.
- Sẽ khơng hiệu quả nếu khơng cĩ phương pháp gia tải kết hợp phù hợp
e) Tính tốn thiết kế bấc thấm
e.1.Cơ sở tính tốn thiết kế bấc thấm e.1.1. Tính tốn bố trí bấc thấm
Nền đất cĩ cắm bấc thấm dưới tác dụng của tải trọng ngồi sẽ cố kết theo sơ đồ bài tốn đối xứng trục.Áp lực nước lỗ rỗng và độ cố kết U biến đổi theo thời gian t tùy thuộc vào khoảng cách bấc thấm L và tính chất cơ lý của đất nền.
Trên cơ sở quan niệm mỗi bấc thấm là một trụ đất cĩ diện tích tương đương, Baron(1948) đã đưa ra lời giải tồn diện cho bài tốn cố kết của trụ đất cĩ chứa giếng cát ở trung tâm.Lý thuyết của ơng dựa trên việc đơn giản hĩa các giả thuyết cố kết một chiều của Terzaghi,1943 cùng 2 giả thiết:
- Biến dạng thẳng đứng là tự do,cho nên ứng suất bề mặt thẳng đứng là hằng số và dịch chuyển bề mặt ngang là khơng đồng nhất trong quá trình cố kết.
- Giả thiết biến dạng thẳng đứng là bằng nhau nên ứng suất bề mặt thẳng đứng khơng đồng nhất.
Trong trường hợp biến dạng bằng nhau,phương trình vi phân chỉ đạo hàm quá trình cố kết cĩ dạng:
( + ( ] Ch (II.1)
Trong đĩ:
67
r--khoảng cách hướng tâm của điểm đang xét,từ tâm của trụ đất tiêu nước t-- thời gian sau một độ tăng tức thời của tổng ứng suất thẳng đứng
Ch-- hệ số cố kết ngang
Với trường hợp chỉ tiêu nước hướng tâm,lời giải của Barron trong điều kiện lý tưởng(khơng bị xáo động và khơng cĩ sức cản của giếng) như sau:
Trong đĩ:
U = 1 - (II.2)
Th = (II.3)
F(n) = [ ] [ - + ] (II.4)
de-- đường kính trụ đất tương đương dw-- đường kính của thiết bị tiêu nước n—tỉ số khoảng cách n =
Hansbo(1979) đã cải tiến các phương trình Barron để dùng cho thiết bị tiêu nước chế tạo sẵn.Cải tiến chủ yếu là đơn giản hĩa các giả thiết về kích thước và các đặc trưng vật lý của thiết bị tiêu nước chế tạo sẵn và ơng đưa vào cơng thức các hệ số ảnh hưởng đến quá trình cố kết.
68
Uh = 1 - (II.5)
Th = (II.6)
F = F(n) +Fs +Fr
Ở đây:
F : hệ số ảnh hưởng tổng hợp của các yếu tố
F(n) :nhân tố xét đến ảnh hưởng của khoảng cách giữa các bấc thấm Với tỷ số khoảng cách n 20 ta cĩ hệ số khoảng cách đơn giản là:
F(n) = ln( ) – 0.75 (II.7)
Fs :nhân tố xét đến ảnh hưởng xáo động đất nền khi đĩng bấc thấm.
Fs = - 1]ln( ) (II.8)
ds : đường kính đới phá hoại xung quanh thiết bị Hansbo(1987) đề nghị cơng thức chọn ds:
ds = 2dm Với
69
+ dm là đường kính của đường trịn tương đương cĩ diện tích bằng diện tích tiết diện ngang của cần xuyên dùng cắm bấc thấm.
+ kh :hệ số thấm theo phương ngang trong đới phá hoại
+ ks :hệ số thấm của đất theo phương ngang trong đới xáo động + dw :đường kính tương đương của bấc thấm.
Hình 2.6: Sơ đồ sức cản tiêu nước và phá hoại đất theo Rixner(1986)
Hansbo (1987) đề nghị dùng biểu thức sau cho thiết kế
dw = (II.9)
a:chiều rộng mặt cắt ngang của bấc thấm b:bề dày mặt cắt ngang của bấc thấm
Rixner (1986) đưa ra cách tính đường kính của bấc thấm tương sau:
70
Fr :nhân tố xét đến sức cản của bấc thấm với giả thiết dùng được định luật Darcy cho dịng thấm dọc theo trục thẳng đứng của thiết bị
Fr = Z(L – Z) (II.11)
Z: Khoảng cách từ bề mặt đến đầu trên của thiết bị thốt nước
L:chiều dài thiết bị tiêu nước khi tiêu nước một phía và bằng nửa chiều dài thiết bị khi tiêu nước hai phía.
qw = khả năng tiêu nước của thiết bị tiêu nước khi gradient thủy lực bằng 1.
