Nghiên cứu giải pháp xử lý nền đất yếu công trình nhà máy xử lý nước thải bằng công nghệ hóa chất tăng cường cept quy nhơn

LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ kỹ thuật chuyên ngành Địa kỹ thuật xây dựng với đề tài: “Nghiên c ứu giải pháp xử lý nền đất yếu công trình Nhà máy xử lý nước thải bằng công nghệ hóa chất tă

LỜI CẢM ƠN

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật chuyên ngành Địa kỹ thuật xây dựng với đề tài:

“Nghiên c ứu giải pháp xử lý nền đất yếu công trình Nhà máy xử lý nước thải bằng công nghệ hóa chất tăng cường (CEPT) Quy Nhơn” được hoàn thành với

sự giúp đỡ tận tình của các Thầy giáo, Cô giáo trong Bộ môn Địa kỹ thuật, Khoa Công trình, Trường đại học Thủy lợi cùng các bạn bè và đồng nghiệp

Tác giả xin chân thành cảm ơn các Thầy giáo, Cô giáo, Gia đình, Bạn bè & Đồng nghiệp đã tạo điều kiện cho tác giả trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn tốt nghiệp Đặc biệt tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến PGS.TS Trịnh Minh Thụ đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Tuy đã có những cố gắng nhất định, nhưng do thời gian có hạn và trình độ còn hạn chế, vì vậy cuốn luận văn này còn nhiều thiếu sót Tác giả kính mong Thầy giáo, Cô giáo, Bạn bè & Đồng nghiệp góp ý để tác giả có thể tiếp tục học tập và nghiên cứu hoàn thiện đề tài

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 25 tháng 11 năm 2014

Tác giả luận văn

Đinh Công Hoàng

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN CAM KẾT

Kính gửi:

- Ban Giám hiệu Trường Đại học Thủy lợi;

- Phòng Đào tạo Đại học và Sau Đại học – Trường Đại học Thủy lợi

Tên tôi là: Đinh Công Hoàng

Thụ

Tôi xin cam đoan luận văn là kết quả nghiên cứu của tôi, không sao chép của

ai Nội dung luận văn có tham khảo và sử dụng các tài liệu, thông tin được đăng tải trên các tài liệu và các trang website theo danh mục tài liệu tham khảo của luận văn

Hà Nội, ngày 25 tháng 11 năm 2014

Tác giả luận văn

Đinh Công Hoàng

MỤC LỤC

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 2

3 Cách tiếp cận 2

4 Phương pháp nghiên cứu 3

5 Kết quả dự kiến đạt được 3

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU VÀ CÁC GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH 4

1.1 Tổng quan về đất yếu 4

1.1.1 Khái niệm về đất yếu 4

1.1.2 Sự phân bố và tính chất của các vùng đất yếu ở Việt Nam 5

1.2 Các loại đất yếu thường gặp và đặc điểm của chúng 7

1.2.1 Đất sét mềm 7

1.2.2 Bùn 10

1.2.3 Than bùn 11

1.3 Các giải pháp xử lý nền đất yếu 13

1.3.1 Xử lý nền đất yếu bằng phương pháp làm chặt đất trên mặt bằng cơ học 13 1.3.2 Xử lý nền đất yếu bằng lớp đệm 14

1.3.3 Xử lý nền đất yếu bằng phương pháp nén trước 15

1.3.4 Xử lý nền đất yếu bằng thiết bị tiêu nước thẳng đứng 16

1.3.5 Xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm ngang 17

1.3.6 Xử lý nền đất yếu bằng cọc vật liệu rời 18

1.3.7 Cải thiện nền đất bằng nổ mìn ép 19

1.3.8 Cải thiện nền đất bằng vải địa kỹ thuật 19

1.3.9 Xử lý nền đất yếu bằng cọc đất – xi măng đất 19

1.3.10 Xử lý nền đất yếu bằng cọc bê tông cốt thép 21 1.4 Một số công trình xây dựng trên nền đất yếu 23

1.4.1 Dự án xây dựng các bến số 2, 3 và 4 cảng Cái Lân tại thành phố Hạ Long

23

1.4.2 Cống Đông Định trên hệ thống đê Đông Bình Định 24

1.4.3 Dự án xây dựng Thư viện, bảo tàng tỉnh Quảng Ninh 25

1.5 Kết luận chương 1 26

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 28

2.1 Cơ sở lý thuyết tính toán xử lý nền đất yếu bằng cọc bê tông cốt thép 28

2.1.1 Tính toán sức chịu tải dọc trục của cọc đơn 28

2.1.2 Sức chịu tải của cọc theo vật liệu 29

2.2 Một số phương pháp xác định sức chịu tải của cọc 29

2.2.1 Tính toán sức chịu tải của cọc theo công thức tĩnh 29

2.2.2 Tính toán sức chịu tải cọc dựa trên sức kháng xuyên 33

2.2.3 Tính toán sức chịu tải của cọc theo công thức động 34

2.2.4 Sức chịu tải của cọc không bịt mũi có cột đất chèn 35

2.2.5 Thí nghiệm nén tĩnh cọc 36

2.2.6 Hệ số an toàn 36

2.2.7 Thiết kế kết cấu cọc 37

2.2.8 Phương pháp tăng kích thước cọc 39

2.2.9 Độ lún của cọc 39

2.2.10 Cách bố trí cọc 41

2.3 Cơ sở lý thuyết tính toán cọc xi măng đất bằng công nghệ khoan phụt vữa xi măng áp lực cao (JET GROUTING) 43

2.3.1 Giới thiệu chung 43

2.3.2 Nguyên lý làm việc của Jet Grouting 44

2.3.3 Cơ sở tính toán cọc xi măng đất 46

2.3.3.2 Tính toán theo trạng thái giới hạn 1 47

2.3.3.3 Tính toán theo trạng thái giới hạn 2 48

2.4 Kết luận chương 2 50

CHƯƠNG 3

TÍNH TOÁN XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU CÔNG TRÌNH NHÀ MÁY XỬ LÝ NƯỚC THẢI QUY NHƠN 51

3.1 Điều kiện địa chất đất nền và tài liệu liên quan 51

3.1.1 Giới thiệu chung về Dự án vệ sinh môi trường thành phố Quy Nhơn 51

3.1.2 Điều kiện địa chất khu vực xây dựng nhà máy 54

3.1.3 Nước ngầm 57

3.2 Lựa chọn phần mềm tính toán 58

3.2.1 Giới thiệu về bộ phần mềm Plaxis 58

3.2.2 Khả năng phân tích của phần mềm Plaxis 59

3.2.3 Cơ sở lý thuyết của phần mềm Plaxis 60

3.2.4 Mô phỏng bài toán 62

3.3 Các Giải pháp xử lý nền đất yếu công trình 66

3.3.1 Giải pháp xử lý bằng cọc bê tông cốt thép 66

3.3.2 Giải pháp xử lý bằng cọc xi măng - đất 69

3.4 Kết quả tính toán 73

3.4.1 Giải pháp xử lý bằng cọc bê tông cốt thép 73

3.4.2 Giải pháp xử lý bằng cọc xi măng đất 81

3.5 Phân tích kết quả tính toán 90

3.6 Kết luận chương 3 90

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 92

TÀI LIỆU THAM KHẢO 95

PHỤ LỤC 96

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ CHƯƠNG 1

Hình 1.1 Xử lý nền đất yếu bằng phương pháp làm chặt đất 13

Hình 1.2 Xử lý nền đất yếu bằng đệm cát 15

Hình 1.3 Gia tải trước bằng cách sử dụng khối đắp hoặc áp suất chân không 16

Hình 1.4 Xử lý nền đất yếu bằng thiết bị tiêu nước thẳng đứng 17

Hình 1.5 Xử lý nền đường hai đầu cầu công trình Cầu Nguyễn văn Trỗi - Trần Thị Lý bằng cọc đất - xi măng [3] 21

