- Trên thực tế các biện pháp xử lí khi xây dựng nền đường trên đất yếu có thể phân làm ba nhóm sau: + Thay đổi, sửa chữa đồ án thiết kế giảm chiều cao nền đắp, di chuyển vị trí tuyến đến
Trang 1CHƯƠNG 7 XÂY DỰNG NỀN ĐƯỜNG TRÊN ĐẤT YẾU
$.1 - KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ĐẤT YÊÚ
1.1 Khái niệ m.
Đường ô tô qua mọi vùng khác nhau với địa hình, địa chất thuỷ văn khác nhau Hầu nhưở vùng nào, trên đất nước ta cũng có thể gặp đất yếu Ở vùng đồng
bằng, thường có các lớp bùn sét, bùn cát ở dưới Vùng biển thường có đất ngập
mặn, Vùng Tây nguyên có đất đỏ bazan có tính trương nở lớn khi gặp nước
Các vùng đất yếu thường gặp ở nước ta là:
- Vùng đồng bằng Bắc bộ
- Đồng bằng Thanh – Nghệ – Tĩnh
- Đồng bằng ven biển miền trung
- Đồng bằng Nam bộ
Trong xây dựng đường ở nước ta đã có không ít hiện tượng sụt lở nghiêm trọng
do đất yếu Đầu năm 1999, nền đắp đầu cầu Hàm Rồng (Thanh Hoá) cao 8m, coa gia cố bấc thấm ở dưới và vải địa kỹ thuật ở ta luy, nhưng mới đắp cao 6m đã bị lún
sụt 2m và làm trồi ruộng lúa hai bên cao lên 75 – 85cm Quốc lộ 57 (Thanh Chương – Nghệ An) và Quốc lộ 1 (Km121 – Bắc Giang) bị sụt lở xé đôi tim đường hàng cây
số … Những sự cố trên đây có thể do thiết kế hoặc thi công nhưng trước hết cho ta thấy tính chất phức tạp của đất yếu
Tính chấ t chung của đất yế u:
- Đất yếu là đất có khả năng chịu lực thấp (<1daN/cm2
)
- Có tính nén lún mạnh
- Góc nội ma sát () và lực dính đơn vị (C) nhỏ: (<100
, C <0.15 daN/cm2)
- Hàm lượng nước cao, khối lượng thể tích nhỏ
- Độ thấm nước rất nhỏ
Mộ t số loại đất yếu thường gặp:
* Đấ t sét mềm: là các loại đất sét hoặc á sét bão hoà nước Các hạt sét (kích thước <0.05mm) và hoạt tính của nó với nước trong đất làm cho đất sét mang những tính chất mà những loại đất khác không có: khi bị thấm nước thì hoá mềm, nhưng khả năng thoát nước rất chậm
* Bùn: Là các lớp đất tạo thành trong môi trường nước ngọt hoặc nước mặn,
gồm các hạt rất nhỏ (<0.02mm), các chất hữu cơdưới 10% Theo thành phần hạt, bùn có thể là á cát, á sét, sét và cát mịn Bùn được tạo thành chủ yếu do sự bồi lắng
tạicác đáy biển, vũng, vịnh, hồ, ao hoặc các bãi bồ cửa sông Bùn luôn no nước và
yếu về mặt chịu lực
* Than bùn: được hình thành do sự phân huỷ chất hữu cơ(chủ yếu là thực
vật) Hàm lượng hữu cơchiếm 20-80%, thường có màu đen hoặc nâu sẫm, cấu trúc
Trang 2không mịn Dung trọng khô rất thấp (0,3-0,9T/m3
) Độ ẩm tự nhiên cao (85-95%),
hệ số nén lún lớn
* Cát chả y: là cát mịn, rời rạc, có nhiều chất hữu cơhoặc hạt sét, hàm lượng
hạt bụi (0.05-0.002mm) chiếm 60-70% hoặc lớn hơn nữa Khi bị bão hoà nước có thể bị pha loãng Khi bị chấn động hoặc chịu ứng suất thuỷ động thì chuyển sang trạng thái lỏng nhớt gọi là cát chảy
* Đấ t bazan: Có độ rỗng rất lớn và dung trọng khô rất nhỏ Thành phần hạt
gần giống á sét, khả năng thấm nước khá cao
