Nền móng công trình nhà ở, đường xá, đê điều, đập chắn nước và một số công trình khác trên đất yếu thường đặt ra hàng loạt vấn đề phải giải quyết như: sức chịu tải của nền thấp, độ lún lớn và độ ổn định của cả diện tích lớn. Thực tế này đã đòi hỏi phải phát triển các công nghệ thích hợp và tiên tiến để xử lý nền đất yếu.
Trang 1-CHƯƠNG 6 Thiết kế, thi công và nghiệm thu công tác Địa kỹ thuật đặc biệt
Xử lý đất yếu6.1 Mở đầu
Nền móng của các công trình nhà ở, đường xá, đê điều, đập chắn nước và một số công trìnhkhác trên đất yếu thường đặt ra hàng loạt các vấn đề phải giải quyết như sức chịu tải của nềnthấp, độ lún lớn và độ ổn định của cả diện tích lớn Việt Nam được biết đến là nơi có nhiều
đất yếu, đặc biệt lưu vực của Sông Hồng và Sông Mekong Nhiều thành phố và thị trấn quantrọng được hình thành và phát triển trên nền đất yếu với những điều kiện hết sức phức tạp của
đất nền, dọc theo các dòng sông và bờ biển Thực tế này đã đòi hỏi phải hình thành và pháttriển các công nghệ thích hợp và tiên tiến để xử lý nền đất yếu Hiện nay TCVN - Địa kỹ thuật
về xử lý đất yếu là chưa đầy đủ, không có hệ thống và chưa được soát xét
Dưới đây nêu một số đặc tính tiêu biểu của nền đất yếu, các vấn đề do nền đất đặt ra và một
số công nghệ xử lý nền Đồng thời trình bày và đề cập đến các giải pháp xử lý nền đẫ đượcdùng ở Việt Nam Một số công nghệ xử lý nền mới được trình bày và thảo luận Một số giảipháp xử lý nền móng trên đất yếu thích hợp với điều kiện Việt Nam va hướng phát triển trongtương lai được tác giả kiến nghị Một số công nghệ xử lý nền sau đây được đề cập
• Xử lý nền bằng cọc tràm và cọc tre (1m2đóng 25 cọc, sức chịu tải đạt 100kPa)
• Xử lý nền bằng bệ phản áp để tăng độ ổn định và chống trượt lở công trình đường giaothông và đê điều
• Gia tải trước với mục đích tăng cường độ và giảm độ lún của nền
• Gia tải trước đất nền với thoát nước thẳng đứng: công nghệ cho phép tăng nhanh quátrình cố kết, rút ngắn quãng đường và thời gian dịch chuyển của nước trong đất dướitác dụng của tải trọng có thể là lớp đất đắp hoặc hút chân không
• Cọc đất vôi và cọc đất xi măng: trộn vôi hoặc xi măng với đất bằng hình thức bơmphun và quấy trộn tại chỗ Công nghệ cho phép tạo được các cọc đất vôi, đất xi măngvới cường độ thấp hơn các loại cọc thông thường Đây là giải pháp thích hợp để xử lý
Trang 2-• Cọc đá và cọc cát đầm chặt: Công nghệ cho phép làm tăng cường độ, sức chịutải của đất nền và giảm độ lún của công trình Đây là giải pháp gia cố nền sâu.Thích hợp cho các công trình có diện tích xây dựng lớn, đường quốc lộ, bến cảng,
đất mới san lấp và lấn biển
• Cố kết động: Quả tạ bê tông có trọng lượng từ 10 - 15 tấn, rơi ở độ cao 10 -15m bằngcẩu, cho phép đầm chặt đất nền
và bổ xung thêm cát thông qua các hố đầm Công nghệ thích hợp để xử lý nền chovùng đất mới san lấp
• Công nghệ xử lý nền bằng cọc nhỏ: Cọc có đường kính từ 100 - 250mm được thi côngbằng công nghệ đóng, ép hoặc khoan phun Công nghệ cho phép truyền tải trọngcông trình xuống sâu hơn với chi phí vật liệu bê tông cốt thép tối ưu Đây là giải phápcông nghệ thích hợp để xử lý nền đất yếu phục vụ cho việc xây dựng nhà, đường,công trình đất và cứu chữa công trình bị hư hỏng do nền móng
