V. Cấu trúc của luận văn
1.4. Kết luận chƣơng
Nền đất yếu có nhiều tác hại và nguy cơ gây mất an toàn cho các công trình xây dựng. Việc nghiên cứu nền đất yếu và xác định biện pháp xử lý phù hợp có một ý nghĩa quan trọng. Trong thực tế, cần căn cứ vào điều kiện địa chất công trình cụ thể để sử dụng các biện pháp xử lý về kết cấu công trình, các biện pháp xử lý về móng hay các biện pháp xử lý nền, hoặc sử dụng kết hợp tổ hợp nhiều biện pháp, giải pháp phù hợp có liên quan. Khi xét tải trọng của sóng biển cần có phƣơng pháp tiếp cận thích hợp để xác định đƣợc giá trị miền tính toán.
Vấn đề lựa chọn các phƣơng pháp gia cố xử lý nền đất yếu đƣợc nghiên cứu cụ thể trong chƣơng 2 của luận văn. Việc lựa chọn các giải pháp để phù hợp với tình hình địa chất khu vực, điều kiện tự nhiên, điều kiện thi công,…Trong đó phƣơng pháp gia cố xử lý nền đất yếu bằng vải địa kỹ thuật là biện pháp thƣờng đƣợc áp dụng và thƣờng đƣợc kết hợp với các biện pháp khác để xử lý.
CHƢƠNG II. PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU 2.1. Các phƣơng pháp xử lý nền đất yếu
Các phƣơng pháp xử lý nền đất yếu bao gồm: phƣơng pháp cơ học, phƣơng pháp vật lý, phƣơng pháp nhiệt học, phƣơng pháp sinh học, phƣơng pháp hóa học, phƣơng pháp thủy lực.
Phƣơng pháp cơ học: Đây là một trong những nhóm phƣơng pháp phổ biến nhất, bao gồm các phƣơng pháp làm chặt bằng sử dụng tải trọng tĩnh(phƣơng pháp nén trƣớc), sử dụng tải trọng động(đầm chấn động), sử dụng các cọc không thấm, sử dụng lƣới nền cơ học và sử dụng thuốc nổ sâu, phƣơng pháp làm chặt bằng giếng cát, các loại cọc (cọc cát, cọc xi măng đất, cọc vôi...), phƣơng pháp vải địa kỹ thuật, phƣơng pháp đệm cát...để gia cố nền bằng các tác nhân cơ học.
Sử dụng tải trọng động khá phổ biến với điều kiện địa chất đất cát hoặc đất sỏi nhƣ dùng máy đầm rung, đầm lăn. Cọc không thấm nhƣ cọc tre, cọc cừ tràm, cọc gỗ chắc thƣờng đƣợc áp dụng với các công trình dân dụng. Sử dụng hệ thống lƣới nền cơ học chủ yếu áp dụng để gia cố đất trong các công trình xây mới nhƣ đƣờng bộ và đƣờng sắt. Sử dụng thuốc nổ sâu đem lại hiệu quả cao trong thời gian ngắn, nhƣng không thích hợp với đất sét và đòi hỏi tính chuyên nghiệp của nhà xây dựng.
Đối với nền đất yếu nhƣ than bùn, bùn sét và sét pha dẻo nhão, cát pha bão hoà nƣớc ta dùng phƣơng pháp gia tải trƣớc. Dùng phƣơng pháp này có các ƣu điểm sau:
- Tăng nhanh sức chịu tải của nền đất.
- Tăng nhanh thời gian cố kết, tăng nhanh độ lún ổn định theo thời gian. - Có thể kết hợp dùng giếng cát hoặc bấc thấm để thoát nƣớc ra khỏi lỗ rỗng, tăng nhanh quá trình cố kết của đất nền, tăng nhanh tốc độ lún theo thời gian.
