3.8.1. Nhóm các phương pháp làm chặt đất trên mặt bằng cơ học
Là một trong những phương pháp cổ điển nhất, đã được sử dụng từ lây trên thế giới. Bản chất của phương pháp là dùng các thiết bị cơ giới như xe lu, máy đầm, búa rung…làm chặt đất. Các yếu tố chính làm ảnh hưởng đến khả năng đầm chặt cử đất gồm: độẩm, công đầm, thành phần hạt, thành phần khoáng hóa, nhiệt độ của đất và phương thức tác dụng của tải trọng. Để làm chặt đất cần phải xác định được độ ẩm tốt nhất ứng với giá trị khối lượng thể tích khô lớn nhất.
Do được làm chặt, các chỉ tiêu về độ bền của đất tăng lên đáng kể, tính biến dạng và tính thấm giảm đi. Hiện nay phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong xây dựng đường giao thông, sân bay, các công trình thủy lợi và trogn xây dựng dân dụng, công nghiệp. Có một số phương pháp làm chặt đất bằng cơ học như sau:
+ Làm chặt đất bằng đầm rơi:
Bản chất của phương pháp là dùng đầm rơi bằng vật nặng làm chặt đất. Vật đầm thường làm bừng bê tông cốt thép hoặc bằng gang, có khối lượng từ 2 đến 4 tấn, cho rơi từđộ cao 4÷5m. Chiều dày nén chặt của đất phụ thuộc vào đường kính, khối lượng và chiều cao rơi của vật liệu đầm cũng như tính chất của đất.Thông thường, độ chặt của đất tăng lên ở các lớp trên mặt và giảm ở những lớp phía dưới.
+ Làm chặt bằng đầm lăn:
Bản chất của phương pháp là dùng đầm lăn, xe lu để làm chặt đất. Phương pháp này thường được sử dụng khi làm đường giao thông. Tùy thuộc trọng lượng xe lu và số lần đầm mà chiều sâu làm chặt có thểđạt đến 0,5÷0,6m. Khi dùng đầm lăn có mặt nhẵn, do chiều dày lớp đất được đầm nhỏ nên hiệu suất đầm thường thấp, chất lượng đầm không đều, khối lượng thể tích của đất giảm theo chiều sâu. Vì vậy đối với các công trình đắp đất lớn dùng đầm mặt nhẵn không hiệu quả. Đối với các loại đất dính dạng cục thì dùng đầm lăn chân dê mang lại hiệu quả cao hơn, chất lượng đầm đều hơn và tạo ra mựt ráp liên kết tốt giữa các lớp đất đầm với nhau.
Hiện nay, người ta còn sử dụng cảđầm lăn bánh hơi để đầm chặt cảđất dính và đất rời. Mức độđầm chặt phụ thuộc vào số lần đầm, chiều dày lớp đầm, áp suất bánh xe, tải trọng xe, vận tốc di chuyển của xe cũng nhưđộ ẩm và cấu tạo của đất. Muốn đất được đầm chặt như nhau ở mọi nơi thì yêu cầu tải trọng đầm phải phân bố đều lên các bánh xe, không phụ thuộc vào độ gồ ghề của mặt đất và sức chịu tải của đất tại vị trí đầm.
+ Làm chặt bằng đầm rung:
Phương pháp làm chặt bằng đầm rung chủ yếu dùng để nén chặt đất cát. Nếu hàm lượng hạt sét trong đất nhỏ hơn 6% thì hiệu quả nén chặt thường gấp 4÷5 so với các phương pháp đầm nén khác. Bản chất của phương pháp là dùng các chấn động tạo ra các dao động liên tục có tần số cao và biên độ nhỏ, làm cho tính toàn khối của đất bị phá hoại, các hạt cát di chuyển đến chỗ trống giữa các hạt có kích thước lớn hơn. Tác dụng của đầm rung lớn nhất khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng khi mà tần số dao dộng của máy trùng với tần số dao động của đất đầm.
Chiều dày lớp đất được làm chặt bằng đầm rung thường thay đổi từ 0,3 đến 1,5m, đôi khi đến 2m.
3.8.2. Nhóm các phương pháp làm chặt đất dưới sâu bằng chấn động và thủy chấn
Khi đất cát hoặc đất đắp ở dưới sâu người ta thường dùng các loại đầm chùy có tần số 900÷3000 vòng/phút.Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả nén chặt đất là gia tốc chấn động, độ ẩm của đất, khoảng cách giữa các vị trí đầm, tính đàn hồi của đất và bán kính máy chấn động.Khi làm chặt đất cát ở độ sâu nhỏ hơn 3m thì bán kính làm chặt có thểđạt 1,5m. Khi bán kính máy chấn tăng thì gia tốc chấn động và hệ số nén chựt chấn động cũng tăng lên.
