Nghiên cứu cấu trúc nền đất yếu và thiết kế giải pháp xử lý nền đường, đoạn từ cầu thịnh long đến khu công nghiệp rạng đông tỉnh nam định

Hiện nay, có nhiều giải pháp xử lý nền đất yếu, nhưng lựa chọn giải pháp xử lý phù hợp phải được dựa trên sự phân tích, so sánh, đánh giá đặc điểm cấu trúc nền với quy mô và các yêu cầu

iii

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU viii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU 4

1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU, CẤU TRÚC NỀN ĐẤT YẾU 4

1.1.1 Khái niệm về đất yếu 4

1.1.2 Khái niệm cấu trúc nền đất yếu 5

1.2 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU 6

1.2.1 Mục đích của công tác xử lý nền đất yếu 6

1.2.2 Nguyên tắc lựa chọn công nghệ xây dựng khối đắp trên cấu trúc nền đất yếu8 1.2.3 Một số phương pháp xử lý nền đất yếu: 8

1.2.3.1 Phương pháp xử lý nền bằng đệm cát 8

1.2.3.3 Bệ phản áp 9

1.2.3.4 Gia tải trước 9

1.2.3.5 Gia cố bằng vải địa kĩ thuật 10

1.2.3.6 Xử lý nền đất yếu bằng cọc cát 10

1.2.3.7 Xử lý nền đất yếu bằng giếng cát kết hợp gia tải trước 11

1.2.3.8 Xử lý nền bằng cọc đất vôi 11

1.2.3.9 Xử lý nền bằng cọc đất xi măng 12

1.2.3.10 Xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm gia tải trước 13

1.2.3.11 Xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm gia tải bằng hút chân không 14

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC NỀN ĐẤT YẾU VÀ LỰA CHỌN GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐƯỜNG 18

2.1 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG TRÌNH 18

iv

2.1.1 Đặc điểm, quy mô công trình 18

2.1.2 Các thông số về vật liệu và tải trọng của công trình 19

2.1.2.1 Các thông số, yêu cầu vật liệu sử dụng 19

2.1.2.2 Chiều cao đắp và tải trọng tính toán 21

2.1.2.3 Các yêu cầu kỹ thuật của công trình: 22

2.2 ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC NỀN ĐẤT YẾU VÀ DỰ BÁO CÁC VẤN ĐỀ ĐNA KỸ THUẬT 23

2.2.1 Đặc điểm địa chất công trình khu vực nghiên cứu 23

2.2.1.1 Đặc điểm địa hình, địa mạo 23

2.2.1.2 Đặc điểm địa chất Đệ Tứ 23

2.2.1.3 Điều kiện địa chất thủy văn 24

2.2.2 Đặc điểm địa tầng và tính chất cơ lý của đất nền 25

2.2.3 Phân chia cấu trúc nền đất yếu 31

2.2.3.1 Cơ sở phân chia cấu trúc nền 31

2.2.3.2 Phân chia cấu trúc nền 33

2.2.4 Dự báo các vấn đề địa kỹ thuật công trình 35

2.2.4.1 Các cơ sở dự báo các vấn đề địa kỹ thuật 35

2.2.4.2 Các phương pháp tính toán 39

2.2.4.3 Kết quả tính toán ổn định 46

2.3 PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐƯỜNG 59

2.3.1 Luận chứng giải pháp xử lý nền đất yếu 59

2.3.2 Phân đoạn tuyến đường, lựa chọn giải pháp xử lý nền 62

2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 64

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐƯỜNG 67

3.1 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN 67

3.1.1 Cơ sở lý thuyết cố kết thấm 67

3.1.2 Tính độ lún cố kết của nền xử lý bằng bấc thấm, giếng cát - bài toán cố kết đối xứng trục 68

3.1.4 Cải tạo nền đất yếu bằng cọc đất xi măng 72

v

3.1.4.1 Cơ sở lý thuyết của phương pháp 72

3.1.4.2 Phương pháp tính toán xử lý nền bằng cọc đất xi măng 73

3.1.5 Giá trị gia tăng sức kháng cắt của nền theo giai đoạn đắp 75

3.1.6 Kiểm toán ổn định trượt của nền đường sau xử lý 76

3.2 THIẾT KẾ GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐƯỜNG 76

3.2.1 Thiết kế giải pháp xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm 76

3.2.1.1 Các thông số vật liệu sử dụng, tính toán 76

3.2.1.2 Trình tự thi công xử lý nền đất yếu 76

3.2.1.3 Các kết quả tính toán 77

3.2.2 Thiết kế giải pháp xử lý nền đất yếu bằng giếng cát 83

3.2.3 Thiết kế giải pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc đất xi măng 86

3.2.3.1 Quy trình thi công cọc đất xi măng theo công nghệ Jet Grouting 86

3.2.3.2 Quy trình thiết kế cọc xi măng đất 87

3.2.3.3 Thí nghiệm mẫu đất xi măng 88

3.2.3.4 Thí nghiệm xác định cường độ kháng nén của mẫu đất xi măng 91

3.2.3.5 Lựa chọn hàm lượng xi măng 95

3.2.3.6 Các kết quả tính toán cọc đất xi măng 96

3.2.4 Kiểm tra độ ổn định các giải pháp xử lý nền 98

3.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 100

KẾT LUẬN 102

TÀI LIỆU THAM KHẢO 104

CÁC PHỤ LỤC TÍNH TOÁN 106

Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý phương pháp cố kết hút chân không 14

Hình 1.7 : Sơ đồ công nghệ phương pháp Beaudrain 16 Hình 2.1: Sơ đồ minh họa mặt cắt thiết kế điển hình MCĐH1 trên tuyến 18

Hình 2.7a: Mặt cắt cấu trúc nền I, lý trình Km 4 + 900 - km 5+260 34 Hình 2.7b: Mặt cắt cấu trúc nền IIa, lý trình Km 7 + 600 - km 7+800 34 Hình 2.7c: Mặt cắt cấu trúc nền IIb, lý trình Km 8 + 800 - km 9+100 35

Hình 2.9: Sơ đồ tính ổn định trượt theo phương pháp Bishop 39 Hình 2.10: Sơ đồ xác định Nc theo phương pháp Mandle- Salencon [15] 40 Hình 2.11: Sơ đồ tính toán ổn định trượt khi có vải địa kỹ thuật gia cường 41

Hình 2.13: Sơ đồ mặt cắt tính toán bằng phần mềm Plaxis tại MC1 50 Hình 2.14: Lưới biến dạng phân tích bằng phần mềm Plaxis 50 Hình 2.15: Biểu đồ lún theo thời gian phân tích bằng phần mềm Plaxis 51 Hình 2.16a: Biểu đồ so sánh độ lún nền đắp trên các kiểu cấu trúc nền 53 Hình 2.16b: Biểu đồ so sánh độ cố kết theo cấu trúc nền 53

vii

Hình 2.17: Sơ đồ tính toán ổn định trượt tại mặt cắt MC1 56

Hình 2.19: Cung trượt trụ tròn phân tích tại MC1 58

Hình 3.2: Sơ đồ tính lún nền cọc đất xi măng (theo phương pháp Brom) 74 Hình 3.3: Biểu đồ quan hệ độ lún theo thời gian và giai đoạn đắp 78 Hình 3.4: Biểu đồ quan hệ độ cố kết - thời gian – khoảng cách bấc thấm 79 Hình 3.5: Biểu đồ lựa chọn khoảng cách sơ đồ bấc thấm trên tuyến 80 Hình 3.6 : Mô hình tính toán bấc thấm bằng phần mềm plaxis 81 Hình 3.7 : Biểu đồ quan hệ độ cố kết và chiều sâu theo thời gian xử lý 82 Hình 3.8: Biểu đồ lựa chọn lưới bố trí và khoảng cách giếng cát 84 Hình 3.9 : Mô hình tính toán giếng cát bằng phần mềm Plaxis 85 Hình 3.10: Sơ đồ công nghệ thi công bằng phương pháp Jets Grouting 86 Hình 3.11: Sơ đồ quy trình thiết kế cọc xi măng đất 87