- Khi thiết kế gặp đất yếu, thì biện pháp nghĩ đến đầu tiên là đưa tuyến ra khỏi khu vực có đất yếu
- Trong trường hợp không tránh được thì phải tiến hành khảo sát các tiêu chuẩn kinh tế kỹ thuật để lựa chọn các phương pháp xử lí trên cơsở các nguyên tắc sau:
+ Ý nghĩa cấp hạng kỹ thuật của đường
+ Khả năng kinh phí, vốn đầu tư
+ Dựa vào tiến độ thi công
+ Tính chất và chiều dầy của đất yếu
+ Phương tiện thi công
- Trên thực tế các biện pháp xử lí khi xây dựng nền đường trên đất yếu có thể phân làm ba nhóm sau:
+ Thay đổi, sửa chữa đồ án thiết kế (giảm chiều cao nền đắp, di chuyển vị trí tuyến đến khu vực không có đất yếu hoặc có nhưng chiều dày mỏng) Đây là biện pháp tốt nhất nên cố gắng áp dụng
+ Các biện pháp liên quan đến việc bố trí thời gian (XD nền đắp theo giai đoạn), các giải pháp về vật liệu (đắp bằng vật liệu nhẹ, bệ phản áp, đào bỏ một phần đất yếu), hoặc liên quan đến cả hai biện pháp trên (gia tải tạm thời)
+ Các giải pháp xử lí bản thân nền đất yếu (nhưcọc ba lát, cọc cát, bấc thấm )
$.2 - CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐƯỜNG TRÊN ĐẤT YẾU
2.1 Các biệ n pháp xử lí dưới tác dụng của thời gian hoặc tải trọng.
Mục đích:
- Bảo đảm sự ổn định của nền đắp trong khi xây dựng
- Đạt được một tốc độ lún phù hợp với thời gian thi công
2.1.1 Xây dựng nề n đắp theo giai đoạn.
- Cường độ ban đầu của nền đất yếu rất thấp do vậy để cho nền đường ổn
định thì cần tăng dần cường độ của nó lên bằng cách đắp từng lớp một, chờ một thời gian cho nền ổn định, cường độ đất nền tăng lên, khả năng chịu tải lớn hơn thì mới đắp lớp tiếp theo
- Phương pháp này có nhược điểm là thời gian xây dựng kéo dài
Trang 32.1.2 Tă ng chiề u rộng của nền đường, làm bệ phản áp.
- Khi cường độ chống cắt của nền đất yếu quá nhỏ, không đủ để xây dựng nền đắp theo giai đoạn hoặc khi cần tiến độ thi công nhanh htì có thể dùng bệ phản áp
- Bệ phản áp có tác dụng nhưmột đối trọng làm tăng ổn định, giảm khả năng trồi đất ra hai bên
- Biện pháp này có nhược điểm là chiếm dụng diện tích mặt bằng lớn
2.1.3 Đào bỏ một phần hoặc toàn bộ đất yếu.
- Tuỳ theo chiều dày và tính chất của đất yếu mà có thể đào bỏ một phần hoặc toàn bộ đất yếu
- Có thể áp dụng biện pháp này trong các trường hợp sau:
+ Khi thời hạn đưa vào sử dụng là rất ngắn
+ Các đặc trưng cơhọc của đất yếu nhỏ (VD: nhỏ)
+ Cao độ thiết kế rất gần cao độ thiên nhiên
2.1.4 Giả m trọng lượng nền đắp.
Có thể giảm trọng lượng nền đắp trên đất yếu bằng hai cách:
- Giảm chiều cao nền đắp đến trị số tối thiểu cho phép căn cứ vào điều kiện địa chất thuỷ văn (đảm bảo chiều cao tối thiểu của nền đường cũng nhưchiều cao tối thiểu trên mực nước tính toán theo quy phạm) Nếu là nền đường ở bãi sông có thể giảm mực nước dâng bằng cách tăng khẩu độ cầu
- Dùng vật liệu nhẹ để đắp Vật liệu này phải bảo đảm các yêu cầu sau:
+ Dung trọng nhỏ
+ Không ăn mòn bê tông và thép
+ Có khả năng chịu nén tốt nhưng độ nén lún nhỏ
+ Không gây ô nhiễm môi trường
- VD: Dăm bào, mạt cưa, tro bay, xỉ lò cao
2.1.5 Phươ ng pháp gia tả i tạm thời.
- Dùng một tải trọng đặt lên nền đắp (thường là 2-3m nền đắp bổ sung) trong
một thời gian sao cho trong thời gian đó nền đường sẽ đạt được độ lún dự kiến Phương pháp này cho phép đạt được một độ cố kết yêu cầu trong thời gian ngắn
- Trong các trường hợp sau biện pháp gia tải tạm thời không nên áp dụng: + Chiều cao nền đắp lớn (nếu đắp thêm sẽ mất ổn định)
+ Chiều dày lớp đất yếu lớn (>5m)
2.1.6 Biệ n pháp cải tạo điề u kiện ổn đị nh và biế n dạng của đất yếu.
- Khi lớp đất yếu có chiều dày không lớn và nằm trực tiếp dưới nền đắp thì có thể dùng các biện pháp nhưlàm lớp đệm cát, đệm đá Trong thực tế thường dùng đệm cát, đệm sỏi đá để thay thế lớp đất yếu chiều dày dưới 3m cho móng các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp, dưới bản đáy các công trình thuỷ lợi
- Biện pháp này không áp dụng khi chiều dày đất yếu lớn hoặc trong các lớp đất yếu có nước ngầm
2.1.6.1 Làm lớ p đệm cát.
- Áp dụng khi:
+ Chiều cao nền đắp từ 6-9m
Trang 4+ Lớp đất yếu khụng quỏ dày.
+ Cú nguồn cỏt ở gần
2.1.6.2 Làm lớ p đệm đỏ sỏi.
Khi đất yếu dưới nền đắp ở trạng thỏi bóo hoà nước, cú chiều dày nhỏ hơn 3m
và dưới lớp đất yếu là lớp chịu lực tốt đồng thời xuất hiện nước cú ỏp lực cao dựng
lớp đệm cỏt khụng thớch hợp thỡ cú thể sử dụng đệm đỏ hộc, đỏ dăm, sỏi sạn
2.1.7 Đắ p đất trờn bố.
- Bố cú thể làm bằng tre, gỗ, nứa, bú cành cõy
- Bố cú tỏc dụng mở rộng diện tớch truyền tải trọng và phõn bố lại tải trọng tỏc
dụng lờn đất yếu
- Phương phỏp này cú ưu điểm là thi cụng đơn giản, vật liệu dễ kiếm, rẻ tiền
2.2 Tă ng tố c độ cố kết của đất yếu bằng cỏch sử dụng đường thấm thẳng đứng.
2.2.1 Mụ c đớch.
- Nếu nền đất yếu cú chiều dày lớn hoặc cú hệ số thấm rất nhỏ thỡ quỏ trỡnh lỳn cố kết của nền đất yếu dưới tải trọng của nền đắp sẽ rất lõu Do vậy, để tăng nhanh tốc độ cố kết, người ta làm cỏc đường thấm thẳng đứng bằng cọc cỏt hoặc bấc thấm nhằm tạo ra cỏc dũng thấm ngang vào cọc cỏt hoặc bấc thấm, tiếp tục thoỏt
dọc theo cọc cỏt hoặc bấc thấm lờn mặt đất sau đú thoỏt ra ngoài qua tầng đệm cỏt
2.2.2 Bả n chất của phương phỏp.
- Đất yếu chặt lại, sức chịu tải, gúc nội ma sỏt và lực dớnh đơn vị tăng lờn là
do sự thoỏt nước của đất yếu (gọi là sự cố kết)
Nền đắp
Đệm cát
Đất yếu
a) Lớp đệm cát đặt trực tiếp trên đất yếu.
b) Lớp đệm cát sau khi đã đào bỏ một phấn đất yếu.Đất yếu
Nền đắp
Đệm cát
Nề n đắ p
Đất yế u
Đệ m cỏt
Đường thấm ngang
Đường thấm thẳ ng đứng
Trang 5- Để nước trong đất yếu có thể thoát ra ngoài cần có hai điều kiện:
+ Phải tạo ra một áp lực lớn hơn áp lực tiền cố kết (áp lực tiền cố kết là
áp lực mà đất yếu đã từng chịu trong lịch sử hình thành của nó)
+ Tạo ra một đường thoát nước
2.2.3 Dùng cọ c cát (Sand pile).
2.2.2.1 Ưu như ợc điểm.