+ Nén chặt đất bằng thủy chấn:
Khi lớp cát cần nén chặt có chiều dày lớn thì người ta dùng phương pháp thủy chấn.Bản chất của phương pháp là vừa phun nước vừa tạo chấn động tác dụng vào đất cát. Khi đó lực dính giữa các hạt giảm đi, các hạt lớn sẽ lắng xuống còn các hạt nhỏ sẽ nổi lên, hình thành chuyển động xoắn ốc làm phát sinh cấp phối mới và như vậy sẽ hình thành cấp phối tốt nhất của đất ở trạng thái nén chặt.
Để thi công nén chặt đất bằng phương pháp thủy chấn, người ta đóng vào trong đất những ống thép đường kính 19÷25mm và có đầu nhọn, phần ống dưới dài khoảng 5÷6mm. Lợi dụng sức nước cao áp để đưa ống thép và máy chấn động đến độ sâu thiết kế và cho máy chấn động làm việc nén chặt đất từ dưới lên trên, mỗi đoạn làm chặt thường từ 30÷40cm trong khoảng thời gian 40÷129 giây. Sau khi làm chặt được lớp đất thứ nhất thì lại nâng máy đầm lên làm chặt lớp đất thứ 2 và cứ làm như vậy làm chặt đất cho đến khi lên mặt đất.
3.8.3. Nhóm các phương pháp gia cố nền bằng thiết bị tiêu nước thẳng đứng
Đối với các nền đất sét yếu, do hệ số thấm của đất sét rất nhỏ nên quá trình cố kết của đất nền ởđiều kiện bình thường cần rất nhiều thời gian.Trong khi đó hầu hết các công trình xây dựng lại đòi hỏi tốc độ thi công nhanh, đảm bảo tiến độ yêu cầu. Do vậy, người ta thường dùng các thiết bị tiêu nước thằng đứng kết hợp với gia tải để làm tăng nhanh tốc độ cố kết của đất nền. Thiết bị tiêu nước thẳng đứng gốm nhiều loại khác nhau. Nguyên lý làm việc của các loại này là, dưới tác dụng của tải trọng ngoài, trong đất sẽ xuất hiện gradient thủy lực làm cho nước lỗ rỗng thoát ra theo phương ngang về phía các thiết bị tiêu nước, sau đó chảy tự do theo phương
dọc theo các thiết bị để thoát nước lên mặt đất. Như vậy, việc đặt các thiết bị tiêu nước thẳng đứng trong nền đất có tác dụng rút ngắn chiều dài đường thấm và dẫn đến giảm thời gian hoàn thành cố kết. Các công nghệ gia cố bằng tiêu nước thẳng đứng bao gồm:
+ Gia cố bằng cọc cát, giếng cát:
Giếng cát và cọc cát được sử dụng rộng rãi để tăng nhanh quá trình cố kết của đất nền, làm cho đất nền có khả năng biến dạng đều và nhanh chóng đạt đến giới hạn ổn định về lún. Tùy thuộc vào đặc điểm công trình xây dựng và cấu trúc nền mà người ta dùng cọc cát hay giếng cát.
Giếng cát đóng vai trò thoát nước là chính nên gia cố nền bằng giếng cát thường đi kèm với biện pháp gia tải để thoát nước nhanh.
Khi gia cố nền bằng cọc cát thì cọc cát vừa có tách dụng nén chặt vừa có tác dụng thay thếđất nền, do phần lớn độ lún của nền đất kết thúc trong quá trình thi công, vì thế có thể xây dựng công trình ngay mà không phải đợi thời gian cố kết nền.
+ Gia cố bằng bấc thấm và các thiết bị tiêu nước chế tạo sẵn (PVD):
Bấc thấm là thiết bị tiêu nước thẳng đứng chế tạo sẵn, gồm nhiều loại, chiều rộng thường 100 ÷ 200 mm, dày 3 ÷5mm. Lõi của bấc thấm là một băng chất dẻo được bọc bỏi lớp vải địa kỹ thuật polyester không dệt, bằng vải địa cơ propylene hoặc giấy tổng hợp có nhiều rãnh nhỏ để đưa nước lên cao nhờ mao dẫn. Để cắm bấc thấm vào đất nền người ta dùng một máy chuyên dụng tự hành.Sauk hi thi công bấc thấm, người ta cũng tiến hành gia tải nén trước giống như đối với giếng cát.Để nước thoát ra dễ dành từđầu bấc thấm, người ta thường phủ lên phía trên mặt lớp đất yếu một lớp vải địa kỹ thuật và trên lớp vải địa kỹ thuật đắp một lớp cát hạt to làm lớp thấm nước.