Hình 3.14: Thiết bị xác định cường độ kháng nén một trục 91 Hình 3.14: Thiết bị xác định cường độ kháng nén một trục 92 Hình 3 16a: Cường độ kháng nén mẫu đất lớp 3b trộn xi măng 94 Hình 3 16b: Cường độ kháng nén mẫu đấtlớp 4 trộn xi măng 94 Hình 3 16c: Cường độ kháng nén mẫu đất lớp 5 trộn xi măng 95 Hình 3 17: Mô hình phân tích bài toán cọc xi măng đất 97

viii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Kết quả phân tích thành phần hóa học mẫu nước 25

Bảng 2.2a: Giá trị tiêu chuNn chỉ tiêu cơ lý lớp đất Đ và lớp 1 26

Bảng 2.2b: Giá trị tiêu chuNn chỉ tiêu cơ lý lớp đất 2 27

Bảng 2.2c: Giá trị tiêu chuNn chỉ tiêu cơ lý lớp đất 3a và 3b 27

Bảng 2.2d: Giá trị tiêu chuNn chỉ tiêu cơ lý lớp đất 4 và lớp 5 28

Bảng 2.2e: Giá trị tiêu chuNn chỉ tiêu cơ lý lớp đất 6 và lớp 7 29

Bảng 2.2f: Giá trị tiêu chuNn chỉ tiêu cơ lý lớp đất 8 và lớp 8a 30

Bảng 2.3a: Phân đoạn tuyến theo cấu trúc nền I và mặt cắt điển hình 36

Bảng 2.3b: Phân đoạn tuyến theo cấu trúc nền IIa và mặt cắt điển hình 36

Bảng 2.3c: Phân đoạn tuyến theo cấu trúc nền IIb và mặt cắt điển hình 37

Bảng 2.4: Bảng tổng hợp mặt cắt lựa chọn tính toán 38

Bảng 2.5: Kết quả tính toán độ lún tại mặt cắt ví dụ MC1 48

Bảng 2.6: Kết quả tính toán độ lún theo thời gian tại mặt cắt MC1 49

Bảng 2.7: Tổng hợp các kết quả phân tích lún của nền chưa xử lý 51

Bảng 2.8: Kết quả phân tích độ lún theo chiều cao đắp 52

Bảng 2.9: Bảng kết quả tính toán hệ số ổn định lún trồi 55

Bảng 2.10: Bảng tổng hợp các kết quả tính toán hệ số ổn định 57

Bảng 2.11: Giá trị độ lún cố kết của các lớp đất yếu 60

Bảng 2.12: Lựa chọn giải pháp xử lý nền trên các đoạn tuyến 63

Bảng 3.1 : Kết quả tính toán thời gian xử lý bằng bấc thấm 78

Bảng 3.2 : Kết quả tính toán bấc thấm theo độ sâu xử lý 82

Bảng 3.3 : Kết quả tính toán thời gian xử lý bằng giếng cát 83

Bảng 3.4 : Kết quả tính toán giếng cát theo độ sâu xử lý 85

Bảng 3.5: Tổng hợp số lượng mẫu đất trộn xi măng 89

ix

Bảng 3.6a : Kết quả thí nghiệm nén mẫu đất lớp 3b trộn xi măng 92

Bảng 3.6b : Kết quả thí nghiệm nén mẫu đất lớp 4 trộn xi măng 93

Bảng 3.6c : Kết quả thí nghiệm nén mẫu đất lớp 5 trộn xi măng 93

Bảng 3.7 : Bảng tính cường độ đất xi măng theo khoảng cách bố trí 96

Bảng 3.8: Các thông số tính toán đất trộn xi măng 96

Bảng 3.9: Bảng tính cọc đất xi măng theo độ sâu xử lý tại MC1 97

Bảng 3.10: Độ lún cọc đất xi măng theo độ sâu xử lý 97

Bảng 3.11: Kết quả phân tích ổn định trượt sau xử lý bằng bấc thấm 99

Bảng 3.12: Kết quả phân tích ổn định trượt sau xử lý bằng giếng cá 99

Bảng 3.13: Hệ số ổn định tại các mặt cắt và chiều sâu xử lý 99

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Đoạn đường từ cầu Thịnh Long đến khu công nghiệp Rạng Đông thuộc tuyến đường trục kết nối vùng kinh tế biển tỉnh Nam Định với đường cao tốc Cầu Giẽ -

Ninh Bình Vị trí xây dựng thuộc địa bàn huyện Nghĩa Hưng tỉnh Nam Định có vị trí quan trọng trong chiến lược phát triển kinh tế vùng Đồng Bằng Bắc Bộ nói chung và vùng trọng điểm Nam Định; phục vụ giao lưu phát triển kinh tế xã hội,

đảm bảo an ninh, quốc phòng, du lịch và hoàn thiện mạng lưới giao thông khu vực đồng bằng Bắc Bộ

Đoạn đường này có điểm đầu tuyến giao với TL490C và đường lên cầu Thịnh

Long, tuyến đi mới qua khu đất nông nghiệp và giáp khu dân cư xóm 1, xóm 3 thuộc địa phận xã Nghĩa Bình, tuyến giao với đê hữu sông Ninh Cơ tại Km3+100, sau đó đi ra ngoài đê, qua cánh đồng tôm đến Km 5+500 thì chạy sát đê và vượt sông Phú Lợi tại Km6+100, tuyến giao cắt và đi vào trong đê, giáp khu dân cư thôn Quần Vinh xã Nghĩa Phúc đến sông Quần Vinh 2 tại Km7+100; tuyến chạy song song với đê hữu sông Ninh Cơ đến đèn Hải Đăng Công trình được thiết kế theo tiêu chuNn đường cấp II đồng bằng với chiều dài tuyến là 9.500m

Số liệu khảo sát địa chất công trình dọc tuyến cho thấy khu vực dự kiến xây dựng có điều kiện địa chất không đồng nhất Các lớp đất yếu nằm gần ngay bề mặt, phân bố trên toàn tuyến với chiều dày biến đổi Do vậy, việc xây dựng tuyến đường phải có các biện pháp xử lý nền đất yếu mới đảm bảo các điều kiện ổn định, điều kiện khai thác bình thường và bền vững của tuyến đường Hiện nay, có nhiều giải pháp xử lý nền đất yếu, nhưng lựa chọn giải pháp xử lý phù hợp phải được dựa trên

sự phân tích, so sánh, đánh giá đặc điểm cấu trúc nền với quy mô và các yêu cầu kỹ thuật đặt ra cho công trình Tuy nhiên, với chiều dài tuyến lớn, khối lượng tính toán nhiều, do đó cần phải phân chia cấu trúc nền, lựa chọn mặt cắt tính toán hợp lý đối với đặc điểm cấu trúc địa chất và quy mô, tải trọng công trình

Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu cấu trúc nền đất yếu và thiết kế giải pháp xử lý nền