Việc sử dụng cọc cát để gia cố nền có những ƣu điểm nổi bật sau: Cọc cát làm nhiệm vụ nhƣ giếng cát, giúp nƣớc lỗ rỗng thoát ra nhanh, làm tăng nhanh quá trình cố kết và độ lún ổn định diễn ra nhanh hơn,nền đất đƣợc ép chặt do ống thép tạo lỗ, sau đó lèn chặt đất vào lỗ làm cho đất đƣợc nén chặt thêm, nƣớc trong đất bị
ép thoát vào cọc cát, do vậy làm tăng khả năng chịu lực cho nền đất sau khi xử lý,cọc cát thi công đơn giản, vật liệu rẻ tiền (cát) nên giá thành rẻ hơn so với dùng các loại vật liệu khác. Cọc cát thƣờng đƣợc dùng để gia cố nền đất yếu có chiều dày > 3m.
Đối với các lớp đất yếu nhƣ: Than bùn, bùn, sét và sét pha ở trạng thái dẻo nhão thông thƣờng xử lý nền bằng cọc vôi và cọc đất – ximăng.Việc sử dụng cọc vôi có những tác dụng sau:
- Sau khi cọc vôi đƣợc đầm chặt, đƣờng kính cọc vôi sẽ tăng lên 20% làm cho đất xung quanh nén chặt lại.
- Khi vôi đƣợc tôi trong lỗ khoan thì nó toả ra một nhiệt lƣợng lớn làm cho nƣớc lỗ rỗng bốc hơi làm giảm độ ẩm và tăng nhanh quá trình nén chặt.
- Sau khi xử lý bằng cọc vôi nền đất đƣợc cải thiện đáng kể: Độ ẩm của đất giảm 5 - 8%; Lực dính tăng lên khoảng 1,5 – 3lần.
Việc chế tạo cọc đất - ximăng cũng giống nhƣ đối với cọc đất - vôi, xilô chứa ximăng và phun vào đất với tỷ lệ định trƣớc. Lƣu ý sàng ximăng trƣớc khi đổ vào xilô để đảm bảo ximăng không bị vón cục và các hạt ximăng có kích thƣớc đều < 0,2mm, để không bị tắc ống phun.Hàm lƣợng ximăng có thể từ 7 - 15% và kết quả cho thấy gia cố đất bằng ximăng tốt hơn vôi và đất bùn gốc cát thì hiệu quả cao hơn đất bùn gốc sét.
Đối với các lớp đất yếu ở trạng thái bão hoà nƣớc (sét nhão, sét pha nhão, cát pha, bùn, than bùn…) và chiều dày các lớp đất yếu nhỏ hơn 3m thƣờng đƣợc ứng dụng xử lý bằng đệm cát. Hiệu quả của phƣơng pháp này mang lại:
- Lớp đệm cát thay thế lớp đất yếu nằm trực tiếp dƣới đáy móng, đệm cát đóng vai trò nhƣ một lớp chịu tải, tiếp thu tải trọng công trình và truyền tải trọng đó các lớp đất yếu bên dƣới.
- Giảm đƣợc độ lún và chênh lệch lún của công trình vì có sự phân bộ lại ứng suất do tải trọng ngoài gây ra trong nền đất dƣới tầng đệm cát.
- Giảm đƣợc chiều sâu chôn móng nên giảm đƣợc khối lƣợng vật liệu làm móng.
- Giảm đƣợc áp lực công trình truyền xuống đến trị số mà nền đất yếu có thể tiếp nhận đƣợc.
- Làm tăng khả năng ổn định của công trình, kể cả khi có tải trọng ngang tác dụng, vì cát đƣợc nén chặt làm tăng lực ma sát và sức chống trƣợt.
- Tăng nhanh quá trình cố kết của đất nền, do vậy làm tăng nhanh khả năng chịu tải của nền và tăng nhanh thời gian ổn định về lún cho công trình.
- Về mặt thi công đơn giản, không đòi hỏi thiết bị phức tạp nên đƣợc sử dụng tƣơng đối rộng rãi.
Phƣơng pháp vật lý: Gồm các phƣơng pháp hạ mực nƣớc ngầm, phƣơng pháp dùng giếng cát, phƣơng pháp bấc thấm, điện thấm...
Phƣơng pháp nhiệt học: Là một phƣơng pháp độc đáo có thể sử dụng kết hợp với một số phƣơng pháp khác trong điều kiện tự nhiên cho phép. Sử dụng khí nóng trên 800o để làm biến đổi đặc tính lí hóa của nền đất yếu. Phƣơng pháp này chủ yếu sử dụng cho điều kiện địa chất đất sét hoặc đất cát mịn. Phƣơng pháp đòi hỏi một lƣợng năng lƣợng không nhỏ, nhƣng kết quả nhanh và tƣơng đối khả quan.
