CÁC QUÁ TRÌNH THI CÔNG NỀN ĐẤT YẾU VÀ LẮP ĐẶT CÁC THIẾT BỊ QUAN TRẮC

CÁC QUÁ TRÌNH THI CÔNG NỀN ĐẤT YẾU VÀ LẮP ĐẶT CÁC THIẾT BỊ QUAN TRẮCHoàng Trung Hậu Kỹ sư địa kỹ thuật Japan Port Consultant -Nippon Koei Joint venture Một trong những phần quan trọng nh

CÁC QUÁ TRÌNH THI CÔNG NỀN ĐẤT YẾU VÀ LẮP ĐẶT CÁC THIẾT BỊ QUAN TRẮC

Hoàng Trung Hậu

Kỹ sư địa kỹ thuật Japan Port Consultant -Nippon Koei Joint venture

Một trong những phần quan trọng nhất trong thi công nền đường hay nền Cảng là thi công trênnền đất yếu Việc nắm bắt được trình tự thi công và các phương pháp quan trắc là điều quan trọng đảmbảo sự ổn định nền cũng như lường trước những khó khăn trong quá trình thi công

Bài này trình bày các bước thi công nền đất yếu bằng PVD kết hợp gia tải với các hình ảnh vàphân tích, cụ thể:

· Thi công lớp tạo mặt bằng

· Đóng bấc thấm

· Rải bấc thấm ngang

· Thi công các rãnh thu nước, giếng bơm nước

· Rải vải địa

· Lắp đặt bàn đo lún, bàn đo chiều dày cát

· Trình tự và nguyên tắc lắp đặt các thiết bị quan trắc: thiết bị đo lún sâu (extensometer),

đo áp lực nước lỗ rỗng (piezometer), quan trắc mực nước tĩnh (ống đo standpile), bàn đoứng suất tổng (Earth pressure Cell), thiết bị quan trắc chuyển vị ngang (inclinometer)

2.1 Thi công lớp tạo mặt bằng

Trước khi tiến hành các công việc xử lý thì công việc đầu tiên là công tác tạo mặt bằng thi côngcho máy móc (thường gọi công tác này là reclaimation) bao gồm rải lớp vải địa kỹ thuật ngăncách nền yếu với lớp nền đắp, bơm cát Trình tự chi tiết như sau:

Phát quang cây cối, dọn dẹp các rễ cây và vét lớp bùn hữu cơ trên bề mặt

Rải vải địa kỹ thuật ngăn cách giữa lớp bùn và lớp nền đắp

Lắp đặt các ống bơm cát PVC đến vị trí xác định

Tiến hành bơm cát và san ủi, đầm lu tạo mặt bằng

Kiểm tra độ chặt từng lớp của cát trên mực nước hiện tại bằng phương pháp FDT (FieldDensity Testing-Kiểm tra độ chặt tại hiện trường)

Kiểm tra độ chặt của nền trong nước bằng phương pháp xuyên côn động từ trên mặtđến tầng đất yếu (phương pháp DCP-Dynamic Cone Penetration)

Hình 1 Bơm cát Hình 2 Lớp tạo mặt bằng hoàn chỉnh

Bấc thấm đứng được cấu tạo từ hai lớp: lớp áo lọc bằng vải địa kỹ thuật không dệt, sợi liên tục

PP hoặc PET 100%, không thêm bất cứ chất kết dính nào và lớp lõi thoát nước được đùn bằngnhựa PP

Hình Cấu tạo bấc thấm đứng

c Thi công:

Các bước chi tiết như sau:

Định vị các vị trí cắm bấc bằng các sợi ni lông được ghim vào lớp tạo mặt bằng

Lắp đặt cuộn bấc vào máy đóng.

Lắp đặt tấm thép vào đầu bấc với mục đích bấc được giữ lại khi cắm đến chiều sâu xácđịnh

Cắm bấc đến chiều sâu xác định, rút cần xuyên

Dùng kéo cắt bấc thấm

Chuyển máy sang vị trí tiếp theo

(Hết mỗi cuộn bấc, tiến hành lắp đặt cuộn tiếp theo nối với cuộn cũ bằng các ghim bấm).Dọn dẹp lượng bùn do máy đóng bấc thấm kéo lên

Hình 3 Mặt bằng hoàn thiện cắm bấc thấm Hình 4 Thu dọn bùn do máy cắm bấc kéo lên

2.3 Rải bấc thấm ngang.

a Mục đích:

Thu nước trong khu vực gia tải và dẫn về rãnh thu nước

Thay thế cho lớp cát hạt trung, là lớp lọc trong các thiết kế và thi công truyền thống

b Cấu tạo:

Bấc thấm ngang được cấu tạo từ hai lớp: lớp áo lọc bằng vải địa kỹ thuật không dệt, sợi liên tục

PP hoặc PET 100%, không thêm bất cứ chất kết dính nào và lớp lõi thoát nước được đùn bằngnhựa PP

Hình Cấu tạo bấc thấm ngang

c Thi công:

Các bước chi tiết như sau:

Rải bấc thấm ngang từ vị trí các rãnh thu nước bên này đến rãnh thu nước phía bên kia.Gập các bấc thấm đứng vào bấc thấm ngang, và liên kết bằng ghim bấm

Hình 1 Mặt bằng rải bấc ngang Hình 2 Chi tiết mối nối bấc thấm ngang và đứng

Hình 3 Chi tiết vỏ và lõi bấc thấm ngang Hình 4 Chi tiết một đoạn bấc thấm ngang và đứng

2.4 Thi công các rãnh thu nước, giếng bơm nước.

a Mục đích:

Thu nước thoát ra do ảnh hưởng gia tải, nếu quá trình này không thực hiện dẫn đến mực nướccao, nền không lún do áp lực đẩy nổi.

b Cấu tạo:

Hình 2 Cấu tạo giếng bơm

Hình 3 Cấu tạo rãnh thu nước

Hình 3 Cấu tạo mối nối của giếng bơm và ống thu nước trong rãnh

c Thi công:

Các bước chi tiết như sau:

Đào rãnh thu nước về vị trí máy bơm

Rải vải địa phía dưới rãnh thu nước

Lắp đặt các ống dẫn nước về vị trí máy bơm

Rải đá làm lớp lọc

Phủ vải địa lên phía trên rãnh

Lắp đặt các ống bơm nước và máy bơm

Lắp đặt các đường dẫn ống dẫn nước từ máy bơm ra phạm vi gia tải

Hình 1 Đào rãnh thu nước Hình 2 Lắp đặt vải địa kỹ thuật cho rãnh thu nước

Hình 3 Lắp đặt các ống thu nước và lớp đá lọc Hình 4 Chi tiết liên kết bấc ngang với rãnh thu nước

Hình 5 Phủ vải địa và hoàn thiện Hình 6 Vị trí giếng thu nước

Hình 7 Giếng bơm và bơm chìm Hình 8 Rãnh thu nước từ các giếng bơm

2.5 Rải vải địa.

a Mục đích:

Vải địa dùng trong nền đắp đất yếu chủ yếu có 2 tác dụng chính sau:

· Dùng gia cường chống trượt

· Phân cách giữa lớp đất yếu và đất đắp hoặc phân cách giữa các lớp đất đắp (giữa nền đắp

· Vải địa kỹ thuật không dệt được cấu tạo từ những sợi ngắn (100% polypropylene hoặc100%polyester), không theo một hướng nhất định nào, được liên kết với nhau bằng phươngpháp (dùng chất dính), hoặc nhiệt (dùng sức nóng) hoặc cơ (dùng kim dùi) Đại diện chonhóm vải không dệt gồm TS của Polyfelt của Malaysia, ART, HD của Việt Nam

(theo www.annamphat.com)

c Thi công:

Trình tự các bước như sau:

Trải vải địa kỹ thuật

Mối nối vải chồng nhau hoặc bằng khâu

2.6 Lắp đặt bàn đo lún, bàn đo chiều dày cát.

Chế tạo bàn đo chiều dày cát: bàn đo chiều dày cát được nối cứng sẵn đến cao hơn chiều cao

dự kiến của lớp chiều dày cát và lắp đặt trước khi đắp nền

Chế tạo bàn đo lún: bàn đo lún tương tự như bàn đo cát nhưng lắp từng đốt một (mục đích để đolún chính xác khi đặt mia trên đỉnh cần) nhưng có thêm ống bọc PVC ngoài bảo vệ (với mục đích loại

bỏ ma sát do cần và nền cát dẫn đến độ lún không chính xác)

Hình 1 Cấu tạo bàn đo chiều dày cát Hình 2 Bàn đo chiều dày cát được định vị

Hình 3 Lắp đặt hoàn chỉnh bàn đo lún Hình 4 Cấu tạo bên trong bàn đo lún (hỏng do cát bị

rơi vào bên trong)

2.7 Trình tự và nguyên tắc lắp đặt các thiết bị quan trắc:

2.7.1 Thiết bị đo lún sâu (extensometer)

a Mục đích:

Dùng để đo độ sâu lún tại một vị trí nhất định cũng như để kiểm tra lại độ chính xác của các bàn

đo lún

b Cấu tạo:

Hình Cấu tạo và lắp đặt Extensometer

Hình Sơ đồ cấu tạo cố định nhện từ vào vị trí cố định

Hình Sơ đồ đo tổng quát

Nguyên tắc:

Thiết bị đo bao gồm một thước dây có khắc vạch chính xác đến mm và một đầu dò vị trícủa tấm nhện từ và các con nhện từ tại một thời điểm.