đường, đoạn từ cầu Thịnh Long đến khu công nghiệp Rạng Đông tỉnh Nam Định”

2

có tính cấp thiết và ý nghĩa thực tiễn

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

- Phân tích và làm sáng tỏ các đặc điểm cấu trúc nền đất yếu, phân chia cấu trúc nền đất yếu, dự báo các vấn đề địa kỹ thuật công trình

- Luận chứng, lựa chọn và thiết kế giải pháp xử lý nền đất yếu phù hợp với cấu trúc địa chất nền đất yếu, phục vụ cho việc xây dựng nền đường đoạn từ cầu Thịnh Long đến khu công nghiệp Rạng Đông

3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Các kiểu cấu trúc nền khu vực nghiên cứu; Các vấn

đề địa kỹ thuật công trình; Các giải pháp xử lý nền đất yếu được áp dụng cho công

- Cơ sở lý thuyết, phương pháp tính toán, thiết kế các giải pháp xử lý;

- Phân chia cấu trúc đất yếu nền tuyến đường;

- Nghiên cứu lựa chọn giải pháp xử lý nền phù hợp cho từng đoạn;

- Lựa chọn và xác định các thông số kỹ thuật cho giải pháp đất xi măng;

- Phương pháp tính toán thiết kế;

5 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thu thập và tổng hợp tài liệu;

- Phương pháp phân tích tính toán lý thuyết để thiết kế giải pháp xử lý;

- Mô hình tính toán bằng phần mềm Geoslope và Plaxis

3

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Kết quả của đề tài nghiên cứu góp phần bổ sung cho các tài liệu tham khảo khi thiết kế, xây dựng cho các công trình tương tự

- Xây dựng cơ sở lựa chọn thiết kế xử lý nền đất yếu thích hợp về kỹ thuật và kinh tế cho đoạn tuyến đường từ cầu Thịnh Long đến khu công nghiệp Rạng Đông:

7 Cơ sở tài liệu

Hồ sơ khảo sát địa chất công trình nền đường và cống do Công ty cổ phần tư vấn xây dựng công trình giao thông 2 (TECCO2) lập

Các tài liệu nghiên cứu về trầm tích Đệ tứ, địa hình, địa mạo khu vực nghiên cứu;

Tài liệu thiết kế công trình

8 Cấu trúc của luận văn

Cấu trúc của luận văn bao gồm 03 chương, tổng cộng 105 trang, 50 hình vẽ,

ảnh chụp tư liệu; 35 bảng biểu; 11 phụ lục tính toán

Luận văn gồm các chương sau

4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ

NỀN ĐẤT YẾU 1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU, CẤU TRÚC NỀN ĐẤT YẾU

1.1.1 Khái niệm về đất yếu

“Đất yếu” là một khái niệm được sử dụng khá rộng rãi trong xây dựng, dùng

để chỉ các loại đất khi sử dụng cho mục đích xây dựng đều phải xử lý kỹ thuật mới đảm bảo được các điều kiện ổn định Ở nước ta, khái niệm về đất yếu đã được đề

cập trong các tiêu chuNn xây dựng, cụ thể như sau:

Theo tiêu chuNn TCVN 9355:2012: đất yếu là loại đất phải xử lý, gia cố mới

có thể làm nền móng cho công trình Các loại đất yếu thường gặp là bùn, đất loại sét (sét, sét pha, cát pha) ở trạng thái dẻo chảy Những loại đất này thường có độ sệt lớn (IL >1), có hệ số rỗng lớn (e >1), có góc ma sát trong nhỏ (ϕ <100), có lực dính theo kết quả cắt nhanh không thoát nước c < 15 kPa, có lực dính theo kết quả cắt cánh tại hiện trường cu < 35kPa, có sức chống mũi xuyên qc < 0,1 MPa, có chỉ số xuyên tiêu chuNn (SPT) là N30 < 5

Theo tiêu chuNn 22TCN 262:2000 đưa ra các tiêu chuNn nhận biết đất yếu như sau:

- Theo nguyên nhân hình thành, đất yếu có nguồn gốc khoáng vật hoặc nguồn gốc hữu cơ:

+ Loại có nguồn gốc khoáng vật thường là sét hoặc sét pha trầm tích trong nước ở ven biển, vũng 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 mầu nâu đen, xám đen, có mùi Đối với loại này, được xác định là đất yếu nếu ở trạng thái tự nhiên, độ Nm của chúng gần bằng hoặc cao hơn giới hạn chảy, hệ số rỗng lớn (sét e ≥ 1,5; sét pha e ≥ 1,0; cát pha e ≥ 0,9), lực dính theo kết quả cắt nhanh không thoát nước c ≤ 0,15 daN/cm2, góc nội ma sát ϕ từ 0 -100 hoặc lực dính theo kết quả cắt cánh hiện trường cu < 0,35 daN/cm2 Ngoài ra ở các vùng thung lũng còn có thể hình thành đất yếu dạng bùn cát, bùn cát mịn (hệ số rỗng e >1,0 độ bão hoà G > 0,8)

5

+ 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 xẫm, cấu trúc không mịn (vì lẫn các tàn dư thực vật)

Đất yếu đầm lầy còn được phân theo tỷ lệ lượng hữu cơ chứa trong chúng:

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

Lượng hữu cơ từ 30-60%: đất than bùn

Lượng hữu cơ từ 60-80%: than bùn

Thực tế hiện nay, khi mà tính toán nền móng công trình tuân theo hai trạng thái giới hạn, đánh giá đối với xây dựng, đất có sức chịu tải quy ước R ≤ 1,0 kG/cm2, mô đun tổng biến dạng E0 ≤ 50,0 kG/cm2 không thỏa mãn điều kiện ổn

định cho công trình bình thường được xem là đất yếu

Ở nước ta, đất yếu phân bố chủ yếu ở vùng đồng bằng, là các thành tạo trầm

tích Đệ tứ, có nguồn gốc sông, hồ, đầm lầy,…Bao gồm các loại đất sau: Đất loại sét (sét, sét pha, cát pha) trạng thái dẻo chảy, chảy; đất bùn; đất than bùn (có hàm lượng hữu cơ >13%); cát chảy; đất có hàm lượng tạp chất hòa tan muối clorua lớn hơn 5%, muối sunphat hoặc muối sunphat clorua lớn hơn 10% theo trọng lượng; …

1.1.2 Khái niệm cấu trúc nền đất yếu

Nền đất yếu là khái niệm dùng để chỉ các nền đất mà khi xây dựng công trình thường không đảm bảo các điều kiện ổn định theo các trạng thái giới hạn, phải xử lý

kỹ thuật mới đảm bảo các điều kiện ổn định Để đánh giá ổn định, cần thiết phải nghiên cứu phân chia cấu trúc nền, đánh giá theo các kiểu cấu trúc nền Ở nước ta, khái niệm cấu trúc nền và cơ sở phân chia, đã được nghiên cứu bởi nhiều tác giả như: GS TSKH Nguyễn Thanh, PGS.TS Vũ Cao Minh, PGS.TS Lê Trọng Thắng, GS.TSKH Phạm Văn Tỵ, PGS.TS Nguyễn Huy Phương

Khái niệm nền đất yếu, phải được xem xét trong mối quan hệ giữa các đặc

điểm nền đất tự nhiên với đặc điểm công trình xây dựng Đó là, tồn tại các lớp đất

yếu trong phạm vi nền hoặc liên quan đến đặc điểm làm việc, tính chất tải trọng tác

