Nghiên cứu, ứng dụng giải pháp xử lý nền đất yếu bằng giếng cát trong xây dựng nền đường ô tô khu vực tỉnh bình dương,luận văn thạc sỹ xây dựng đường ô tô và đường thành phố

Vì vậy, khi xây dựng nền móng đắp trên đất yếu nếu không được khảo sát thiết kế cẩn thận và có biện pháp xử lý thích đáng thì nền đường xây dựng trên đó thường dễ bị mất ổn định, bị lún

Trang 1

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT

Thành Phố Hồ Chí Minh - 2012

Trang 2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

- -

NGUYỄN NGỌC CHUYÊN

NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG GIẾNG CÁT TRONG XÂY DỰNG NỀN ĐƯỜNG Ô TÔ KHU VỰC TỈNH BÌNH DƯƠNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT

CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG ĐƯỜNG ÔTÔ VÀ ĐƯỜNG THÀNH PHỐ

MÃ SỐ : 60 – 58 – 30

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS LÃ VĂN CHĂM

Trang 3

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn thạc sĩ, tác giả đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ nhiệt tình và quý báu của các Thầy, Cô trường Đại học Giao thông Vận tải, đặc biệt là Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Lã Văn Chăm

Lời đầu tiên, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Lã Văn Chăm đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn thạc sĩ

Và tác giả cũng xin chân thành cảm ơn các Thầy giáo và các Cô giáo đã giúp đỡ trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Giao thông Vận tải

Đồng thời, tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý anh, chị trong Công ty cổ phần Tư vấn và Xây dựng Tổng hợp Bình Dương, các đồng nghiệp và gia đình đã đã giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận văn thạc sĩ

Mặc dù tác giả đã rất cố gắng bằng tất cả sự nhiệt tình và năng lực của mình trong nghiên cứu tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót Kính mong nhận được sự quan tâm đóng góp ý kiến của các Thầy

Cô giáo, các nhà khoa học và các đồng nghiệp, tác giả xin chân thành cảm ơn và nghiêm túc tiếp thu

Một lần nữa, tác giả xin chân thành cảm ơn!

Tp Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2012

Tác giả

Nguyễn Ngọc Chuyên

Trang 4

Hướng dẫn: PGS.TS Lã Văn Chăm Luận văn Thạc sĩ – Mục Lục

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU,CÁC BIỆN PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU 5

1.1 KHÁI NIỆM VỀ ĐẤT YẾU: 5

1.2 CÁC BIỆN PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM: 7

1.2.1 Các biện pháp xử lý về kết cấu công trình: 7

1.2.2 Các biện pháp xử lý về móng: 7

1.2.3 Các biện pháp xử lý nền đất: 8

1.3 XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU VÀ ỨNG DỤNG TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG: 9

1.3.1 Giải pháp đắp trực tiếp và đắp dần theo giai đoạn: 9

1.3.2 Giải pháp thay đất và đắp bệ phản áp: 10

1.3.3 Giải pháp gia tải trước hay còn gọi là gia tải tạm thời: 11

1.3.4 Giải pháp dùng vải, lưới địa kỹ thuật: 12

1.3.5 Giải pháp dùng tầng đệm cát: 14

1.3.6 Giải pháp dùng phương tiện thoát nước thẳng đứng: 15

1.3.7 Giải pháp hút chân không: 17

1.3.8 Giải pháp cọc cát, cột ba lát (cột đá dăm): 18

1.3.9 Giải pháp cột đất xi măng hoặc vôi: 19

CHƯƠNG 2: BIỆN PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG PHƯƠNG PHÁP GIẾNG CÁT .21

2.1 KIỂM TRA ỔN ĐỊNH NỀN ĐẤT YẾU DƯỚI NỀN ĐƯỜNG: 21

2.1.1 KIỂM TRA ỔN ĐỊNH DO LÚN TRỒI: 21

2.1.2 KIỂM TRA ỔN ĐỊNH DO TRƯỢT: 22

2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN: 23

2.2.1 CƠ SƠ LÝ THUYẾT: 23

2.2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN: 28

2.3 ĐIỀU KIỆN VÀ PHẠM VI ÁP DỤNG CỦA PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ BẰNG GIẾNG CÁT: 34

CHƯƠNG 3: TÌNH HÌNH ĐẤT YẾU KHU VỰC TỈNH BÌNH DƯƠNG 36

3.1 KHÁI QUÁT VỀ ĐIỀU KIỆN TƯ NHIÊN VÀ ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT TỈNH BÌNH DƯƠNG: 36

3.1.1 Điều kiện tự nhiên: 36

3.1.2 Đặc điểm địa chất của tỉnh Bình Dương: 40

3.2 HỆ THỐNG GIAO THÔNG ĐƯỜNG BỘ TRONG KHU VỰC TỈNH BÌNH DƯƠNG:46 3.2.1 Quốc lộ: 46

3.2.2 Đường tỉnh: 47

3.2.3 Đường huyện: 49

3.2.4 Đường xã: 50

3.2.5 Hệ thống cầu trên đường quốc lộ và đường tỉnh: 50

3.3 CÁC BIẾN DẠNG VÀ NGUYÊN NHÂN HƯ HỎNG CỦA ĐƯỜNG Ô TÔ DO NỀN ĐẤT YẾU GÂY RA: 52

Trang 5

Hướng dẫn: PGS.TS Lã Văn Chăm Luận văn Thạc sĩ – Mục Lục

3.3.1 Các biến dạng về sự mất ổn định: 52

3.3.2 Các biến dạng về lún: 53

3.3.3 Các biến dạng tại vị trí tiếp giáp với nền móng công trình: 53

3.3.4 Phân tích nguyên nhân: 54

3.3.5 Các hậu quả khi đưa vào sử dụng các công trình không đạt chất lượng: 57

3.4 GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU TẠI MỘT SỐ CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH BÌNH DƯƠNG: 57

CHƯƠNG 4: BIỆN PHÁP XỬ LÝ GIẾNG CÁT TẠI CÔNG TRÌNH ĐƯỜNG DẪN VÀO CẦU PHÚ LONG PHÍA TỈNH BÌNH DƯƠNG .61

4.1 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG TRÌNH: 61

4.1.1 Tiêu chuẩn và mặt cắt ngang thiết kế: 61

4.1.2 Điều kiện địa chất công trình khu vực xây dựng: 63

4.1.3 Thống kê các thông số tính toán về vật liệu đắp nền và đất nền: 64

4.1.4 Giải pháp xử lý nền đất yếu: (Hình vẽ 4.1-4) 66

4.2 TÍNH TOÁN THEO LÝ THUYẾT: 67

4.2.1 Tính toán theo 22TCN 262-2000: 69

4.2.2 Tính toán theo lời giải đề nghị của GS Hoàng Văn Tân: 74

4.2.3 Tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn và mô phỏng bài toán bằng phần mềm Plaxis: 76

4.3 PHÂN TÍCH KẾT QUẢ QUAN TRẮC LÚN THỰC TẾ: 83

4.3.1 Phương pháp của Asaoka: 83

4.3.2 Phương pháp dùng đường cong Hyperbol: 85

4.3.3 Nhận xét kết quả của 2 phương pháp: 87

4.4 PHÂN TÍCH VÀ SO SÁNH KẾT QUẢ: 88

4.4.1 Về các phương pháp tính: 88

4.4.2 Về các thông số của giếng cát: 93

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 94

TÀI LIỆU THAM KHẢO 96

PHỤ LỤC 1: TÍNH ỔN ĐỊNH DO TRƯỢT 97

PHỤ LỤC 2: PHƯƠNG PHÁP TÍNH THEO 22TCN 262-2000 101

PHỤ LỤC 3: PHƯƠNG PHÁP TÍNH THEO GS HOÀNG VĂN TÂN 118

PHỤ LỤC 4: PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN TÍNH THEO PLAXIS 135

PHỤ LỤC 5: SỐ LIỆU QUAN TRẮC LÚN CÔNG TRÌNH ĐƯỜNG DẪN CẦU PHÚ LONG 144

PHỤ LỤC 6: SỐ LIỆU ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH ĐƯỜNG DẪN CẦU PHÚ LONG 149

PHỤ LỤC 7: CÁC SỐ LIỆU VỀ ĐỊA CHẤT ĐẤT YẾU TRONG KHU VỰC TỈNH BÌNH DƯƠNG 156

Trang 6

Hướng dẫn: PGS.TS Lã Văn Chăm Luận văn Thạc sĩ – Phần Mở đầu

PHẦN MỞ ĐẦU

I TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI:

- Nền móng của các công trình xây dựng nhà ở, đường sá, đê điều, đập chắn nước và một số công trình khác trên nền đất yếu thường đặt ra hàng loạt các vấn đề phải giải quyết như sức chịu tải của nền thấp, độ lún lớn và dễ mất ổn định của cả diện tích lớn Việt Nam được biết đến là nơi có nhiều đất yếu, đặc biệt là lưu vực của hệ thống sống Hồng, hệ thống sông Mê Kông và một phần của hệ thống sông Đồng Nai (sông La Ngà, sông Bé, sông Sài Gòn và sông Vàm Cỏ)

- Bình Dương là một tỉnh thuộc vùng Đông Nam Bộ, phía bắc giáp tỉnh Bình Phước, phía nam và tây nam giáp thành phố Hố Chí Minh, phía tây giáp tỉnh Tây Ninh, phía đông giáp tỉnh Đồng Nai Tỉnh lỵ của Bình Dương hiện nay là thị xã Thủ Dầu Một, đây chính là trung tâm hành chính - kinh tế - văn hoá của tỉnh, 2 thị

xã mới là Thuận An, Dĩ An và 4 huyện ngoại thành là Tân Uyên, Bến Cát, Phú Giáo và Dầu Tiếng Bình Dương là một tỉnh nằm trong vùng kinh tế trọng điểm phía Nam gồm thành phố Hồ Chí Minh và các tỉnh: Bình Dương, Đồng Nai, Bà Rịa - Vũng Tàu, Tây Ninh, Bình Phước, Long An và Tiền Giang

Hình 1-1: Quy hoạch tổng thể phát triển hệ thống đô thị và khu dân cư nông thôn của tỉnh Bình

Trang 7

- Theo quy hoạch đến năm 2020 (Hình 1-1), Bình Dương trở thành đô thị loại I, thành phố trực thuộc Trung ương, gồm 6 quận trung tâm là: quận Thủ Dầu Một (9 phường), quận Châu Thành (9 phường), quận Dĩ An (9 phường), quận Thuận An (10 phường), quận Bến Cát (13 phường), quận Tân Uyên (10 phường) và 4 huyện ngoại thành là: huyện Bầu Bàng (3 thị trấn, 7 xã), huyện Phước Thành (2 thị trấn,

10 xã), huyện Dầu Tiếng (4 thị trấn, 13 xã), huyện Phú Giáo (4 thị trấn, 10 xã)

- Trong những năm gần đây, tỉnh Bình Dương có tốc độ tăng trưởng kinh tế luôn ở mức cao, GDP tăng bình quân khoảng 14%/năm Cơ cấu kinh tế chuyển biến tích cực, công nghiệp, dịch vụ tăng trưởng nhanh và chiếm tỷ trọng cao, năm