Hình 1.6 Thi công đóng cọc thư viện tỉnh Quảng Ninh [2] 23

Hình 1.7 Thi công cọc gia cố Cảng Cái Lân – Hạ Long [1] 24

Hình 1.8 Thi công đóng cọc bê tông cốt thép cống Đông Định [14] 25

Hình 1 9 Đóng cọc BTCT 40x40cm, xây dựng bảo tàng, thư viện tỉnh Quảng Ninh 26

CHƯƠNG 2 Hình 2.1.Bảng tra hệ số sức chịu tải Nq theo góc ma sát trong của đất φ 30

Hình 2.2 Bảng tra hệ số áp lực đất Ks theo góc ma sát trong của đất φ 32

Hình 2.3 Bảng tra hệ số lực dính α của cọc trong đất dính 33

Hình 2.4 Sức kháng bên fsvà sức kháng mũi qp của cọc ống thép từ giá trị trung bình sức kháng xuyên trong thí nghiệm thăm dò 34

Hình 2.5 Sơ đồ tính toán độ lún của nhóm cọc ma sát 41

Hình 2.6 Dây chuyền thi công cọc XMĐ bằng công nghệ Jet grouting 44

Hình 2.7 Công nghệ đơn pha (Công nghệ S) 44

Hình 2.8 Công nghệ hai pha (Công nghệ D) 45

Hình 2.9 Công nghệ ba pha (Công nghệ T) 46

Hình 2.10 Sơ đồ tính toán theo phương pháp mặt trượt trụ tròn 47

Hình 2.11 Sơ đồ tính toán theo phương pháp mặt trượt phức hợp 47

Hình 2.12 Sơ đồ tính toán biến dạng 49

CHƯƠNG 3 Hình 3 1 Bản đồ thành phố Quy Nhơn 53

Hình 3 2 Vị trí xây dựng nhà máy 54

Hình 3 3 Mặt bằng khảo sát khu vực xây dựng nhà máy 55

Hình 3 4 Mặt cắt địa chất A-A 55

Hình 3 5 Mặt cắt địa chất B-B 56

Hình 3 6 Minh họa kết quả tính toán ổn định mái đập 59

Hình 3 7 Minh họa tính toán áp lực nước lỗ rỗng ban đầu 59

Hình 3 8 Mặt bằng tổng thể xây dựng nhà máy 63

Hình 3 9 Sơ đồ tính toán trường hợp xử lý bằng cọc BTCT trong phần mềm plaxis 65

Hình 3 10 Sơ đồ tính toán trường hợp xử lý bằng cọc XMĐ (nền tương đương) trong phần mềm plaxis 65

Hình 3 11 Mặt bằng bố trí cọc bể lắng đợt hai 68

Hình 3 12 Mặt bằng gia cố cọc xi măng đất 72

Hình 3 13 Lưới phần tử hữu hạn tính toán xử lý bằng cọc BTCT 74

Hình 3 14 Tổng chuyển vị dưới nền công trình khi có tải trọng máy xây dựng 74

Hình 3 15 Chuyển vị theo phương đứng 75

Hình 3 16 Chuyển vị theo phương ngang 76

Hình 3 17 Tổng chuyển vị dưới nền công trình khi đào hố móng và đóng cọc 77

Hình 3 18 Chuyển vị theo phương thẳng đứng 78

Hình 3 19 Chuyển vị theo phương ngang 78

Hình 3 20 Tổng chuyển vị dưới nền công trình sau khi xây bể lắng đợt hai và vận hành chứa nước 79

Hình 3 21 Chuyển vị theo phương đứng 80

Hình 3 22 Chuyển vị theo phương ngang 80

Hình 3 23 Lưới phần tử hữu hạn tính toán xử lý bằng cọc XMĐ 82

Hình 3 24 Tổng chuyển vị dưới nền công trình khi có tải trọng máy xây dựng 82

Hình 3 25 Chuyển vị theo phương thẳng đứng 83

Hình 3 26 Chuyển vị theo phương ngang 83

Hình 3 27 Tổng chuyển vị dưới nền công trình khi đào móng 84

Hình 3 28 Chuyển vị theo phương thẳng đứng 85

Hình 3 29 Chuyển vị theo phương ngang 85

Hình 3 30 Tổng chuyển vị khi gia cố hố móng 86

Hình 3 31 Chuyển vị theo phương đứng 86

Hình 3 32 Chuyển vị theo phương ngang 87

Hình 3 33 Tổng chuyển vị dưới nền công trình 88

Hình 3 34 Chuyển vị theo phương thẳng đứng 89

Hình 3 35 Chuyển vị theo phương ngang 89

DANH MỤC BẢNG BIỂU CHƯƠNG 1

Bảng 1.1 Tốc độ trầm tích của một số thành tạo sét vùng Đông Nam Á [7] 5

Bảng 1.2 Một số tính chất cơ – lý của đất sét mềm [7] 9

Bảng 1.3 Một số tính chất của bùn [7] 11

Bảng 1.4 Bảng phân loại than bùn theo địa chất công trình [7] 12

Bảng 1.5 Bảng phân loại than bùn theo tính chất cơ - lý của đất 12

Bảng 1.6 Phạm vi áp dụng cọc vật liệu rời 18

CHƯƠNG 2 Bảng 2.1 Hệ số an toàn dùng cho tính toán sức chịu tải cọc theo đất nền 37

Bảng 2.2 Mô đun đàn hồi Escủa đất dưới mũi cọc ống thép bịt mũi sau khi đóng 40 Bảng 2.3 Độ lệch cho phép khi định vị, định hướng và độ nghiêng của cọc 43

CHƯƠNG 3 Bảng 3.1 Các chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất 57

Bảng 3 2 Kết quả đo đạc mực nước tĩnh 58

Bảng 3.3 Tính toán các chỉ tiêu cơ lý của đất nền 69

Bảng 3.4 Tính chất cơ lý của cọc xi măng đất 70

Bảng 3.5 Tính toán các chỉ tiêu cơ lý của nền tương đương 72

Qc : Sức chịu tải của cọc

Pvl : Sức chịu tải tính theo điều kiện vật liệu làm cọc

Pđn : Sức chịu tải của cọc tính theo điều kiện đất nền bao

: Ứng suất hữu hiệu theo phương đứng của đất nền : Lực dính của đất

: Sức kháng cắt không thoát nước

ef : Hệ số năng suất đóng cọc

Wh : Trọng lượng búa đóng cọc

H : Chiều cao búa rơi

s : Độ lún của cọc trên mỗi búa

Ej : Năng lượng đóng cọc

η : Hệ số cột đất chèn

σdall : Ứng suất động tối đa cho phép của cọc

fw : Hệ số phản xạ của sóng ứng suất phụ thuộc vào điều

Es : Mô đun đàn hồi lớp đất dưới mũi cọc

ei : Khoảng cách nhỏ nhất của mặt bên giữa các cọc

qu : Cường độ cọc xi măng đất tính toán

ap : Tỷ lệ diện tích gia cố

Pa : Tổng ngoại lực thẳng đứng

Fs : Hệ số an toàn

ϕs, Cs, Es : Đặc tính cơ lý của lớp đất nền tự nhiên

ϕp, Cp, Ep : Đặc tính cơ lý của vật liệu xi măng đất gia cố

ϕtđ, Ctđ, Etđ : Chỉ tiêu tương đương của hỗn hợp đất nền sau khi gia cố p

σ : Ứng suất cọc xi măng đất theo điều kiện ngoại lực

G

∑ : Tổng các lực thẳng đứng tác dụng lên bản đáy công trình

n : Số cọc XMĐ bố trí dưới bản đáy công trình

Mx : Mô men tác dụng vào bản đáy công trình theo phương x

My : Mô men tác dụng vào bản đáy công trình theo phương y

Wx : Mô đun chống uốn theo phương

Wy : Mô đun chống uốn theo phương y

α : Hệ số triết giảm mũi cọc

∆h1 : Độ lún cục bộ của khối đất nền sau khi được gia cường

∆h2 : Độ lún cục bộ của tầng đất nằm dưới mũi cọc ximăng

đất

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Thành phố Quy Nhơn là đô thị loại 1 trực thuộc tỉnh Bình Định, là một thành

phố duyên hải nam Trung Bộ, có vị trí địa lý và điều kiện giao thông khá thuận lợi, nằm trên ngã ba của 2 hành lang Quốc lộ 1A và Quốc lộ 19, là cửa ngõ ra phía đông của Tây Nguyên, hạ Lào và Đông Bắc Campuchia Trong những năm gần đây, với mức độ đô thị hóa cao, các công trình xây dựng vừa và lớn đã được tỉnh nhà quan tâm đầu tư xây dựng Với mật độ dân số đô thị khoảng 350.000 người trên diện tích thành phố 286 km2, trong đó diện tích đô thị là 145km2 thì việc đầu tư các công trình bảo vệ môi trường là cần thiết để đảm bảo vệ sinh môi trường góp phần đưa thành phố Quy Nhơn thành một điểm thu hút khách du lịch trong cả nước