6.2 Mở đầu
Những thành phố ở Việt nam như Hà Nội, Hải Phòng, TP Hồ Chí Minh đều nằm trên lưu vực
đồng bằng Sông Hồng và Sông Mekong Đây là khu vực có tầng đất phù khá dày và tậptrung đất sét yếu Với mục tiêu phát triển các đô thị, rất cần thiết lựa chọn các giải pháp vàcông nghệ xử lý nền thích hợp cho điều kiện của Việt Nam
Đặc tính của đất yếu cần thiết phải được cải thiện để phục vụ các yêu cầu thực tế trongquá trình xây dựng và sử dụng công trình Đất yếu thường có độ ẩm cao và sức kháng cắtkhông thoát nước thấp Đất thuộc dạng cố kết bình thường và có khả năng thấm nước thấp.Mực nước ngầm trong nền đất thường nằm gần bề mặt, cách từ 0,5 đến 2,5m Một số trườnghợp đất yếu có hàm lượng hữu cơ cao và có cả lớp than bùn Đối với một vài loại đất, dolún thứ cấp chiếm từ 10 - 25% độ lún tổng cộng Trong một số khu vực của các thành phố,mặt cắt địa kỹ thuật cho thấy nền đất bao gồm các lớp đất với độ chặt, độ cứng, độ thấm vàchiều dày khác nhau
Nói chung đất sét yếu là loại đất có sức chịu tải thấp và tính nén lún cao Một vài chỉ sốtiêu biểu của đất yếu được trình bày dưới đây để tham khảo:
50% hoặc lớn hơn cho đất sét100% hoặc lớn hơn cho đất hữu cơ
Trang 3Việc xác định công trình trên đất yếu ngoài các đặc tính của đất nền còn phụ thuộc vào cácloại công trình (nhà, đường, đập, đê, đường sắt ) và qui mô công trình
6.3 Các vấn đề đặt ra với nền đất yếu
Móng của đường bộ, đường sắt, nhà cửa, và các dạng công trình khác đặt trên nền đất yếuthường đặt ra những bài toán sau cần phải giải quyết:
• Độ lún: Độ lún có trị số lớn, ma sát âm tác dụng lên cọc do tính nén của nền đất
• ổn định: Sức chịu tải của móng, độ ổn định của nền đắp, ổn định mái dốc, áp lực
đất lên tường chắn, sức chịu tải ngang của cọc Bài toán trên phải được xem xét dosức chịu tải và cường độ của nền không đủ lớn
• Thấm: Cát xủi, thẩm thấu, phá hỏng nền do bài toán thấm và dưới tác động của áp lựcnước
• Hoá lỏng: Đất nền bị hoá lỏng do tải trọng động của tầu hoả, ô tô và động đất
Một số bài toán với nền đất yếu được thể hiện trên hình 6.1
Trong điều kiện Việt Nam hiện nay, các vấn đề thực tế sau đây đang được quan tâm:
• Xây dựng công trình đường giao thông, thuỷ lợi, đê điều và công trình cơ sở trên nền
đất yếu
• Xử lý và gia cường nền đê, nền đường trên đất yếu hiện đang khai thác và sử dụng cần
có công nghệ xử lý sâu
• Xử lý trượt lở bờ sông, bờ biển và đê điều
• Lấn biển và xây dựng các công trình trên biển
• Xử lý nền cho các khu công nghiệp được xây dựng ven sông, ven biển
• Xử lý nền đất yếu để chung sống với lũ tại đồng bằng Sông Cửu Long
Trang 4độ lún của móng cọc tre hoặc cọc tràm bằng các phương pháp tính toán theo thông lệ.Hình số 2 thể hiện ví dụ áp dụng cọc tràm cho 2 công trình ở TP Hồ Chí Minh Việc sử dụngcọc tràm trong điều kiện đất nền và tải trọng không hợp lý trên đây đã đòi hỏi phải chống lúnbằng cọc tiết diện nhỏ.