6

dụng của công trình, để làm sáng tỏ vai trò của đất yếu trong phạm vi nền nền cần tìm hiểu khái niệm cấu trúc nền, đặc biệt là cấu trúc nền đất yếu

Trong luận văn này, thuật ngữ “Cấu trúc nền” được tác giả sử dụng phản ánh

đặc điểm nền bao gồm các lớp đất trong phạm vi vùng hoạt động của chất công

trình, sự phân bố sắp xếp và tính chất xây dựng của chúng là cơ sở khoa học để phân tích ứng xử tương tác giữa công trình và nền

Trên cơ sở đó, cấu trúc nền đất yếu được hiểu là cấu trúc nền có liên quan trực tiếp với các thành tạo đất yếu, nó có ý nghĩa quan trọng đến sự mất ổn định của công trình Các lớp đất khác có khả năng chịu lực cao hơn thường là vị trí lựa chọn tựa cọc hay là giới hạn xử lý nền công trình

1.2.1 Mục đích của công tác xử lý nền đất yếu

Mục đích của công tác xử lý nền đất yếu là làm tăng sức chịu tải, giảm tính biến dạng của nền đất, thỏa mãn các trạng thái giới hạn của nền và công trình, cụ thể cải thiện một số tính chất cơ lý của đất nền yếu như: giảm hệ số rỗng, tăng độ chặt, giảm tính nén lún, tăng trị số mođun biến dạng, tăng cường độ chống cắt của

đất,

Để xây dựng công trình trên nền đất yếu thì phải có các biện pháp kỹ thuật

để cải tạo khả năng chịu lực của đất nền Kỹ thuật cải tạo đất yếu cần thiết đưa ra

các cơ sở lý thuyết và phương pháp, công nghệ để cải thiện khả năng chịu tải của

đất sao cho phù hợp với yêu cầu của từng loại công trình khác nhau Nền đất sau khi

xử lý gọi là nền nhân tạo

Việc xử lý nền đất yếu khi xây dựng công trình phụ thuộc vào điều kiện như:

đặc điểm quy mô và loại công trình, đặc điểm của cấu trúc nền, Với từng điều

kiện cụ thể mà người thiết kế đưa ra các giải pháp xử lý hợp lý Về nguyên tắc, khi xây dựng công trình trên cấu trúc nền đất yếu, có các biện pháp xử lý như sau:

- Các giải pháp xử lý về kết cấu công trình;

- Các giải pháp xử lý về móng;

- Các giải pháp xử lý nền

7

Các giải pháp xử lý nền có thể được xếp theo một số nhóm chính như sau:

- Nhóm các phương pháp cải tạo sự phân bố ứng suất và điều kiện biến dạng của nền: đệm cát, đệm đá sỏi, bệ phản áp, ;

- Nhóm các phương pháp làm chặt đất bằng cơ học: làm chặt đất bằng búa

Đối với việc xử lý nền khối đắp (đê, đường, kho bãi, ) yêu cầu xử lý với

diện tích rất lớn, yêu cầu độ lún dư không quá nghiêm ngặt như xử lý nền móng cho các công trình xây đúc Hiện nay, thường áp dụng các giải pháp xử lý như sau:

- Các giải pháp công nghệ tác động đến bản thân khối đắp, gồm:

+ Xây dựng nền đắp theo giai đoạn;

+ Xây dựng các bệ phản áp;

+ Đắp gia tải trước: tăng nhanh lún;

+ Giảm trọng lượng của khối đắp lên nền: đắp bằng vật liệu nhẹ (polyetylen

nở, lốp xe, ), đặt thêm các cống trong thân nền đắp;

+ Tăng cường ổn định cho nền đắp bằng cách bố trí các lớp vải hoặc lưới địa

kỹ thuật ở đáy và thân khối đắp

- Các giải pháp công nghệ tác động đến nền đất yếu dưới khối đắp:

+ Thay thế toàn bộ hay một phần đất yếu bằng vật liệu đắp có tính chất xây dựng tốt

+ Bố trí các hệ thống thoát nước thẳng đứng: bấc thấm, giếng cát

+ Bơm hút chân không

+ Cột balat, cọc cát

Việc lựa chọn công nghệ xử lý nền đất yếu cho công trình đắp cần phải xét

đến các tiêu chí như sau [5]:

- Khả năng thực hiện tại chỗ như điều kiện về vật liệu, thiết bị, tay nghề

Điều này phải được chú ý quyết định đến khả năng thi công, tiến độ, chất lượng giá

thành của công trình

- Tác động của quá trình thi công đến môi trường xung quanh: cần phải xét

đến các điều kiện về giải phóng mặt bằng để thi công, điều kiện giao thông khu vực,

khu vực đổ thải, ảnh hưởng đến nguồn nước mặt, nước ngầm, ô nhiễm môi trường xung quanh, …

- Thời gian thi công: Cần phải xét đến thời gian thi công xử lý nền, thi công khối đắp (thời gian đắp, thời gian chờ cố kết, …), thi công các hạng mục trên tuyến

- Các yêu cầu khai thác sử dụng công trình lâu dài: xem xét các yêu cầu về hạn chế độ lún (độ lún cho phép, tốc độ lún, độ lún dư) và ổn của công trình sau khi

đưa vào khai thác sử dụng

- Chi phí xây dựng công trình: Cần phải so sánh tổng chi phí trong quá trình thi công xử lý nền đất yếu giữa các phương án xử lý nền

Nguyên tắc lựa chọn pháp công nghệ xây dựng khối đắp trên nền đất yếu thường là:

- Trước hết đề cập đến các giải pháp đơn giản như tránh tuyến ra vùng đất không có đất yếu hoặc đất yếu có bề dày nhỏ, tiếp đó là các giải pháp xử lý nông rồi mới xét đến các giải pháp xử lý sâu

- Căn cứ vào các tiêu chí nêu trên, tiến hành so sánh các điều kiện kinh tế và

kỹ thuật để lựa chọn ra phương án xử lý nền tối ưu

1.2.3 Một số phương pháp xử lý nền đất yếu:

1.2.3.1 Phương pháp xử lý nền bằng đệm cát

9

Lớp đệm cát sử dụng hiệu quả cho các lớp đất yếu ở trạng thái bão hoà nước (sét chảy, sét pha, cát pha, bùn, than bùn ) và chiều dày các lớp đất yếu nhỏ hơn 3m

Biện pháp tiến hành: đào bỏ một phần hoặc toàn bộ lớp đất yếu (trường hợp lớp đất yếu có chiều dày bé) và thay vào đó bằng cát hạt trung, hạt thô rồi tiến hành

đầm đến độ chặt theo yêu cầu thiết kế

Việc thay thế lớp đất yếu bằng tầng đệm cát có những tác dụng chủ yếu như một lớp chịu tải phân bố lại ứng suất, giảm áp lực truyền xuống nền đất, tăng độ ổn

định, giảm độ lún và thời gian lún Phương pháp này thi công đơn giản nên được áp

dụng rộng rãi

1.2.3.3 Bệ phản áp

Bệ phản áp thường được dùng để tăng độ ổn định chống trượt trồi của khối

đất đắp của đường hoặc đê trên nền đất yếu Phương pháp này có ưu điểm là đơn

giản song có hạn chế là phát sinh độ lún phụ của bệ phản áp và diện tích chiếm đất

để xây dựng bệ phản áp Chiều cao và chiều rộng của bệ phản áp được tính toán,

thiết kế từ các chỉ tiêu về sức kháng cắt của đất yếu, chiều dày, chiều sâu lớp đất yếu và trọng lượng của bệ phản áp Thông thường, chiều cao bệ phản áp nhỏ hơn hoặc bằng chiều cao đắp trực tiếp giới hạn Hgh và nên từ 1/3 đến 1/2 chiều cao nền