Phƣơng pháp hóa học: Là một trong các nhóm phƣơng pháp đƣợc chú ý trong vòng 40 năm trở lại đây. Sử dụng hóa chất để tăng cƣờng liên kết trong đất nhƣ xi măng, thủy tinh, phƣơng pháp Silicat hóa… hoặc một số hóa chất đặc biệt phục vụ mục đích điện hóa. Phƣơng pháp xi măng hóa và sử dụng cọc xi măng đất tƣơng đối tiện lợi và phổ biến. Trong vòng chƣa tới 20 năm trở lại đây đã có những nghiên cứu tích cực về việc thêm cốt cho cọc xi măng đất. Sử dụng thủy tinh ít phổ biến hơn do độ bền của phƣơng pháp không thực sự khả quan, còn điện hóa rất ít dùng do đòi hỏi tƣơng đối về công nghệ.
Phƣơng pháp sinh học: Là một phƣơng pháp mới sử dụng hoạt động của vi sinh vật để làm thay đổi đặc tính của đất yếu, rút bớt nƣớc úng trong vùng địa chất công trình. Đây là một phƣơng pháp ít đƣợc sự quan tâm, do thời gian thi công tƣơng đối dài, nhƣng lại đƣợc khá nhiều ủng hộ về phƣơng diện kinh tế.
Phƣơng pháp thủy lực: Đây là nhóm phƣơng pháp lớn nhƣ là sử dụng cọc thấm, lƣới thấm, sử dụng vật liệu composite thấm, bấc thấm, sử dụng bơm chân
không, sử dụng điện thẩm. Các phƣơng pháp phân làm hai nhóm chính, nhóm một chủ yếu mang mục đích làm khô đất, nhóm này thƣờng đòi hỏi một lƣợng tƣơng đối thời gian và còn khiêm tốn về tính kinh tế. Nhóm hai ngoài mục đích trên còn muốn mƣợn lực nén thủy lực để gia cố đất, nhóm này đòi hỏi cao về công nghệ, thời gian thi công giảm đi và tính kinh tế đƣợc cải thiện đáng kể. Ngoài ra còn có các phƣơng pháp mới đƣợc nghiên cứu nhƣ rung hỗn hợp, đâm xuyên, bơm cát…
2.2. Phƣơng pháp xử lý nền đất yếu bằng vải địa kỹ thuật
Để thiết kế vải địa kỹ thuật trong khi thi công xây lắp, nhất là vấn đề xử lý trên nền đất yếu trƣớc hết cẩn có những phân tích, nhận định về yêu cầu đặt ra của vải địa kỹ thuật để xử lý trên nền đất yếu đó.
Việc sử dụng vật liệu vải địa kỹ thuật phù hợp ở phía dƣới đáy của nền đắp sẽ làm tăng cƣờng độ chịu kéo, cải thiện độ ổn định chống lại sự trƣợt của khối đất và làm độ lún của công trình đƣợc trải dàn đều hơn trên diện tích đắp.
2.2.1. Các chỉ tiêu của đất cần dùng cho thiết kế vải lọc
a,Thành phần của hạt đất
Dạng đƣờng cong phân bố thành phần hạt của đất và các giá trị tiêu biểu của thành phần hạt đất trình bày ở hình 2.1
Hình 2.1. Đƣờng phân bố điển hình thành phần hạt của đất
b, Độ đồng đều của đất
Cu = (2-1) Trong đó: d60 - đƣờng kính của hạt đất có 60 % khối lƣợng hạt nhỏ hơn d10 - đƣờng kính của hạt đất có 10 % khối lƣợng hạt nhỏ hơn
Theo hệ số đồng đều Cu, đất đƣợc phân ra các loại sau: Đối với đất dính
Cu < 5 : Hạt đất đồng nhất (đặc trƣng cho đất hoàng thổ)
5 < Cu ≤ 15 : Hạt đất không đồng nhất, đặc trƣng cho sét bụi, cát pha. Cu > 15 : Hạt đất rất không đồng nhất, đặc trƣng cho bùn cát. Đối với đất rời
Cu ≤ 3 : Hạt đất đồng nhất.
