tổng quan về sử lý nền đất yếu

tổng quan về sử lý nền đất yếu

Việc xử lý khi xây dựng công trình trên nền đất yếu phụ thuộc vào

điều kiện nh: đặc điểm công trình, đặc điểm của nền đất Với từng

điều kiện cụ thể mà ngời thiết kế đa ra các biện pháp xử lý hợp lý Cónhiều biện pháp xử lý cụ thể khi gặp nền đất yếu nh:

- Các biện pháp xử lý về kết cấu công trình

- Các biện pháp xử lý về móng

- Các biện pháp xử lý nền

1.1.1 Một số đặc điểm của nền đất yếu

Thuộc loại nền đất yếu thờng là đất sét có lẫn nhiều hữu cơ; sứcchịu tải bé (0,5 - 1kg/cm2); đất có tính nén lún lớn (a > 0,1cm2/kg); hệ

số rỗng e lớn (e > 1,0); độ sệt lớn (B > 1); mô đun biến dạng bé (E < 50kg/cm2); khả năng chống cắt (C) bé, khả năng thấm nớc bé; hàm lợng n-

ớc trong đất cao, độ bão hòa nớc G > 0,8, dung trọng bé

1.1.2 Các loại nền đất yếu chủ yếu và thờng gặp

- Đất sét mềm: Gồm các loại đất sét hoặc á sét tơng đối chặt, ởtrạng thái bão hòa nớc, có cờng độ thấp;

- Đất bùn: Các loại đất tạo thành trong môi trờng nớc, thành phầnhạt rất mịn, ở trạng thái luôn no nớc, hệ số rỗng rất lớn, rất yếu về mặtchịu lực;

- Đất than bùn: Là loại đất yếu có nguồn gốc hữu cơ, đợc hìnhthành do kết quả phân hủy các chất hữu cơ có ở các đầm lầy (hàm lợnghữu cơ từ 20 -80%);

- Cát chảy: Gồm các loại cát mịn, kết cấu hạt rời rạc, có thể bị nénchặt hoặc pha loãng đáng kể Loại đất này khi chịu tải trọng động thìchuyển sang trạng thái chảy gọi là cát chảy;

- Đất ba dan: là loại đất yếu có độ rỗng lớn, dung trọng khô bé, khảnăng thấm nớc cao, dễ bị lún sụt.

1.1.3 Các phơng pháp xử lý nền đất yếu

Xử lý nền đất yếu nhằm mục đích làm tăng sức chịu tải của nền

đất, cải thiện một số tính chất cơ lý của nền đất yếu nh: Giảm hệ sốrỗng, giảm tính nén lún, tăng độ chặt, tăng trị số modun biến dạng, tăngcờng độ chống cắt của đất Đối với công trình thủy lợi, việc xử lý nền

đất yếu còn làm giảm tính thấm của đất, đảm bảo ổn định cho khối đất

đắp

1 Phơng pháp thay nền: Đây là một phơng pháp ít đợc sử dụng, để

khắc phục vớng mắc do đất yếu, nhà xây dựng thay một phần hoặc toàn

bộ nền đất yếu trong phạm vi chịu lực công trình bằng nền đất mới cótính bền cơ học cao, nh làm gối cát, đệm cát Phơng pháp này đòi hỏikinh tế và thời gian thi công lâu dài, áp dụng đợc với mọi điều kiện địachất Bên cạnh đó cũng có thể kết hợp cơ học bằng phơng pháp nénthêm đất khô với điều kiện địa chất đất mùn xốp

2 Các phơng pháp cơ học: Là một trong những nhóm phơng pháp phổ

biến nhất, bao gồm các phơng pháp làm chặt bằng sử dụng tải trọng tĩnh(phơng pháp nén trớc), sử dụng tải trọng động (đầm chấn động), sửdụng các cọc không thấm, sử dụng lới nền cơ học và sử dụng thuốc nổsâu, phơng pháp làm chặt bằng giếng cát, các loại cọc (cọc cát, cọc ximăng đất, cọc vôi ), phơng pháp vải địa kỹ thuật, phơng pháp đệmcát để gia cố nền bằng các tác nhân cơ học