Tiến hành đo:

Thả đầu dò vào ống extensometer, thả dần đến lúc nào nghe tiếng “bíp” thì dừng lại (khiđầu dò đi qua tấm nhện từ và các con nhện từ thì sẽ phát ra tiếng “bíp”) Tiếp tục thả lên thảxuống vài lần và đọc số chính xác đến mm trên thước dây tại vị trí đỉnh ống Ghi lại chiều dài.Tiếp tục đo đến hết chiều sâu Rút dây đo lên Dùng máy thủy bình xác định cao độ đỉnh ống

Tính toán cao độ hiện tại của tấm nhện từ và các con nhện từ

Độ lún tại một thời điểm chính là cao độ tại thời điểm đo với cao độ thời điểm trước đó

Hình Chi tiết một đoạn thước đo

Kết quả:

Tấm nhện từ được lắp gần ở đỉnh nền (chưa đắp gia tải) thể hiện độ lún tổng

Các con nhện từ lắp trong nền đất chịu nén thể hiện lún từng lớp

Hình Mẫu ghi kết quả đo và tính toán độ lún

d Thi công:

Trình tự thi công như sau:

Nối nhện từ vào thân ống đã định sẵn

Lắp đặt ống PVC bảo vệ ống đo này đến quá chiều cao gia tải dự kiến

Đo để xác định chính xác cao độ ban đầu của tấm nhện và các con nhện từ

Hình 1 Cấu tạo ống đo lún Hình 2 Định vị nhện từ trên ống đo

Hình 3 Cấu tạo nhện từ Hình 4 Cấu tạo ống dẫn với mặt cắt lồng nhau

Hình 5 Cấu tạo tấm nhện từ trong thân nền đắp Hình 5 Cấu tạo nắp ống

Hình 6 Lắp đặt ống Hình 7 Liên kết nhện từ với dây kéo

Hình 7 Lắp đặt ống đo và ống bơm bentonit Hình 8 Đổ nước vào ống

Hình 9 Thiết bị đo lún sâu Hình 10 Quá trình đo lún

a Mục đích:

Xác định áp lực nước lỗ rỗng trong nền gia tải nhằm mục đích kiểm tra lại các quá trình phân tíchngược có phù hợp với kết quả quan trắc áp lực nước lỗ rỗng hay không Ngoài ra, xác định áplực nước lỗ rỗng còn để xác định độ cố kết của nền sau một thời gian gia tải nhất định

Xác định áp lực nước lỗ rỗng cần kết hợp với quan trắc mực nước tĩnh (đo trong ống stand pipe)

để xác định áp lực nước lỗ rỗng thặng dư

Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư (Excess Pore Water Pressure-EPWP) sẽ tăng dần dựa trên chiềucao gia tải Sau khi kết thúc gia tải, EPWP sẽ giảm dần tùy theo mức độ cố kết và có xu hướnggiảm về giá trị zero

Thiết bị này dùng để đo áp lực nước lỗ rỗng tại một vị trí chiều sâu nhất định

b Cấu tạo:

Mỗi piezometer được lắp đặt tại mỗi vị trí lỗ khoan riêng Sau khi lắp đặt piezometer vào lỗkhoan, tiến hành rót lớp cát lọc vào phủ piezo Phía trên đầu piezo được bịt kín bằng betonit đểphân cách nước lỗ rỗng ở mũi Phần còn lại trong lỗ khoan được bơm vữa bentonit để ngăndòng nước đi lên

Hình Sơ đồ các bước lắp đặt piezometer Hình Tổng thể lắp đặt

Hiện nay có 2 loại piezometer: loại piezometer bằng hơi (pneumatic piezometer) và loạipiezometer bằng dây rung (vibrating wire piezometer-VW piezometer)

Hình Piezometer bằng hơi Hình Piezometer bằng dây rung

Nguyên lý hoạt động của Piezometer bằng hơi:

Sử dụng máy đo, bơm khí vào đầu dò Đầu dò bao gồm một màng kín và 2 đường ống, mộtđường bơm khí và một đường thoát khí Ban đầu, khi khí chưa bơm vào và bơm chưa đủ áp lực