2009, tỷ lệ công nghiệp - xây dựng 62,3%, dịch vụ 32,4% và nông lâm nghiệp 5,3% Hiện nay, Bình Dương có 28 khu công nghiệp tập trung, hơn 9.600 doanh nghiệp trong nước với tổng vốn đăng ký hơn 65.000 tỷ đồng; gần 2 nghìn dự án đầu tư nước ngoài với tổng vốn đầu tư trên 13 tỷ USD

- Tỉnh Bình Dương có 3 con sông lớn, nhiều rạch ở các địa bàn ven sông và nhiều suối nhỏ khác Trong đó, sông Đồng Nai là con sông lớn nhất ở miền Đông Nam Bộ, bắt nguồn từ cao nguyên Lâm Viên (Lâm Đồng) dài 635 km nhưng chỉ chảy qua địa phận Bình Dương ở huyện Tân Uyên Sông Sài Gòn dài 256 km, bắt nguồn từ vùng đồi cao huyện Lộc Ninh (tỉnh Bình Phước), sông Sài Gòn có nhiều chi lưu, phụ lưu, rạch, ngòi và suối, sông Sài Gòn chảy qua Bình Dương về phía Tây, đoạn từ Lái Thiêu lên tới Dầu Tiếng dài 143 km Sông Thị Tính là phụ lưu của sông Sài Gòn bắt nguồn tự đồi Cam Xe huyện Bình Long (tỉnh Bình Phước) chảy qua huyện Bến Cát, rồi lại đổ vào sông Sài Gòn ở đập Ông Cộ Sông Sài Gòn, sông Thị Tính mang phù sa bồi đắp cho những cánh đồng ở Bến Cát, Thủ Dầu Một, Thuận An, cùng với những cánh đồng dọc sông Đồng Nai Sông Bé dài 360

km, bắt nguồn từ các sông Đắc RơLáp, Đắc Giun, Đắc Huýt thuộc vùng núi tỉnh Đắc Lắc hợp thành từ độ cao 1.000 mét, ở phần hạ lưu, đoạn chảy vào đất Bình Dương dài 80 km

- Nhiều thị thành quan trọng của Bình Dương được hình thành và phát triển dọc theo các con sông trong tỉnh, những khu vực này có cấu tạo địa chất nền đất yếu với những điều kiện hết sức phức tạp của đất nền Điển hình là các đô thị của thị xã Thuận An như phường Vĩnh Phú, Lái Thiêu, Bình Nhâm, Hưng Định, An Sơn và thị xã Thủ Dầu Một như phường Phú Cường, Chánh Nghĩa, Chánh Mỹ và xã Tân An) và xã Phú An, An Tây, thị trấn Mỹ Phước huyện Bến Cát,… các đô thị này nằm trên nền địa chất yếu dọc theo sông Sài Gòn (Hình 1-2) Vì vậy, khi xây dựng nền móng đắp trên đất yếu nếu không được khảo sát thiết kế cẩn thận và có biện pháp xử lý thích đáng thì nền đường xây dựng trên đó thường dễ bị mất ổn định, bị lún nhiều và lún kéo dài, ảnh hưởng xấu đến việc khai thác sử dụng mặt đường, công trình trên đường và các công trình xung quanh

Trang 8

Hình 1-2: Các huyện, thị của tỉnh Bình Dương phát triển dọc theo hệ thống sông trong tỉnh

- Dưới tác dụng của tải trọng nền đắp bên trên, khối đất yếu bên dưới bị biến dạng theo thời gian do quá trình cố kết Quá trình này diễn ra rất chậm làm kéo dài thời gian thi công và gây khó khăn cho việc đưa công trình vào sử dụng Giải pháp

xử lý nền đất yếu bằng giếng cát kết hợp gia tải trước là một trong những giải pháp hợp lý để xử lý nền đất yếu dưới nền đường ô tô thường được lựa chọn Giải pháp giếng cát kết hợp gia tải trước được thực hiện nhằm rút ngắn chiều dài đường thấm

từ đó rút ngắn thời gian cố kết một cách đáng kể và nhanh chóng đưa công trình vào sử dụng khi độ lún đạt trạng thái ổn định

- Với những lý do trên, đề tài nghiên cứu, ứng dụng giải pháp xử lý nền đất yếu bằng giếng cát trong xây dựng nền đường ô tô khu vực tỉnh Bình Dương là rất cần thiết

II MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI:

- Nghiên cứu tổng quan các giải pháp xử lý nền đất yếu hiện nay trên thế giới

và ở nước ta, và trong lĩnh vực xây dựng công trình giao thông Trên cơ sở đó phân tích ưu, nhược điểm của từng giải pháp phổ biến hiện nay

- Nghiên cứu chuyên sâu về lý thuyết tính toán của giải pháp xử lý nền đất yếu bằng giếng cát và các phương pháp tính toán thiết kế

- Nghiên cứu tình hình địa chất và sự phân bố của đất yếu trong khu vực tỉnh Bình Dương Phân tích các nguyên nhân hư hỏng do nền đất yếu gây ra cho các công trình trong tỉnh và khu vực lân cận

- Nghiên cứu, ứng dụng cho bài toán thực tế ở công trình đường dẫn vào cầu Phú Long phía tỉnh Bình Dương Ứng dụng kết quả tính toán cho bài toán cụ thể

Trang 9

theo các phương pháp tính toán khác nhau, từ đó rút ra những kết luận và kiến nghị quan trọng khi ứng dụng giải pháp giếng cát để xử lý nền đất yếu dưới nền đường ôtô trong khu vực tỉnh Bình Dương Luận văn này, sẽ giúp cho các đơn vị tư vấn thiết kế cũng như các cơ quan chức năng có những quyết định đúng đắn hơn trong xây dựng hạ tầng giao thông của tỉnh Bình Dương

III PHẠM VI NGHIÊN CỨU:

- Khu vực nghiên cứu: nghiên cứu tập trung trong những vùng đất yếu của khu vực tỉnh Bình Dương

- Giới hạn đối tượng nghiên cứu: nghiên cứu tập trung vào giải pháp xử lý nền đất yếu bằng giếng cát dưới nền đường ô tô và ứng dụng vào điều kiện cụ thể khu vực tỉnh Bình Dương

IV PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU:

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thu thập số liệu thực tế, tính toán bằng các phương pháp tính khác nhau kết hợp với phần mềm tính toán phù hợp để có những nhận xét kết luận cho nội dung nghiên cứu

Trang 10

Hướng dẫn: PGS.TS Lã Văn Chăm Luận văn Thạc sĩ – Chương 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU, CÁC

BIỆN PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU

1.1 KHÁI NIỆM VỀ ĐẤT YẾU:

 Đất yếu là những loại đất không có khả năng tiếp nhận tải trọng công trình,

dễ bị mất ổn định toàn khối hoặc lún nhiều, lún kéo dài ảnh hưởng đến mặt đường, công trình trên đường và công trình lân cận nếu không có các biện pháp gia cố xử

lý thích hợp Xét về nguồn gốc thì đất yếu có thể có nguồn gốc khoáng vật hoặc nguồn gốc hữu cơ, xét về điều kiện hình thành thì đất yếu có thể được hình thành

từ trầm tích ven biển, vịnh biển, đầm hồ, đồng bằng tam giác châu thổ hoặc hình thành do đất tại chỗ ở những vùng đầm lầy có mực nước ngầm cao, có nước tích đọng thường xuyên, Nhìn chung đất yếu có các đặc trưng như sau:

 Cường độ chống cắt nhỏ và thường tăng lên theo độ sâu;

 Biến dạng nhiều khi chịu tác dụng của tải trọng ngoài và biến dạng tùy thuộc thời gian chất tải;

 Tính thấm nước kém (hệ số thấm nhỏ) và thay đổi theo sự biến dạng của đất yếu;

 Hệ số rỗng lớn;

 Đất ở trạng thái bảo hòa hoặc gần bão hòa

 Ở nước ta định nghĩa và phân loại đất yếu đã được đề cập cụ thể ở điều 1.4 của “Quy trình khảo sát thiết kế nền đường ô tô đắp trên đất yếu 22TCN 262-2000”, cụ thể như sau:

 Loại có nguồn gốc khoáng vật thường là sét hoặc á sét trầm tích trong nước

ở ven biển, vùng vịnh, đầm hồ, đồng bằng tam giác châu; loại này có thể lẫn hữu

cơ trong quá trình trầm tích (hàm lượng hữu cơ có thể tới 10-12%) nên có thể có mầu nâu đen, xám đen, có mùi Đối với loại này, được xác định là đất yếu nếu ở trạng thái tự nhiên, độ ẩm của chúng gần bằng hoặc cao hơn giới hạn chảy, hệ số rỗng lớn (sét e  1,5, á sét e  1), lực dính C theo kết quả cắt nhanh không thoát nước từ 0,15 daN/cm2 trở xuống, góc nội ma sát  từ 0-10o hoặc lực dính từ kết quả thí nghiệm cắt cánh hiện trường Cu  0,35 daN/cm2 Ngoài ra ở các vùng thung lũng còn có thể hình thành đất yếu dưới dạng bùn cát, bùn cát mịn (hệ số rỗng e > 1,0 độ bão hoà G > 0,8)

 Loại có nguồn gốc hữu cơ thường hình thành từ đầm lầy, nơi nước tích đọng thường xuyên, mực nước ngầm cao, tại đây các loài thực vật phát triển, thối rữa và phân huỷ, tạo ra các vật lắng hữu cơ lẫn với các trầm tích khoáng vật Loại này thường gọi là đất đầm lầy than bùn, hàm lượng hữu cơ chiếm tới 20-80%, thường có màu đen hay nâu sẫm, cấu trúc không mịn (vì lẫn các tàn dư thực vật)

Trang 11

Đối với loại này được xác định là đất yếu nếu bị số rỗng và các đặc trưng sức chống cắt của chúng cũng đạt các trị số như đã nói ở trên

 Đất yếu đầm lầy than bùn còn được phân theo tỷ lệ lượng hữu cơ có trong chúng:

- Lượng hữu cơ có từ 20-30%: Đất nhiễm than bùn

- Lượng hữu cơ có từ 30-60%: Đất than bùn

- Lượng hữu cơ trên 60%: Than bùn

 Phân loại trạng thái tự nhiên của đất yếu: Để đánh giá sơ bộ về tính chất công trình của đất yếu, từ đó bước đầu xem xét các giải pháp thiết kế nền đường tương ứng, đất yếu được phân loại theo trạng thái tự nhiên của chúng như dưới đây:

 Đất yếu loại sét hoặc á sét được phân loại theo độ sệt B:

trong đó:

W, Wd, Wnh - Độ ẩm ở trạng thái tự nhiên, giới hạn dẻo và giới hạn nhão của đất yếu

* Nếu B >1 thì được gọi là bùn sét (đất yếu ở trạng thái chảy)