Với yêu cầu đó, UBND tỉnh Bình Định đã đồng ý đầu tư xây dựng dự án vệ sinh môi trường thành phố Quy Nhơn nhằm mục đích giảm thiểu ô nhiễm môi trường thông qua việc đầu tư xây dựng hệ thống cống thoát nước mưa, hệ thống thu gom nước thải, các trạm bơm nước thải và các nhà máy xử lý nước thải Một trong những vấn đề mà học viên quan tâm đó là công trình nhà máy xử lý nước thải công xuất 28.000m3/ng.đêm (ứng với 04 modun) Do điều kiện đất đai của thành phố và

để phù hợp với điều kiện xử lý nước thải, vị trí nhà máy được đặt tại phường Nhơn Bình, khu vực hạ lưu các sông Hà Thanh, sông Kôn trước khi đổ ra đầm Thị Nại

Khu vực nhà máy dự kiến xây dựng với điều kiện địa chất đa phần là sét và á sét do hiện tượng bồi lắng phù sa các con sông, khi thi công xây dựng công trình sẽ làm thay đổi trạng thái cân bằng tự nhiên của đất đá, gây ra sự thay đổi ứng suất và biến dạng trong đất ở dưới công trình và các vùng xung quanh đặc biệt trong nền đất yếu Phạm vi ảnh hưởng và mức độ ảnh hưởng của những biến đổi đó phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó bao gồm yếu tố về loại đất đá, đặc điểm của nước dưới đất, phương pháp thi công, biện pháp chống đỡ Nghiên cứu đánh giá và dự báo những biến dạng nền đất là một trong những yêu cầu quan trọng trong quá trình thiết kế và thi công công trình trên nền đất yếu Việc hiểu biết đầy đủ về những đặc tính của đất nền, những biến đổi về trạng thái ứng suất và biến dạng của nền đất khi

thi công sẽ góp phần đảm bảo sự ổn định các công trình xung quanh trên mặt đất

Chính vì vậy, đề tài nghiên cứu của luận văn được đặt ra là: “Nghiên c ứu giải pháp

xử lý nền đất yếu công trình Nhà máy xử lý nước thải bằng công nghệ hóa chất tăng cường (CEPT) Quy Nhơn”

Đề tài tập trung nghiên cứu về tính chất cơ lý của đất yếu, các loại đất yếu ở

Việt Nam và sự phân bố của chúng Nghiên cứu các giải pháp xử lý nền đất yếu, qua đó nắm bắt được điều kiện áp dụng của từng giải pháp để lựa chọn giải pháp xử

lý nền móng phù hợp cho công trình nhà máy xử lý nước thải bằng công nghệ hóa chất tăng cường (CEPT) Quy Nhơn để không gây mất ổn định cho công trình, hạn chế sụt lún và đảm bảo điều kiện làm việc bình thường của công trình

2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu ổn định công trình trên nền đất yếu và đề xuất giải pháp tăng ổn định cho công trình: “Nhà máy xử lý nước thải bằng công nghệ hóa chất tăng cường (CEPT) Quy Nhơn” thông qua việc:

- Nghiên cứu các loại đất yếu phổ biến ở Việt Nam;

- Các giải pháp xử lý nền đất yếu và lựa chọn giải pháp xử lý nền đất yếu cho công trình nhà máy xử lý nước thải;

- Cơ sở lý thuyết tính toán cho từng giải pháp được lựa chọn;

- Tính toán lựa chọn giải pháp xử lý nền đất yếu cho nền móng nhà máy xử

- Trên cơ sở phân tích về lý thuyết, tính toán và mô hình hóa sự làm việc của công trình trên nền đất yếu, luận văn đề xuất phương án cụ thể phù hợp với tình

hình điều kiện thực tế xây dựng nhà máy xử lý nước thải bằng công nghệ hóa chất tăng cường (CEPT) Quy Nhơn nhằm làm cho công trình an toàn và kinh tế

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thu thập tài liệu khảo sát địa hình, địa chất, mực nước ngầm

và tổng hợp tài liệu

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết, sử dụng mô hình tính toán và phần mềm ứng dụng

- Phương pháp phân tích, tổng hợp

5 Kết quả dự kiến đạt được

- Tổng quan về các biện pháp xử lý móng công trình trên nền đất yếu

- Giới thiệu chung về dự án và các phương án kết cấu công trình nhà máy xử

lý nước thải bằng công nghệ hóa chất tăng cường (CEPT) Quy Nhơn

- Nghiên cứu một số giải pháp xử lý nền đất yếu và kiến nghị phương pháp

xử lý nền đất yếu cho công trình nhà máy xử lý nước thải bằng công nghệ hóa chất tăng cường (CEPT) Quy Nhơn

- Cơ sở lý thuyết cho giải pháp xử lý nền đất yếu đối với gia cố cọc bê tông cốt thép và cọc xi măng đất

- Tính toán ổn định nền đất yếu cho công trình nhà máy xử lý nước thải bằng công nghệ hóa chất tăng cường (CEPT) Quy Nhơn theo từng giải pháp xử lý và đề xuất giải pháp xử lý cho công trình

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU VÀ CÁC GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU

TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH 1.1 Tổng quan về đất yếu

1.1.1 Khái niệm về đất yếu

Đất mềm yếu là những đất có khả năng chịu tải nhỏ (vào khoảng 0,5 - 1,0

daN/cm2), tính nén lún lớn, hầu như bão hòa nước, có hệ số rỗng lớn (e > 1), môđun

biến dạng thấp (thường thì Eo < 50 daN/cm2) lực chống cắt nhỏ, Nếu không có

biện pháp xử lý đúng đắn thì việc xây dựng công trình trên nền đất yếu sẽ rất khó

khăn hoặc không thể thực hiện được[7]

Xét theo nguồn gốc thì đất yếu có thể được tạo thành trong điều kiện lục địa,

vùng vịnh hoặc biển Nguồn gốc lục địa có thể là tàn tích, sườn tích, bồi tích do gió,

nước, lũ bùn đá, do con người gây ra Nguồn gốc vũng, vịnh có thể ở cửa sông, tam

giác châu hoặc vịnh biển Đất yếu nguồn gốc biển được tạo thành ở khu vực nước

nông (không quá 200m), khu vực thềm lục địa (200 - 3000m) hoặc khu vực biển sâu

(trên 3000m)

Tùy theo thành phần vật chất, phương pháp và điều kiện hình thành, vị trí

trong không gian, điều kiện vật lý và khí hậu, mà tồn tại các loại đất yếu khác

nhau như đất sét mềm, các hạt mịn, than bùn, các loại trầm tích bị mùn hóa, than

bùn hóa,

Trong thực tế xây dựng thường gặp nhất là đất sét yếu bão hòa nước Loại

đất này có những tính chất đặc biệt, đồng thời cũng có các tính chất tiêu biểu cho

các loại đất yếu nói chung Nguồn gốc địa chất của đất sét yếu thuộc đời cận đại, vì

chúng mới hình thành vào khoảng 20.000 năm nay Các hạt tạo thành đất sét được

phong hóa từ đá mẹ, có tính chất thay đổi theo tính chất của đá mẹ, điều kiện khí

hậu, sự vận chuyển và trầm lắng Sau sự vận chuyển của sông ngòi, việc hình thành

các hạt sét chỉ có thể xảy ra trong các môi trường trầm tích yên tĩnh Tùy theo môi

trường trầm tích khác nhau mà có thể có các loại đất sét khác nhau

1.1.1.1 Đất sét biển

Các thành tạo sét này thường hình thành trong thời kỳ từ 12.000 đến 5.000 năm trước Công nguyên với tốc độ trầm tích cao Bảng 1.1 giới thiệu tốc độ trầm tích của một số thành tạo sét ở các bờ biển một số nước vùng Đông Nam Á