để thắng áp lực nước thì màng chưa căng ra và lỗ thoát khí vẫn kín Đến khi áp lực đủ thắng áplực nước lỗ rỗng thì màng căng ra, và khí bơm thoát ra ngoài theo đường ống thoát khí Khi pháthiện khí thoát ra ở bề mặt thì tiến hành tắt máy bơm khí Áp lực khí giảm dần cho đến khi màng

kín trở lại vị trí ban đầu Ở thời điểm này, áp lực khí cân bằng với áp lực nước và ghi lại số đọc

từ máy đo

B1 Lúc chưa bơm, màng vẫn chưa dịch B2 Màng dịch khi bơm vượt

quá áp lực nước và khí thoát ra

B3 Tắt máy bơm và màngtrở lại vị trí ban đầu

Nguyên lý hoạt động của Piezometer bằng dây rung:

Loại VW Piezo biến đổi áp lực nước thành một tín hiệu tần số qua một màng chắn, một sợi thépchịu kéo và một cuộn truyền dẫn từ Piezo được thiết kế để thay đổi áp lực qua màng gây ra bởi

sự thay đổi của dây thép chịu kéo Một cuộn truyền dẫn từ được sử dụng để kích thích sợi dâyrung với tần số riêng Sự rung của dây quanh vùng lân cận của cuộn truyền dẫn sẽ phát sinh mộttín hiệu tần số và truyền đến thiết bị đọc dữ liệu Thiết bị đọc dữ liệu sẽ ghi lại số đọc Hz Từ sốđọc này, và thông qua các hệ số cung cấp của nhà SX cho từng thiết bị sẽ chuyển thành giá trị

áp lực nước lỗ rỗng tương ứng

Hiện nay, loại piezometer bằng dây rung được sử dụng phổ biến ở VN Nên trong phần tiến hành

đo, kết quả và thi công được thể hiện loại piezo bằng dây rung này

Tiến hành đo:

Mỗi piezometer có 4 dây với màu khác nhau Trong đó, có 2 dây dùng để ghi số đọc piezo và 2dây dùng để ghi số đọc nhiệt độ

Thiết bị đo gồm có 4 đầu kẹp được kẹp tương ứng với 4 dây của piezo

Giữ cho kết quả đo của piezo ở trên màn hình được ổn định Nhấn nút ghi để lưu dữ liệu Tiếptục đo piezo khác

Hình 1 Bộ đọc và ghi dữ liệu Hình 2 Dây đo piezo và nhiệt độ

Hình 3 Màn hình tổng thể thiết bị Hình 4 Các thông số chi tiết và số đọc

Trong đó:

S1, So – áp suất không khí, khi không có sự chênh lệch về áp suất không khí thì bỏ quagiá trị này

Ro, To – số đọc piezo và nhiệt độ ở thời điểm ngay sau khi lắp đặt

R1, T1 – số đọc piezo và nhiệt độ ở thời điểm đo

G – hệ số máy đo để tính ứng suất theo tuyến tính

A, B, C: hệ số máy đo để tính ứng suất theo đa thức

(Các hệ số này lấy theo chứng chỉ của nhà sản xuất và khác nhau với mỗi loạipiezometer, mỗi piezometer có một số hiệu riêng được ghi trên đầu piezo Riêng với giá trị Ctrong tính toán ứng suất theo đa thức thì phải được đo lại thực tế với giá trị ứng suất được đưa

về zero)

Hình Chứng chỉ sản xuất của một loại piezometer

Để đơn giản, tính toán nên được sử dụng theo ứng suất tuyến tính.

Hình Mẫu đo và kết quả tính toán áp lực nước lỗ rỗng cho 3 piezo ở 3 chiều sâu khác nhau

Trình tự thi công như sau:

Hình 1 Ngâm đầu đo đã được bọc cát và vải địa Hình 2 Thả piezometer vào trong lỗ khoan

Hình 3 Lắp đặt ống bơm cát lọc và bentonit Hình 4 Đổ lớp cát lọc và chuẩn bị lớp vữa betonit

Hình 5 Thả các viên bentonit Hình 6 Bentonit viên được chuẩn bị sẵn

Hình 7 Quá trình đo Piezometer

2.7.3 Quan trắc mực nước tĩnh (ống đo standpile)

a Mục đích:

Dùng để đo mực nước tĩnh trong suốt quá trình gia tải Mực nước này được đo để kết hợp vớikết quả đo áp lực nước lỗ rỗng để tính áp lực nước lỗ rỗng thặng dư Ngoài ra, giá trị này cũng