3.8.4. Phương pháp gia cố nền bằng năng lượng nổ
Phương pháp này cũng đã được sử dụng từ lâu trên thế giới.Bản chất của phương pháp này là dùng năng lượng của sóng nổ để nén chặt đất. Người ta bố trí các quả mìn dài trong các giếng, phân bố theo mạng lưới tam giác đều và sâu hết chiều dày lớp đất yếu. Phía trên các quả mìn người ta đổ cát thành đống hoặc đặt
các thùng đựng cát không đáy.Khi mìn nổ, năng lượng được tạo ra sẽ nén đất ra xung quanh, cát sẽ rơi xuống lấp đầy vào giếng vừa được tạo ra.Sau đó, người ta tiếp tục đổ thêm cát vào giếng và đầm tới độ chặt yêu cầu.
3.8.5. Gia cố nền bằng vải địa kỹ thuật
Trong những năm gần đây, Vải địa kỹ thuật đã được ứng dụng rộng rãi ở nước ta, nhất là trong gia cố nền đường giao thông. Tùy theo mục đích sử dụng, vải địa kỹ thuật có thểđược dùng để:
+ Làm chức năng như mặt phân cách nước + Làm chức năng như vật liệu tiêu nước (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Ngoài ra vải địa kỹ thuật còn dùng để chống xói mòn, bảo vệ bờ…vv.
3.8.6. Nhóm các phương pháp gia cố nền bằng chất kết dính
Bản chất của các phương pháp này là dựa vào nền đất các vật liệu kết dính như xi măng, vôi, bitum… nhằm tạo ra các liên kết mới bền vững hơn nhờ các quá trình hóa lý và hóa học diễn ra trong đất, dẫn đến làm thay đổi tính chất cơ lý của đất nền. Tùy vật liệu đưa vào mà có những công nghệ như sau:
+ Gia cố nền bằng phương pháp vôi trộn:
Khi trộn vôi vào đất, vôi có tác dụng hút ẩm làm giảm độẩm của đất và đóng vai trò là chất kết dính liên kết các hạt đất.Khi tác dụng với nước, vôi chưa tôi có khả năng ngưng kết và đông cứng nhanh trong vòng 5 đến 10 phút. Quá trình hyđrat hóa vôi chưa tôi có khả năng hấp thụ một khối lượng nước lớn (32 đến 100% khối lượng ban đầu) nên nhanh chóng làm nền đất khô ráo, dẫn đến đất nền được nén chặt.
Để gia cố nền đất yếu ở dưới sâu người ta sử dụng cọc vôi hoặc cọc đất – vôi. Vôi tác dụng với nước sẽ tăng thể tích nên tiết diện các cọc vôi sẽ làm tăng độ chặt của nền. Ngoài ra các tác động của vật lý và hóa học sẽ làm tăng độ bền nén, lực dính và góc ma sát trong làm cho sức chịu tải tổng hợp của khối đất gia cố tăng lên.
Khi trộn xi măng vào đất sẽ xảy ra quá trình kiềm và sau đó là quá trình thứ sinh.Quá trình kiềm là quá trình thủy phân và hyđrat hóa xi măng, được coi là quá trình hình thành nên độ bền của đất gia cố. Quá trình kiềm sẽ tạo ra một lượng nhiệt lớn hyđroxyt canxi làm tăng độ pH cửa nước lỗ rỗng trong đất, tạo điều kiện thúch đẩy quá trình thứ sinh. Ở điều kiện bình thường, các khoáng vật sét có thành phần hóa học chính là các ôxit nhôm và silic khá bền vững, khó bị hòa tan, song trong môi trường kiềm có độ pH cao, chúng dễ bị hòa tan dẫn đến sự phá hủy của khoáng vật. Các ôxit nhôm và silic ở dạng hòa tan tạo nên một vật liệu đông cứng và làm tăng cường độ của hỗn hợp đất xi măng. Quá trình thứ sinh xảy ra chậm chạp trong một thời gian dài.
+ Gia cố nền bằng phương pháp trộn bitum:
Bitum là chất kết dính hữu cơ gồm các chất cacbuahydro khác nhau và các dẫn xuất không kim loại như ô xy, lưu huỳnh và ni tơ.
Khi trộn bitum vào đất, bitum có tác dụng chủ yếu với các hạt sét, còn các hat bụi và hạt cát nhờ có bitum mà được kết dính, tích tụ lại dưới dạng ở hoặc thấu kính với hình dạng và kích thước khác nhau. Bitum tác dụng với hạt sét tạo thành hổn hợp hấp thụ lẫn nhau, có tính đàn hồi, có khả năng gắn chặt các hạt, kết quả là nhận được vật liệu mới đất –bitum liên kết bởi màng đàn hồi vật chất sét – bitum, ổn định đối với nước. Phương pháp gia cố đất bằng bitumm thường được sử dụng nền đường giao thông có chiều dày gia cố nhỏ.