Ưu điểm
- Cọc cát không chỉ thoát nước mà còn có tác dụng làm chặt đất và cải tạo
nền đất yếu Nếu đường kính cọc cát càng lớn thì nền đất yếu càng được cải thiện
tốt
- Khi dùng cọc cát thì trị số mô đun biến dạng của cọc cát và vùng đất được nén chặt xung quanh giống nhau nên sự phân bố ứng suất trong nền đất sẽ đồng đều
- Tận dụng vật liệu địa phương (cát)
- Thoát nước khá tốt
- Dùng cọc cát quá trình cố kết của nền tiến triển nhanh hơn khi dùng cọc bêtông cốt thép
- Nếu so với cọc cứng (cọc BTCT) thì cọc cát thì giá thành rẻ hơn rất nhiều Theo kinh nghiệm nước ngoài, giá thành rẻ hơn hai lần so với cọc bê tông cốtthép
Ở Việt Nam, giá thành rẻ hơn khoảng 45% so với cọc bê tông cốt thép
- Tốc độ thi công chậm (4-5 tiếng cho một cọc cát sâu 15m)
- Vùng xáo trộn lớn: Khi khoan lỗ để hạ cọc cát làm đất xung quanh cọc cát
bị xáo trộn nhiều, làm bịt chặtcác lỗ thoát nước
- Đối với đất quá yếu cọc cát có thể bị gãy
Đường kính cọc cát thường từ 30-40cm
2.2.1.3.Trình tự thi công.
- Trải lớp vải địa kỹ thuật Lớp vải địa kỹ thuật có tác dụng ngăn cách giữa
lớp đất yếu và lớp đệm cát, làm cho lớp đệm cát luôn sạch và thoát nước tốt Trong trường hợp đất yếu không làm bẩn tầng đệm cát thì không cần lớp vải địa kỹ thuật
- Thi công tầng đệm cát có chiều dày khoảng 1m với hai nhiệm vụ chính: + Làm đường thoát nước ngang
+ Tạo điều kiện cho máy móc hoạt động dễ dàng trong quá trình thi công + Tầng đệm cát cũng phải chia thành từng lớp có chiều dày thích hợp và được đầm nén đến độ chặt yêu cầu
- Định vị tất cả các vị trí cọc cát theo hàng dọc và hàng ngang đúng với hồ sơ thiết kế, dùng cọc tre đánh dấu từng vị trí đã định vị
- Khoan tạo lỗ: có thể dùng các phương pháp sau
+ Tạo lỗ bằng khoan ruột gà
+ Tạo lỗ bằng phương pháp xói nước
+ Tạo lỗ bằng phương pháp nổ mìn dài
Trang 6+ Tạo lỗ bằng cách đóng một ống thép xuống đất có mũi bằng gỗ hoặc
bốn lá thép tự mở
- Khi đến cao độ thiết kế, tiến hành nhồi cát vào trong ống và tưới nước cho cát chặt lại
- Rút ống thép lên (nếu tạo lỗ bằng ống thép)
- Đắp nền đường lên trên
Khoan các lỗ bằng Các bư ớc làm cọc cát phư ơng pháp xói nước bằng phương pháp nổ mìn dài
1
Khoan tạ o lỗ bằng ống thép có mũi tự đóng mở
Trang 7Thiế t bị dùng để đóng ống thép xuống nề n đất yếu Nhậ n xét:
Thi công cọc cát nhưtrên thường có một số nhược điểm:
- Khó kiểm tra được mức độ đầm chặt của cát trong ống khi thi công
- Khi nhổ ống thép lên, do áp lực ngang của đất sẽ làm cho đường kính cọc cát nhỏ lại