Bảng 1.1 Tốc độ trầm tích của một số thành tạo sét vùng Đông Nam Á [7]

1.1.2 Sự phân bố và tính chất của các vùng đất yếu ở Việt Nam

Cũng như ở khu vực Đông Nam Á, các vùng đất mềm yếu ở Việt Nam chủ yếu là những tầng trầm tích mới được thành tạo trong kỷ Đệ tứ Theo kết quả nghiên cứu địa chất và địa lý, tầng trầm tích này chủ yếu là trầm tích tam giác châu, thường gặp các miền đồng bằng, trong đó hai đồng bằng lớn nhất là đồng bằng Bắc

Bộ và đồng bằng Nam Bộ Căn cứ vào nguồn gốc và điều kiện hình thành các đồng bằng, đồng thời dựa vào tài liệu thăm dò địa chất công trình, sơ bộ có thể nhận xét

về đặc điểm chung của các tầng đất mềm yếu ở Việt Nam như sau:

1.1.2.1 Đồng bằng Bắc bộ

Chủ yếu là loại trầm tích tam giác châu cũ và tam giác châu mới của hai sông lớn là sông Hồng, sông Thái Bình và các chi lưu của chúng Miền đồng bằng này có diện tích rất rộng (khoảng 15.000km2) và ít đồi núi sét Vùng phù sa sông Hồng chiếm diện tích rộng nhất trong miền này Theo tài liệu địa chất kiến tạo Việt Nam,

đồng bằng Bắc Bộ được hình thành trên một miền rộng lớn, đầu tiên chịu chế độ biển, rồi đến chế độ vùng hồ và trên đó là trầm tích kỷ Đệ tứ

Xét về mặt địa hình, địa mạo thì đây là miền đồng bằng thuộc loại hình bồi

tụ Do các điều kiện địa chất, địa hình như vậy nên chiều dày tầng trầm tích kỷ Đệ

tứ này rất dày, từ vài mét đến hơn 100m

1.1.2.2 Đồng bằng Thanh – Nghệ Tĩnh

Có những khu vực bồi tụ, mài mòn xen kẽ nhau So với đồng bằng Bắc bộ, tầng trầm tích kỷ Đệ tứ ở đây không dày lắm Các trầm tích ở đây cũng rất đa dạng,

có trầm tích bồi tụ tam giác châu, có loại trầm tích bồi tụ ven biển

1.1.2.3 Đồng bằng ven biển Trung Bộ

Là đồng bằng mài mòn bồi tụ điển hình Trầm tích kỷ Đệ tứ ở đây thường thấy ở vùng thung lũng các sông và thường là loại phù sa bồi tích Vùng duyên hải thuộc loại trầm tích phát triển trên các đầm phá cạn dần: bồi tích trong điều kiện lắng đọng tĩnh

1.1.2.4 Đồng bằng Nam bộ

Có thể chia thành ba khu vực dựa vào chiều dày lớp đất yếu:

a/ Khu vực có lớp đất yếu dày 1 – 30m, bao gồm các vùng ven thành phố Hồ Chí Minh, thượng nguồn các sông Vàm Cỏ Tây, Vàm Cỏ Đông, phía tây Đồng Tháp Mười, quanh vùng Bảy Núi cho tới vùng ven biển Hà Tiên, Rạch Giá, đông

bắc đồng bằng từ Vũng Tàu đến Biên Hòa

b/ Khu vực có lớp đất đá yếu dày từ 5 – 30m phân bố kế cận khu vực (a) và chiếm đại bộ phận đồng bằng và khu trung tâm Đồng Tháp Mười

c/ Khu vực có lớp đất yếu dày 15 – 300m chủ yếu thuộc lãnh thổ các tỉnh Vĩnh Long, Trà Vinh, Bến Tre tới vùng duyên hải các tỉnh Minh Hải (bây giờ là tỉnh Bạc Liêu và tỉnh Cà Mau), Tiền Giang, Cần Thơ, Sóc Trăng

Nguồn gốc của các tầng đất yếu là loại trầm tích châu thổ (sông, bãi bồi, tam giác châu), trầm tích bờ, vũng vịnh và đều thuộc vào trầm tích kỷ Đệ tứ

Các dạng trầm tích thường gặp là loại bùn, đất dính có trạng thái từ dẻo mềm đến chảy và cát nhỏ bão hòa Ngoài ra còn gặp các loại đất lầy, đất mặn sú vẹt ở ven

biển, than bùn ở miền rừng ngập mặn Về đặc điểm cấu tạo thì các thành tạo đất yếu thường gồm nhiều lớp đất và không đồng nhất

Ở miền đồng bằng, cấu tạo của các thành tạo đất yếu khá phức tạp Các lớp đất yếu thường nằm xen kẽ nhau, hoặc xen kẽ giữa các lớp có khả năng chịu lực tốt hơn Số lượng các lớp đất yếu ít nhất là ba lớp, chiều dày rất lớn, tới 40m hoặc lớn hơn Ở các vùng đồng bằng ven biển và các vùng đồng bằng có nhiều đồi núi sót thì cấu tạo các thành tạo đất yếu đơn giản hơn, số lượng các lớp đất yếu thường không quá ba lớp

1.2 Các loại đất yếu thường gặp và đặc điểm của chúng

Nói chung các loại đất yếu thường có những đặc điểm sau đây:

- Thường là đất sét có lẫn hữu cơ (nhiều hoặc ít)

- Hàm lượng nước cao và trọng lượng thể tích nhỏ

Đất sét gồm chủ yếu là các hạt nhỏ như thạch anh, felspar (phần phân tán thô) và các khoáng vật sét (phần phân tán mịn) Các khoáng vật sét này là các silicate alumin có thể chứa các ion Mg2+

, K+, Ca, và Fe chia thành ba loại chính là ilite, kaolinite và montmorlonite Đây là những khoáng vật làm cho đất sét có đặc tính riêng của nó

Ilite là một khoáng vật đại biểu của nhóm hydromica Hydromica được thành tạo chủ yếu là ở môi trường kiềm (pH tới 9,5), trung bình và axit yếu, luôn chứa khá nhiều kali trong dung dịch Về cấu tạo mạng tinh thể, ilite chiếm vị trí trung gian giữa kaolinite và montmorilonite

Kaolinite được thành tạo do phong hóa đá magma, đá biến chất và đá trầm tích trong điều kiện khí hậu ẩm khác nhau Đặc điểm của mạng tinh thể kaolinite là tương đối bền, ổn định

Montmorilonite phổ biến nhất là loại chứa oxit nhôm, cấu tạo mạng tinh thể gần giống như kaolinit nhưng kém bền vững, nước dễ xuyên vào gây trương nở mạnh Montmorilonite được thành tạo chủ yếu trong quá trình phong hóa đất magma trong điều kiện môi trường kiềm (pH= 7 – 8,5), khí hậu khô, ôn hòa và ẩm Montmorilonite cũng có thể phát sinh ở biển trong điều kiện môi trường kiềm

Các khoáng vật sét là dấu hiệu biểu thị các điều kiện môi trường mà nó thành tạo và có ảnh hưởng quyết định đến các tính chất cơ – lý của đất sét Vì vậy, khi đánh giá đất sét về mặt địa chất công trình cần nghiên cứu thành phần khoáng vật sét (phần phân tán mịn) của nó Trong trường hợp chung, đất sét là một hệ phân tán

ba pha (hạt khoáng, nước lỗ rỗng và hơi), tuy nhiên do đất sét yếu thường bão hòa nước nên nó xem là một hệ hai pha cốt đất và nước lỗ rỗng

Các hạt sét và hoạt tính của chúng với nước trong đất làm cho đất sét mang những tính chất mà những loại đất khác không có: Tính dẻo và sự tồn tại của gradient ban đầu, khả năng hấp thụ, tính chất lưu biến, từ đó mà đất sét có những đặc điểm riêng về cường độ, tính biến dạng