đắp chính; chiều rộng bệ phản áp bằng 2/3 đến 3/4 chiều dài trồi đất của cung trượt

nguy hiểm nhất [5] Bệ phản áp cũng được sử dụng để bảo vệ đê điều, chống mạch sủi và cát sủi

1.2.3.4 Gia tải trước

Nguyên lý của giải pháp này là đắp thêm một chiều cao đăp vượt quá chiều cao đắp thiết kế và duy trì trong thời gian nào đó trong quá trình thi công khối đắp sao cho với thời gian đó đạt độ lún yêu cầu với nền đắp thiết kế, sau khi đạt mục tiêu này thì dỡ bỏ phần đắp thêm đó

Để có hiệu quả, theo kinh nghiệm chiều cao đắp thêm không nên nhỏ quá

(thường từ 2-3m) và thời gian duy trì tải trọng đắp thêm này ít nhất là 6 tháng Phần

đắp gia tải trước không cần đầm nén và có thể dùng được cả đất tận dụng [5]

10

1.2.3.5 Gia cố bằng vải địa kĩ thuật

Vải địa kĩ thuật hiện nay được áp dụng rất rộng rãi trong việc xử lí nền đất yếu, đáp ứng tốt các yêu cầu về kĩ thuật cũng như kinh tế ứng với nhiều điều kiện khác nhau

Vải địa kĩ thuật có tác dụng sau: Phân cách các loại vật liệu khác nhau; gia

cố nền đất yếu do vải địa kĩ thuật có tính năng cường lực chịu kéo và ứng suất cao nên ngăn chặn và triệt tiêu các sụt trượt tiềm năng của của phần đất cao; chống xói mòn- lọc và tiêu thoát nước; liên kết cọc trong trường hợp có đóng cọc gia cố ổn

định nền đường đất yếu

1.2.3.6 Xử lý nền đất yếu bằng cọc cát

Đây là giải pháp xử lý sâu, là tăng độ chặt của nền đất yếu, tăng cường độ đất yếu, giảm độ lún và giảm thời gian chờ lún Cọc cát được thi công bằng thiết bị

chuyên dùng, tung hạ ống thép rỗng có đường kính từ 30 – 50cm cắm sâu vào nền

đất yếu sau đó nhồi cát vào ống thép, đầm chặt cắt bằng hệ thống đầm rung và có

11

1.2.3.7 Xử lý nền đất yếu bằng giếng cát kết hợp gia tải trước

Phương pháp giếng cát áp dụng có hiệu quả đối với các loại đất yếu như bùn, than bùn, các loại đất dính ở trạng thái bão hòa nước có biến dạng lớn kéo dài theo thời gian và sức chịu tải thấp

Giếng cát là một trong các biện pháp tốt được áp dụng rộng rãi và có tác dụng sau: tăng nhanh tốc độ cố kết của đất nền Vật liệu cát thường là cát trung, thô với hệ số thấm k > 3,0 m/ngđ

Công nghệ thi công giếng cát hoàn toàn giống như cọc cát

1.2.3.8 Xử lý nền bằng cọc đất vôi

Cọc đất vôi thường được dùng để xử lý, nén chặt các lớp đất yếu như: Than bùn, bùn, sét và sét pha ở trạng thái dẻo nhão Việc sử dụng cọc đất vôi có những tác dụng: làm tăng độ chặt của nền và khi vôi được tôi trong lỗ khoan thì nó toả ra nhiệt độ lên tới 120-1600C với nhiệt lượng 280 Kcal/1kg vôi sống làm cho nước lỗ rỗng bốc hơi, làm giảm độ Nm và tăng nhanh quá trình nén chặt Ngoài ra khi tôi, vôi tăng thể tích lên 2 lần cũng làm cho đất xung quanh nén chặt thêm

Hình 1.2: Xử lý nền bằng cọc vôi, cọc xi măng đất

Sau khi xử lý bằng cọc vôi nền đất được cải thiện đáng kể: độ Nm của đất giảm 5-8%; lực dính tăng lên khoảng 1,5-3,0 lần, cường độ nền đất xử lý tăng 2-3 lần [10]

12

1.2.3.9 Xử lý nền bằng cọc đất xi măng

Việc chế tạo cọc đất xi măng cũng giống như đối với cọc đất vôi, ở đây xilô chứa ximăng sẽ được phun vào đất với tỷ lệ định trước Lưu ý xi măng phải được sàng trước khi đổ vào xilô để đảm bảo xi măng không bị vón cục và các hạt xi măng

có kích thước đều < 0,2mm, để không bị tắc ống phun Hàm lượng xi măng có thể

từ 7-15% và kết quả cho thấy gia cố đất bằng xi măng tốt hơn vôi và đất bùn gốc cát thì hiệu quả cao hơn đất bùn gốc sét

Hiện nay có hai công nghệ thi công cọc đất xi măng là công nghệ phun khô

và công nghệ phun ướt

Phương pháp Jet Grouting là công nghệ trộn sâu bằng tia vữa có áp lực cao Trước tiên đưa cần khoan đến đáy cọc dự kiến thì dừng lại và bắt đầu bơm vữa xi măng phụt ra thành tia ở đầu mũi khoan, vừa bơm vừa xoay cần và rút lên Tia nước

và vữa phun ra với áp suất cao (200 - 400 atm), vận tốc (≥100m/s) làm cho các phần tử đất xung quanh lỗ khoan bị xói tơi ra, hòa trộn với vữa phụt, sau đó đông cứng tạo thành cọc đất xi măng

Hình 1.3: Sơ đồ công nghệ Jet - grouting

So với một số phương pháp xử lý nền truyền thống (bê tông ép, cọc khoan nhồi) công nghệ cọc đất xi măng có ưu điểm nổi bật là khả năng xử lý sâu (đến 50m), tiết kiệm thời gian thi công đến 50% do không phải chờ đúc cọc và đạt đủ cường độ, thích hợp với các loại nền đất yếu (từ cát thô cho đến bùn yếu), thi công

13 được cả trong điều kiện nền ngập sâu trong nước hoặc điều kiện hiện trường chật

hẹp, đem lại hiệu quả kinh tế cao so với phương pháp cọc bê tông và cọc khoan nhồi, thời gian sử dụng lâu dài hơn hẳn phương pháp cọc cừ chàm

1.2.3.10 Xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm gia tải trước

Phương pháp bấc thấm áp dụng có hiệu quả trong hầu hết các loại đất yếu Tác dụng của bấc thấm tương tự như giếng cát, giúp đất nền tăng nhanh tốc độ cố kết, nhanh chóng đạt giới hạn ổn định về lún đồng thời giảm khả năng lún không

đều trong đất nền

Bấc thấm được làm bằng nhựa mềm có chiều rộng 100mm, dày 3mm, gồm hai lớp nhựa, kẹp giữa là 10 rãnh thoát nước với tiết diện 3mm2 Do có lớp nhựa mềm bọc ngoài nên lớp giấy thấm nước bằng bìa ở trong có thể được bảo tồn và làm việc tốt trong thời gian dài, đủ để quá trình thoát nước lỗ rỗng và nén trước đạt yêu cầu