được đưa vào để phân tích ngược quá trình lún dựa trên số liệu quan trắc độ lún, lịch sử gia tải

và biến đổi mực nước tĩnh

Kết hợp với thiết bị đo ứng suất tổng EPC để tính ứng suất hiệu quả

Cần phân biệt rõ mực nước tĩnh và mực nước động Mực nước tĩnh là mực nước ổn định không

do một tác dụng tức thời như ảnh hưởng của bơm nước và nó đại diện trên một khu vực nhấtđịnh Mực nước động là mực nước thay đổi liên tục và không đại diện chung trên một khu vựctrong một thời gian nhất định Việc nhầm lẫn giữa mực nước động và tĩnh khi đưa vào tính toán

sẽ làm kết quả sai khác đi nhiều

b Cấu tạo:

Ống PVC được đục lỗ từ đáy ống đến cao trình mặt đất Tiến hành bọc vải địa không dệt 2 lớprồi thả xuống lỗ khoan sẵn Sau khi đưa xuống đúng chiều sâu, phần rỗng giữa ống và lỗ khoan đượcđắp lại bằng cát hạt thô

Hình Cấu tạo lắp đặt ống đo mực nước

Tiến hành đo:

Với yêu cầu tính lún thì việc đo mực nước không nhất thiết đo chính xác, có thể đo bằng thước

đo cao Tuy nhiên, với việc đo để tính áp lực nước lỗ rỗng thặng dư, nhất thiết phải dùng thiết bị

đo chính xác Thiết bị đo này nhìn bề ngoài gần giống với thiết bị đo lún sâu extensometer.Thả đầu đo vào ống quan trắc mực nước Khi chạm nước, thì thiết bị sẽ phát ra tiếng “bíp” Kéolên và thả xuống vài lần, cho đến khi chỉ có một tiếng “bíp” thì đọc chính xác số đo trên thướcđến mm ở cao độ đỉnh ống đo Dùng máy thủy bình, xác định chính xác cao độ đỉnh ống Cao độmực nước từ đó đơn giản được xác định

Hình Chi tiết một đoạn thước đo

Nối các ống lại, và bọc vải địa

Dùng dây cứng quấn quanh để đảm bảo vải địa liên kết tốt với ống

Hạ ống vào lỗ khoan

Đổ cát hạt thô vào lỗ khoan để cố định ống đo

Hình 1 Cấu tạo ống đo nguyên thủy Hình 2 Bọc vải địa cho ống đo

Hình 3 Chi tiết một đoạn ống đo bọc vải địa Hình 4 Lắp đặt ống

Hình 5 Định vị ống bằng chèn kín cát thô Hình 6 Thiết bị đo mực nước trong ống

Hình 7 Quá trình đo

2.7.4 Bàn đo ứng suất tổng (Earth pressure Cell-EPC)

a Mục đích:

Dùng để kiểm tra lại tải trọng tác dụng bên ngoài vào nền Đây là thiết bị đo ứng suất tổng, nên

có thể kiểm tra trọng lượng riêng của nền đắp đảm bảo lớn hơn yêu cầu (gama = P/Hđắp).Thiết bị này đặc biệt hữu dụng với nền được xử lý bằng phương pháp cố kết chân không, vớithiết bị này có thể kiểm tra được ứng suất tác dụng vào nền do hút chân không

b Cấu tạo:

Với công dụng đo ứng suất khác nhau, sẽ có các loại đo ứng suất khác nhau Trong phần này,giới thiệu loại đo ứng suất tổng thẳng đứng trong thân nền đắp (một số loại dùng đo ứng suấttiếp tuyến, hướng tâm trong thi công đường hầm )

Đặc trưng cho loại này có 2 dạng để đo ứng suất tổng: loại đo ứng suất tổng dạng hơi(phneumatic pressure) và dạng đo ứng suất tổng bằng dây rung (vibrating wire pressure)

Hình Cấu tạo các loại EPCĐặc điểm chung của 2 loại này là bao gồm 2 tấm thép không gỉ được hàn kín lại với nhau Giữa

2 tấm thép được làm rỗng và chứa đầy chất lỏng không chịu nén

Bàn đo được lắp đặt ở bề mặt nhạy cảm tiếp xúc trực tiếp với nền đất Ứng suất tổng tác dụngđến bề mặt bàn đo rồi truyền đến chất lỏng bên trong bàn đo và được đo bằng bộ truyền dẫn hơihoặc dây rung Giá trị này sẽ được lưu lại trong máy ghi và dựa vào các hệ số của nhà sản xuất(khác nhau đối với mỗi bàn đo) để chuyển thành giá trị đo ứng suất

Đặt EPC xuống hố Tiến hành cân cho bàn thẳng đứng bằng thước thủy

Lấp đất trong hố lại Hoàn thiện