Một trong những đặc điểm quan trọng của đất sét mềm là tính dẻo Nhân tố chủ yếu chi phối độ dẻo là thành phần khoáng vật của nhóm hạt kích thước nhỏ hơn 0,002 mm và hoạt tính của chúng đối với nước

Trong thực tế xây dựng thường dùng các giới hạn Atterberg để đánh giá độ dẻo của đất loại sét Theo cách phân loại đó thì đất sét mềm có độ sệt từ dẻo chảy đến chảy Một trong những tính chất quan trọng nữa của đất sét là độ bền cấu trúc (hay cường độ kết cấu) của chúng Nếu tải trọng truyền lên đất nhỏ hơn trị số cường

độ kết cấu thì biến dạng rất nhỏ, có thể bỏ qua, còn khi vượt quá cường độ kết cấuthì đường cong quan hệ giữa hệ số rỗng và áp lực bắt đầu có độ dốc lớn Trị số cường độ kết cấucủa đất sét mềm vào khoảng 0,2 – 0,3 daN/cm2

Tính chất lưu biến cũng là một tính chất quan trọng của đất sét yếu Đất sét yếu là một môi trường dẻo nhớt Chúng có tính từ biến và có khả năng thay đổi độ bền khi chịu tác dụng lâu dài của tải trọng Khả năng đó gọi là tính lưu biến Trong tính chất lưu biến của đất sét còn có biểu hiện giảm dần ứng suất trong đất khi biến dạng không đổi, gọi là sự chùng ứng suất Thời gian mà ứng suất gây nên biến dạng đang xét giảm đi 2,7183 lần gọi là chu kỳ chùng ứng suất Ở đất sét yếu chu kỳ chùng ứng suất thường rất ngắn

Hiện tượng hấp thụ là khả năng đất sét yếu hút từ môi trường chung quanh

và giữ lại trên chúng những vật chất khác nhau (cứng, lỏng, hơi), những ion phân tử

và các hạt keo Người ta dùng nó để giải thích nhiều hiện tượng và tính chất đặc biệt của đất sét Bảng 1.2 giới thiệu một số tính chất cơ – lý của đất sét mềm ở một số địa phương miền Bắc nước ta

Bảng 1.2 Một số tính chất cơ – lý của đất sét mềm [7]

STT Tên địa

phương

Lượng hàm nước W(%)

Trọng lượng thể tích (KN/m3)

Độ rỗng

e

Giới hạn chảy

WL(%)

Giới hạn dẻo

WP(%)

Độ sệt IL

Góc ma sát trong

ϕ(độ)

Lực dính C(kPa)

1 Hà Nội 49,00

61,90 23,80 30,40

16,7 16,0 18,7 19,7

1,38 1,80 0,70 0,91

51,00

- 25,50 32,70

31,00

- 16,00 19,40

0,90 1,00 0,82 0,83

8,32 3,00 14,02 18,16

0,45 0,77

28,40 27,18

15,42 18,39

0,60 1,12

17,25 13,00

0,86 1,08

32,50 44,47

19,50 23,72

0,87 0,76

- 8,45

-

38

1.2.2 Bùn

Theo quan điểm địa chất thì bùn là các lớp đất mới được tạo thành trong môi trường nước ngọt hoặc trong môi trường nước biển, gồm các hạt rất mịn (nhỏ hơn 200µm) với tỷ lệ phần trăm các hạt < 2µm cao, bản chất khoáng vật thay đổi và thường có kết cấu tổ ong Tỷ lệ phần trăm các chất hữu cơ nói chung dưới 10%

Bùn được tạo thành chủ yếu do sự bồi lắng tại các đáy biển, vũng, vịnh, hồ hoặc các bãi bồi của sông, nhất là các cửa sông chịu ảnh hưởng của thủy triều Bùn luôn no nước và rất yếu về mặt chịu lực Theo quy phạm Liên Xô SNIP II – 1,62 thì bùn là trầm tích thuộc giai đoạn đầu của quy trình hình thành đất đá loại sét, được thành tạo trong nước, có sự tham gia của các quá trình vi sinh vật Độ ẩm của bùn luôn cao hơn giới hạn chảy, còn hệ số rỗng e > 1 (với á cát và á sét) và e > 1,5 (với sét)

Bảng 1.3 Một số tính chất của bùn [7]

STT Tên địa

phương

Lượng hàm nước W(%)

Trọng lượng thể tích (KN/m3)

Độ rỗng

e

Giới hạn chảy

wL(%)

Giới hạn dẻo

wP(%)

Chỉ số dẻo Ip

Độ sệt

lL

Góc

ma sát trong ϕ(độ)

Lực dính C(kPa)

Trong điều kiện tự nhiên, than bùn có độ ẩm cao, trung bình 85 – 95% và có thể đạt hàng trăm phần trăm Than bùn là loại đất bị nén lún lâu dài, không đều và mạnh nhất, hệ số nén lún có thể đạt 3 – 8 – 10cm2/daN, vì thế phải thí nghiệm than bùn trong các thiết bị nén với mẫu cao ít nhất 40 – 50cm Than bùn thường được phân loại theo địa chất công trình và theo tính chất cơ – lý của đất

Bảng 1.4 Bảng phân loại than bùn theo địa chất công trình [7]

1,2m trên có các loại cây như sú vẹt

1,0

2 II Độ sệt

không ổn định

Ở độ ẩm bất kỳ, khi nhiệt độ trên 0o

C, đào hố sâu 2m, thành thẳng đứng có thể giữ được 5 ngày đêm không bị biến dạng Địa thế tương đối thấp và bằng

0,5 – 0,8

3 III Lỏng, có và

không có lớp vỏ cứng

ở trên mặt

Than bùn phân hủy mạnh, khi bão hòa nước ở thể lỏng, nước ngầm thường lộ trên mặt bộ phận trũng có nước chảy, có các loại cói, sú vẹt mọc tốt, lớp than bùn

có nhiều rễ cây, trên mặt dày 2 – 4,5m, người và súc vật đi lại được

Tính chất cơ – lý

Chất lượng

Hàm lượng tro (%)

Hệ số rỗng

e

Độ sệt IL tgϕ C

(daN/cm2)

1 I Tương

đối ổn định

Hàm nhiều hạt khoáng Có cấp phối gần với cát nhỏ

15-60 10 5,4 0,05 0,03

Tương đối kém

3 III Rất

không

ổn định

Hàm ít hạt khoáng Cơ bản thành tạo từ chất hữu cơ

10-15 15 10,3 0,03 0,01 Kém

1.3 Các giải pháp xử lý nền đất yếu

1.3.1 Xử lý nền đất yếu bằng phương pháp làm chặt đất trên mặt bằng cơ học

Phương pháp làm chặt đất trên mặt bằng cơ học là một trong những phương pháp cổ điển nhất, được sử dụng rất phổ biến trên thế giới Bản chất của phương pháp này là dùng các thiết bị cơ giới như xe lu, máy đầm, búa rung làm chặt đất Các yếu tố chính làm ảnh hưởng đến khả năng đầm chặt của đất gồm: Độ ẩm, công đầm, thành phần hạt, thành phần khoáng hóa, nhiệt độ của đất và phương thức tác dụng của tải trọng Mục đích làm chặt đất là phải xác định độ ẩm tốt nhất (Wopt) ứng với giá trị khối lượng thể tích khô lớn nhất (γdmax)[5]

Hình 1.1 Xử lý nền đất yếu bằng phương pháp làm chặt đất

Do được làm chặt, các chỉ tiêu về độ bền của đất tăng lên đáng kể, tính biến dạng và tính thấm giảm đi Hiện nay phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong xây dựng đường giao thông, sân bay, các công trình thủy lợi và trong xây dựng dân dụng và công nghiệp Có một số phương pháp làm chặt đất bằng cơ học như sau:

Thông thường, độ chặt của đất tăng lên ở các lớp trên mặt và giảm đi ở các lớp phía dưới

- Làm chặt đất bằng đầm lăn:

Bản chất của phương pháp này là dùng đầm lăn, xe lu để làm chặt đất Phương pháp này thường được sử dụng khi làm đường giao thông Tùy thuộc vào trọng lượng xe lu và số lần đầm mà chiều sâu làm chặt có thể đạt đến 0,5 – 0,6m Khi dùng đầm lăn có mặt nhẵn, do chiều dày lớp đất được đầm nhỏ nên hiệu suất đầm thường thấp, chất lượng đầm không đều, khối lượng thể tích của đất giảm theo chiều sâu Vì vậy, đối với các công trình đắp đất lớn dùng đầm mặt nhẵn không hiệu quả Đối với các loại đất dính dạng cục thì dùng đầm lăn chân dê mang lại hiệu quả cao hơn, chất lượng đầm đều hơn và tạo ra mặt ráp liên kết tốt giữa các lớp đất đầm với nhau

Hiện nay, người ta còn sử dụng cả đầm lăn bánh hơi để đầm chặt cả đất dính

và đất rời Mức độ đầm chặt phụ thuộc vào số lần đầm, chiều dày lớp đầm, áp suất bánh xe, tải trọng xe, vận tốc di chuyển của xe cũng như độ ẩm và cấu tạo của đất Muốn đất được đầm chặt đều thì tải trọng đầm phải phân bố đều lên các bánh xe, không phụ thuộc vào độ gồ ghề của mặt đất và sức chịu tải của đất tại vị trí đầm

1.3.2 Xử lý nền đất yếu bằng lớp đệm

Xử lý nền bằng lớp đệm nhằm mục đích tăng sức chịu tải và giảm tính nén lún của nền Người ta thường xử lý bằng đệm cát, đất, đá, sỏi[9]

Hình 1.2 Xử lý nền đất yếu bằng đệm cát

- Đệm cát: Vì ứng suất do tải trọng ngoài giảm dần theo chiều sâu cho nên khi gặp lớp đất yếu người ta thay một phần lớp đất yếu bằng các vật liệu thay thế (gọi là tầng đệm cát) ngay dưới đáy móng để đủ sức chịu tải trọng mà vẫn tận dụng được khả năng của lớp đất yếu nằm ở phía bên dưới

- Đệm đất: Thay toàn bộ lớp đất yếu áp dụng cho đất yếu xuất hiện ngay trên

bề mặt với chiều dày lớp đất yếu không lớn Bằng giải pháp này chúng ta tạo ra dưới đáy móng lớp đất mới có góc ma sát trong cao và trọng lượng riêng lớn, hệ số rỗng thấp không những đảm bảo tăng cường cường độ của đất mà còn làm giảm tính lún của đất

- Đệm đá sỏi: Khi chiều dày lớp đất yếu nhỏ hơn 3m ở trạng thái bão hòa nước dưới lớp đất yếu là lớp đất chịu lực tốt và xuất hiện nước có áp lực cao thì dùng đệm đá, sỏi Lớp đệm đá yêu cầu phải xếp chèn thật tốt nếu không sẽ mất ổn định toàn bộ lớp đệm

1.3.3 Xử lý nền đất yếu bằng phương pháp nén trước

Công trình xây dựng trên nền đất yếu sẽ chịu lún đáng kể Do vậy, trước đó người ta đã chất tải buộc nền đất lún xuống đến mức cần thiết Trong thời gian chất tải, độ lún và áp lực nước được quan trắc Lớp gia tải được dỡ khi độ lún kết thúc hoặc đã cơ bản xảy ra Công trình vẫn tiếp tục lún do đất có tính dẻo cao, nhưng biên độ lún khi đó sẽ chỉ bằng một phần nhỏ, khoảng 5 – 10% so với trường hợp không chất tải trước Tải trọng do công trình gây ra có tính lâu dài, đến hết tuổi thọ của công trình, trong khi chất tải trước chỉ kéo dài trong một thời gian ngắn Tuy

nhiên do chất tải trước khá lớn nên mặc dù nền đất chưa đạt tới cố kết hoàn toàn nhưng cũng để đạt độ lún yêu cầu

Hình 1.3 Gia tải trước bằng cách sử dụng khối đắp hoặc áp suất chân không Chất tải trước được tiến hành ngoài hiện trường bằng cách đổ đất, đắp các bao cát, chất gạch, đá và các loại vật liệu xây dựng khác, trong đó bao cát là giải pháp phổ biến nhất Tuy nhiên không dễ đạt được một tải trọng lớn, đạt độ cao 5 – 6m Do vậy cường độ chất tải trước thường chỉ đạt 80 – 100 kPa, tức là thích hợp với các công trình vừa và thấp tầng

1.3.4 Xử lý nền đất yếu bằng thiết bị tiêu nước thẳng đứng

Lún do cố kết nền đất sét yếu tạo ra nhiều sự cố cho nền móng công trình Cần nhiều thời gian để hoàn thành cố kết thứ nhất do tính thấm của đất sét nhỏ Để rút ngắn thời gian cố kết này, thường dùng thiết bị tiêu nước thẳng đứng kết hợp với nén trước bằng khối đắp tạm thời hay áp lực chân không Thiết bị tiêu nước thẳng đứng có nhiều loại với các đặc trưng vật lý khác nhau nhằm tạo ra đường thoát nước nhân tạo cho đất Có hai loại đường thấm thẳng đứng: Giếng cát và bấc thấm Tác dụng của đường thấm thẳng đứng là để tăng nhanh quá trình thoát nước trong các lỗ rỗng của đất yếu, làm giảm độ rỗng, độ ẩm, tăng dung trọng Kết quả là làm tăng quá trình cố kết của nền đất yếu, tăng sức chịu tải và làm cho nền đất đạt độ lún quy định trong thời gian cho phép

Để tăng nhanh tốc độ cố kết, ta thường kết hợp biện pháp xử lý bằng bấc thấm, giếng cát với biện pháp gia tải tạm thời, tức là đắp cao thêm nền đường so với chiều dày thiết kế 2 – 3m trong vài tháng rồi sẽ lấy phần gia tải đó đi ở thời điểm t

mà nền đường đạt được độ lún cuối cùng như trường hợp nền đắp không gia tải

Hình 1.4 Xử lý nền đất yếu bằng thiết bị tiêu nước thẳng đứng

Cải tạo đất bằng thiết bị tiêu nước thẳng đứng thường phục vụ cho thiết kế hạ tầng cơ sở cần phát triển lún cố kết nhanh hơn như móng công trình đê chắn sóng, tuyến đường giao thông, đất đắp nền đường cầu vượt, nền móng bể chứa chất lỏng trên vùng đầm lầy, nền băng sân bay

1.3.5 Xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm ngang

Chức năng tương tự bấc thấm, cát đệm:

- Thay thế lớp đệm cát trong hệ thống bấc thấm

- Thay thế ống thoát nước đục lỗ trong hệ thống bấc thấm

- Thay thế vật liệu thoát nước ngầm

- Thoát nước trong tường chắn: Công viên, vườn; nền đường sắt

Bấc thấm ngang là loại vật liệu chế tạo sẵn, có chức năng thoát nước và cấu tạo như bấc thấm (gồm lớp vỏ lọc và lõi thoát nước), khả năng thoát nước lớn, có thể xem xét thay thế lớp đệm cát trong xử lý nền đất yếu, ống đục lỗ, làm hệ thống thoát nước trong tường chắn, trong nền đường sắt

Bấc thấm ngang có trọng lượng nhẹ, dễ vận chuyển, lưu kho, lắp đặt Kết cấu

có độ dẻo cao, đảm bảo thoát nước liên tục trong điều kiện nền đường bị lún trong quá trình cố kết