* Nếu 0,75 < B  1 là đất yếu dẻo chảy

 Về trạng thái tự nhiên, đất đầm lầy than bùn được phân thành 3 loại:

* Loại I: Loại có độ sệt ổn định; thuộc loại này nếu vách đất đào thẳng đứng sâu 1m trong chúng vẫn duy trì được ổn định trong 1-2 ngày;

* Loại II: Loại có độ sệt không ổn định; loại này không đạt tiêu chuẩn loại I nhưng đất than bùn chưa ở trạng thái chảy;

* Loại III: Đất than bùn ở trạng thái chảy

 Các loại nền đất yếu chủ yếu và thường gặp:

 Đất sét mềm: Gồm các loại đất sét hoặc á sét tương đối chặt, ở trạng thái bão hòa nước, có cường độ thấp;

 Đất bùn: Các loại đất tạo thành trong môi trường nước, thành phần hạt rất mịn, ở trạng thái luôn no nước, hệ số rỗng rất lớn, rất yếu về mặt chịu lực;

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

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

 Đất bazan: là loại đất yếu có độ rỗng lớn, dung trọng khô bé, khả năng thấm nước cao, dễ bị lún sụt

d nh

d W W

W W B





Trang 12

 Các loại đất yếu trên rất đa dạng về thành phần khoáng vật, nhưng thường giống nhau về tính chất cơ lý và chất lượng xây dựng

1.2 CÁC BIỆN PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM:

Tùy theo đối tượng trực tiếp tác động của giải pháp xừ lý mà người ta chia công nghệ xây dựng nền đắp trên đất yếu thành 3 loại:

1.2.1 Các biện pháp xử lý về kết cấu công trình:

Kết cấu công trình có thể bị phá hỏng cục bộ hoặc hoàn toàn do các điều kiện biến dạng không thỏa mãn: Lún hoặc lún lệch quá lớn do nền đất yếu, sức chịu tải

bé Các biện pháp về kết cấu công trình nhằm giảm áp lực tác dụng lên mặt nền hoặc làm tăng khả năng chịu lực của kết cấu công trình Người ta thường dùng các biện pháp sau:

 Dùng vật liệu nhẹ và kết cấu nhẹ, thanh mảnh, nhưng phải đảm bảo khả năng chịu lực của công trình nhằm mục đích làm giảm trọng lượng bản thân công trình, tức là giảm được tĩnh tải tác dụng lên móng

 Làm tăng sự linh hoạt của kết cấu công trình kể cả móng bằng cách dùng kết cấu tĩnh định hoặc phân cắt các bộ phận của công trình bằng các khe lún để khử được ứng suất phụ phát sinh trong kết cấu khi xảy ra lún lệch hoặc lún không đều

 Làm tăng khả năng chịu lực cho kết cấu công trình để đủ sức chịu các ứng lực sinh ra do lún lệch và lún không đều bằng các đai bê tông cốt thép để tăng khả năng chịu ứng suất kéo khi chịu uốn, đồng thời có thể gia cố tại các vị trí dự đoán xuất hiện ứng suất cục bộ lớn

 Thay đổi kích thước và hình dáng móng sẽ có tác dụng thay đổi trực tiếp áp lực tác dụng lên mặt nền, và do đó cũng cải thiện được điều kiện chịu tải cũng như điều kiện biến dạng của nền Khi tăng diện tích đáy móng thường làm giảm được

áp lực tác dụng lên mặt nền và làm giảm độ lún của công trình Tuy nhiên đất có tính nén lún tăng dần theo chiều sâu thì biện pháp này không hoàn toàn phù hợp

 Thay đổi loại móng và độ cứng của móng cho phù hợp với điều kiện địa chất công trình: Có thể thay móng đơn bằng móng băng, móng băng giao thoa,

Trang 13

móng bè hoặc móng hộp; trường hợp sử dụng móng băng mà biến dạng vẫn lớn thì cần tăng thêm khả năng chịu lực cho móng; Độ cứng của móng bản, móng băng càng lớn thì biến dạng bé và độ lún sẽ bé Có thể sử dụng biện pháp tăng chiều dày móng, tăng cốt thép dọc chịu lực, tăng độ cứng kết cấu bên trên, bố trí các sườn tăng cường khi móng bản có kích thước lớn

1.2.3 Các biện pháp xử lý nền đất:

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 như: Giảm hệ số rỗng, giảm tính nén lún, tăng độ chặt, tăng trị số modun biến dạng, tăng cường 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 Các biện pháp xử lý nền thông thường:

 Phương pháp thay nền: Đây là một phương pháp ít được sử dụng, để khắc phục vướng 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 có tính bền cơ học cao, như làm gối cát, đệm cát Phương pháp này đòi hỏi kinh tế và thời gian thi công lâu dài,

áp dụng được với mọi điều kiện địa chất Bên cạnh đó cũng có thể kết hợp cơ học bằng phương pháp nén thêm đất khô với điều kiện địa chất đất mùn xốp

 Các phương pháp cơ học: Là một trong những nhóm phương pháp phổ biến nhất, bao gồm các phương pháp làm chặt bằng sử dụng tải trọng tĩnh (phương pháp nén trước), sử dụng tải trọng động (đầm chấn động), sử dụng các cọc không thấm,

sử dụng lưới nền cơ học và sử dụng thuốc nổ sâu, phương pháp làm chặt bằng giếng cát, các loại cọc (cọc cát, cọc xi măng đất, cọc vôi ), phương pháp vải địa

kỹ thuật, phương 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 như dùng máy đầm rung, đầm lăn Cọc không thấm như cọc tre, cọc cừ tràm, cọc gỗ chắc thường được áp dụng với các công trình dân dụng Sử dụng hệ thống lưới nền cơ học chủ yếu áp dụng để gia cố đất trong các công trình xây mới như đường bộ và đường sắt Sử dụng thuốc nổ sâu tuy đem lại hiệu quả cao trong thời gian ngắn, nhưng không thích hợp với đất sét và đòi hỏi tính chuyên nghiệp của nhà xây dựng

 Phương pháp vật lý: Gồm các phương pháp hạ mực nước ngầm, phương pháp dùng giếng cát, phương pháp bấc thấm, điện thấm

 Phương pháp nhiệt học: Là một phương pháp độc đáo có thể sử dụng kết hợp với một số phương 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 Phương pháp này chủ yếu sử dụng cho điều kiện địa chất đất sét hoặc đất cát mịn Phương pháp đòi hỏi một lượng năng lượng không nhỏ, nhưng kết quả nhanh và tương đối khả quan

 Các phương pháp hóa học: Là một trong các nhóm phương pháp được chú

ý trong vòng 40 năm trở lại đây Sử dụng hóa chất để tăng cường liên kết trong đất như xi măng, thủy tinh, phương pháp Silicat hóa… hoặc một số hóa chất đặc biệt

Trang 14

phục vụ mục đích điện hóa Phương pháp xi măng hóa và sử dụng cọc xi măng đất tương đối tiện lợi và phổ biến Trong vòng chưa 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 phương pháp không thực sự khả quan, còn điện hóa rất ít dùng do đòi hỏi tương đối về công nghệ

 Phương pháp sinh học: Là một phương pháp mới sử dụng hoạt động của vi sinh vật để làm thay đổi đặc tính của đất yếu, rút bớt nước úng trong vùng địa chất công trình Đây là một phương pháp ít được sự quan tâm, do thời gian thi công tương đối dài, nhưng lại được khá nhiều ủng hộ về phương diện kinh tế

 Các phương pháp thủy lực: Đây là nhóm phương pháp lớn như là sử dụng cọc thấm, lưới thấm, sử dụng vật liệu composite thấm, bấc thấm, sử dụng bơm chân không, sử dụng điện thẩm Các phương pháp phân làm hai nhóm chính, nhóm một chủ yếu mang mục đích làm khô đất, nhóm này thường đòi hỏi một lượng tương đối thời gian và còn khiêm tốn về tính kinh tế Nhóm hai ngoài mục đích trên còn muốn mượn 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 được cải thiện đáng kể

 Ngoài ra còn có các phương pháp mới được nghiên cứu như rung hỗn hợp, đâm xuyên, bơm cát…

1.3 XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU VÀ ỨNG DỤNG TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG:

Trong lĩnh vực nghiên cứu và xử lý nền đường ô tô đắp trên đất yếu trên các tuyến đường của Việt Nam, ngành GTVT đã có nhiều cố gắng trong việc ứng dụng công nghệ mới để xử lý hàng trăm kilomet đường bộ đắp trên đất yếu và đã thu được kết quả bước đầu đầy khích lệ

1.3.1 Giải pháp đắp trực tiếp và đắp dần theo giai đoạn:

1.3.1.1 Đắp trực tiếp:

 Đắp trực tiếp trên đất yếu là giải pháp được xem xét trước tiên khi xây dựng nền đường đắp trên đất yếu Đắp trực tiếp chỉ đảm bảo ổn định khi chiều cao đắp (bao gồm cả phần đắp dự phòng lún) < chiều cao đắp giới hạn Hgh, do vậy để

áp dụng được giải pháp này phải tính dự báo độ lún tổng cộng và phải xác định được Hgh tùy thuộc vào sức chống cắt ban đầu và bề dày tầng đất yếu

 Ưu điểm của giải pháp này là giá thành xây dựng thấp, đơn giản dễ thi công, tuy nhiên giải pháp đắp trực tiếp có nhược điểm là không áp dụng cho nền đắp cao được mà chỉ dược áp dụng cho nền đắp thấp và độ lún còn lại lớn và kéo dài trong suốt quá trình khai thác

1.3.1.2 Đắp dần theo giai đoạn:

 Khi nền đắp đất cao và độ lún lớn thì không thể áp dụng cách đắp trực tiếp được Vì vậy, giải pháp đắp dần theo giai đoạn sẽ được áp dụng trong trường hợp này, đắp theo giai đoạn là lợi dụng tối đa quãng thời gian thi công cho phép để

Trang 15

giai đoạn 1 và duy trì tải trọng đắp trong một thời gian t1 nhất định để chờ đất yếu phía dưới cố kết tức là chờ cho sức chống cắt của đất yếu tăng lên theo mức độ cố kết đạt được, nhờ đó có thể tăng thêm chiều cao đắp lên đến Hgh2 được gọi là giai đoạn 2, cứ tiếp tục chờ rồi lại đắp đến giai đoạn 3,… giải pháp đắp dần theo giai đoạn bị khống chế bởi quảng thời gian chờ cho phép và hiện cỏn một số tồn tại dưới đây:

+ Việc tính cố kết đạt được sau khi kết thúc giai đoạn 2 sẽ được tính như thế nào, cụ thể là phần đắp giai đoạn 1 trong suốt thời gian đắp và chờ của của giai đoạn 2 sẽ được xét đến như thế nào, tính toán trong giai đoạn 2 thì lấy theo sức chống cắt ban đầu hay sức chống cắt đã tăng lên sau thời gian đắp và chờ của giai đoạn 1

