Nghiên cứu giải pháp đắp đê bằng vật liệu địa phương và đắp đê trên nền đất yếu từ quảng ninh đến quảng nam nghiên cứu giải pháp xử lý nền bằng thoát nước thẳng đứng + gia tải trước

Để rút ngắn thời gian cố kết này, người ta thường dùng các thiết bị tiêu nước thẳng đứng cọc cát, giếng cát, bấc thấm kết hợp với biện pháp nén trước bằng khối đắp tạm thời hoặc hút chân

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN

VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI VIỆT NAM

BÁO CÁO TỔNG KẾT CHUYÊN ĐỀ NGHIÊN CỨU

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN BẰNG THOÁT NƯỚC THẲNG ĐỨNG + GIA TẢI TRƯỚC

THUỘC ĐỀ TÀI:

“NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP ĐỂ ĐẮP ĐÊ BẰNG VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG VÀ ĐẮP TRÊN

NỀN ĐẤT YẾU TỪ QUẢNG NINH ĐẾN QUẢNG NAM”

Mã số: 05 Thuộc chương trình: NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÔNG NGHỆ PHỤC VỤ XÂY

DỰNG ĐÊ BIỂN VÀ CÔNG TRÌNH THUỶ LỢI VÙNG CỬA SÔNG VEN BIỂN

Chủ nhiệm đề tài: PGS TS Nguyễn Quốc Dũng

Cơ quan chủ trì đề tài: Viện Khoa học Thuỷ lợi Việt Nam

7579-12

22/12/2009

Hà Nội 2009

MỤC LỤC

1 GIỚI THIỆU CHUNG 3

1.1 Đặc điểm và phạm vi ứng dụng: 3

1.1.1 Đặc điểm 3

1.1.2 Phạm vi ứng dụng 3

1.2 Nguyên lý làm việc 4

1.3 Ưu nhược điểm của phương pháp: 4

1.3.1 Ưu điểm 4

1.3.2 Nhược điểm 4

2 GIỚI THIỆU BẤC THẤM: 4

2.1 Giới thiệu các bấc thấm chế tạo sẵn 4

2.2 Các thông số quan trọng của bấc thấm 6

2.2.1 Cấu tạo của bấc thấm 6

2.2.2 Các thông số quan trọng và phân loại bấc thấm 6

2.3 Nguyên lý thoát nước + gia tải 8

3 TÍNH TOÁN BẤC THẤM: 8

3.1 Tính toán thiết kế theo toán đồ vẽ sẵn 8

3.1.1 Toán đồ số 1 8

3.1.2 Toán đồ số 2 9

3.1.3 Toán đồ số 3 9

3.1.4 Toán đồ số 4 10

3.1.5 Toán đồ số 5 10

3.2 Lý thuyết cố kết thoát nước thẳng đứng 11

3.3 Đặc tính của bấc thấm và các yếu tố ảnh hưởng: 13

3.3.1 Vùng ảnh hưởng của bấc thấm 13

3.3.2 Tác động pha trộn và xáo trộn 14

3.3.3 Thông số ảnh hưởng đến thời gian cố kết 14

3.4 Lún của đất nền: 14

3.4.1.Lún sơ cấp 15

3.4.2 Lún cố kết thứ cấp 16

3.4.3 Lún cố kết theo thời gian 16

4 THI CÔNG BẤC THẤM, ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG GIA CỐ NỀN BẰNG BẤC THẤM 16

4.1 Qui trình, thiết bị và kỹ thuật thi công bấc thấm; 16

4.1.1 Qui trình và kỹ thuật thi công bấc thấm 16

4.1.2 Thiết bị thi công bấc thấm 17

4.2 Kiểm soát chất lượng: 18

4.2.1 Đánh giá chất lượng gia cố bấc thấm 18

4.2.2 Đánh giá độ bền (cường độ) của đất 18

4.2.3 Đánh giá chất lượng cố kết 18

1 GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Đặc điểm và phạm vi ứng dụng:

1.1.1 Đặc điểm

Lún do cố kết của nền đất sét yếu tạo ra nhiều sự cố cho nền móng công trình Nền đất sét yếu có hệ số thấm nhỏ, vì vậy để hoàn thành giai đoạn cố kết thứ nhất cần phải có nhiều thời gian

Để rút ngắn thời gian cố kết này, người ta thường dùng các thiết bị tiêu nước thẳng đứng (cọc cát, giếng cát, bấc thấm) kết hợp với biện pháp nén trước bằng khối đắp tạm thời hoặc hút chân không Trong chuyên đề này giới thiệu thiết bị tiêu nước thẳng đứng là bấc thấm Bấc thấm có đặc điểm sau:

- Cho nước trong lỗ rỗng của đất thấm vào trong thiết bị

- Làm đường dẫn để nước lỗ rỗng tập trung có thể chuyển động dọc theo chiều dài của thiết bị để thoát ra ngoài

So với các loại giếng tiêu nước khác, thiết bị tiêu nước chế tạo sẵn gọi tắt là bấc thấm (PVD) có những đặc điểm riêng biệt sau:

+ Tốc độ lắp đặt bấc thấm (cắm vào đất yếu) đạt trung bình 5000m/ngày/máy

Vì vậy, nó làm giảm giá thành công trình

+ Trong quá trình lắp đặt bấc thấm, sẽ không xảy ra hiện tượng đứt bấc thấm Trong quá trình nhồi cọc cát, giếng cát, giếng cát hoặc rãnh cát có thể bị đứt đoạn nếu như tốc độ rút ống quá nhanh

- Trong quá trình cố kết, bấc thấm đặt trong nền đất yếu sẽ không xảy ra hiện tượng bị cắt trượt do lún cố kết gây ra

- Bấc thấm có khả năng thấm nước cao, hệ số thấm trung bình đạt từ 30.10-6 đến 90.10-6m3/s Trong khi đó một cọc cát có đường kính 350mm thì khả năng thoát nước của nó chỉ đạt 20.10-6m3/s (theo kết quả của Van San Woort, 1994)

+ Khi thi công bấc thấm, phạm vi gây nên sự vấy bẩn và phá hoại kết cấu đất nền nhỏ hơn nhiều so với việc thi công cọc cát, giếng cát

+ Không yêu cầu nước phục vụ thi công

+ Chiều sâu cắm bấc có thể đạt tới 40m

+ Dễ dàng kiểm tra được chất lượng

+ Thoát nước tốt trong các điều kiện khác nhau

+ Bấc thấm là sản phẩm được chế tạo trong nhà máy công nghệ và chất lượng

ổn định

1.1.2 Phạm vi ứng dụng

- Biện pháp này được sử dụng đối với các công trình xây dựng trên đất yếu yêu cầu tăng nhanh tốc độ cố kết hoặc tăng nhanh cường độ của đất yếu để đảm bảo ổn định nền đắp

- Khi sử dụng biện pháp này cần phải có đủ các điều kiện sau:

+ Nền đắp phải đủ cao hoặc đắp kết hợp gia tải trước để có tải trọng đắp đủ gây

ra áp lực (ứng suất) nén ở mọi độ sâu khác nhau trong phạm vi cố kết của đất yếu lớn

hơn hoặc bằng 1,2lần áp lực tiền cố kết vốn tồn tại trong đất yếu tương ứng ở mọi độ sâu đó

+ Đất yếu phải là loại bùn có độ sệt B>0,75 mới được xử lý bằng bấc thấm

+ Giá thành công trình xử lý bằng bấc thấm hoặc bấc thấm kết hợp với gia tải trước không đắt hơn các phương pháp xử lý nền đất yếu khác

1.2 Nguyên lý làm việc

Trong biện pháp này, nước lỗ rỗng thoát ra khi đất sét cố kết với gradient thuỷ lực tạo ra do nén trước, chảy nhanh theo phương ngang về phía thiết bị tiêu nước, rồi sau đó chảy tự do theo phương thẳng đứng, dọc theo thiết bị về phía các lớp đất dễ thấm nước Như vậy là việc đặt các thiết bị tiêu nước thẳng đứng trong nền đất yếu sẽ rút ngắn chiều dài đường thấm và dẫn đến giảm thời gian hoàn thành quá trình cố kết Như vậy, các thiết bị tiêu nước thẳng đứng được đặt trong nền đất sét nhằm hai mục đích chủ yếu là: làm tăng tốc độ cố kết của nền đất sét và nâng cao sự ổn định của công trình đặt lên nền đất yếu (vì cường độ nền đất tăng nhanh theo theo tốc độ cố kết)

1.3 Ưu nhược điểm của phương pháp:

1.3.1 Ưu điểm

- Ít làm xáo trộn các lớp đất

- Thoát nước một cách đảm bảo

- Có khả năng tương thích của lõi và vỏ đối với mọi loại đất

- Tốc độ lắp đặt nhanh

- Thời gian cố kết ngắn hơn nếu giảm cự ly giữa các bấc thấm

- Không yêu cầu nước trong lúc lắp đặt bấc

- Bấc thấm có thể cắm đến độ sâu 40m hoặc sâu hơn

- Dễ dàng kiểm tra công tác lắp đặt

- Hoạt động tốt trong các điều kiện khác nhau

1.3.2 Nhược điểm

Vải lọc dễ bị tắc khi đất xung quanh là loại đất mịn, do đó thường đặt ở giữa lớp đất cần thoát nước và lớp đất dưới đó thì mới hạn chế được hiện tượng này Tuy nhiên bấc thấm lại được cắm xuyên qua các lớp đất khác nhau và chủ yếu là dùng trong vùng đất yếu thành phần hạt mịn lớn nên nếu không thí nghiệm đầy đủ sẽ rất dễ

bị tắc trong quá trình hoạt động của bấc thấm

2 GIỚI THIỆU BẤC THẤM:

2.1 Giới thiệu các bấc thấm chế tạo sẵn

Bấc thấm là tên chung để gọi các băng chất dẻo được cắm vào trong đất bằng thiết bị cắm đặc biệt Độ sâu cắm thường từ 10 đến 20m, có nơi đã thực hiện xuống chiều sâu 40m

Bấc thấm thường có bề rộng khoảng 100-200mm, bề dày từ 3-5mm Lõi của bấc là một băng chất dẻo có nhiều rãnh nhỏ để nước do mao dẫn đưa lên cao và đỡ vỏ bọc ngay cả khi áp lực lớn Hình 2.1 nêu cấu tạo điển hình của một số trụ bộ lọc được

sử dụng trong bấc thấm Lõi nhựa của bấc thấm được làm bằng 100% vật liệu polypropylene với các tính chất: vệ sinh an toàn môi trường; khả năng thoát nước lớn; mềm, dễ uốn; cường độ cao, độ dai cao; bền với axít, kiềm và muối; dễ thi công, lắp đặt ngay cả khi nhiệt độ thấp; không co, nở khi độ ẩm thay đổi

Lõi được bọc bằng một lớp vải ĐKT Lớp vải được chế tạo bằng polyeste không dệt, vải địa cơ polypropylene hay giấy vật liệu tổng hợp Nó là hàng rào vật lý phân cách lòng dẫn của dòng chảy với đất bao quanh, và là bộ lọc hạn chế cát hạt mịn

đi vào lõi làm tắc thiết bị Ngoài ra, vỏ lọc còn phải đạt các yêu cầu quan trọng sau: cường độ cơ học cao; độ bền cao chống tác động sinh vật ký sinh ăn mòn và vi sinh vật; độ bền cao chịu axít, kiềm, ; không bị giảm độ bền sau thời gian dài sử dụng; độ bền chịu mài mòn cao

Hình 2.1 Hình dạng của các trụ bộ lọc trong bấc thấm Bấc thấm được chế tạo hàng loạt trên dây chuyền công nghệ hiện đại, chúng được cuốn lại trong các rulo, có độ dài từ 200÷300m, nặng từ 15÷40kG

Hiện nay, trên thế giới đang sử dụng một số loại thiết bị tiêu nước chế tạo sẵn: Alidrain và Alidrain S; Amerdrain 307 và Amerdrain 407; Bando; Castle Drain Board; Colbonddrain CX-1000; Desol; Hitek Flodrain; Mebradrain MD7007 và MD7047, MD88-150, MD88-80; Sol Compact; Vinylex

Hình 2.2 Hình dạng của các trụ bộ lọc trong bấc thấm

2.2 Các thông số quan trọng của bấc thấm

2.2.1 Cấu tạo của bấc thấm

Bấc thấm được cấu tạo từ hai lớp: vỏ hay áo lọc bằng vải địa kỹ thuật không dệt sợi liên tục chất liệu PP hoặc PE 100%; lớp lõi thoát nước đùn bằng nhựa hạt PP, có rãnh cả hai phía

Lõi được bọc bằng một lớp vải địa kỹ thuật Lớp vải được chế tạo bằng polyeste không dệt, vải địa cơ polypropylen hay giấy vật liệu tổng hợp Nó là hàng rào vật lý phân cách lòng dẫn của dòng chảy với đất bao quanh, và là bộ lọc hạn chế cát mịn đi vào lõi làm tắc thiết bị

2.2.2 Các thông số quan trọng và phân loại bấc thấm

Đặc tính kỹ thuật của bấc thấm là quan trọng nhất vì chất lượng của các loại bấc thấm đang có sẵn trên thị trường là rất khác nhau Muốn phân loại, lựa chọn, đánh giá chất lượng của một loại bấc thấm nào đó, người ta phải dựa vào thông số và những chức năng chủ yếu của loại bấc thấm đó