1.3.6 Xử lý nền đất yếu bằng cọc vật liệu rời

Trong số các biện pháp cải thiện nền đất, có lẽ cọc cát hoặc đá có nhiều ưu điểm Tác dụng gia cường nền và tiêu thoát nước, cải thiện sức bền và đặc điểm biến dạng của đất yếu sau khi thi công và tái cố kết Cọc vật liệu rời có thể áp dụng cho nhiều loại đất khác nhau, từ các loại đất rời đến đất sét yếu và các loại đất hữu

cơ Cọc vật liệu rời rất kinh tế kể cả khi phải chịu tải ở mũi cọc Chúng được thi công bằng biện pháp đầm rung, đầm trong lỗ khoan, cọc cát đầm, cọc đá đóng, đầm nặng Cọc đá đóng cũng có thêm tác dụng của đầm nặng vì thực chất chúng được chất tải trước Cọc đá sẽ nâng cao sức chịu tải của nền 240 – 480kPa, giảm độ lún cho móng, chuyển dịch ngang, chèn lấp các hang hốc Khả năng chịu tải của nền được cải thiện từ 50 – 100% trong khi lún giảm đi 3 – 4 lần Đáng lưu ý là lún hầu như chỉ xảy ra trong giai đoạn chất tải và còn rất nhỏ ở giai đoạn sau thi công

Trước kia cọc vật liệu rời được dùng để chịu tải trọng nén Tuy nhiên chỉ cần cải tiến bằng cách lót đáy một tấm bản thép/ bê tông/ lưới địa kỹ thuật và neo lại bằng một sợi dây thép hoặc cáp là các lực kéo có thể được chuyền tới đáy cọc và khi đó vật liệu rời trở thành một cái neo cọc vật liệu rời Neo cọc vật liệu rời trở thành có thể nén được, biến dạng triệt giảm ở phần sâu và chỉ có một phần biến dạng rất nhỏ xảy ra ở phần đầu cọc

Bảng 1.6 Phạm vi áp dụng cọc vật liệu rời

1 Sỏi, sạn và cát < 10% hạt bụi không

1.3.7 Cải thiện nền đất bằng nổ mìn ép

Người ta khoan lỗ, bố trí các lỗ mìn dài trong phạm vi nền cần gia cố dạng hình tam giác đều Sau khi nổ mìn tạo thành những giếng có thành vách tương đối chặt, sau đó lấp cát và đầm chặt

Đây là phương pháp mới nhưng có hiệu quả tốt về kinh tế và kỹ thuật: Nền đất nhanh đạt độ bền vững cao; thi công đơn giản, ít tốn vật liệu, nhân công, thi công nhanh

1.3.8 Cải thiện nền đất bằng vải địa kỹ thuật

Từ năm 1960 trở lại đây phương pháp sử dụng vải địa kỹ thuật được các nước trên thế giới áp dụng rộng rãi trong xử lý đất yếu Đặc biệt từ những năm 1990 trở lại đây, các nước Asean đã áp dụng phổ biến vải địa kỹ thuật với 6 chức năng cơ bản là: ngăn cách, lọc nước, gia cường đất yếu để tăng khả năng chịu tải của đất nền, làm lớp bảo vệ và ngăn nước Phương pháp vải địa kỹ thuật cũng đã được áp dụng lần đầu tại Việt Nam từ cuối những năm 90 của thế kỷ 20 trên quốc lộ 5, quốc

lộ 51, quốc lộ 10 và đường Láng – Hòa Lạc (Hà Nội)

Các loại vải địa kỹ thuật đã và đang được nhiều công ty trên khắp thế giới sản xuất rộng rãi Trong xây dựng công trình, vải địa kỹ thuật thực hiện năm chức năng chính:

- Tiêu nước, thoát nước

Cọc đất – xi măng là một trong những giải pháp xử lý nền đất yếu [6], đặc biệt là trong điều kiện nền đất yếu quá dày, mực nước ngầm cao hoặc nền ngập nước và hiện trường thi công chật hẹp Mục đích gia cố của công nghệ là làm tăng cường độ, khống chế biến dạng, giảm tính thấm của đất yếu hoặc đất co ngót hoặc

để vệ sinh các khu nhiễm độc Tức là cải thiện các đặc trưng của đất như nâng cao khả năng chịu tải của đất bằng cách cứng hóa tại chỗ

Khả năng ứng dụng của công nghệ này tương đối rộng rãi như: làm tường hào chống thấm cho đê đập, gia cố nền móng công trình xây dựng, chống thấm mang cống và đáy cống, ổn định tường chắn, chống trượt mái, gia cố đất yếu xung quanh đường hầm, gia cố nền đường, mố cầu dẫn

Cọc đất - xi măng ứng dụng công nghệ trộn sâu theo chất kết dính: xi măng, vôi, thạch cao, tro bay và phương pháp trộn khô, ướt, quay, phun tia

Công nghệ thi công cọc đất – xi măng là công nghệ trộn khô và công nghệ trộn ướt

1.3.9.1 Công nghệ trộn khô

Công nghệ này sử dụng cần khoan có gắn các cánh cắt đất, chúng cắt đất sau

đó trộn đất với vữa xi măng bơm theo trục khoan Ưu điểm của phương pháp này là:

- Thiết bị thi công đơn giản

- Hàm lượng xi măng sử dụng ít hơn

- Quy trình kiểm soát chất lượng đơn giản hơn công nghệ trộn ướt

Nhược điểm:

- Do cắt đất bằng các cánh cắt nên gặp hạn chế trong đất có lẫn rác, đất sét, cuội đá, hoặc khi cần xuyên qua các lớp đất cứng

- Không thi công được nếu phần bề mặt ngập nước

- Chiều sâu xử lý trong khoảng từ 15 - 20m

1.3.9.2 Công nghệ trộn ướt

Phương pháp này dựa vào nguyên lý cắt nham thạch bằng dòng nước áp lực Khi thi công, trước hết dùng máy khoan để đưa ống bơm có vòi phun bằng hợp kim vào tới độ sâu phải gia cố với áp lực khoảng 20MPa từ vòi bơm phun xả phá vỡ

tầng đất Với lực xung kích của dòng phun và lực li tâm, trọng lực sẽ trộn lẫn dung dịch vữa

Ưu điểm của phương pháp này là:

- Thi công được trong nước

- Phạm vi áp dụng rộng

- Có thể xuyên qua các lớp đất cứng

- Phạm vi xử lý đến 50m

Nhược điểm của phương pháp:

- Thiết bị thi công phức tạp, đòi hỏi người điều khiển phải thành thạo

Hình 1.5 Xử lý nền đường hai đầu cầu công trình Cầu Nguyễn văn Trỗi - Trần Thị

Lý bằng cọc đất - xi măng [3]

1.3.10 Xử lý nền đất yếu bằng cọc bê tông cốt thép

Cọc bê tông cốt thép đúc sẵn có hai loại: Cọc bê tông cốt thép thường và cọc

bê tông cốt thép ứng suất trước Cọc thường có hình vuông, cạnh cọc có kích thước 0,1 – 1m; kích thước thường gặp ở Việt Nam hiện nay là 0,2 – 0,4m Với cọc bê tông cốt thép thường thì mác bê tông hay sử dụng là 250 – 350 kG/cm2 Còn với cọc

bê tông cốt thép ứng suất trước thì mác bê tông là 350 – 450 kG/cm2 Cáp kéo ứng suất trước thường có cường độ khoảng 1800 MPa (18.000 kG/cm2

) Trong quá trình

đổ bê tông, cáp được kéo trước với áp lực khoảng 900 – 1300 MPa Cọc bê tông cốt thép ứng suất trước có ưu điểm là sức chịu tải lớn, có thể xuyên qua các lớp cát chặt, sỏi cuội Tuy nhiên, loại cọc bê tông cốt thép ứng suất trước chưa được áp dụng phổ biến ở Việt Nam

Thép chịu lực chính của cọc bê tông cốt thép thường (thép dọc theo chiều dài cọc) thường sử dụng thép A-II hoặc cao hơn Số lượng và kích thước thép được xác định theo tính toán kết cấu cọc (cả trong thi công lẫn trong khai thác) đường kính không nén bé hơn φ12, số thanh chọn chẵn và bố trí đối xứng Thép đai cọc bê tông cốt thép đúc sẵn tương ứng với các quy định sử dụng của cấu kiện bê tông cốt thép Việc bố trí thép đai trong cọc có thể có bước thay đổi, chủ yếu để tiết kiệm Trong trường hợp này cốt đai bố trí dày ở hai đầu và thưa dần vào giữa