Hình 1.4 : Thi công bấc thấm

Trình tự thi công bấc thấm được thực hiện như sau: Sau khi đặt xong bấc thấm, dùng cát, cuội, sỏi để làm tải trọng nén trước Tải trọng nén tăng dần dần theo từng cấp đến tải trọng thiết kế của công trình để nền đất lún đều và không bị lún đột ngột hay phá hủy nền Để đánh giá cường độ chịu tải của đất nền sau khi gia cố, có

14

thể dùng SPT hay khoan mẫu thí nghiệm Ngoài ra, cũng cần tiến hành quan trắc độ lún của đất từ khi gia cố đến khi sử dụng công trình, đo áp lực nước lỗ rỗng và ứng suất trong nền đất

1.2.3.11 Xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm gia tải bằng hút chân không

Phương pháp cố kết hút chân không là một trong những phương pháp gia cố nền đất sét yếu bão hòa nước Bản chất của phương pháp là sử dụng áp lực chân không truyền vào trong đất thông qua một hệ thống tiêu thoát nước đứng (thông thường là bấc thấm) được bố trí trong nền đất, nhờ đó mà nước và khí ở các lỗ rỗng trong đất được bơm thoát ra khỏi nền, đNy nhanh quá trình cố kết của nền đất Khi

đất được cố kết thì các tính chất cơ lý của chúng được biến đổi theo chiều hướng có

lợi: tính biến dạng giảm, tính thấm giảm, sức chịu tải và tính ổn định của đất tăng,

Theo những nét chung thì sự thoát nước trong nền đất sử dụng bấc thấm đã phân bố áp lực chân không và làm thoát ra nước lỗ rỗng Áp lực chân không danh

định là 80 kPa dùng khi thiết kế nhưng thực tế đôi khi áp lực này đạt đến 90 kPa

Khi tải lớn trên 80 kPa thường dùng hỗn hợp phương pháp hút chân không và gia tải [3]

Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý phương pháp cố kết hút chân không

15

Phương pháp cố kết hút chân không được ứng dụng tại nhiều nước trên thế giới như Nga, Đức, Canada, Pháp, Nhật Bản, Trung Quốc, Hàn Quốc, Malaysia, Thái Lan,… Năm 2008 công nghệ này bắt đầu được ứng dụng trong xử lý nền đất yếu tại Việt Nam cho một số công trình Nhà máy khí điện đạm Cà Mau, nhà máy DAP, nhà máy sợi Polyeste Đình Vũ, nhà máy điện chu trình hỗn hợp Nhơn Trạch

II, cảng Đình Vũ Hải Phòng, dự án đường cao tốc Long Thành – Dầu Giây,… đã

đạt hiệu quả cố kết trong thời gian ngắn, đảm bảo tốt các yêu cầu kỹ thuật Sơ đồ

công nghệ như hình 1.5:

Hiện nay, các công nghệ thi công phương pháp hút chân không, gồm:

a) Công nghệ thi công có màng kín khí (phương pháp cố kết MVC – Menard Vacuum Consolidation)

Công nghệ này được phát triển năm 1989 do hãng xây dựng Menard (Pháp) trên kết quả nghiên cứu của giáo sư J.M Cognon

Hình 1.6 : Sơ đồ công nghệ phương pháp MVC

Theo công nghệ này, sau khi thi công cắm bấc thấm và rải lớp đệm cát phía trên sẽ lắp đặt các ống dẫn nước ngang vào hệ thống tiêu thoát nước thẳng đứng Sau đó, các ống dẫn nước ngang này nối với gờ của hào dung dịch bentonite ở biên khu vực xử lý Các hệ thống này được bao kín bằng màng kín khí (thường là màng

địa kỹ thuật geo-membrane) trên toàn bộ khu vực thi công

b) Công nghệ thi công không có màng kín khí (phương pháp Beaudrain)

16

Nguyên tắc của công nghệ thi công không có màng kín khí dựa trên việc đơn giản hóa phương pháp MVC bằng cách bỏ đi màng kín khí Thay vào đó, nhóm phương pháp này yêu cầu đắp lớp gia tải cao hơn để bù đắp sự thiếu hụt về áp lực gia tải; bấc thấm được nối kín với hệ thống ống tập trung nước dưới mặt đất (phương pháp beaudrain) hoặc nối trên mặt đất sau đó đắp lớp gia tải phủ lên trên (phương pháp beaudrain -S) Sơ đồ công nghệ như hình 1.7

Hình 1.7 : Sơ đồ công nghệ phương pháp Beaudrain

1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG I

Trong chương I tác giả đã trình bày tổng quan về đặc điểm của đất yếu, quan niệm về cấu trúc nền đất, một số phương pháp xử lý nền đất yếu và các nguyên tắc chung khi lựa chọn công nghệ xây dựng khối đắp (đường, đê, ) trên cấu trúc nền

đất yếu

Qua đó, cho thấy mỗi phương pháp xử lý nền được xây dựng trên các nguyên

lý chung nhất về cải tạo lại tính chất xây dựng của đất yếu, chúng tồn tại các ưu nhược điểm, và phạm vi áp dụng nhất định Việc sử dụng giải pháp xử lý nền đất yếu hợp lý cho công trình, phải phân tích các đặc điểm, quy mô tải trọng công trình

và đặc điểm cấu trúc nền đất yếu

Đối với các công trình đường giao thông, thường có đặc điểm tuyến kéo dài,

xây dựng trên các cấu trúc nền địa chất khác nhau, thì việc phân chia cấu trúc nền

đặc biệt là nền đất yếu rất cần thiết Bởi vì, phân chia các kiểu cấu trúc nền sẽ là cơ

sở phân đoạn tuyến để tính toán, đánh giá các ảnh hưởng bất lợi của đất yếu đối với

17

công trình, giảm được khối lượng tính toán nhưng vẫn đảm bảo được độ tin cậy

Đồng thời, nó cũng là cơ sở để luận chứng, lựa chọn các giải pháp xử lý nền áp

dụng cho các đoạn tuyến trên cơ sở phân tích ổn định, đặc điểm của công trình và cấu trúc nền đất yếu

18

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC NỀN ĐẤT YẾU VÀ

LỰA CHỌN GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐƯỜNG

2.1 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG TRÌNH

2.1.1 Đặc điểm, quy mô công trình

Đoạn đường từ cầu Thịnh Long đến khu công nghiệp Rạng Đông có điểm đầu tuyến giao với tỉnh lộ 490C và đường lên cầu Thịnh Long, tuyến đi mới qua

khu đất nông nghiệp và giáp khu dân cư xóm 1, xóm 3 thuộc địa phận xã Nghĩa Bình, tuyến giao với đê hữu sông Ninh Cơ tại Km3+100, sau đó đi ra ngoài đê, qua cánh đồng tôm đến Km 5+500 thì chạy sát đê và vượt sông Phú Lợi tại Km 6+100, tuyến giao cắt và đi vào trong đê, giáp khu dân cư thôn Quần Vinh xã Nghĩa Phúc

đến sông Quần Vinh 2 tại Km 7+100; tuyến chạy song song với đê hữu sông Ninh

Cơ đến đèn Hải Đăng

Công trình được thiết kế theo tiêu chuNn đường cấp II đồng bằng, bề rộng mặt đường Bmặt = 31,50m, bề rộng lề Blề = 0,50m, độ dốc mặt đường về phía lề là 2% Số làn xe cơ giới là 04 làn mỗi chiều, toàn bộ nền đường là 8 làn xe

Trên toàn bộ chiều dài của tuyến đường được thiết kế với 4 dạng mặt cắt ngang điển hình Các thông số cơ bản của mặt cắt được sơ họa theo hình vẽ 2-1 dưới đây và được thể hiện cụ thể như trong phụ lục số 1:

Hình 2.1: Sơ đồ minh họa mặt cắt thiết kế điển hình MCĐH1 trên tuyến

Theo chiều dài tuyến, mặt cắt ngang điển hình 1 (MCĐH1) được thiết kế từ

lý trình km 0 + 00 đến km 0 +700; km 6 + 200 đến km 7 + 150; mặt cắt MCĐH2

được thiết kế chạy dọc đê sông Ninh Cơ ở phía sông, từ lý trình km 0 + 700 đến km

19

3 + 00; mặt cắt MCĐH3 được thiết kế chạy qua các đầm phía ngoài đê, từ lý trình

km 3 + 00 đến km 6 + 200; mặt cắt MCĐH4 chạy dọc tiếp giáp đê về phía đồng, từ

lý trình 7 + 150 đến km 9 + 500

2.1.2 Các thông số về vật liệu và tải trọng của công trình

2.1.2.1 Các thông số, yêu cầu vật liệu sử dụng

- Vật liệu đắp nền được dùng là cát đen hạt mịn khai thác ở sông Ninh Cơ

thỏa mãn yêu cầu quy trình thi công nền đường Vật liệu đắp bao dầy 1m phần lề

đường là đất loại sét được lấy tại mỏ đất đắp ở đồi Bồ Đề, thôn Hưng Long, xã

Quảng Lạc, huyện Nho Quan, tỉnh Ninh Bình Vật liệu đắp gia tải sử dụng vật liệu

đắp nền hoặc đất tận dụng Các thông số vật liệu nền đắp tính toán được lựa chọn

bao gồm: khối lượng thể tích đất đắp ρđ = 1,90 T/m3, góc ma sát trong ϕ = 30 - 350,

mô đun biến dạng E0= 300 kG/cm2, hệ số thấm k = 10,0m/ngày đêm

- Vật liệu cát sử dụng làm lớp đệm trên đầu bấc thấm và dùng cho thi công

giếng cát là cát sạch (cát hạt thô hoặc cát hạt trung), có độ thấm cao và phải đảm bảo các yêu cầu sau:

+ Hàm lượng hữu cơ không vượt quá 5%

+ Hàm lượng hạt > 0,5mm phải chiếm >50%

+ Hàm lượng hạt <0,14mm phải < 10%

+ Hệ số thấm của cát không nhỏ hơn 10-4m/s

+ Phải thỏa mãn đồng thời cả hai điều kiện sau: 6

D

D10

60 > và 3

D D

) D ( 1

10 60

- Vải địa kỹ thuật được dùng đặt ngay dưới lớp cát thay thế nhằm tránh làm

nhiễm bNn lớp đệm cát và được dùng tăng cường ổn định khối đắp Vải địa kỹ thuật

được sử dụng phải thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật sau:

+ Cường độ chịu kéo theo phương dọc ≥ 12kN/m

+ Cường độ chịu kéo theo phương ngang ≥ 12kN/m

+ Độ dãn dài ≤ 65%

20

+ Khả năng chống xuyên thủng từ 1500 đến 5000N

+ Đường kính lỗ lọc D90≤ 0,15mm

+ Hệ số thấm của vải: k ≥ 1,4x10-4m/s

- Bấc thấm dùng để thoát nước cho nền đất có cấu tạo như hình 2.2

Hình 2.2: Cấu tạo của bấc thấm

Các thông số, yêu cầu kỹ thuật của bấc thấm bao gồm:

+ Cường độ chịu kéo (cặp hết chiều rộng của bấc thấm) > 1,60kN

+ Độ dãn dài (cặp hết chiều rộng của bấc thấm) >20%

+ Hệ số thấm ≥ 1,5 x 10-4 m/s

+ Đường kính lỗ lọc D95 < 90 micron

+ Chiều dài cuộn: 250÷300m tương ứng với đường kính cuộn từ 1,1÷1,2m

21

2.1.2.2 Chiều cao đắp và tải trọng tính toán

Chiều cao tính toán thiết kế của nền đường đắp bao gồm chiều cao đắp xác

định theo cao độ thiết kế, chiều cao bù lún của nền đường sau xử lý và chiều cao

quy đổi do tải trọng xe cộ (hoạt tải) Được xác định theo công thức sau:

HTT = Hđ+Hq + Hbl (2.1) Với: Hđ là chiều cao đắp tính toán bằng hiệu số chênh cao giữa cao độ thiết

kế của mặt đường và cao độ mặt đất tự nhiên (m)

Hbl là chiều cao đắp bù lún, được xác định theo kết quả tính lún

Hq – Chiều cao quy đổi từ tải trọng do xe cộ (m)

Ở đây, tải trọng do xe cộ được xem là tải trọng của số xe nặng tối đa cùng

một lúc có thể đỗ kín khắp bề rộng nền đường, phân bố trên 1m chiều dài đường Sơ

đồ tính toán tải trọng xe cộ như hình 2.3:

Hình 2.3: Sơ đồ tính toán tải trọng xe

Tải trọng xe được quy đổi tương đương thành lớp đất đắp có chiều cao là Hq, xác định theo công thức sau:

l B

G n H

đ

Trong đó: G- là khối lượng của một xe, tấn

n- Số xe tối đa có thể xếp trên phạm vi bề rộng nền đường

γđ - Khối lượng thể tích đất đắp nền đường, γđ = 1,90 T/m3

l - Phạm vi phân bố tải trọng theo hướng dọc xe

Bề rộng phân bố ngang của các xe (B), được tính như sau:

22

ed)

1n(b.n

Với tải trọng xe H30, gồm 08 làn xe, theo quy trình 22TCN 262-2000, các thông số tính toán, được xác định như sau: n = 8; G = 30 tấn; l = 6,6m; b = 1,8m; d

= 1,9m; e = 0,5

Thay vào công thức (2-3) ta được B = 28,2m

Thay các giá trị tính toán vào công thức (2-2), chiều cao đắp quy đổi tải trọng xe có giá trị là: Hq = 0,68 m, qx = Hq.γđ = 1,29 T/m2

Tải trọng công trình được xác định theo công thức sau:

Hình 2.4: Sơ đồ xác định chiều cao đắp bù lún

Với đường thẳng (1) biểu thị sự thay đổi hiệu số (HTT-Hđ) theo HTT là chiều cao đắp có kể đến lún bù; đường (2) biểu thị sự thay đổi độ lún tính toán theo HTT Giao điểm của đường 1 và đường 2 xác định độ lớn trên trục tung bằng chiều cao

đắp bù lún Hbl:

2.1.2.3 Các yêu cầu kỹ thuật của công trình:

Các yêu cầu kỹ thuật của công trình cho xử lý nền đất yếu như sau [16]:

- Về độ lún: Độ lún dư sau thi công đối với nền đường thông thường phải nhỏ

hơn 30cm, tại vị trí giáp cống phải nhỏ hơn 20cm

- Về hệ số ổn định chống trượt: Tính theo phương pháp Bishop hệ số ổn định

trượt phải lớn hơn 1,20 trong thời gian thi công, lớn hơn 1,40 trong thời gian khai

23

thác công trình Trong quá trình đắp, phải kiểm tra ổn định lún trồi theo phương pháp Mandle và Salencon với hệ số ổn định lớn hơn 1,20

- Tổng thời gian xử lý thi công xử lý nền không chậm quá 8 tháng

2.2 ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC NỀN ĐẤT YẾU VÀ DỰ BÁO CÁC VẤN ĐỀ