2.2.2.1 Các thông số của bấc thấm

Các thông số của bấc thấm bao gồm:

- Độ xốp mao dẫn của bấc thấm

Bấc thấm được thiết kế gần như để sử dụng cho việc thoát nước trong các tầng đất sét hay á sét có kích thước cỡ hạt D85 (tức là từ 15 đến 30µm) và vì vậy cần thiết phải có một lớp phủ mềm lọc mịn bao bọc phần lõi mà độ xốp của nó phải tương thích với kích cỡ của hạt sét

+ Đối với đất bùn, kích cỡ sợi đan A.O.S ≤ 100µm (Fisher 1990)

+ Đối với đất sét Băngkok O90/D85<2-3lần O50<18-24 Bergado 1992

+ O90/O50 <1,7-3lần (Schober và Teindl, 1979)

+ O90/O85<2-3 lần (Calhoun, 1972)

+ O90/D85<1,3-1,8lần (Chen và Chen 1986)

+ O50/D50<10-lần (Chen và Chen 1986)

Trong đó Oi là đường kính lỗ của bộ lọc chiếm i% toàn bộ diện tích lỗ lọc

Di là đường kính hạt đất ứng với hàm lượng tích luỹ là j%

- Độ thấm của lớp lọc

Một qui tắc được sử dụng rộng rãi cho vải ĐKT để làm lớp lọc là:

Qui tắc trên áp dụng cho những trường hợp áp dụng điều kiện tới hạn và những điều kiện khắc nghiệt Với những trường hợp chưa phải là tới hạn và kém khắc nghiệt hơn thì:

- Khả năng thoát nước

Một trong những người đầu tiên là Osteen (1986) đã nghiên cứu bấc thấm từ thực địa và cho thấy rằng hệ số thoát nước của bấc thấm vào khoảng 5.10-6m3/s (tức là

từ 50 ÷ 150 m3/năm) khi các bấc thấm đặt cách nhau 1,7m Với kết quả này, có thể kết luận rằng khả năng thoát nước của bấc thấm sẽ lớn hơn nhiều lần so với nước lỗ rỗng

có trong các loại đất yếu Đối với bấc thấm đã được cắm vào nền đất, khả năng thoát nước của bấc thấm bị giảm đi đáng kể Nguyên nhân sự giảm khả năng thoát nước của bấc thấm có thể là:

+ Sự biến dạng và sự rão của lớp vải ĐKT làm thay đổi mặt cắt thoát nước + Sự giảm độ thấm của lớp vải ĐKT và sự lắng đọng các hạt nhỏ trong cấu trúc lõi làm tắc đường bọc thoát nước

+ Sự giảm khả năng thoát nước của bấc thấm do bị gập hay bị uốn cong trong quá trình cố kết của nền đất

Khi kiểm nghiệm một bấc thấm để xác định khả năng thoát nước tối đa, các yếu

tố quan trọng nhất cần phải được xem xét là:

+ Thời gian chịu tải, mức chất tải gây áp lực

+ Phương thức cắm bấc thấm vào trong đất

+ Gradient thuỷ lực của nước dưới đất

- Độ bền kéo

Độ bền kéo của bấc thấm không ảnh hưởng trực tiếp đến việc hoạt động của nó trên phương diện cố kết tầng sét/ bùn đất yếu Nó chỉ liên quan đến thiết bị đặt bấc thấm vào trong đất Theo Van Satourt (1994), độ bền kéo của bấc thấm phải lớn hơn 0.5KN khi bấc thấm bị biến dạng dài lớn hơn 2% nhưng không vượt quá 10%

- Đặc tính vật lý

+ Vỏ lọc

Vỏ lọc làm bằng vật liệu lưới không dệt có các sợi liên tục với 100% polypropylene mà không có bất kỳ chất dính kết nào khác Nó có tính chất quan trọng sau:

i Có cường độ cao, như nhau theo cả hai phương

ii Không co giãn do thay đổi độ ẩm, không thay đổi cường độ

iii Có khả năng thấm nước cao

iv Chịu được axit, kiềm và muố1

v Có đặc tính hoàn hảo

vi Chống chọc thủng xé rách

vii Đảm bảo vệ sinh môi trường

+ Lõi nhựa

Làm bằng 100% vật liệu polypropylene với các tính chất quan trọng sau:

i Có khả năng thoát nước lớn

ii Mềm, dễ uốn

iii Có cường độ cao, dai (nén và kéo)

iv Không co ngót khi thay đổi độ ẩm, nhiệt độ thấp

v Đảm bảo an toàn vệ sinh môi trường

vi Chịu được axit, kiềm, muố1

2.2.2.2 Phân loại bấc thấm

Các chỉ tiêu dùng để phân loại và giá trị của chúng được ghi dưới bảng sau:

Phân loại kiểu bấc thấm Chỉ tiêu phân loại Đơn vị Yêu cầu Phương pháp thí nghiệm

Khả năng thoát nước qω trong

điều kiện chảy tầng ở cấp áp lực

350KN/m2

m3/s ≥ 60.10-6 ASTM D4716A

2.3 Nguyên lý thoát nước + gia tải

- Đường thấm thẳng đứng bằng giếng cát hoặc bấc thấm gồm một cột vật liệu thấm nước và thoát nước tự do nằm trong một giếng thẳng đứng được tạo thành trong đất yếu và một lớp cát đệm rải trên nền thiên nhiên Chức năng của giếng cát là làm thành một tuyến thoát nước nhân tạo để tăng nhanh tốc độ cố kết

- Khi chất tải lên trên lớp đất yếu nước trong lỗ rỗng chịu một áp lực sinh ra một gradien thuỷ lực và bị đẩy ra đường giới hạn của lớp đất yếu Nếu không có đường thấm thẳng đứng thì thời gian nước thấm từ lỗ rỗng chứa nước tới bề mặt thấm nước sẽ chậm hơn thời gian yêu cầu để đạt một độ cố kết cho trước

- Giếng cát (bấc thấm) tạo thành một đường thoát nước nhân tạo gần nhất của nước lỗ rỗng để tăng nhanh độ cố kết Để đạt được mục tiêu này phải bố trí khoảng cách giữa các giếng cát (bấc thấm) và đường kính của giếng cát sao cho việc thoát nước và cố kết tăng nhanh và cho phép đạt được độ cố kết mong muốn trong thời gian qui định

3 TÍNH TOÁN BẤC THẤM:

Biến dạng và ổn định của nền trong quá trình chất tải cũng như trong thời gian vận hành là các yếu tố chính cần phải được tính toán Lý thuyết tính toán bấc thấm đã được trình bày trong nhiều tài liệu chuyên ngành nên sẽ không cần trình bày ở đây Dưới đây là những vấn đề cần trình bày trong chỉ dẫn:

3.1 Tính toán thiết kế theo toán đồ vẽ sẵn

Trên cơ sở các công thức và lý thuyết đã nêu, nhiều toán đồ đã được lập ra và rất thuận tiện cho người kỹ sư sử dụng để thiết kế bấc thấm Sau đây giới thiệu một số toán đồ thông dụng:

3.1.1 Toán đồ số 1

Toán đồ số 1 thể hiện mối quan hệ giữa hệ số cố kết nằm ngang Ch (vẽ trên trục thẳng đứng của toán đồ, đơn vị đo là m2/s) và thời gian cố kết t (đơn vị đo là tháng), vẽ trên trục nằm ngang của toán đồ

3.1.2 Toán đồ số 2

Toán đồ số 2 thể hiện mối quan hệ giữa sức cản giếng F, (vẽ trên trục thẳng đứng của toán đồ, không đơn vị đo) và chiều dài thoát nước của bấc thấm t (đơn vị đo

là mét, vẽ trên trục nằm ngang của toán đồ)

3.1.3 Toán đồ số 3

Toán đồ số 3 thể hiện mối quan hệ giữa hệ số xáo trộn F (vẽ trên trục thẳng đứng của toán đồ, không đơn vị đo) và tỉ số

s

h

k

k (không đơn vị đo, vẽ trên trục nằm ngang của toán đồ)

3.1.4 Toán đồ số 4

Toán đồ số 4 thể hiện mối quan hệ giữa tích

số Ch.t (vẽ trên trục thẳng đứng của toán đồ, đơn vị đo là m2) và đại lượng λ (không

đơn vị đo, vẽ trên trục nằm ngang của toán đồ)

3.1.5 Toán đồ số 5

Toán đồ số 5 thể hiện mối quan hệ giữa khoảng cách các bấc thấm (đo bằng

mét) hoặc đường kính thiết kế của bấc (đo bằng mét) (vẽ trên trục thẳng đứng của toán

đồ) và đại lượng λ (không đơn vị đo, vẽ trên trục nằm ngang của toán đồ)