6.4.2 Bệ phản áp
Bệ phản áp thường được dùng để tăng độ ổn định của khối đất đắp của nền đườnghoặc nền đê trên đất yếu Phương pháp đơn giản song có giới hạn là phát sinh độ lún phụcủa bệ phản áp và diện tích chiếm đất để xây dựng bệ phản áp Chiều cao và chiều rộngcủa bệ phản áp được thiết kế từ các chỉ tiêu về sức kháng cắt của đất yêú, chiều dày, chiều sâulớp đất yếu và trọng lượng của bệ phản áp Bệ phản áp cũng thường được sử dụng để
bảo vệ đê điều, chống mạch sủi và cát sủi
Trang 6-Hình 6.2c Mặt bằng công trình 505 Lê Văn Sỹ – TP Hồ Chí Minh.
Gia cố bằng cọc ф 168mm, P = 250 kN 6.4.3 Gia tải trước
Phương pháp gia tải trước thường là giải pháp công nghệ kinh tế nhất để xử lý nền đất yếu.Trong một số trưòng hợp phương pháp chất tải trước không dùng giếng thoát nước thẳng đứngvẫn thành công nếu điều kiện thời gian và đất nền cho phép Quá trình chất tải trước được môtả trên hình 3 Tải trọng gia tải trước có thể bằng hoặc lớn hơn tải trọng công trình trongtương lai Trong thời gian chất tải độ lún và áp lực nước được quan trắc Lớp đất đắp để giatải được dỡ khi độ lún kết thúc hoặc đã cơ bản xảy ra Phương pháp gia tải trước đượcdùng để xử lý nền móng của Rạp xiếc Trung ương (Hà Nội), Viện nhi Thuỵ Điển (HàNội), Trường đại học Hàng Hải (Hải Phòng) và một loạt công trình tại phía Nam
Gia tải trước là công nghệ đơn giản, tuy vậy cần thiết phải khảo sát đất nền một cách chi tiết.Một số lớp đất mỏng, xen kẹp khó xác định bằng các phương pháp thông thường Nên sửdụng thiết bị xuyên tĩnh có đo áp lực nước lỗ rỗng đồng thời khoan lấy mẫu liên tục Trongmột số trường hợp do thời gian gia tải ngắn, thiếu độ quan trắc và đánh giá đầy đủ, nênsau khi xây dựng công trình, đất nền tiếp tục bị lún và công trình bị hư hỏng
Trang 7-Hình 6.3 Đắp đất tôn nền theo từng lớp Cho phép tăng cường độ do cố kết.
6.4.4 Gia tải trước với thoát nước thẳng đứng.
Trong rất nhiều trường hợp, thời gian gia tải trước cần thiết được rút ngắn để xây dựng côngtrình, vì vậy tốc độ cố kết của nền được tăng do sử dụng cọc cát hoặc băng thoát nước Cọc cát
được đóng bằng công nghệ rung ống chống để chiếm đất, sau đó cát được làm đầy ống vàrung để đầm chặt Cọc cát có đường kính 30 - 40cm Có thể đựoc thi công đến 6 - 9 m Giảipháp cọc cát đã được áp dụng để xử lý nền móng một số công trình ở TP Hồ CHí Minh,Vũng Tàu, Hải Phòng và Hà Nội
Bản nhựa được dùng để xử lý nền đất yếu của Việt Nam từ thập kỷ 1980 Thiết bị và côngnghệ của Thuỵ Điển được sử dụng để thi công bản nhựa Công nghệ cho phép tăng cường
độ đất nền và giảm thời gian cố kết Sự tăng trưởng của sức kháng cắt của đất nền được thểhiện trên hình 4 và kết quả quan trắc độ lún thể hiện trên hình 5 cho hiện trường thí nghiệmtại Nam Định
Hình 6.4 Sự tăng trưởng của cường độ kháng cắt
không thoát nước xác định bằng cắt cánh
1 Trước cố kết 2 Sau cố kết
Trang 8-Hình 6.5 Quan trắc độ lún tại trung tâm diện tích chất tải
a Với băng thoát nước b Không có băng thoát nước