+ Bản thân của việc xác định độ cố kết hiện nay vẫn còn nhiều tồn tại gồm cả sự thay đổi hệ số thấm (dẫn đến sự thay đổi hệ số cố kết Cv) trong quá trình

cố kết và cả cách lấy mẫu về thí nghiệm xác định các thông số ở trong phòng như một số nghiên cứu đã cho thấy

+ Quan hệ gia tăng sức chống cắt của đất yếu trong quá trình cố kết hiện chưa được nghiên cứu xác định mà chỉ được dự tính theo các biểu thức đơn giản

1.3.2 Giải pháp thay đất và đắp bệ phản áp:

1.3.2.1 Đắp bệ phản áp:

 Bệ phản áp đóng vai trò làm đối trọng tăng độ ổn định của nền đắp chính, giảm khả năng trượt trồi về hai bên taluy nền đắp và cũng có thêm tác dụng là hạn chế thành phần lún do đất yếu bị đẩy ngang sang hai bên dưới tác dụng của tải trọng đắp chính

 Cấu tạo bệ phản áp thường được trình bày như hình vẽ 1.3-1

 Bề rộng bệ phản áp (bpa) được chọn theo vị trí mặt trượt trụ tròn nguy hiểm nhất sao cho mặt trượt đi qua trong phạm vi bệ phản áp Tuy nhiên để tiết kiệm đất,

bề rộng bệ phản áp bpa có thể rút xuống bằng (2/3÷3/4) chiều dài chồi đất ứng với cung trượt nguy hiểm nhất

 Chiều cao bệ phản áp (Hpa) chọn sao cho nhỏ hơn hoặc bằng chiều cao đắp trực tiếp giới hạn Hgh và nên lấy Hpa=(1/3÷1/2)Hgh

Hình 1.3-1

.HHpa

Trang 16

 Khi thi công bệ phản áp phải được thi công cùng lúc với nền đường, đất đắp bệ phản áp có thể không cần phải đầm nén

 Giải pháp bệ phản áp thi công đơn giản với các thiết bị thông thường dễ thi công nhưng lại chiếm dụng đất nhiều dẫn đến khó khăn trong công tác giải phóng mặt bằng

1.3.2.2 Thay đất:

 Thay đất chính là tạo bệ phản áp có bề rộng vô hạn ở hai bên nền đắp nhưng thay đất còn giảm được độ lún tổng cộng của nền đắp trên nền đất yếu vì giảm được bề dày của đất yếu phía dưới (Hình 1.3-2)

 Theo kết quả nghiên cứu, khi áp dụng giải pháp thay đất thì tỉ lệ giảm được

độ lún (trị số giảm lún so với độ lún tổng cộng) sẽ bằng khoảng 1,1÷1,3 lần tỉ lệ đào thay đất (chiều sâu thay đất so với chiều sâu vùng gây lún) Ngoài ra nhờ giảm chiều dài đường thấm nền đào thay đất cũng góp phần tăng nhanh độ cố kết từ đó giảm thời gian chờ lún

 Khi áp dụng giải pháp thay đất thì phải chú ý đến chiều sâu đào lớn nhất và khả năng duy trì vách đào trong một thời gian đủ để kịp đắp lại bằng vật liệu tốt (như cát, cát lẫn sỏi cuội hoặc đất loại tốt, ít dính, dễ đầm nén)

 Nhược điểm quan trọng của giải pháp này là phải giải quyết việc đem đất đào ra đổ đi đâu Để giải quyết vấn đền này, người ta thường giải quyết như sau:

+ Dùng cọc ván thép đóng hai bên thành vách hố đào để tăng độ ổn định của vách hố đào và đất đào được đổ ra ngoài hai bên hố đào để tận dụng làm bệ phản áp cho nền đường

+ Đắp một phần nền trực tiếp trên đất yếu rồi nổ mìn ép đất yếu phía dưới

ra để đánh tụ nền đắp xuống

1.3.3 Giải pháp gia tải trước hay còn gọi là gia tải tạm thời:

 Nguyên lý của giải pháp này là đắp thêm một chiều cao đắp vượt quá chiều cao đắp thiết kế và duy trì trong một thời gian t để cho nền đất yếu bên dưới lún đúng bằng độ lún cần đạt được đối với nền đắp thiết kế, sau khi đạt được mục tiêu này thì dở bỏ phần đắp thêm đó

 Để có hiệu quả thì chiều cao đắp thêm không được nhỏ quá (2÷3m) và thời gian duy trì tải trọng đắp thêm này ít nhất là 6 tháng

Hình 1.3-2

Hb

Htd

Trang 17

 Khi đắp gia tải trước cần phải đặc biệt chú ý đến kiểm toán sự ổn định của nền đắp khi có thêm tải trọng đắp gia tải trước và theo dõi khống chế tốc độ đắp, nếu không dễ xảy ra mất ổn định trong quá trình đắp nếu chiều cao đắp vượt quá chiều cao đắp giới hạn, vì vậy giải pháp này thường được kết hợp với giải pháp đắp bệ phản áp

 Phần đắp gia tải trước không cần đầm nén và có thể dùng cả đất xấu lẫn hữu cơ

1.3.4 Giải pháp dùng vải, lưới địa kỹ thuật:

 Nguyên lý của giải phải này là vải, lưới địa kỹ thuật (ĐKT) làm cốt tăng cường ở đáy nền đắp, khu vực tiếp xúc giữa nền đắp và đất yếu Do bố trí cốt như vậy nên khối trượt của nền đắp sẽ bị cốt chịu kéo giữ lại nhờ đó tăng thêm mức độ

ổn định cho nền đắp Ngoài làm chức năng tăng cường ổn định cho nền đắp đồng thời vải, lưới ĐKT còn tạo hiệu ứng de để đầm chặt đất

 Bố trí vải địa kỹ thuật khi xây dựng nền đắp trên đất yếu thường được thực hiện như trên hình vẽ 1.3-3

 Khi sử dụng VĐKT làm lớp phân cách thường được trải 1 lớp trên đất yếu rồi mới đắp nền đường bên trên Khi sử dụng VĐKT với chức năng gia cường thì dùng 2 hay nhiều lớp tùy thuộc vào việc tính toán, khoảng cách bố trí giữa 2 lớp tối thiểu là 0,3m Vật liệu

đắp trên mặt VĐKT phải

là loại vật liệu thoát nước

như cát hạt trung trở lên

 Tính toán ổn định

trượt sâu với hệ số ổn

định trượt được quy định

Kmin>1,2 được xác định

như sau:

ruot Momentgayt

Y N Momentgiu

Trang 18

k

N

N max

'

1

0

f h

2

0

f h

Nmax: là cường độ chịu kéo đứt lớn nhất của vải vải lúc đem dùng

k: hệ số lấy bằng 2 nếu dùng vải polyetle và lấy bằng 5 nếu dùng vải Polypropylen hoặc polyetylen

f’: hệ số ma sát tính toán (đã xét đến hệ số an toàn bằng 1,5) giữa đất đắp

và vải: f’=4/9tg

 Tính toán ổn định trượt đất đắp trên vải được kiểm tra theo điều kiện sau:

Fa < F Trong đó:

Fa: lực đẩy tính theo công thức:

2

1

h K

sin 1

G: Trọng lượng của khối đất đắp trong phạm vi mái dốc rộng L

 Giải pháp dùng vải ĐKT có giá thành xây dựng thấp hơn giải pháp đắp bệ phản áp nếu cùng đảm bảo mức độ ổn định như nhau, có tổng mức đầu tư có thể thấp hơn và chỉ bằng 1/3÷2/3 lần nếu dùng giải pháp đắp bệ phản áp (có tính đến

cả chi phí đền bù đất dùng làm bệ phản áp) Thi công trải vải ĐKT đơn giản nhưng chú ý rằng giải pháp này không có tác dụng giảm lún và do vậy nó chỉ có thể sử dụng một mình khi độ lún trong phạm vi cho phép

 Xu thế phát triển của giải pháp này là sử dụng các loại lưới địa kỹ thuật (ĐKT) để tăng ma sát giữa đất yếu và lưới (có lợi cho việc tạo ra lực kéo), thậm chí người ta đã sử dụng tầng đệm đáy bằng một lớp lồng cao đến 1m, các lồng này bằng lưới ĐKT kết cấu mạng tổ ong hoặc bằng lưới ô vuông polime móc chặt vào

Trang 19

nhau sau đó đổ chặt sỏi cuội, đá vào trong lồng đó Khi đắp nền cả khối lồng đá chìm vào trong đất yếu tạo ra tác dụng chống lại sự phá hoại trượt trồi

1.3.5 Giải pháp dùng tầng đệm cát:

 Tầng cát đệm được bố trí giữa đất yếu và nền đắp để tăng nhanh khả năng thoát nước cố kết từ phía dưới đất yếu lên mặt đất tự nhiên dưới tác dụng của tải trong nền đắp Tầng đệm cát có những tác dụng chính sau đây:

+ Tầng đệm cát đóng vai trò như một lớp chịu lực, có khả năng tiếp thu được tải trọng của công trình và truyền tải trọng đó xuống lớp đất chịu lực phía dưới

+ Giảm bớt độ lún toàn bộ và độ lún không đồng đều của công trình, đồng thời làm tăng nhanh quá trình cố kết của đất nền (vì cát trong lớp đệm có hệ số thấm lớn)

+ Làm tăng khả năng ổn định khi công trình có tải trọng ngang (vì cát trong lớp đệm sau khi được đầm chặt sẽ có lực ma sát lớn và có khả năng chống trượt)

+ Kích thước móng và chiều sâu chôn móng sẽ giảm vì áp lực tiêu chuẩn truyền lên lớp đệm cát tăng lên

+ Thi công đơn giản, không đòi hỏi các thiết bị phức tạp

 Chính vì những lý do trên mà biện pháp thay thế lớp đất yếu bằng lớp đệm cát đã trở thành một trong những biện pháp thông dụng được ứng dụng nhiều ở nước ta Tầng đệm cát bắt buột phải có khi áp dụng các giải pháp thoát nước cố kết theo phương thẳng đứng (như giếng cát, bấc thấm)

 Cát dùng làm tầng đệm cát cần phải đảm bảo được các yêu cầu sau: cát phải là loại cát có tỷ lệ hữu cơ <5%, cỡ hạt lớn hơn 0,25mm chiếm trên 50%, cỡ hạt nhỏ hơn 0,08mm chiếm ít hơn 5% và phải thõa mãn một trong hai điều kiện sau:

3 ) ( 1

60 10

2 30



D D D

Trong đó:

D30: Kích cỡ hạt mà lượng chứa các cỡ nhỏ hơn nó chiếm 30%

D10: Kích thước đường kính hạt mà lượng chứa các cỡ hạt nhỏ hơn nó chiếm 10%

 Chiều dày tầng đệm cát ít nhất phải bằng độ lún tổng cộng S, nhưng không được nhỏ hơn 50cm Độ chặt đầm nén của tầng cát đệm chỉ yêu cầu đạt K=0,9 Bề rộng mặt tầng đệm cát phải rộng hơn đáy nền đắp mỗi bên tối thiểu là 0,5÷1m, mái dốc và phần mở rộng hai bên của tầng đệm cát phải cấu tạo bằng tầng lọc ngược để nước cố kết thoát ra không lôi theo cát, nhất là khi lún chìm vào đất yếu nước cố kết vẫn có thể thoát ra và khi cần thiết dùng bơm hút bớt nước sẽ không gây phá hoại tầng đệm cát