- Cấu tạo đoạn mũi cọc: Đoạn mũi cọc có cấu tạo hai đầu mũi khác nhau, đầu cọc có cấu tạo thích hợp với nhiệm vụ tiếp nhận tải trọng thi công (đóng hoặc ép) trong khi đầu mũi chịu tác động của lực tập trung có thể có khi gặp chướng ngại vật cứng bất ngờ trong đất Trong trường hợp biết chắc không tồn tại các dị vật cứng cần phải khắc phục trong đất nền có thể chế tạo mũi cọc giống đầu cọc, điều này không những dễ dàng cho chế tạo cọc mà việc đóng cọc cũng đã được chứng tỏ là ít

bị nghiêng lệch hơn cọc có mũi nhọn

- Cấu tạo đoạn nối: Đoạn nối có hai đầu giống nhau và giống đầu cọc của đoạn mũi cọc Chiều dài đoạn nối có thể khác chiều dài đoạn cọc mũi chủ yếu là tùy thuộc vào địa chất khu vực và biện pháp thi công mà quyết định

- Móc cẩu: Thép móc cẩu nên sử dụng thép thuộc nhóm A-I Số lượng và khoảng cách tùy thuộc vào chiều dài đoạn cọc mà lựa chọn Nếu chiều dài đoạn cọc

Ld ≤ 6 – 7m, chỉ nên bố trí hai móc cẩu cách đều đầu cọc một đoạn a = (0,2 – 0,25)Ld; với đoạn cọc dài Ld ≤ 7 – 8m nên bố trí ba móc cẩu: hai móc cách đều đầu cọc một đoạn a ≈ 0,21Ld; móc thứ ba cách một đầu b ≈ 0,3Ld Trong thực tế, móc thứ ba cho cọc dài nhiều khi không được bố trí sẵn, thay vào đó có thể đặt lỗ xỏ thanh treo hoặc buộc dây Ở Việt Nam, phương pháp xử lý nền bằng cọc bê tông cốt thép đúc sẵn là phổ biến nhất

Hình 1.6 Thi công đóng cọc thư viện tỉnh Quảng Ninh [2]

1.4 Một số công trình xây dựng trên nền đất yếu

1.4.1 Dự án xây dựng các bến số 2, 3 và 4 cảng Cái Lân tại thành phố Hạ Long

Dự án xây dựng các bến số 2, 3 và 4 cảng Cái Lân tại Thành phố Hạ Long do Công ty Cảng container quốc tế Cái Lân (CICT), liên doanh giữa Vinalines và Tập đoàn khai thác cảng biển Hoa Kỳ SSA Marine làm chủ đầu tư, có tổng mức đầu tư

dự kiến là 155 triệu USD cho giai đoạn I, chủ yếu bao gồm các công việc: San lấp

và ổn định nền đất, xây dựng công trình bờ kè và cầu cảng; mua sắm và lắp đặt các trang thiết bị cần thiết và xây dựng bãi chứa container và các công trình phụ trợ Các hạng mục công trình thi công trên nền móng cọc

Hình 1.7 Thi công cọc gia cố Cảng Cái Lân – Hạ Long [1]

1.4.2 Cống Đông Định trên hệ thống đê Đông Bình Định

Tháo dỡ cống cũ 3 cửa đã hư hỏng, xây dựng cống mới 4 cửa x 2m tại vị trí

cũ Kiểu cống hở, kết cấu bê tông cốt thép mác 300, tiêu năng đáy, vận hành bằng vitsme V10 chạy điện kết hợp quay tay, cửa cống bằng thép không rỉ Gia cố nền thân cống bằng cọc bê tông cốt thép mác 300, kích thước 0,3x0,3x30m Gia cố nền sân trước và sân sau bằng cọc tre dài 2,5m, mật độ 25 cọc/m2 nằm trong khung vây cọc ống bê tông dài 4m

Hình 1.8 Thi công đóng cọc bê tông cốt thép cống Đông Định [14]

1.4.3 Dự án xây dựng Thư viện, bảo tàng tỉnh Quảng Ninh

Công trình được thiết kế dựa trên ý tưởng của đá, nước, thuyền gắn với vẻ đẹp tự nhiên của vịnh Hạ Long Tổng diện tích dự án là 21.000m2; kinh phí gần 400

tỉ đồng, gồm các hạng mục: Sân vận động có sức chứa 2.5 vạn người, giao thông tĩnh, cầu từ Nhà bảo tàng ra Vịnh Hạ Long Dự án dự kiến hoàn thành vào tháng 12 năm 2013 để kỷ niệm 50 năm thành lập tỉnh Quảng Ninh

Công ty cổ phần Công nghệ Nền móng và Xây dựng vinh dự là đơn vị thi công gói thầu “Đóng cọc bê tông cốt thép 40x40cm” gia cố nền với tiến độ 02 tháng

Hình 1 9 Đóng cọc BTCT 40x40cm, xây dựng bảo tàng, thư viện tỉnh Quảng Ninh

Từ các phương pháp xử lý nền đất yếu nêu trên thì các phương pháp xử lý như: Phương pháp đầm, phương pháp gia tải trước, làm lớp đệm, bấc thấm áp

dụng cho các công trình có tải trọng vừa, chiều dày lớp đất yếu không lớn, thời gian

thi công dài Chỉ riêng hai phương pháp xử lý bằng cọc đất – xi măng và phương pháp xử lý bằng cọc bê tông cốt thép có nhiều ưu điểm, thuận lợi và đáp ứng được yêu cầu đối với điều kiện địa hình, địa chất khu vực xây dựng nhà máy, tải trọng công trình lớn, địa tầng gồm các lớp đất yếu dày, thời gian cần phải hoàn thành công trình ngắn theo yêu cầu của nhà tài trợ Do đó, tác giả đề xuất hai phương án nghiên cứu chính để xử lý nền đất yếu công trình nhà máy xử lý nước thải bằng công nghệ hóa chất tăng cường (CEPT) Quy Nhơn đó là: Phương pháp xử lý nền đất yếu bằng công nghệ cọc bê tông cốt thép và bằng công nghệ cọc đất – xi măng

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Cơ sở lý thuyết tính toán xử lý nền đất yếu bằng cọc bê tông cốt thép

2.1.1 Tính toán sức chịu tải dọc trục của cọc đơn

2.1.1.1 Nguyên tắc xác định

Sức chịu tải của cọc đơn là tải trọng lớn nhất tác dụng lên cọc và đảm bảo hai

điều kiện:

- Cọc không bị gãy, vỡ theo điều kiện vật liệu làm cọc;

- Đất nền xung quanh cọc không bị phá hoại

Như vậy sức chịu tải của cọc Qc= f (Vật liệu, đất nền)

- Gọi Pvl là sức chịu tải tính theo điều kiện vật liệu làm cọc;

- Gọi Pđn là sức chịu tải của cọc tính theo điều kiện đất nền bao quanh cọc

Về mặt kỹ thuật ta chọn Qc= min (Pvl,Pđn)

Về mặt kinh tế, phải chọn Qc≈Pvl≈Pđn

Không bao giờ được chọn Pvl< Pđn

Trên thực tế, để đảm bảo vấn đề kinh tế, thường người ta chọn kích thước cọc

sao cho: Pđ < Pvl Nếu điều này không thoả mãn thì phải giảm bớt chiều dài hoặc

tiết diện của cọc một cách thích hợp [8]

2.1.1.2 Sức chịu tải của cọc theo đất nền

Sức chịu tải cọc được xác định dựa trên các yêu cầu là cọc phải có khả năng

chịu được đầy đủ tải trọng tác dụng xuống ở nhiều trường hợp tải khác nhau sau khi

hạ cọc và chịu được chuyển vị đứng và chuyển vị ngang của cọc trong giới hạn cho

phép

Sức chịu tải cọc cũng được xác định dựa trên hai yếu tố là sức chịu tải cọc

theo vật liệu và sức chịu tải cọc theo đất nền, từ đó sẽ chọn giá trị thấp nhất của một

trong hai yếu tố này để thiết kế cọc

Sức chịu tải cọc theo đất nền xác định dựa theo điều kiện mặt nền, những yêu

cầu quy định của công tác đóng cọc và công tác thử tải cọc Sức chịu tải cọc theo

đất nền bao gồm sức chịu tải đầu cọc (sức kháng mũi) và sức chịu tải mặt bên cọc