Tại ven Sông Sài Gòn đã xây dựng một bể chứa với các kích thước hình học và tảitrọng sau: đường kính 43m, chiều cao 15m, tải trọng 20.000 tấn Nền công trình là đấtyếu có chiều dày lớn được xử lý nền bằng bản nhựa thoát nước thẳng đứng kết hợp với gia tảibằng hút chân không Độ lún được tính là xấp xỉ 1.0m Kết quả độ lún thực tế sau 2 lần giatải là 3.26m (lần đầu độ lún bằng 2.4m và lần sau độ lún bằng 0.86m) ở đây có sự sai khácgiữa kết quả đo và dự tính Sự khác nhau có thể do quá trình tính toán chưa kể đến biếndạng ngang của nền và điều kiện công trình đặt ven sông
Trong công nghệ xử lý nền bằng gia tải trước với thoát nước thẳng đứng rất cần thiết đặt hệquan trắc lún như thể hiện trên hình 6.6 Thí dụ về quan trắc xử lý nền được mô tả trên hình6.7
Hình 6.6. Quan trắc đất nền được gia cố
1 Đo lún tại tâm bề mặt đất đắp
2 Đo lún theo độ sâu
Trang 9-3 Đo lún tại bề mặt mái dốc
4 Đo áp lực nước lỗ rỗng
5 Đo dịch chuyển ngang bề mặt
6 Đo dịch chuyển theo độ sâu (ống mềm)
7 Đo dãn nở ngang (đo trượt đất)
8 Vị trí lấy mẫu để quan trắc
Hình 6.7 Quy trình tôn nền chất tải trước
6.4.5 Cọc đất vôi và đất xi măng
Thiết bị và công nghệ của Thuỵ Điển được dùng để chế tạo cùng đất xi măng và đất vôi Cáckết quả nghiên cứu trong phòng và áp dựng hiện trường cho thấy:
• Cọc đất vôi và đất xi măng đóng vai trò thoát nước và gia cường nền Đây là giải pháp
Trang 10-thường dùng là 8 - 12% và tỷ lệ phần trăm của xi măng là 12 - 15% trọng lượng khôcủa đất Hình 6.8 thể hiện sự thay đổi sức kháng cắt của đất xi măng với thời gian và
tỷ lệ trộn
• Thiết bị Thuỵ Điển có khả năng thi công cọc đất xi măng
• Có thể dùng thiết bị xuyên có cánh để kiểm tra chất lượng cọc Hình 6.9 mô tả kết quảxuyên trong đất và trong cọc đất xi măng Sức kháng xuyên tăng trưởng từ 2 đến 5lần
• Cọc đất xi măng được dùng để gia cố nền đường, nền nhà, khu công nghiệp, nền đê
• ảnh hưởng của nhiệt độ đến cường độ đất vôi được thể hiện trên hình 6.10
Hình 6.8 Thay đổi sức kháng cắt với đất nền được gia cố bằng xi măng.
a Tỷ lệ xi măng 11%
b Tỷ lệ xi măng 9%
c Tỷ lệ xi măng 5%
Hình 6.9 Kết quả kiểm tra cường độ cọc đất – xi măng theo kết quả xuyên.
a Trong đất b Trong cọc
Trang 116.4.7 Cọc đá và cọc cát đầm chặt
Nhằm giảm độ lún và tăng cường độ đất yếu, cọc cát hoặc cọc đá đầm chặt được sửdụng Cát và đá được đầm bằng hệ thống đầm rung và có thể sử dụng công nghệ đầm trongống chống Đã sử dụng công nghệ cọc cát và cọc đá để xây dựng một số công trình tại TP
Hồ Chí Minh, Hà Nội, Hải Phòng và Vũng Tàu Sức chịu tải của cọc cát phụ thuộc vào áplực bên của đất yếu tác dụng lên cọc Theo Broms (1987) áp lực tới hạn bằng 25 cu với cu =
20 kPa, cọc cát ф 40cm có sức chịu tải tới hạn là 60KN Hệ số an toàn bằng 1,5 có thể được
sử dụng Hình 11 mô tả công nghệ thi công cọc cát bằng thiết bị SUMITOMO của Nhật
Trang 12-Hình 6.10b Thiết bị thi công cọc đất xi măng
và sử dụng công nghệ cọc đất xi măng cho đường giao thông
Hình 6.11 Công nghệ thi công cọc cát đầm chặt
6.4.8 Cố kết động
Cố kết động cho phép tăng cường độ và sức chịu tải và giảm độ lún của nền Công nghệ