- Cát trong ống phần tiếp xúc với thành ống thường bị tơira khi rút ống lên
2.2.2 Dùng bấ c thấm (Wick drain).
2.2.2.1 Khái niệ m.
- Bấc thấm là thiết bị thoát nước thẳng đứng gồm hai thành phần chính:
+ Vỏ lọc (jacket): có chức năng chính là thấm nước qua lỗ rỗng theo chiều ngang và lọc không cho các hạt đất chui vào làm tắc lõi Thường làm bằng vải
địa kỹ thuật không dệt
+ Lõi (core): có tác dụng chính là dẫn nước thấm dọc từ đất yếu lên mặt đất để thoát ra ngoài, đồng thời là thành phần chính chịu lực căng khi lắp đặt và lực ngang của đất để không bị bẹp làm mất khả năng thoát nước dọc Thường làm bằng Polypropylene
- Bấc thấm có chiều rộng 100mm, dày từ 4 đến 7mm và được cuốn thành cuộn có tổng chiều dài hàng trăm mét
- Độ sâu bấc thấm có thể tới 40m, nhưng thường dùng là 15-20m
Lõi
Vỏ lọc
Trang 8Cấ u tạo bấc thấm
- Bấc thấm cú ưu điểm là:
+ Khối lượng vật tư(bấc thấm) gọn nhẹ hơn nhiều so với vật liệu cỏt + Tốc độ thi cụng nhanh: 10 phỳt cho một bấc thấm sõu 15m
+ Giỏ thành rẻ hơn so với cọc cỏt (bằng khoảng 1/4 giỏ thành cọc cỏt) + Đơn giản, dễ thi cụng, vựng xỏo trộn nhỏ
+ Cú thể thớch hợp với nhiều loại đất yếu do cú thể chọn loại bấc thấm thớch hợp với tớnh chất cơ- lý – hoỏ của nền đất
- Tuy nhiờn bấc thấm cũng cú nhược điểm sau:
+ Vật liệu bấc thấm hiện nay vẫn phải nhập ngoại, chỳng ta chưa sản xuất được
+ Hiệu quả thoỏt nước của bấc thấm khụng cao
2.2.2.2 Cỏc chỉ tiờu cơbản.
- Chỉ tiờu về hệ số thấm (cm/s)
- Chỉ tiờu về độ bền của sợi (hệ số kộo đứt)
2.2.2.3 Trỡnh tự thi cụng.
- Phải thiết kế sơđồ di chuyển cho mỏy cắm bấc thấm Sơđồ di chuyến của mỏy phải đảm bảo điều kiện:
+ Khụng được đố lờn bấc thấm đó cắm
+ Hành trỡnh di chuyển của mỏy là ớt nhất
- Thi cụng lớp vải địa kỹ thuật Lớp vải địa kỹ thuật cú tỏc dụng ngăn cỏch giữa lớp đất yếu và lớp đệm cỏt, làm cho lớp đệm cỏt luụn sạch và thoỏt nước tốt Trong trường hợp đất yếu khụng làm bẩn tầng đệm cỏt thỡ khụng cần lớp vải địa kỹ thuật
Nền đắp
Đất yếu
Đệm cát Vải địa kỹ thuật
Trang 9Lớ p vải đị a kỹ thuật và tầng đệ m cát
- Thi công một phần của tầng đệm cát, phần còn lại phải đủ phủ lên bấc thấm
một đoạn tối thiểu là 2cm Tầng đệm cát có tác dụng:
+ Tạo đường thấm ngang để nước có thể thoát ra ngoài
+ Để cho máy cắm bấc thấm di chuyển
Trong trường hợp trên mặt gặp lớp đất tốt, máy cắm bấc thấm có thể hoạt động được thì có thể làm lớp đệm cát sau khi cắm bấc thấm
- Định vị tất cả các vị trí cắm bấc thấm theo hàng dọc và hàng ngang đúng
với hồ sơthiết kế, dùng cọc tre đánh dấu từng vị trí đã định vị
- Lắp neo vào đầu bấc thấm Các đầu neo phải có kích thước phù hợp với bấc thấm, kích thước của đầu neo thường là 85x150mm bằng tôn dày 5mm Đầu neo có tác dụng giữ đầu bấc thấm khi bấc thấm được cắm đến độ sâu thiết kế Đầu bấc thấm được gập lại tối thiểu 30cm
- Cắm bấc thấm bằng máy cắm bấc thấm Máy cắm bấc thấm có các đặc trựng kỹ thuật nhưsau:
+ Trục dùng để lắp và cắm bấc thấm có tiết diện: 60x120mm, dọc trục có
vạch chia đến cm để theo dõi chiều sâu cắm bấc thấm và có quả dọi để kiểm tra độ thẳng đứng khi cắm bấc thấm
+ Máy phải có lực đủ lớn để cắm bấc thấm đến độ sâu thiết kế
- Khi bấc thấm đến độ sâu thiếtkế thì kéo ống cắm bấc thấm lên sau đó cắt
bấc thấm Đầu bấc thấm phải cao hơn tầng đệm cát 20cm
- Thi công nốt tầng đệm cát
- Thi công tầng lọc ngược: làm bằng sỏi đá, cấp phối chọn lọc hoặc vải địa kỹ thuật
- Đắp nền đường lên trên
Trang 10Máy cắ m bấc thấm
Cấ u tạo trục cắm bấc thấm
Ngoài ra còn có các phương pháp nhưcột ba lát, cột đất gia cố vôi, nền đường đắp trên cọc
Lỗ luồn bấc thấm