Trang 20

 Tồn tại chủ yếu khi sử dụng tầng đệm cát chình là sự khan hiếm và giá thành của cát Đây chính là một vấn đề nan giải mà hầu hết các dự án xây dựng nền đắp trên đất yếu ở nước ta hiện nay gặp phải (kể cả cát dùng làm giếng cát) Do vậy vấn đề nghiên cứu tiêu chuẩn cát dùng làm đệm cát (kể cả cát dùng làm giếng cát) trở thành cấp bách cả về chỉ tiêu yêu cầu và cả về khả năng thấm thoát nước trên thực tế, trong đó các chỉ tiêu yêu cầu chỉ được coi như là xác đáng nếu nó dựa trên khả năng thấm thoát nước thực tế Điều này đòi hỏi phải xây dựng các đoạn thử nghiệm có điều kiện đất yếu và chiều cao đắp như nhau nhưng với tầng đệm cát bằng vật liệu cát khác nhau rồi theo dõi quá trình cố kết, xem mức độ cố kết trong đất yếu diễn ra khác nhau như thế nào hoặc trực tiếp quan trắc lượng nước thoát ra từ tầng đệm trong cùng một thời gian Ngoài ra, cũng nên lưu ý rằng hệ số thấm của các loại cát sẽ thay đổi theo trạng thái vật lý của cát và thay đổi cả trong quá trình làm việc của tầng đệm cát vì thế không nên chỉ dựa vào hệ số thấm k để quy định yêu cầu đối với vật liệu làm tầng đệm cát và vẫn phải xem xét quy định yêu cầu theo cả thành phần hạt để tiện kiểm tra

1.3.6 Giải pháp dùng phương tiện thoát nước thẳng đứng:

 Đối với nền đất yếu là loại sét bảo hòa nước có hệ số thấm nhỏ, thời gian hoàn thành giai đoạn cố kết thấm là rất lâu (có thể lên đến hàng chục năm) Trong những trường hợp này, đòi hỏi phải rút ngắn thời gian hoàn thành giai đoạn lún để sau khi nghiệm thu đưa công trình vào sử dụng thì độ lún còn lại sẽ không vượt quá giới hạn cho phép Ý tưởng của giải pháp dùng phương tiện thoát nước thẳng đứng để tăng nhanh quá trình cố kết của đất yếu dưới tải trọng nền đắp đã có từ năm 1925 và bắt đầu được triển khai từ năm 1930 Thời gian đầu đã sử dụng các hào cát thi công bằng phương pháp đào bằng máy, hạn chế của hào cát là chiều sâu không lớn, do vậy phát triển tiếp công nghệ tạo giếng cát co đường kính 20÷50cm bằng phương pháp đóng ống thép có mũi ống mở khi hút khi rút ống lên như hiện nay và tiếp đến là sự phổ biến các loại bấc thấm có tiết diện hình băng 10x0,5cm hoặc có tiết diện hình tròn đường kính 5cm thi công khá thuận tiện và nhanh

 Nhờ có bố trí phương tiện thoát nước theo phương thẳng đứng (giếng cát hoặc bấc thấm) nên nước cố kết ở các lớp sâu trong đất yếu dưới tác dụng của tải trọng đắp sẽ có điều kiện để thoát nhanh (thoát theo phương nằm ngang ra giếng

Trang 21

cát hoặc bấc thấm rồi theo chúng thoát lên mặt đất tự nhiên) Tuy nhiên để đảm bảo phát huy được hiệu quả thoát nước thì chiều cao nền đắp tối thiểu nên là 4m và khi thiết kế cần thõa mãn các điều kiện sau:

 vz z  ( 1 , 2 ~ 1 , 5 ). pz

lg ) lg(

vz

pz z

 Các giải pháp dùng phương tiện thoát nước cố kết thẳng đứng thường chỉ

áp dụng khi tầng đất yếu dày và nền đắp cao Vì giá thành xây dựng cao nên thường chỉ áp dụng khi dùng các giải pháp khác không thể đảm bảo được tiêu chuẩn về độ lún cho phép còn lại Khi sử dụng các giải pháp thoát nước cố kết thẳng đứng nhất thiết phải bố trí tầng đệm cát, nếu dùng giếng cát thì đỉnh giếng cát phải tiếp xúc trực tiếp với tầng cát đệm, nếu dùng bấc thấm thì bấc thấm phải cắm xuyên qua tầng cát đệm và cắt dư thêm tối thiểu là 20cm cao hơn mặt trên của tầng cát đệm

 Cát dùng cho giếng cát cũng phải có yêu cầu như cát dùng cho lớp đệm cát,

cụ thể là: cát phải là loại cát có tỷ lệ hữu cơ <5%, cỡ hạt lớn hơn 0,25mm chiếm trên 50%, cỡ hạt nhỏ hơn 0,08mm chiếm ít hơn 5% và phải thõa mãn cả hai điều kiện sau:

10

60 

D D

3 ) ( 1

60 10

2 30



D D D

 Bấc thấm dùng làm phương tiện thoát nước cố kết thẳng đứng cũng phải đạt được các yêu cầu sau:

+ Kích thước lỗ vỏ lọc của bấc (ASTM D4571): O95<75m

+ Hệ số thấm của vỏ lọc (ASTM D4491):  1.10-10m/sec

Trang 22

+ Khả năng thoát nước của bấc thấm với áp lực 350kN/m² (ASTM D4716):

+ Mặc dù khi dùng đường kính giếng cát nhỏ thì khoảng cách bố trí chúng

sẽ giảm đi để đạt yêu cầu về thời gian và độ cố kết mong muốn Tuy nhiên theo kết quả nghiên cứu đã cho thấy: để đạt cùng một yêu cầu cố kết như nhau thì tổng lượng cát phải sử dụng làm thoát nước thẳng đứng sẽ càng nhỏ khi đường kính giếng cát càng nhỏ Ngoài ra nếu tính cả chi phí làm túi lọc (ruột tượng) thì tổng chi phí cũng không đắt hơn, trong khi việc tiết kiệm được cát cũng góp phần giảm tác động xấu đến môi trường thiên nhiên

+ Việc thi công vẫn sử dụng cách đóng ống thép có mũi ống mở khi rút ống lên sau khi nhồi đầy cát vào trong túi được thả trong ống thép

1.3.7 Giải pháp hút chân không:

 Nguyên lý của giải pháp này là dùng bơm hút để tạo ra một khoảng chân không giữa một màng kín phủ phía trên với khu vực đết yếu cần xử lý ở phía dưới như hình vẽ 1.3-6 dưới đây:

 Nhờ lực hút chân không nước cố kết theo các phương tiện thoát nước thẳng đứng và băng thoát nước ngang thoát ra hào thu nước bố trí ở hai bên Thông thường giải pháp này chỉ tạo được một áp lực có hiệu trong đất yếu tối đa tương

Trang 23

nhanh hơn rất nhiều so với việc đắp cao đến 4m rồi chờ đến cố kết xong Hơn nữa giải pháp hút chân không còn có lợi hơn so với đắp giai tải rồi chờ lún ở chỗ là có thể hạn chế được rũi ro trong quá trình đắp khi tốc độ cố kết không tăng kịp với tốc

độ đắp Gần đây công nghệ hút chân không còn được phát triển thêm một bước đó

là không cần phủ màng kín mà dùng các đầu nối trực tiếp vào ống bơm hút với từng phương tiện thoát nước thẳng đứng với điều kiện là mỗi chỗ nối tiếp phải đảm bảo tuyệt đối kín

 Ưu điểm chính của giải pháp này là giảm được thời gian chờ cố kết xuống đến mức là ít nhất tùy thuộc vào năng lượng bơm hút đồng thời đảm bảo đất yếu lún hết trước khi xây dựng nền đắp ở bên trên, và không bị trượt trồi đất hai bên trong quá trình thi công và chờ lún cố kết Tuy nhiên, giải pháp này còn nhiều hạn chế đó là:

+ Chiều cao đắp nền phía trên tối đa chỉ được 4m (dó áp lực đẩy khoảng 80kPa) do lực bơm hut bị hạn chế, thời gian thực hiện cũng hoàn toàn phụ thuộc vào năng lượng bơm hút và thời gian lắp đặt hệ thống

+ Giải pháp thi công đi hỏi yêu cầu kỹ thuật cao, phức tạp với các thiết bị chuyên dùng nên làm tốn kém kinh phí

+ Rủi ro thường gặp khi bị rò rĩ khí do màng phủ không đảm bảo kín hoặc đặc biệt do các chỗ nối tiếp giữa ống bơm hút bị hỡ

 Do các hạn chế nói trên, nên phạm vi áp dụng của giải pháp bơm hút chân không chỉ là những khu vực đất rất yếu hoặc bùn lỏng không thể áp dụng đắp gia tải phía trên và do yêu cầu về tiến độ thi công ngắn không thể áp dụng các giải pháp khác được

1.3.8 Giải pháp cọc cát, cột ba lát (cột đá dăm):

 Cọc cát cũng chính là giếng cát (đường kính 30÷50cm) nhưng trong quá trình đổ cát và rút ống tạo lỗ lên, cát được đầm chặt chèn vào đất yếu theo cả phương ngang bằng đầm rung Nhờ đó ngoài tác dụng thấm thoát nước như của phương tiện thoát nước thẳng đứng ra cọc cát còn tác dụng tăng cường sức chống cắt của nền đất yếu theo nguyên lý “nền móng phức hợp”, cụ thể là khi kiểm toán

ổn định dưới tác dụng của nền đắp được phép xét đến cả sức chống cắt của phần mặt trượt cắt qua cọc cát và phần sức chống cắt tăng thêm do đất yếu bị chèn ngang

 Cọc ba lát cũng tương tự như cọc cát nhưng không dùng cát mà dùng vật liệu hạt là đá dăm 20/40mm (có góc cạnh nên tạo ra ma sát lớn) đầm chặt trong các

lỗ khoan có đường kính 60÷120cm (vì đường kính lớn như vậy nên không gọi là cọc mà gọi là cột) Cũng do có đường kính lớn và lực chống cắt lớn nên có tác dụng giảm cả độ lún của nền đất yếu dưới tải trọng đắp vì tạo một nền móng phức tạp có mô đun biến dạng chung cao hơn mô đung biến dạng riêng của đất yếu

 Cách thi công cọc cát, cọc ba lát cũng dùng cọc ống thép tạo lỗ với mũi có cánh mở như thi công giếng cát và sử dụng đầm rung để đầm chặt cát và đá dăm trong quá trình rút ống thép tạo lỗ lên

Trang 24

 Chiều sâu của loại cọc cát và cọc ba lát thường không sâu quá 15m, nếu sâu quá thì khó đảm bảo duy trì sự liên tục theo phương thẳng đứng và cả về chất lượng thi công