được dùng để gia cố nền đất yếu ở Hà Nội, hải Phòng và TP Hồ Chí Minh Quả đầm bằngkhối bê tông đúc sẵn có trọng lượng từ 10 - 15 tấn được nhấc lên bằng cẩu và rơi xuống bềmặt nền từ độ cao 10 - 15 m để đầm chặt nền Khoảng cách giữa các hố đầm là 3x3,4x4 hoặc 5x5m Độ sâu ảnh hưởng của đầm chặt cố kết động được tính bằng:
D = 0.5 WHTrong đó: D: Độ sâu hữu hiệu được đầm chặt
W: Trọng lượng quả đầm, tấnH: Chiều cao rơi quả đầm, m
Sau khi đầm chặt tại một điểm một vài lần, cát và đá được đổ đầy hố đầm Phương pháp cố kết
động để gia cố nền đất yếu đơn giản và kinh tế, thích hợp với hiện trường mới san lấp và
đất đắp Cần thiết kiểm tra hiệu quả công tác đầm chặt trước và sau khi đầm bằng các thiết bịxuyên hoặc nén ngang trong hố khoan
Trang 13-6.4.9 Gia cường nền đất yếu bằng cọc tiết diện nhỏ
Cọc tiết diện nhỏ được hiểu là các loại cọc có đường kính hoặc cạnh từ 10 đến 25cm Cọc nhỏ
có thể được thi công bằng công nghệ đóng, ép, khoan phun Cọc nhỏ được dùng để gia cố nềnmóng cho công trình nhà, đường xá, đất đắp và các dạng kết cấu khác Cọc nhỏ là một giảipháp tốt để xử lý nền đất yếu vì mang lại hiệu quả kinh tế và kỹ thuật Công nghệ cọc nhỏcho phép giảm chi phí vật liệu, thi công đơn giản, đồng thời truyền tải trọng công trìnhxuống các lớp đất sâu hơn, giảm độ lún tổng cộng và độ lún lệch của công trình Hình 6.12giới thiệu việc áp dụng cọc nhỏ để gia cố nền đất đắp
Hình 6.12 Gia cường nền đất yếu bằng cọc nhỏ O 10 – 25cm,
bằng bê tông, luồng, nhựa, gỗ
6.5 Lựa chọn giải pháp xử lý nền đất yếu.
Trang 14áp dụng cho các trường hợp.
Phải có tải trọng gia tải trước
áp dụngcho các trường hợp Phải có tảitrọng gia tải trước theo từng bước
áp lực gia tải tương ứng với áp lực khíquyển, có thể kết hợp với chất tải
Đối với các công trình cho phép lúnkéo dài
Cần chú ý khả năng phá hỏng đấtyếu do kích thước giếng cát lớn.Phải kiểm tra bài toán ổn định, trượt
Cần thiết kiểm tra thời gian lún, tốc
độ lún độ ổn định
Không có vấn đề về ổn định Giảthiết có thể tăng cường độ đất, sét
Có thể có bệ phản áp để đắp đất
đến độ cao thiết kế và không bịmất ổn định
hợp theo thí nghiệm trong phòng
Đất có cốt, vải
địa kỹ thuật và
lưới địa kỹ thuật
Phân bố ứng suất đều Tăng khả năngchịu kéo của đất, giảm áp lực lên tườngchắn ngăn cách giữa lớp đất yếu và lớp
đất đắp hoặc thay thế Thoát nước tốthơn
Phải kiểm tra độ ổn định củamái dốc và tường chắn Có thể kếthợp với vật liệu san lấp nhẹ Sử dụngtheo chỉ dẫn kỹ thuật của nhà cungcấp
Trang 15-Cọc tre, cọc tràm Gia cố nông, chủ yếu giải quyết bài
toán sức chịu tảiPhải tính lún dưới nhóm cọc
Thông thường đóng 25 cọc/m2 Nêntính toán nhóm cọc cùng làm việc đểlựa chọn số lượng cọc hợp lý Đóngnhiều cọc sẽ làm phá hoại nền
định vàchống lúnPhải tính lún dưới nhóm cọc
Là giải pháp kinh tế vì tăng ma sátbên của cọc và khắc phục giớihạn của cọc tre, cọc tràm (chiềudài giới hạn)
Phương pháp kết
hợp
dày đất yếu
đắp (ví dụ tại mố cầu)
đều, thoát nước theo 2 phươngVải địa kỹ thuật, lưới địa kỹ thuật, cọc Giải quyết bài toán ổn định lún
của đất yếu Giảm áp lực lên tườngchắn Tăng ổn định mái dốc
Phân loại phương pháp xử lý nềntheo mục đích sử dụng