Sử dụng tải trọng động khá phổ biến với điều kiện địa chất đất cáthoặc đất sỏi nh dùng máy đầm rung, đầm lăn Cọc không thấm nh cọctre, cọc cừ tràm, cọc gỗ chắc thờng đợc áp dụng với các công trình dândụng Sử dụng hệ thống lới nền cơ học chủ yếu áp dụng để gia cố đấttrong các công trình xây mới nh đờng bộ và đờng sắt Sử dụng thuốc nổsâu tuy đem lại hiệu quả cao trong thời gian ngắn, nhng không thíchhợp với đất sét và đòi hỏi tính chuyên nghiệp của nhà xây dựng

3 Phơng pháp vật lý: Gồm các phơng pháp hạ mực nớc ngầm, phơng

pháp dùng giếng cát, phơng pháp bấc thấm, điện thấm

4 Phơng pháp nhiệt học: Là một phơng pháp độc đáo có thể sử dụng

kết hợp với một số phơng 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 đấtyếu Phơng pháp này chủ yếu sử dụng cho điều kiện địa chất đất séthoặc đất cát mịn Phơng pháp đòi hỏi một lợng năng lợng không nhỏ,nhng kết quả nhanh và tơng đối khả quan

do đòi hỏi tơng đối về công nghệ

6 Phơng pháp sinh học: Là một phơng pháp mới sử dụng hoạt động

của vi sinh vật để làm thay đổi đặc tính của đất yếu, rút bớt nớc úngtrong vùng địa chất công trình Đây là một phơng pháp ít đợc sự quantâm, do thời gian thi công tơng đối dài, nhng lại đợc khá nhiều ủng hộ

về phơng diện kinh tế

7 Các phơng pháp thủy lực: Đây là nhóm phơng pháp lớn nh là sử

dụng cọc thấm, lới thấm, sử dụng vật liệu composite thấm, bấc thấm, sửdụng bơm chân không, sử dụng điện thẩm Các phơng pháp phân làmhai nhóm chính, nhóm một chủ yếu mang mục đích làm khô đất, nhómnày thờng đòi hỏi một lợng tơng đối thời gian và còn khiêm tốn về tínhkinh tế Nhóm hai ngoài mục đích trên còn muốn mợn lực nén thủy lực

để gia cố đất, nhóm này đòi hỏi cao về công nghệ, thời gian thi cônggiảm đi và tính kinh tế đợc cải thiện đáng kể

8 Các phơng pháp mới đợc nghiên cứu nh rung hỗn hợp, đâm xuyên,

bơm cát…

1.1.4 Phân loại xử lý và phạm vi áp dụng

1 Phân loại xử lý: Thông thờng việc phân loại căn cứ vị trí tầng đất,

phơng pháp xử lý để phân loại và đợc phân loại nh sau:

- Vị trí tầng đất đợc xử lý: xử lý lớp mặt, xử lý tầng nông, xử lýtầng sâu

- Phơng pháp xử lý: chất tải nén trớc, tầng đệm cát, gia cố nền ờng, bệ phản áp, sử dụng vật liệu nhẹ (sử dụng phụ gia để gia cố nền

đ-đất, nền đất bằng vật liệu nhẹ); thay bằng lớp đầm chặt, thả đá hộc (vớichiều dày lớp bùn không sâu); thoát nớc cố kết (bấc thấm, giếng baocát, cọc cát, giếng cát, cọc đá dăm, dự ép chân không, chân không chấttải dự ép liên hợp); nền móng phức hợp (hạ cọc bê tông, hạ cọc bằngchấn động, cọc xi măng đất, cọc đất – vôi – xi măng, cọc bê tông cólẫn bột than); cọc cứng (cọc ống mỏng chế tạo tại chỗ); cọc cừ tràmhoặc cọc tre

- Xử lý không thêm vật liệu gia cố và thêm vật liệu gia cố:

+ Không thêm vật liệu: phơng pháp cố kết đất (bấc thấm, gia cốchân không); đầm nén đối với đất hạt rời (gia cố động, đầm chấn động).+ Thêm vật liệu: Thêm vật liệu tự nhiên (cọc cát, đắp đá, cọc đá);thêm vật liệu nửa cứng (cột vữa xi măng, phụt vữa…)

2 Phạm vi ứng dụng của các phơng pháp:

- Xử lý nền bằng cọc tre và cọc cừ tràm: xử lý nơi nền đất yếu cóchiều nhỏ

- Chất tải nén trớc (gia tải trớc): dùng để xử lý lớp đất yếu, có thể

sử dụng đơn độc hoặc có thể kết hợp với thoát nớc cố kết, sử dụng liênhợp một cách phức hợp

- Tầng đệm cát: sử dụng nhiều ở lớp mặt nền đất yếu, thờng kếthợp với thoát nớc theo chiều thẳng đứng

- Gia cố nền đờng: dùng cho các dạng đất yếu để nâng cao độ ổn

định, giảm bớt biến dạng không đều

l Nền đờng gia cố bằng hoá chất: khi phun hoá chất, nớc và bọt khíqua hỗn hợp trộn xong hình thành vật liệu sợi, trọng lợng có thể đạt 1/4trọng lợng đất, thích hợp với lớp đất có hàm lợng nớc lớn, độ dày đấtyếu lớn

- Thay thế lớp đất yếu: dùng xử lý tầng nông, dùng ở lớp đất mỏng,

độ dày không lớn và thuộc đất bùn

- Bấc thấm, giếng bao cát: sử dụng xử lý lớp bùn đất, bùn sét, độsâu xử lý không vợt quá 25m

- Cột cát, giếng cát, cọc đá dăm: sử dụng ở lớp bùn, bùn đất sét,nhng dễ sản sinh co ngót

- Dự ép chân không: sử dụng với bùn đất, nền móng thuộc lớp bùn

đất dính

- Chân không - chất tải dự ép liên hợp: liên kết chân không và chấttải dự ép sử dụng với đoạn đờng đắp cao và đờng đầu cầu, sử dụng chânkhông chất tải dự ép nên sử dụng trong nền móng có bố trí giếng cáthoặc bấc thấm và bản thoát nớc, ép chân không có độ chân không nhỏhơn 70 Kpa

- ép cọc bê tông: sử dụng trờng hợp không thoát nớc, chống cắt lớnhơn 10 Kpa

- Hạ cọc bằng chấn động: sử dụng không thoát nớc, cờng độ chốngcắt lớn hơn 15 Kpa

- Cọc xi măng (cọc xi măng - đất): bao gồm cọc phun vữa xi măng

sử dụng để gia cố nền đất yếu có cờng độ chống cắt không nhỏ hơn 10Kpa, sử dụng cọc phun bột xi măng (khô hoặc ớt) để gia cố nền đất yếu

1.2 Một số công nghệ xử lý nềN ĐấT yếU phổ biến 1.2.1 Phơng pháp xử lý nền bằng đệm cát

Lớp đệm cát sử dụng hiệu quả cho các lớp đất yếu ở trạng tháibão hoà nớc (sét nhão, sét pha nhão, cát pha, bùn, than bùn…) và chiềudày các lớp đất yếu nhỏ hơn 3m

Biện pháp tiến hành: Đào bỏ một phần hoặc toàn bộ lớp đất yếu(trờng hợp lớp đất yếu có chiều dày bé) và thay vào đó bằng cát hạttrung, hạt thô đầm chặt

Việc thay thế lớp đất yếu bằng tầng đệm cát có những tác dụngchủ yếu sau:

- Lớp đệm cát thay thế lớp đất yếu nằm trực tiếp dới đáy móng, đệmcát đóng vai trò nh một lớp chịu tải, tiếp thu tải trọng công trình vàtruyền tải trọng đó các lớp đất yếu bên dới