Để đơn giản hĩa các quá trình tính tốn Ur do dịng chảy hướng tâm,G.X.Zeng và K.H.Xie(1986) đưa ra cơng thức tính gần đúng:
Ur = 1 - (II.12)
Với = (II.13)
Trong đĩ:
F = ln( ) + ln(s) - (II.14)
71
G = (II.15)
G:hệ số sức cản của giếng cát
Với bấc thấm G = (II.16)
e.1.2. Tính tốn thơng số gia tải trước
Braja .M.Das đưa ra phương pháp tính tốn thơng số gia tải trên cơ sở tính tốn mức độ cố kết của đất nền khi cĩ tải trọng ngồi tác dụng.
Nội dung là xét một lớp đất sét cĩ chiều dày Hc nằm giữa hai lớp cát đang chịu tải trọng cơng trình trên một đơn vị diện tích là pp .Khi đĩ độ lún cố kết tối đa do tải trọng cơng trình gây ra là:
Sp = (II.17)
Cc :chỉ số nén
p0 :trọng lượng bản than cột đất e0:hệ số rỗng ban đầu
Nếu ta them lượng tải trọng tác dụng là pf thì độ lún cố kết sẽ là
S = (II.18)
Giả định độ lún do tổng tải trọng tức thời do pp + pf gây ra đến thời điểm t2 bằng độ lún sp tại thời điểm t1.Tại thời điểm t2 đĩ tiến hành dở tải và
72
cơng trình với tải trọng thường xuyên trên một đơn vị diện tích pp được xây dựng thì độ lún xảy ra là khơng đáng kể.Đây là bản chất của phương pháp.
Ta cĩ thể xác định mức độ cố kết tại thời điểm t2 dưới tác dụng của tải trọng pp + pf qua biểu thức sau:
Uv,r = (II.19)
Thay các giá trị từ các cơng thức II.10, II.11 , II.12 vào ta được
Uv,r = (II.20)
===> như vậy nếu biết trước pf ta tính được U (II.20) ,sau đĩ tìm Tv và cuối cùng tính được thời gian gia tải
tv = (II.21)
e.1.3. Tính tốn dự báo độ lún nền đất yếu
Khi tải trọng tác dụng tức thời lên nền đất yếu sẽ gây ra lún gồm các thành phần: lún tức thời,lún sơ cấp,lún thứ cấp.Trong đĩ lún sơ cấp chiếm ưu thế và cần xét đến trong phương pháp nén trước.
73
Sc = (II.22)
+ Đất quá cố kết:
a) + thì độ lún cố kết được tính theo cơng thức
Sc =
b) + thì độ lún cố kết tính theo cơng thức
Sc = ) + lg( (II.23)
Trong đĩ:
hi :chiều dày lớp tính lún thứ i
:hệ số rỗng của lớp đất thứ i ở trạng thái tự nhiên ban đầu Cc :chỉ số nén lúc đầu( độ dốc của đường cong nén lần đầu) Cr :chỉ số nén lại( độ dốc của đường cong nén lại)
: áp lực bản thân cột đất : áp lực tiền cố kết
:áp lực do tải trọng cơng trình.
e.1.4. Tính tốn kiểm tra ổn định nền đất đắp trên nền đất yếu
Cĩ hai phương pháp kiểm tra ổn định nền đất đắp : + Phương pháp phân mảnh cổ điển
74
*/ Phương pháp phân mảnh cổ điển
Nội dung phương pháp này tập trung ở cung trịn mặt trượt là:chọn trước dạng và độ dốc nền đất đắp.Sau đĩ giả định mặt trượt cĩ thể xảy ra trong nền là mặt trượt trụ trịn quay quanh một tâm O (bán kính R tùy ý).Tỷ số của moment chống trượt và moment gây trượt của tất cả các lực tác dụng lên mặt trượt trụ trịn đối với tâm O đánh giá mức độ ổn định của nền đất cơng trình.