3 < Cu ≤ 6 : Hạt đất không đồng nhất. Cu > 6 : Hạt đất rất không đồng nhất.
c, Độ ẩm
Độ ẩm của đất (W) đƣợc xác định bởi tỷ số giữa khối lƣợng nƣớc lỗ rỗng (mw) và khối lƣợng đất khô (md)
W = (2-2)
d, Giới hạn Atterberg
Khi tăng lƣợng nƣớc trong đất, đất có thể thay đổi trạng thái từ cứng sang nửa cứng, dẻo cứng, dẻo mềm, dẻo chảy và chảy. Khi giảm hàm lƣợng nƣớc trong đất có sự thay đổi ngƣợc lại.
Các trạng thái của đất đặc trƣng bằng các giới hạn Atterberg sau đây: Giới hạn dẻo Wp (đất từ nửa cứng sang dẻo)
Giới hạn chảy WL (đất từ dẻo sang chảy) Chỉ số dẻo Ip, xác định theo công thức
Đất có chỉ số Ip lớn hơn 5 gọi là đất dính, Ip nhỏ hơn hoặc bằng 5 là đất rời (không dính).
e, Hệ số thấm của đất (k)
Theo định luật Darcy vận tốc dòng chảy của nƣớc trong đất (v) tỷ lệ với giá trị gradient thủy lực (i)
v = k.i (2-4)
Hình 2.2. Sơ đồ thí nghiệm thấm của đất
Hệ số thấm của đất (k) đƣợc xác định trong phòng thí nghiệm theo sơ đồ trên.
Từ thí nghiệm trên biết lƣu lƣợng Q chảy qua đất bề mặt diện tích (A) trong một đơn vị thời gian (sec) từ đó tính hệ số thấm (k) theo công thức:
K = = (2-5)
Tại hiện trƣờng, hệ số thấm đƣợc xác định bằng phƣơng pháp bơm, đổ nƣớc hố khoan hoặc hút nƣớc thí nghiệm.
f, Độ chặt tương đối của đất
Độ chặt tƣơng đối RD đặc trƣng cho độ chặt của đất nguyên trạng tại hiện trƣờng và đƣợc xác định bởi công thức:
RD = (2-6)
Trong đó: e - Hệ số rỗng của đất tự nhiên. emax - Hệ số rỗng tƣơng ứng với đất xốp. emin - Hệ số rỗng tƣơng ứng với đất chặt.
Độ chặt của đất đƣợc phân theo độ chặt nhƣ sau: RD không quá 35 % - đất xốp
RD từ 35 đến 65 % - đất chặt vừa RD lớn hơn 65 % - đất chặt
2.2.2. Các phƣơng pháp thiết kế vải lọc
a, Phương pháp đồ giải của POLYFELT
Đây là phƣơng pháp sử dụng để thiết kế vải địa kỹ thuật của Áo, đầu tiên sử dụng đồ thị chọn vải theo yêu cầu độ bền cơ học, sau đó kiểm tra yêu cầu chặn đất và thấm nƣớc của vải. Hiện nay phƣơng pháp này chỉ xét các loại đất rời và đất dính, chƣa xét đến loại đất có khả năng phân rã hoặc bùn cát.
- Xác định vải địa kỹ thuật theo yêu cầu cơ học
Vải địa kỹ thuật phải chống đƣợc lực đâm thủng do đá rơi trong quá trình thi công lớp bảo vệ. Hình 2-5 mô tả quan hệ giữa chiều cao rơi và khối lƣợng của đá với một số loại vải không dệt do POLYFELT sản xuất. Dựa vào đồ thị này chọn đƣợc loại vải cần thiết.
Hình 2.3. Áp lực cơ học trong quá trình thi công
- Kiểm tra vải theo yêu cầu thủy lực (bao gồm kiểm tra tính chặn đất và tính thấm nƣớc của vải)
Đối với đất rời không dính
Yêu cầu chặn đất: Việc chế tạo vải có kích thƣớc lỗ lọc đƣợc chọn theo độ đồng nhất Cu và đƣờng kính d50 của hạt đất.