 Ưu điểm chính của giải pháp này là cách thi công đơn giản quen dùng Nhược điểm là tốn vật liệu và vật liệu lại không rẽ nên làm đội giá thành xây dựng, ngoài ra còn làm ảnh hưởng đến môi trường xung quanh do chấn động trong quá trình thi công, do vậy chỉ sử dụng cho một phạm vi không lớn như đoạn chuyển tiếp sát mố cầu hoặc móng các bồn chất lỏng nằm trên nền đất yếu

1.3.9 Giải pháp cột đất xi măng hoặc vôi:

 Nguyên lý của giải pháp này là dùng các trang thiết bị trộn sâu chuyên dụng (hay phương pháp trộn dưới sâu Deep mixing method – DMM) để trộn đất yếu tại chỗ với xi măng hoặc vôi tạo ra các cọc đất gia cố xi măng hoặc vôi loại mềm hoặc loại nữa cứng Các cột này vừa thay thế một phần đất yếu lại vừa chèn vào trong đất yếu tạo ra các hạn chế nỡ hông theo phương ngang đối với đất yếu, tạo ra lực ma sát giữa cột và đất yếu và từ đó tạo ra được sự cùng làm việc ở cùng một mức độ nhất định giữa cột và đất yếu khi chịu tải trọng đắp phía trên, tạo ra một móng làm việc theo nguyên lý “nền móng phức hợp” dẫn đến tăng sức chịu tải

và giảm độ lún của đất yếu kể cả khi cột có độ sâu đến hoặc không đến lớp đất chịu lực tốt

 Cường độ của bản thân mỗi cọc đất gia cố xi măng hoặc vôi phụ thuộc vào loại đất yếu, điều kiện hình thành đất yếu, thành phần khoáng hóa, hàm lượng muối, hàm lượng hữu cơ, độ pH, độ ẩm của đất yếu

 Trong quá trình phát triển đến nay, loại cọc đất gia cố vôi ngày càng ít sử dụng mà chủ yếu sử dụng cọc đất gia cố xi măng Vì công nghệ nghiền và bảo quản vôi sống khá khó khăn nên việc tìm nguồn cung cấp vôi khó hơn là xi măng, trong khi cường độ gia cố vôi thấp hơn và vôi sống khó bảo quản trong điều kiện nóng ẩm Đặc biệt là cường độ gia cố vôi rất khó hình thành trong môi trường đất

có độ ẩm quá cao gần như bảo hòa nước

 Hiệu quả của việc xử lý nền bằng xi măng hoặc vôi sẽ kém khi độ ẩm và hàm lượng hữu cơ gia tăng Chỉ số dẻo của đất càng lớn thì khả năng cải tạo nền càng kém Cải tạo nền hữu cơ bằng xi măng hiệu quả hơn cải tạo bằng vôi Hiệu quả của xi măng sẽ giảm dần khi hàm lượng sét và chỉ số dẻo tăng Như vậy độ linh hoạt của sét càng lớn thì cường độ của đất xử lý bằng xi măng càng thấp

 Cọc đất gia cố xi măng thường dùng cho: các công trình chịu tải lớn (như đường lăn, bãi đỗ trong sân bay, bãi đúc các cấu kiện lớn, nền kho bãi, ), các công trình gia cố nền trong phạm vi nhỏ hẹp (nhà móng nông bị nghiêng lún, )

 Về công nghệ thi công cột đất gia cố xi măng hoặc vôi hiện tại trên thế giới

đã phát triền thuần thục 2 loại công nghệ trộn phun ướt và công nghệ phun khô

Phương pháp trộn phun ướt (Wet Jet Mixing Method):

 Phương pháp trộn phun ướt hay còn gọi là phương pháp trộn vữa với đất yếu: trong phương pháp này xi măng hoặc vôi được trôn với nước thành một dung

Trang 25

20Mpa Trình tự thi công theo phương pháp này là khoan tới độ sâu thiết kế, phun dung dịch lỏng ở đáy lỗ cho nó xâm nhập vào cả 2 bên đáy lỗ, tiếp đó vừa rút cần khoan lên vừa phun (có thể rút lên từng đoạn rồi lại hạ cần xuống để phun vữa lại),

cứ như vậy cho đến cách cao trình đỉnh lỗ 30cm, khi đắp nền móng ở trên phải san gạt phần đất 30cm bỏ đi

 Phương pháp trộn phun ướt có thiết bị thi công gọn nhẹ hơn phương pháp trộn phun khô, tuy nhiên phương pháp này thường cho cọc có tiết diện không đồng đều vì sức chống cắt của đất thay đổi theo độ sâu mà áp lực phun thì không thay đổi Nên khi sử dụng phương pháp này cần có thử nghiệm thay đổi áp lực phun phù hợp theo địa chất công trình

Phương pháp trộn phun khô (Dry Jet Mixing Method):

 Theo phương pháp này bột xi măng được phun vào đất qua các lỗ ở đầu ống bằng hệ thống khí nén, sau đó bột xi măng được trộn với đất bằng cách cho quay hai cánh đối xứng ở đầu ống trong điều kiện không thêm nước vào đất yếu Như vậy phương pháp này có ưu điểm hơn phương pháp trôn phun ướt vì chỉ sử dụng nước có trong đất yếu để thủy hóa chất liên kết nên cường độ đất gia cố sẽ cao hơn, thêm vào đó lượng nhiệt tạo ra khi thủy hóa làm khô thêm đất yếu lân cận

và hiệu quả gia cố cũng cao thêm

 Khi thi công đầu tiên mũi khoan quay xuôi phun khí để hạ dần đến cao độ thiết kế, tiếp đó mũi khoan quay ngược lại vừa quay vừa rút lên đồng thời phun bột

xi măng hoặc vôi Tại các chỗ quan trọng như đầu cọc và mũi cọc có thể điều khiển cần khoan lên rồi lại hạ xuống để phun đi phun lại và trộn đi trộn lại vài ba lần Quá trình thi công luôn phải kiểm tra và khống chế lượng xi măng hoặc vôi đã phun vào đất thông qua cửa ra của phểu chứa chúng

 Việc tính toán cọc đất gia cố xi măng bao gồm việc tính sức chịu tải của một cọc đơn, khả năng chịu tải của một nhóm cọc, xác định mô đun đàn hồi chung của nền móng phức hợp tùy thuộc vào tỉ lệ tổng diện tích tiết diện cọc so với diện tích vùng địa chất chịu ảnh hưởng xung quanh để từ đó dự tính độ lún của nền đắp

 Nhìn chung cọc đất gia cố xi măng hoặc vôi là các giải pháp thích hợp với những công trình có tải trọng nặng ở trên do vậy với nền đường ô tô chỉ thích hợp khi có chiều cao đắp lớn (trên chục mét), vì giá thành quá cao và chất lượng thi công chưa có thể hoàn toàn kiểm soát và khống chế được Về mặt lý thuyết tính toán hiện vẫn còn nhiều tồn tại và sự khác biệt quá lớn giữa cường độ gia cố thí nghiệm trong phòng với điều kiện trộn phun thực tế

Trang 26

CHƯƠNG 2: BIỆN PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU

BẰNG PHƯƠNG PHÁP GIẾNG CÁT

2.1 KIỂM TRA ỔN ĐỊNH NỀN ĐẤT YẾU DƯỚI NỀN ĐƯỜNG:

- Nền đắp trên đất yếu sẽ mất ổn định khi sức chống cắt của đất yếu không đủ chịu đựng được ứng suất cắt do tải trọng ngoài (đất đắp và xe cộ) gây ra Một khi vùng đất yếu không hoàn toàn đối xứng (về hình dạng và đặc trưng cơ lý) so với tim nền đường đắp thì mất ổn định có thể xảy ra dưới dạng trượt trồi sang một bên, ngược lại khi các yếu tố trên khá đối xứng thí mất ổn định có thể xảy ra dưới dạng nền bị lún sụt sâu vào trong đất yếu

- Nền đắp trên đất yếu sẽ kém ổn định nhất khi mới đắp xong nền đường bên trên, khi mà đất yếu vừa mới bắt đầu cố kết, vì vậy việc tính ổn định thường được tiến hành ở thời điểm mới đắp xong nền đường (ổn định ngắn hạn)

- Vì vậy việc tính ổn định nền đường đắp trên đất yếu phải tính ổn định dưới hai hình thức: mất ổn định do lún trồi và mất ổn định do trượt

2.1.1 KIỂM TRA ỔN ĐỊNH DO LÚN TRỒI:

- Hệ số ổn định do lún trồi được xác định theo công thức sau:

(2.1-1) Trong đó:

gh C C

q  (  2 )  5 , 14

49 , 1

nen dat yeu

.

tt

Trang 27

Cu: lực dính của đất nền trong điều kiện không thoát nước

Nc: hệ số được tra theo biểu đồ

- Trong thực tế để thi công đắp cao trên nền đất yếu cần thiết phải tiến hành đắp theo từng giai đoạn, do khả năng chịu tải của nền đất thấp nên chiều cao đắp tính

- Để đạt chiều cao đắp thiết kế cần phải đảm bảo áp lực nước lỗ rỗng thặng dư nên trong một số trường hợp phải kéo dài thời gian đắp để đảm bảo điều kiện ổn định công trình

2.1.2 KIỂM TRA ỔN ĐỊNH DO TRƯỢT:

- Mất ổn định do trượt một bộ phận của nền đường và một phần của nền đất yếu là hình thức phá hoại thường gặp nhất Mặc dù là trượt cục bộ nhưng trong thực tế đại bộ phận nền đường và đất yếu bị phá hoại dưới dạng một bậc trượt ở đỉnh nền đường, một đoạn nền đường đắp bị lún sụp và một đống đất trồi ở chân taluy

- Việc tính toán ổn định do trượt được tiến hành theo bài toán phẳng, mặt trượt

có dạng hình trụ tròn với cách giải theo phương pháp phân mảnh của Bishop thì hệ

số ổn định trượt (Fs) được tính theo công thức sau:

αn: Góc nghiêng của mặt đáy của mảnh thứ n

- Vì trong công thức tính Fs lại có mặt của Fs nên để tìm được trị số của hệ số

ổn định do trượt phải dùng phương pháp thử nhiều lần dẫn đến tốn nhiều thời gian Ngày nay, với sự phát triển của máy tính thì việc giải bài toán đó là rất nhanh và chính xác

- Để xác định hệ số an toàn Fs ứng với cung trượt nguy hiểm nhất, tác giả đã sử dụng chương trình Geo – Slope (version 2004) của Canada để kiểm tra ổn định do trượt

đ gh

q H

n n s

W

m b

u W b c F







sin

1 ' tan ).