- Giảm đợc độ lún và chênh lệch lún của công trình vì có sự phân bộlại ứng suất do tải trọng ngoài gây ra trong nền đất dới tầng đệm cát

- Giảm đợc chiều sâu chôn móng nên giảm đợc khối lợng vật liệulàm móng

- Giảm đợc áp lực công trình truyền xuống đến trị số mà nền đất yếu

- Về mặt thi công đơn giản, không đòi hỏi thiết bị phức tạp nên đợc

sử dụng tơng đối rộng rãi

1.2.2 Phơng pháp đầm chặt lớp đất mặt (cố kết đóng)

Khi gặp trờng hợp nền đất yếu nhng có độ ẩm nhỏ (G < 0,7) thì

có thể sử dụng phơng pháp đầm chặt lớp đất mặt để làm cờng độ chốngcắt của đất và làm giảm tính nén lún

Lớp đất mặt sau khi đợc đầm chặt sẽ có tác dụng nh một tầng

bảo áp lực tĩnh do quả đầm gây ra không nhỏ hơn 0,2kg/cm2 với loại

đất sét và 0,15kg/cm2 với đất loại cát

Cố kết đóng cho phép tăng cờng độ và sức chịu tải và giảm độ lúncủa nền Công nghệ đợc dùng để gia cố nền đất yếu ở Hà Nội, HảiPhòng và Thành phố Hồ Chí Minh Quả đấm bằng khối bê tông đúc sẵn

có trọng lợng từ 10 - 15 tấn đợc nhấc lên bằng cẩu và rơi xuống bề mặt

từ độ cao 10-15m để đầm chặt nền Khoảng cách giữa các hố đầm là3x3, 4x4 hoặc 5x5m Độ sâu ảnh hởng của đầm chặt cố kết động đợctính bằng:

D = 0,5 WHTrong đó:

D - độ sâu hữu hiệu đợc đầm chặt;

W - Trọng lợng quả đấm, tấn;

H - Chiều cao rơi quả đấm, m;

Sau khi đầm chặt tại một điểm một vài lần cát và đá đợc đổ đầy

hố đầm Phơng phá cố kết động để gia cố nền đất yếu đơn giản và kinh

tế, thích hợp với hiện tợng mới san lấp và đất đắp cần thiết kiểm trahiệu quả công tác đầm chặt trớc và sau khi đầm bằng các thiết bị xuyênhoặc nén ngang trong hố khoan

1.2.3 Bệ phản áp

Bệ phản áp thờng đợc dùng để tăng độ ổn định của khối đất đắpcủa nền đờng hoặc nền đê trên nền đất yếu Phơng pháp đơn giản song

có giới hạn là phát sinh độ lún phụ của bệ phản áp và diện tích chiếm

đất để xây dựng bệ phản áp Chiều cao và chiều rộng của bệ phản áp

đ-ợc thiết kế từ các chỉ tiêu về sức kháng cắt của đất yếu, chiều dày, chiềusâu lớp đất yếu và trọng lợng của bệ phản áp Bệ phản áp cũng đợc sửdụng để bảo vệ đê điều, chống mạch sủi và cát sủi

Hình 1.1 Xử lý nền đất yếu bằng ph ơng pháp bấc thấm có bệ phản áp

nền đất yếu nh than bùn, bùn sét và sét pha dẻo nhão, cát pha bão hoà

n-ớc

Dùng phơng pháp này có các u điểm sau:

- Tăng nhanh sức chịu tải của nền đất;

- Tăng nhanh thời gian cố kết, tăng nhanh độ lún ổn định theo thờigian

Các biện pháp thực hiện:

Chất tải trọng (cát, sỏi, gạch, đá…) bằng hoặc lớn hơn tải trọngcông trình dự kiến thiết kế trên nền đất yếu, để chọn nền chịu tải trớc vàlún trớc khi xây dựng công trình

Dùng giếng cát hoặc bấc thấm để thoát nớc ra khỏi lỗ rỗng, tăngnhanh quá trình cố kết của đất nền, tăng nhanh tốc độ lún theo thờigian