Tùy theo đặc trƣng hạt và độ đồng nhất Cu của đất, kích thƣớc lỗ lọc của vải phải không vƣợt quá giá trị quy định ở bảng dƣới đây
Bảng 2.1. Kích thƣớc lỗ lọc của vải theo yêu cầu chặn đất khi đất không dính và dòng chảy rối
d85/d50 Độ đồng nhất
Nhỏ hơn 2 Từ 2 đến 4 Lớn hơn 4
Nhỏ hơn 3 Không quá 1,0 d50 Không quá 1,5 d50 Không quá 1,5 d50 Từ 3 đến 6 Không quá 1,2 d50 Không quá 1,8 d50 Không quá 1,8 d50 Lớn hơn 6 Không quá 1,0 d50 Không quá 1,6 d50 Không quá 2,0 d50
Yêu cầu về thấm nƣớc:
Hệ số thấm của vải địa kỹ thuật phải thỏa mãn yêu cầu:
kg≥ (2-7)
Trong đó: kg - hệ số thấm của vải địa kỹ thuật t - độ dày của vải
k - hệ số thấm của đất
d50 - đƣờng kính hạt đất có 50 % khối lƣợng hạt đất nhỏ hơn.
Đối với đất rời dính
Yêu cầu chặn đất
Kích thƣớc lỗ lọc của vải chọn tùy theo độ dính của đất.
Đối với đất dính có chỉ số dẻo Ip trên 20 %, vải phải thỏa mãn đồng thời 2 yêu cầu về kích thƣớc lỗ lọc (Dw) và chiều dày t của vải:
Dw ≤ 0,11 mm vàt ≥ 1,5 mm
Đối với đất dính có chỉ số dẻo Ip dƣới 20 %, vải phải thỏa mãn yêu cầu: Dw ≤ d85
Trong đó d85 là đƣờng kính hạt đất có 85 % khối lƣợng hạt đất nhỏ hơn. Yêu cầu thấm nƣớc
Hệ số thấm của vải (kg) và của đất (k) phải thỏa mãn điều kiện:
kg/k ≥ 100 (2-8)
b, Phương pháp đồ giải của NICOLON
Phƣơng pháp này do hãng NICOLON (Hà Lan) đề xuất. Có thể tính cho các loại đất rời, đất dính, đất phân rã và đất bụi bùn. Sơ đồ tính toán thiết kế bao gồm 7 bƣớc.
Bƣớc 1: Xác định yêu cầu lọc.
Trong kết cấu lọc vải ĐKT thƣờng nằm kẹp giữa một phía là đất nền và phía kia là vật liệu tiếp giáp. Đối với kết cấu tiêu ngầm, vật liệu tiếp giáp là sỏi, sỏi dăm;
đối với kết cấu bảo vệ bờ, vật liệu tiếp giáp là đá tảng, đá xếp, rọ đá hoặc tấm bê tông.
Việc chặn đất và thấm nƣớc là 2 yêu cầu trái ngƣợc nhau, trong từng trƣờng hợp cụ thể, cần xác định yêu cầu chủ đạo của tầng lọc.
Ví dụ, khi vật liệu tiêu tiếp giáp có lỗ rỗng tƣơng đối nhỏ (nhƣ bấc thấm) đòi hỏi tầng lọc có khả năng chặn đất cao. Trái lại, khi vật liệu tiếp giáp có độ rỗng lớn (sỏi, dăm) tiêu chuẩn thấm nƣớc và chống tắc của vải phải đƣợc ƣu tiên.
Bƣớc 2: Xác định điều kiện biên. - Đánh giá áp lực tiếp giáp
Áp lực tiếp giáp ảnh hƣởng đến độ thấm của vải và độ bền của vải khi thi công.
- Định rõ điều kiện dòng chảy:
Điều kiện dòng chảy có thể ổn định hoặc động, ứng với mỗi trƣờng hợp có sơ đồ tính riêng.
Ví dụ, về dòng chảy ổn định nhƣ ở các rãnh tiêu hạ nƣớc ngầm, tiêu nƣớc tƣờng chắn và rãnh gom nƣớc mặt.
Các trƣờng hợp chống xói bảo vệ bờ biển, bờ sông là những trƣờng hợp ứng