Hình 2.7: Sơ đồ phân mảnh với mặt trượt trịn
Các lực gây trượt và chống trượt tác dụng lên mặt trượt trịn được tìm theo cách phân mảnh lăng trụ trượt.Mỗi mảnh cĩ trọng lượng Wi ,khi bỏ qua ảnh hưởng của các lực tác dụng lên mặt hơng của mỗi mảnh,các lực tác dụng lên phân tố mặt trượt của mỗi mảnh cĩ chiều rộng l và chiều dày l đơn vị gồm cĩ:
+ lực chống trượt :lực ma sát + lực dính:wi. cos .tg + lực gây trượt :wi.sin
Hệ số ổn định K được xác định theo biểu thức do Terzaghi đề xuất:
75
Trong đĩ:
:gĩc nghiên của mặt trượt phân tố với mặt nằm ngang
ci:lực dính của đất trong phạm vi chiều dài li của phân tố mặt trượt
Với nhiều mặt trượt trụ trịn giả định khác nhau theo các tâm quay O khác nhau sẽ tìm được các hệ số ổn định tương ứng.Từ đĩ tìm ra giá trị Kmin tương ứng với mặt trượt nguy hiểm nhất,đĩ chính là hệ số ổn định của nền đất đắp.Cĩ ba trường hợp như sau:
+ Kmin 1 :nền cơng trình bị phá hoại theo mặt trụ trịn + Kmin 1 :nền cơng trình ở trạng thái cân bằng tới hạn + Kmin 1 :nền đường ổn định
Trong trường hợp cĩ dùng vải địa kỹ thuật giửa lớp đất yếu và nền đất đắp thì phần moment chống trượt cĩ cộng them lượng F(Y/R) với
F:lực ma sát do vải địa kỹ thuật gây ra Y:cánh tay địn của lực F gây ra đến tâm O.
*/ Phương pháp Bishop
Tính theo phương pháp Bishop thì hệ số ổn định K ứng với một mặt trượt trịn tâm O được xác định theo cơng thức sau:
76
Hình 2.8: Sơ đồ xác định tâm trượt nguy hiểm
mi= (1+ tg ) (II.26)
Về cơ bản phương pháp này giống phương pháp phân mảnh cổ điển ,chỉ khác là cĩ hệ số mi phụ thuộc hệ số ổn định K cho nên phải tính lặp nhờ vào chương trình máy tính.
e.1.5.Các nhân tố ảnh hưởng đến hiệu quả kỹ thuật xử lý nền bằng bấc thấm
e.1.5.1.Ảnh hưởng của cấu trúc nền đất
Cấu trúc nền cĩ ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả kỹ thuật của phương pháp bấc thấm.
+ Các dạng địa hình thấp,thường xuyên bị ngập nước,mực nước ngầm cao sẽ làm giảm hiệu quả của quá trình thốt nước
+ Các cấu trúc nền liên quan trực tiếp với tầng chứa nước Holocen,Pleitocen hoặc tầng nước cĩ áp thì khơng nên cắm bấc thấm vào tầng cát được vì bấc thấm sẽ dẫn nước từ tầng cĩ áp lên,ngăn cản và làm giảm quá trình thốt nước trong các lớp đất yếu.
77
+ Nền đất yếu cĩ nhiều chất hữu cơ thì cắm bấc thấm vào dễ phá vỡ cấu trúc nền dẫn tới trượt ngang
e.1.5.2.Ảnh hưởng của lượng gia tải trước
Để rút ngắn thời gian và nâng cao hiệu quả cố kết người ta kết hợp bấc thấm với phương pháp gia tải bằng khối đất đắp hoặc bơm hút chân khơng.
Cường độ của nền đất yếu sau khi gia cố đạt được tính theo cơng thức sau:
Cu = P.U.tg
Với P : Áp lực do lượng gia tải trước gây ra.
Như vậy với lượng gia tải trước phù hợp kết hợp với bấc thấm sẽ cho kết quả cố kết tốt hơn.
e.1.5.3 Ảnh hưởng của đới xáo động và phá hoại
Khi lắp đặt bấc thấm,đất xung quanh sẽ bị phá hoại.Sự phá hoại phụ thuộc chủ yếu vào hình dạng,kích thước của trụ đĩng,kết cấu vĩ mơ của đất và thao tác