+ Gia cố nền bằng keo polyme tổng hợp:
Các chất polyme tổng hợp không có sẵn trong thiên nhiên mà được tổng hợp từ dầu mỏ, khí đốt, than đá,…Phân tử của chúng gồm có rất nhiều khâu, nối với nhau bởi liên kết hóa học, tạo nên những chuỗi xích có cấu trúc thẳng, phân nhanh và mạng 3 chiều. Keo polyme tổng hợp có tính bám dính cao, thời gian đông cứng nhanh.Khi cho keo vào đất các qá trình hóa lý, vật lý và hóa học phức tạp các hạt đất và keo, tạo thành chuỗi xích thẳng đi xuyên qua khối đất, hình thành bộ khung không gian thống nhất với polymer. Keo polyme tổng hợp thường được sử dụng để
gia cố nền hay làm móng hay mặt đường giao thông với không chứa cácbonat và có độ pH nhỏ hơn 7.
+ Gia cố nền bằng dung dịch vữa xi măng:
Bản chất của phương pháp là phun vào lỗ rỗng của đất đá một lượng vữa xi măng cần thiết để sau khi đông cứng, làm giảm tính thấm và tăng sức chịu tải của nền.Phương pháp này được sử dụng rộng rãi đối với các công trình thủy lợi, thích hợp với các loại cát, đất sỏi và các loại nền đá nứt nẻ, đặt biệt hiệu quả khi kích thước khe nứt > 0,15mm, tốc độ thấm > 80m/ngđ nhưng không vượt quá 200 m/ngđ.
+ Gia cố nền bằng phụt dung dịch Silicát:
Nếu nền đất và nền đá có độ rỗng và khe nứt nhỏ không thể sử dụng phương pháp phụt vữa xi măng thì người ta dùng phương pháp bơm hóa chất để gia cố. Chất hóa học thường dùng là natri silicat (thủy tinh lỏng -Na2O2SiO2) và canxi clorua (CaCl2). Phương pháp này sử dụng thích hợp nhất khi đất nền là:
- Cát khô và bão hòa nước , có hệ số thấm từ 2 đến 80 m/ngđ. - Cát nhỏ và cát bụi, có hệ số thấm từ 0,5 đến 5 m/ngđ.
- Đất hoảng thổ có hệ số thấm từ 0,1 đến 2 m/ngđ.
Trường hợp đất có thấm ướt các loại dầu mỡ, tạp chất của dầu hỏa hoặc khi nước ngầm có độ pH >9 thì không sử dụng được phương pháp này.
+ Gia cố nền bằng phương pháp phụt nhựa bitum:
Phương pháp phụt nhựa bitum sử dụng thích hợp trên các nền đá dăm, cuội, sỏi hoặc trong nền đá có nhiều khe nứt. Hiện nay, trên thế giới người ta thường dùng hai phương pháp: Phụt nhựa bitum nóng và phụt nhựa bitum lạnh.
- Phương pháp phụt nhựa bitum nóng dùng thích hợp trong đá cứng nứt nẻ, hang hốc và trong cuội sỏi. Nội dung của phương pháp là phụt nhựa bitum lỏng qua những lỗ khoan hoặc ống phụt vào trong lỗ rỗng của nền hoặc khe nứt. Nhược điểm của phương pháp này là thiết bị thi công cồng kềnh, phức tạp, nhựa bitum sau khi lạnh thể tích bị giảm nên dễ gây biến dạng.
- Phương pháp phụt nhựa bitum lạnh, còn gọi là phương pháp phụt nhũ tương bitum, dùng để gia cố nền đất cát và đá gốc có khe nứt nhỏ. Thường dùng nhũ tương bitum lỏng gồm 65% bitum, 35÷40% nước và chất gây ra nhũ tương.
3.8.7. Nhóm các phương pháp vật lý gia cố nền đất yếu
+ Gia cố nền bằng phương pháp điện thấm:
Bản chất của phương pháp là cắm vào đất dính bão hào nước hai điện cực dương là thanh kim loại, cực âm là ống kim loại có nhiều lỗ nhỏ. Sau khi cho dòng điện một chiều chạy qua, các hạt đất sẽ dịch chuyển vè phía cực dương, còn nước trong đất sẽ dịch chuyển về phía cực âm.Bố trí thiết bị thoát nước về phía cực âm