(

Trang 28

- Theo 22TCN 262-2000 quy định hệ số ổn định trượt khi tính toán bằng phương pháp của Bishop thì:

+ Fs ≥ 1,2 trong qua trình thi công

+ Fs ≥ 1,4 trong quá trình khai thác

2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN:

2.2.1 CƠ SƠ LÝ THUYẾT:

- Khi nghiên cứu quá trình cố kết của nền đất yếu được xử lý bằng phương

pháp giếng cát, người ta phải tiến hành giải quyết bài toán cố kết thấm ba chiều

Năm 1935, L.Rendulic đã đề nghị phương trình vi phân cố kết đối xứng trục để xác định trị số áp lực nước lỗ rỗng khi dùng phương pháp giếng cát như sau:

(2.2-1)

Trong đó:

pn: Áp lực nước trong lỗ rỗng ở thời điểm đang xét

t: Thời gian cố kết khảo sát

r: Khoảng cách từ điểm đang xét đến trục z

z: Độ sâu điểm khảo sát

kr và kz: Hệ số thấm của đất theo chiều xuyên tâm và chiều thẳng đứng

tb: Hệ số rỗng trung bình của đất

a: Hệ số nén của đất

- Năm 1942, N.Carrillo đã nêu lên định lý phân bài toán cố kết thấm ba chiều thành tổng hợp của bài toán cố kết thấm theo chiều thẳng đứng và bài toán cố kết

theo hướng xuyên tâm

- K.Terzaghi đã dùng phương pháp giải tích để giải bài toán cố kết thấm theo chiều thẳng đứng

- R.E Glover, R.A Barron, Icarhy Da Silveira đã cho lời giải của bài toán cố kết theo hướng xuyên tâm

- Sven Hansbo và M.Yu Abêlêv đã cho lời giải bài toán cố kết theo hướng xuyên tâm khi xét đến độ dốc thuỷ lực ban đầu và độ bền cấu trúc của đất

Các giải thiết cơ bản trong tính toán:

- Dưới tác dụng của tải trọng, đất nền chỉ biếng dạng theo hướng thẳng đứng

- Vùng ảnh hưởng của mỗi giếng là một hình trụ có đường kính bằng khoảng cách giữa các trục của giếng

2 2 2

2

1

z

p C r

p r r

p C t

z n n

r n

n

tb r r



 ) 1 ( 



a

k C

n

tb z z



 ) 1 ( 



Trang 29

- Tốc độ nước thấm trong đất được xác định theo định luật Darcy Đối với đất yếu có tính nén lớn, độ dốc thủy lực ban đầu xem như gần bằng không

- Bỏ qua sự khác nhau về tính nén của môi trường đất và vật liệu trong giếng, xem nền đất là hoàn toàn đồng nhất để đơn giản việc tính toán

- Điều kiện ban đầu và điều kiện bờ để giải các bài toán cố kết như sau

q: tải trọng phân bố đều của công trình

h: chiều dày lớp đất trong đó có giếng cát

- Dựa vào sự phân tích của N.Carrillo, trị số áp lực nước trong lỗ rỗng p (z, r, t)

có thể xác định như sau:

(2.2-8) Trong đó:

pn (z, t): Áp lực nước trong lỗ rỗng theo hướng thẳng đứng

pn (r, t): Áp lực nước trong lỗ rỗng theo hướng xuyên tâm

Tính toán cố kết nền đất khi dùng giếng cát:

- Phương trình (2.2-1) theo chứng minh của N.Carrillo, có thề tách thành 2 phương trình dưới đây:

(2.2-9)

(2.2-10)

Khi q không thay đổi theo thời gian: (q=const)

- Dựa vào những điều kiện ban đầu và điều kiện bờ (2.2-3), (2.2-4), (2.2-5) K.Terzaghi đã đưa ra lời giải của phương trình (2.2-9) như sau:

) , ( ).

, ( ) , , (

r z p

t r p t z p t r z p

n

n n

n 

2 2

z

p C t

z n

p C t

r

2 2

q M e

i q t

z

i

t h

i C n

z

1

8 ) , (

1

4 2 2

2 2 2

2 2

1 8

i

T i z

z e i M



Trang 30

(2.2-13) Trị số có thể xác định theo biểu đồ hình (2-2)

Hình 2-2: Biểu đồ tra giá trị của Hình 2-3: Biểu đồ tra giá trị của

- Dựa vào những điều kiện ban đầu và điều kiện bờ (2.2-3), (2.2-6), (2.2-7) GS.Hoàng Văn Tân đã đề nghị lời giải của phương trình (2.2-10) như sau:

(2.2-14)

(2.2-16) (2.2-17) (2.2-18) Trị số có thể xác định theo biểu đồ hình (2-3)

- Sau khi xác định được trị số pn(z, t) và pn(r, t) ta có thể tính được pn(z, r, t) dựa vào công thức (2.2-8) như sau:

sx x J

sx J x s q t r

i

T x s i i

i n

4 2

0

2 1 1 2

2 2

) ( ) (

) ( ).

1 (

1 4

) , (

0

2 1 1 2

2

) ( ) (

) ( ).

1 (

1 4

i

T x s i i

i

sx x J

sx J x s M

0

r m

T r  r

r

M

) 0 , , (

) , ( ).

, ( ) , , (

r z p

t r p t z p t r z p

n

n n

n 

q M M t r z

p n( , , )  z r

)) , , ( (

1 ) (

1

t r z p q h

a t







Trang 31

(2.2-21) Trong đó:

a: Hệ số nén của đất

1: Hệ số rỗng ban đầu

S: Độ lún toàn phần

 Khi q thay đổi theo thời gian: q=q(t)

- Khi tải trọng q thay đổi theo quy luật bất kỳ q=q(t), giáo sư Hoàng Văn Tân

đã đề nghị phương trình vi phân có dạng tổng quát dưới đây:

(2.2-22)

Trong đó: q’(t): là đạo hàm của q(t)

- Dựa vào điều kiện ban đầu q=q(0) và các điều kiện bờ đã nêu trên, GS.Hoàng Văn Tân đã giải phương trình (2.2-22) cho kết quả như sau:

(2.2-23)

- Khi q phân bố theo quy luật bậc nhất (hình 2-3)

thì Pn(z,r,t) có thể tính theo hai trường hợp sau:

* Nếu t ≤ t0 (q=αt, q(0)=0 và q’(t)= α) thì:

(2.2-24)

* Nếu t > t0 thì:

(2.2-25) Trong đó:

t0: Thời điểm chuyển tiếp từ tải trọng tăng sang không tăng

α: Hệ số phân bố tải trọng

(2.2-26)

 Khi q thay đổi theo thời gian và tính thấm k thay đổi:

- Hệ số thấm k phụ thuộc vào sự thay đổi hệ số rỗng  trong quá trình nén chặt dưới tác dụng của tải trọng q(t) thay đổi theo thời gian, và được xác định theo biểu thức sau:

r z n

M M q

t r z p S

t U t

U( )  ( ) 1  ( , , )  1 

) ( '

1

2 2 2

2

t q z

p C r

p r r

p C t

z n n

r n

z

n z r t M M q q t e dt

p

r z

0

2 2 2

).

( ' ) 0 ( )

) , ,

E

M M t r z

) , , ( ) , , ( ) , , (z r t p1 z r t p 2 z r t t0

2 0

2 1 2

2

x C h C

E z   r

q(t)

tto

t<to t>to

Hình 2-3

Trang 32

Dựa vào thực nghiệm, ta có biểu

đồ quan hệ giữa k,  và p như trên hình

vẽ (2-4)

- Khi tính thấm k và tải trọng q(t)

đều thay đổi theo thời gian, thì phương

trình vi phân tuyến tính bậc hai có

hệ giữa k,  và p

(2.2-30) Trong đó:

2 1 2 1



k k k

k

1 2

p p

1

2 2 2

2 2

p B r

p r r

p B z

p A r

p A t

z n n

r n

z n

r n

k

t n

tb r r

k B

t n

tb z z

k B

) 1 (

Trang 33

(2.2-33) Trong đó: Er = -Br và Ez = -Bz

- Khi q(t) = q = const thì công thức (2.2-33) sẽ trở thành đơn giản như sau:

số nén ngang  đến trị số áp lực nước trong lỗ rỗng là không lớn

- Khi hệ số nén ngang =1 thì trị số áp lực nước trong lỗ rỗng trong trường hợp

cố kết thấm ba chiều và cố kết thấm một chiều khác nhau rất ít, điều đó cho phép

có thể đơn giản hóa vấn đề tính toán Từ đó dẫn đến kết luận rằng, khi tính thấm thay đổi, trong trường hợp đất bão hòa nước có thể phân bài toán cố kế thấm ba chiều thành tổng hợp của bài toán cố kết theo chiều thẳng đứng và bài toán cố kết theo hướng xuyên tâm

Uv: Độ cố kết trung bình do thoát nước theo phương thẳng đứng

) ( 1

).

( ' 1

1 ln

0 (

2

t q dt

e e

t q B

A e

M M e

A

B t

z z q

B A r

z t

q B A

z

z n

i r z z z z

z z

)

r z t

q B A

z

q M M M

M e

A

B t

r z

t q B A

z z A n

z z

ln )

, , (

A

B t r z p

t D B A

zr

r z t q B A

z

z n

zr z z z

z



1 ln

) , , (

)

z z

r z

zr

B A r

x E h

E D





2 0

2 1 2

2

4 



Trang 34

Uh: Độ cố kết trung bình do thoát nước theo phương ngang

áp lực trung bình mà lớp đất yếu i phải chịu trong quá trình cố kết

H: chiều sâu thoát nước cố kết theo phương thẳng đứng, nếu chỉ có một mặt thoát nước ở trên thì H=za còn nếu có cả hai mặt thoát nước cả trên và dưới thì H=za/2

Th: Nhân tố thời gian theo phương ngang: (2.2-42)

Với: l là khoảng cách tính toán giữa các giếng cát

+ Nếu bố trí giếng cát theo kiểu ô vuông thì l=1,13D

+ Nếu bố trí giếng cát theo kiểu tam giác thì l=1,05D

D: là khoảng cách giữa các tim giếng cát

Ch (cm2/s): Hê số cố kết theo phương ngang, được xác định thông qua thí nghiệm nén lún không nở hông đối với mẫu nguyên dạng lấy theo phương nằm

t H

C T

tb v

v  2

tb v

C

2 2

a tb

v

C h

z C

F

T

t l

C

T h

h  2

Trang 35

khăn vì không lấy được mẫu nguyên dạng theo phương ngang ở độ sâu trong lớp đất yếu Nếu vùng đất yếu cố kết gồm nhiều lớp đất có Ch khác nhau thì trị số dùng

để tính toán là trị số Ch trung bình gia truyền theo bề dày các lớp khác nhau đó Trường hợp không có số liệu khi thiết kế cơ sở thì cho phép xác định Ch theo công thức sau: Ch= (2÷5)Cvtb

F(n): nhân tố xét đến ảnh hưỡng của khoảng cách bố trí giếng cát được

xác định tùy thuộc vào tỉ số: n=l/d (với d là đường kính của giếng cát), theo công

Với chiều sâu vùng đất yếu bị lún dưới tác dụng của tải trọng đắp hay phạm

vi chịu ảnh hưởng của tải trọng đắp za được xác định theo điều kiện:

(2.2-44)

trong đó:

za - Ứng suất do tải trọng đắp gây ra ở độ sâu za (nếu phục vụ cho việc tính

độ lún tổng cộng S thì tải trọng đắp cũng chỉ gồm tải trọng đắp thiết kế)

vza - Ứng suất do trọng lượng bản thân các lớp phía trên gây ra ở độ sâu za (có xét đến áp lực đẩy nổi nếu các lớp này nằm dưới mức nước ngầm)

+ Tính toán phân bố ứng suất zi theo toán đồ Osterberg với chiều cao nền thiết kế có dự phòng lún Htk’ = Htk + Sgt (Htk là chiều cao nền đắp thiết kế, nếu đắp trực tiếp thì kề từ mặt đất tự nhiên khi chưa đắp đến mép vai đường; nếu có đào bới đất yếu thì kể từ cao độ mặt đất yếu sau khi đào)

+ Với tải trọng đắp Htk tính toán độ lún cố kết Sc theo phương pháp phân tầng lấy tổng theo dạng đường cong nén e = f(log), với công thức như sau:

4

1 3 ) ln(

1 )

(

n

n n n

n n

i z i c

i vz

i pz

i r i o

i

e 1 H S

Trang 36

Cic - Chỉ số nén lún hay độ dốc của đoạn đường cong nén lún (biểu diễn dưới dạng e  lg ) trong phạm vi i > ipz của lớp đất i

Cir - Chỉ số nén lún hay độ dốc của đoạn đường cong nén lún nói trên trong phạm vi i > ipz

ivz , ipz , iz - Áp lực (ứng suất nén thẳng đứng) do trọng lượng bản thân các lớp đất tự nhiên nằm trên lớp i, áp lực tiền cố kết ở lớp i và áp lực do tải trọng đắp gây ra ở lớp i (xác định các trị số áp lực này tương ứng với độ sâu z ở chính giữa lớp đất yếu i)

Chú ý:

a) Khi ivz > ipz (đất ở trạng thái chưa cố kết xong dưới tác dụng của trọng lượng bản thân) và khi ivz = ipz (đất ở trạng thái cố kết bình thường) thì công thức (VI-1) chỉ còn một số hạng sau (không tồn tại số hạng có mặt Cir)

b) Khi ivz < ipz (đất ở trạng thái quá cố kết) thì tính độ lún cố kết Sc theo

VI-1 sẽ có 2 trường hợp:

 Nếu iz > ipz - ivz thì áp dụng đúng công thức (VI-1) với cả hai số hạng

 Nếu iz < ipz - ivz thì áp dụng công thức sau:

+ Xác định độ lún cố kết của nền đắp trên đất yếu sau khoảng thời gian t theo công thức sau:

St = U.Sc

Trong đó: Sc xác định như ở Điều VI.2.3 còn U xác định như trên

+ Phần độ lún cố kết còn lại sau thời gian t, S sẽ là:

S = (1-U).Sc

Dự tính sự gia tăng sức kháng cắt của nền đất yếu:

- Sức kháng cắt của đất phát triển trong quá trình cố kết được tính theo công thức sau:

i pz

i vz i z i r i o

i

e

H S

m S

Trang 37

Trong đó:

: Sức kháng cắt không thoát nước ban đầu

: Ứng suất do trọng lượng bản thân

: Ứng suất tiền cố kết

: Ứng suất do tải trọng nền đường gây ra

U: Độ cố kết đạt được tại thời điểm tính toán

m: Hệ số tăng sức kháng cắt được dự báo theo A.W.Skempton tuỳ thuộc vào chỉ số dẻo Ip (tức là tuỳ thuộc vào tính chất vật lý của đất yếu), được xác định theo công thức: m = 0,11 + 0,0037 x IP’ (m = 0,2 ÷ 0,5 tuỳ loại đất yếu)

2.2.2.2 Tính toán theo lời giải đề nghị của GS Hoàng Văn Tân:

- Theo GS.Hoàng Văn Tân công thức cơ bản xác định mức độ cố kết Ut của nền đất yếu có bố trí giếng cát tại thời điểm t là:

(2.2-48)

Mz và Mr – xác định theo các công thức đã nêu trên

- Trình tự tính toán độ lún của nền đất yếu có xứ lý giếng cát kết hợp gia tải trước theo lời giải đề nghị của GS Hoàng Văn Tân như sau:

+ Xác định độ lún cuối cùng có xét đến sự khác nhau giữa tính nén của vật liệu cát trong giếng và đất yếu xung quanh theo công thức sau:

h: Chiều dày của lớp đất yếu có giếng cát

với R: bán kính vùng ảnh hưỡng của giếng cát, r0: bán kính giếng cát

Ở đây ta có nhận xét, khi r0=0 (tức là không có giếng cát) thì công thức (2.2-49) sẽ trở về công thức tính độ lún cuối cùng trong nền đất đồng nhất, tức là công thức của phương pháp “phân tầng lấy tổng” dùng đường cong nén lún e = f() như sau:

t M M

U  1 

h s

s S

đ g

.

1

1 1

1

2 2

2

1 2

Trang 38

(2.2-49b) + Xác định độ lún theo thời gian theo công thức: St = Ut x S

+ Để xác định Ut tại thời điểm t, ta phải tính các trị số sau:

+ Mr xác định từ biểu đồ thông qua giá trị của Tr và s=R/r0 (Hình 2.3)

2.2.2.3 Tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn:

- Một trong các phương pháp xác định độ lún của nền đất yếu được xử lý bằng giếng cát là phương pháp phần tử hữu hạn mà phần mềm phổ biến hiện nay là Plaxis

- Ưu điểm của phương pháp này là trong tính toán mô phỏng, ứng xử ứng suất – biến dạng của từng loại vật liệu đều được xét đến thông qua các mô hình vật liệu sẵn có Do đó, trong tính toán mô phỏng, sự có mặt của vật liệu giếng cát được xét đến và có thể ảnh hưỡng đáng kể lên giá trị trung bình của toàn bộ vùng nền đất yếu Những ưu điểm không thể không nói đến của phương pháp phần tư hữu hạn là

có xét đến tính liên tục của môi trường vật liệu, trạng thái ứng suất ban đầu, quá trình thi công

- Để tính toán mô phỏng ửng xử ứng suất – biến dạng của nền đất yếu, mô hình được xem xét là hợp lý thường được chọn là mô hình Soft soils có căn cứ trên cơ

sở mô hình Cam Clay biến cải Đây là mô hình đàn – dẻo – hóa cứng với các thông

số rất đặc trưng cho nền đất yếu về mặt biến dạng như chỉ số nén *, chỉ số nở k*, giá trị hệ số quá cố kết OCR,… Ngoài ra các đặc trưng độ bền cũng ảnh hưỡng lên giá trị độ lún dự tính

- Trình tự tính toán theo phần mềm Plaxis được thực hiện như sau:

+ Mô phỏng cấu tạo hình học của công trình cần tính toán

+ Chọn mô hình đất và thống kê các chỉ tiêu cơ lý của các lớp địa chất, vật liệu sử dụng trong công trình

+ Mô tả điều kiện ứng suất ban đầu, mực nước ngầm, điều kiện biên thấm,

h S

n

tb z z



 )

1 ( 



a

k C

n

tb r r



 )

1 ( 



2

h

t C

T z

4R

t C

T r  r

Trang 39

+ Thực hiện các bước tính toán trên mô hình đã mô phỏng với trình tự phù hợp như điều kiện thi công thực tế

+ Xuất kết quả tính toán mô phỏng thông qua các biểu đồ hoặc bảng biểu trong từng giai đoạn tính toán

2.3 ĐIỀU KIỆN VÀ PHẠM VI ÁP DỤNG CỦA PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ BẰNG GIẾNG CÁT:

- Khi chiều dày nền đất yếu lớn hoặc khi độ thấm của đất yếu rất nhỏ nếu dùng các giải pháp khác thì độ lún còn lại sau khi thi công công trình trên nền đất yếu rất lớn và kéo dài đến vài chục năm, vì vậy để giảm độ lún còn lại và tăng nhanh độ cố

kế của nền đất yếu dưới tải trong của nền đắp thì việc dùng giải pháp giếng cát là hợp lý

- Giếng cát là một trong những biện pháp xử lý nền đất yếu được sử dụng đối với các loại đất bùn, than bùn cũng như các loại đất dính bão hòa nước, có tính biến dạng lớn… khi xây dựng các công trình có kích thước và tải trọng lớn thay đổi theo thời gian như nền đường, sân bay, bản đáy các công trình thủy lợi…

- Giếng cát sẽ làm cho nước tự do trong lỗ rỗng thoát đi dưới tác dụng của gia tải vì vậy làm tăng nhanh tốc độ cố kết của nền, làm cho công trình nhanh đạt đến giới hạn ổn định về lún, đồng thời làm cho đất nền có khả năng biến dạng đồng đều

- Nếu khoảng cách giữa các giếng được chọn thích hợp thì nó còn có tác dụng làm tăng độ chặt của nền và do đó sức chịu tải của đất nền tăng lên

- Để tăng nhanh độ cố kết của nền đất yếu người ta thường kết hợp giải pháp xử

lý bằng giếng cát với giải pháp gia tải tạm thời, tức là đắp cao thêm nền đường so với chiều cao nền đường thiết kế thêm tư 2÷3m trong vài tháng rồi sẽ lấy phần gia tải đó đi khi nền đường đạt độ lún cuối cùng như trường hợp đắp không gia tải

- Các giải pháp dùng phương tiện thoát nước cố kết thẳng đứng thường chỉ áp dụng khi tầng đất yếu dày và nền đắp cao Vì giá thành xây dựng cao nên thường chỉ áp dụng khi dùng các giải pháp khác không thể đảm bảo được tiêu chuẩn về độ lún cho phép còn lại Khi sử dụng các giải pháp thoát nước cố kết thẳng đứng nhất thiết phải bố trí tầng đệm cát, nếu dùng giếng cát thì đỉnh giếng cát phải tiếp xúc trực tiếp với tầng cát đệm, nếu dùng bấc thấm thì bấc thấm phải cắm xuyên qua tầng cát đệm và cắt dư thêm tối thiểu là 20cm cao hơn mặt trên của tầng cát đệm

- Để đảm bảo phát huy được hiệu quả thoát nước cố kết của giếng cát thì chiều cao nền đắp tối thiểu nên là 4m và khi thiết kế cần thõa mãn các điều kiện sau:  vz z  ( 1 , 2 ~ 1 , 5 ). pz (2.3-1)

Trang 40

) lg(

lg ) lg(

vz

pz z vz

Tiêu đề	Nghiên cứu, Ứng dụng Giải pháp Xử lý Nền đất yếu bằng Giếng cát trong xây dựng nền đường ô tô khu vực tỉnh Bình Dương
Tác giả	Nguyễn Ngọc Chuyên
Người hướng dẫn	PGS.TS. Lã Văn Chăm
Trường học	Trường Đại học Giao thông Vận tải
Chuyên ngành	Xây dựng Đường ô tô và Đường thành phố
Thể loại	Luận văn Thạc sĩ
Năm xuất bản	2012
Thành phố	Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	108
Dung lượng	3,98 MB