Tuỳ yêu cầu cụ thể của công trình, điều kiện địa chất công trình,

địa chất thuỷ văn của nơi xây dựng mà dùng biện pháp xử lý thích hợp,

có thể dùng đơn lẻ hoặc kết hợp cả hai biện pháp trên

Phơng pháp gia tải trớc thờng là giải pháp công nghệ kinh tế nhất

để xử lý nền đất yếu Gia tải trớc là công nghệ đơn giản, tuy vậy cầnthiết phải khảo sát đất nền một cách chi tiết Một số lớp đất mỏng, xenkẹp khó xác định bằng các phơng pháp thông thờng Nên sử dụng thiết

bị xuyên tĩnh có đo áp lực nớc lỗ rỗng đồng thời khoan lấy mẫu liên tục.Trong một số trờng hợp do thời gian gia tải ngắn, thiếu độ quan trắc và

đánh giá đầy đủ, nên sau khi xây dựng công trình, đất nền tiếp tục bịlún và công trình bị h hỏng

Phơng pháp gia tải trớc đợc dùng để xử lý nền móng của Rạpxiếc Trung ơng (Hà Nội, Viện nhi Thuỵ Điển (Hà Nội), Trờng Đại họcHàng Hải (Hải Phòng) và một loạt công trình tại phía Nam

1.2.5 Gia tải trớc với thoát nớc thẳng đứng

Trong rất nhiều trờng hợp, thời gian gia tải trớc cần thiết đợc rútngắn để xây dựng công trình, vì vậy tốc độ cố kết của nền đợc tăng do

sử dụng cọc cát hoặc bằng thoát nớc Cọc cát đợc đóng bằng công nghệrung ống chống để chiếm đất, sau đó cát đợc làm đầy ống và rung để

đầm chặt Cọc cát có đờng kính 30-40cm Có thể đợc thi công đến 9m Giải pháp cọc cát đã đợc áp dụng để xử lý nền móng một số côngtrình ở TP Hồ Chí Minh, Vũng Tàu, Hải Phòng, Hà Nội

6-Bản nhựa đợc dùng để xử lý nền đất yếu của Việt Nam từ thập kỷ

1980 Thiết bị và công nghệ của Thuỵ Điển đợc sử dụng để thi công bảnnhựa Công nghệ cho phép tăng cờng độ đất nền và giảm thời gian cốkết

Tại ven sông Sài Gòn đã xây dựng một bể chứa với các kích thớchình học và tải trọng đờng kính 43m, chiều cao 15m, tải trọng20.000tấn Nền công trình là đất yếu có chiều dày lớn đợc xử lý nềnbằng bản nhựa thoát nớc thẳng đứng kết hợp với gia tải bằng hút chânkhông Độ lún đợc tính xấp xỉ 1,0m Kết quả độ lún thực tế sau 2 lầngia tải là 3,26m (lần đầu độ lún bằng 2,4m và lần sau độ lún bằng0,86m), ở đây có sự sai khác giữa kết quả đo và dự tính Sự khác nhau

có thể do quá trình tính toán cha kể đến biến dạng ngang của nền và

điều kiện công trình đặt ven sông

Trong công nghệ xử lý nền bằng gia tải trớc với thoát nớc thẳng

đứng rất cần thiết đặt hệ quan trắc lún

1.2.6 Phơng pháp xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm

Là phơng pháp kỹ thuật thoát nớc thẳng đứng bằng bấc thấmkếthợp với gia tải trớc Khi chiều dày đất yếu rất lớn hoặc khi độ thấm của

đất rất nhỏ thì có thể bố trí đờng thấm thẳng đứng để tăng tốc độ cố kết.Phơng pháp này thờng dùng để xử lý nền đờng đắp trên nền đất yếu Ph-

ơng pháp bấc thấm (PVD) có tác dụng thấm thẳng đứng để tăng nhanhquá trình thoát nớc trong các lỗ rỗng của đất yếu, làm giảm độ rỗng, độ

ẩm, tăng dung trọng Kết quả là làm tăng nhanh quá trình cố kết củanền đất yếu, tăng sức chịu tải và làm cho nền đất đạt độ lún quy định

Hình 1.2 Xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm

trong thời gian cho phép Phơng pháp bấc thấm có thể sử dụng độc lập,nhng trong trờng hợp cần tăng nhanh tốc độ cố kết, ngời ta có thể sửdụng kết hợp đồng thời biện pháp xử lý bằng bấc thấm với gia tải tạmthời, tức là đắp cao thêm nền đờng so với chiều dày thiết kế 2 - 3mtrong vài tháng rồi sẽ lấy phần gia tải đó đi ở thời điểm mà nền đờng đạt

đợc độ lún cuối cùng nh trờng hợp nền đắp không gia tải Bấc thấm đợccấu tạo gồm 2 phần: Lõi chất dẽo (hay bìa cứng) đợc bao ngoài bằng vậtliệu tổng hợp (thờng là vải địa kỹ thuật Polypropylene hay Polyesiekhông dệt…) Bấc thấm có các tính chất vật lý đặc trng sau:

- Cho nớc trong lỗ rỗng của đất thấm qua lớp vải địa kỹ thuật bọcngoài vào lõi chất dẽo

- Lõi chất dẽo

chất dẽo và đất xung

quanh, đồng thời là bộ phận lọc, hạn chế cát hạt mịn chui vào làm tắcthiết bị Lõi chất dẽo có 2 chức năng: Vừa đỡ lớp bao bọc ngoài, và tạo

đờng cho nớc thấm dọc chúng ngay cả khi áp lực ngang xung quanhlớn Nếu so sánh hệ số thấm nớc giữa bấc thấm PVD với đất sét bão hòanớc cho thấy rằng, bấc thấm PVD có hệ số thấm (K = 1 x 10-4m/s) lớnhơn nhiều lần so với hệ số thấm nớc của đất sét (k = 10 x 10-5m/ngày

đêm) Do đó, các thiết bị PVD dới tải trọng nén tức thời đủ lớn có thể épnớc trong lỗ rỗng của đất thoát tự do ra ngoài

1.2.7 Gia cờng nền đất yếu bằng cọc tiết diện nhỏ

Hình 1.3 Thi công cọc cát

Cọc tiết diện nhỏ đợc hiểu là các loại cọc có đờng kính hoặc cạnh

từ 10 đến 25cm Cọc nhỏ có thể đợc thi công bằng công nghệ đóng, ép,khoan phun Cọc nhỏ đợc dùng để gia cố nền móng cho các công trìnhnhà, đờng sá, đất đắp và các dạng kết cấu khác Cọc nhỏ là một giảipháp tốt để xử lý nền đất yếu vì mang lại hiệu quả kinh tế và kỹ thuật.Công nghệ cọc nhỏ cho phép giảm chi phí vật liệu, thi công đơn giản,

đồng thời truyền tải trọng công trình xuống các lớp đất yếu hơn, giảm

độ lún tổng cộng và độ lún lệch của công trình

1.2.8 Cọc tre và cọc tràm

Cọc tre và cọc tràm là giải pháp công nghệ mang tính truyềnthống để xử lý nền cho công trình có tải trọng nhỏ trên nền đất yếu, nền

đất luôn luôn ở trạng thái ẩm ớt Cọc tràm và tre có chiều dài từ 2,5-6m

đợc đóng để gia cờng nền đất với mực đích làm tăng khả năng chịu tải

và giảm độ lún Theo kinh nghiệm, thờng 25-30 cọc tre hoặc cọc tràm

đợc đóng cho 1m2 Tuy vậy nên dự tính sức chịu tải và độ lún của móngcọc tre hoặc cọc tràm bằng các phơng pháp tính toán theo thông lệ Việc

sử dụng cọc tràm trong điều kiện đất nền và tải trọng không hợp lý đòihỏi phải chống lún bằng cọc tiết diện nhỏ