ĐNA KỸ THUẬT

2.2.1 Đặc điểm địa chất công trình khu vực nghiên cứu

2.2.1.1 Đặc điểm địa hình, địa mạo

Khu vực tuyến khảo sát thuộc kiểu địa hình đồng bằng ven biển tích tụ, xâm thực bóc mòn Đặc điểm bề mặt địa hình bị phân cắt mạnh bởi hệ thống kênh mương, các đầm nuôi tôm, hệ thống đê và các sông trong khu vực Cao độ bề mặt

địa hình phổ biến từ -1,5m đến 4,0m Cấu tạo nên bề mặt địa hình chủ yếu là các

thành tạo trầm tích đầm lầy - biển tuổi Pleistocen bmQIII3, trầm tích sông biển hỗn hợp tuổi Pleistocen amQIII3, và Holocen trung amQIV1-2 với bề dầy trên 70m Thành phần trầm tích: đất sét, sét pha, cát pha trạng thái chảy, dẻo chảy, dẻo mềm đến dẻo cứng, nửa cứng Có chỗ gặp cát hạt bụi, hạt nhỏ với diện phân bố hẹp

Nhìn chung, địa hình khu vực xây dựng công trình chủ yếu bị phân cắt do hệ

thống kênh dẫn nước tưới tiêu với mật độ tương đối dày

2.2.1.2 Đặc điểm địa chất Đệ Tứ

Tuyến đường nằm trên kiểu địa hình đồng bằng khá đồng nhất được cấu tạo

từ các thành tạo có tuổi Đệ Tứ, căn cứ vào bản đồ địa chất Nam Định tỷ lệ 1:200.000, khu vực tuyến đi qua gồm các thành tạo địa chất từ già đến trẻ như sau:

* Hệ tầng Hải Hưng (QIV1-2 hh): phân bố ở phía Bắc Nam Định, về phía Nam

và Đông Nam hệ tầng bị phủ bởi các trầm tích Holocen thượng Hệ tầng Hải Hưng

có 2 kiểu nguồn gốc

- Trầm tích nguồn gốc sông - biển (amQ IV 1-2 hh): gồm 2 tập

+ Tập 1 (58,5 – 55,5 m): sét bột màu xám nâu lẫn ít cát hạt mịn Ngoài ra còn gặp các dạng kết hạch và tàn tích thực vật

+ Tập 2 (55,5 – 36,3 m): cát hạt nhỏ màu xám vàng, thành phần chủ yếu là thạch anh

24

- Trầm tích nguồn gốc biển (mQ IV 1-2 hh): Thành phần trầm tích là bột, sét

màu vàng nhạt; phần trên bị phong hoá laterit yếu, chứa phong phú hoá thạch Trùng

lỗ và Thân mềm Ammonia beccarit, Quiqueloculina, Bolivina sp., Balanus sp., Ostrea sp., Dentalimum sp

*Hệ tầng Thái bình (QIV3tb), có các nguồn gốc sau:

- Trầm tích nguồn gốc sông - biển (amQ IV 3 tb):

+ Tập 1 (28,3 – 23,8m): Thành phần trầm tích gồm bột sét lẫn cát màu vàng, xám vàng chứa ít vỏ sò, hến vụn nát

+ Tập 2 (23,8 – 0 m): Thành phần trầm tích gồm sét bột màu nâu, xám sẫm, chứa phong phú hoá thạch: Ammonia beccarii, A annectens, Elphidium advennum, E.hispidulum, Bolivina minuta và bảo tư phấn hoa tuổi Holocen muộn

- Trầm tích nguồn gốc đầm lầy – biển (bmQ IV 3 tb): Thành phần trầm tích gồm

cát hạt nhỏ đến vừa lẫn bột sét màu xám đen, than bùn ở phần dưới; còn phần trên là bột sét màu đen

- Trầm tích nguồn gốc sông (aQ IV 3 tb):phân bố dọc theo các sông hiện đại

(sông Hồng, sông Thái Bình) Thành phần trầm tích có sét bột màu nâu, nâu gụ

- Trầm tích nguồn gốc sông - đầm lầy (abQ IV 3 tb): Thành phần gồm sét màu

nâu xen lớp sét đen, than bùn mỏng chứa tàn tích thức vật và Bảo tư phấn hoa: Polypodiacea, Gêichnia sp, Cystopteris sp., Pteris sp., Cyathea sp., Andiantum sp., tuổi Holocen muộn Dày 1 – 3m

- Trầm tích nguồn gốc biển (mQ IV 3 tb): phân bố ở các vị trí sau:

+ Dải cát và cồn cát nằm xa bờ hiện tại, thành phần là cát thạch anh hạt nhỏ lẫn bột màu vàng

+ Cát bồi ở ven biển hiện đại kéo dài hàng chục km Cát hạt nhỏ, màu xám, xám sẫm, thành phần chủ yếu là thạch anh, phân bố ở đới thuỷ triều lên xuống

- Trầm tích có nguồn gốc biển gió (mvQ IV 3 tb): Thành phần là cát thạch anh

màu xám sáng, hạt nhỏ, độ chọn lọc tốt

2.2.1.3 Điều kiện địa chất thủy văn

Nước dưới đất trong khu vực chủ yếu nằm trong các lớp cát hạt mịn, cát pha

25

Theo kết quả thí nghiệm phân tích mẫu nước lấy tại công trình, thành phần hóa học nước như sau:

Bảng 2.1: Kết quả phân tích thành phần hóa học mẫu nước

Tính chất vật lý: Nước trong, hơi vàng Nhiệt độ mẫu: 25oC

Chỉ tiêu

cation mg/l meg/l %meg/l

chỉ tiêu anion mg/l meg/l %meg/l

T Ca Mg ) Na K (

-SO HCO Cl

M

19 2 29 51

4 17 3 37 45

85 , 0 021 , 0 2

+

Nước thuộc loại Clorua Natri

Theo TCVN 3994-85: nước không có tính ăn mòn đối với bê tông

2.2.2 Đặc điểm địa tầng và tính chất cơ lý của đất nền

Theo kết quả báo cáo khảo sát địa chất công trình, địa tầng khu vực trong phạm vi chiều sâu nghiên cứu bao gồm các lớp đất sau [4]:

26

- Lớp Đ : Đất đắp: thành phần sét pha màu xám, xám nâu, trạng thái dẻo chảy, dẻo mềm đến dẻo cứng;

- Lớp 1: Sét pha màu nâu tím, trạng thái dẻo chảy;

- Lớp 2: Cát bụi, màu xám đen, xám tím, trạng thái xốp;

- Lớp 3b: Sét pha, màu xám nâu, xám vàng, xám đen, lẫn hữu cơ, trạng thái dẻo chảy;

- Lớp 4: Sét pha màu xám nâu, xám đen, nâu tím, trạng thái chảy;

- Lớp 5: Sét màu xám nâu, nâu tím xen kẹp sét pha trạng thái chảy đến dẻo chảy

- Lớp 6: Sét xám xanh, xám vàng, xám đen, trạng thái dẻo mềm;

- Lớp 7: Sét pha màu xám, xám xanh lẫn vỏ sò trạng thái chảy đến dẻo chảy,

đôi chỗ xen kẹp cát pha;

- Lớp 8: Sét pha màu nâu vàng, loang lổ, trạng thái dẻo cứng;

- Lớp 8a: Sét màu xám vàng, loang lổ, trạng thái nửa cứng;

Mặt cắt địa chất công trình dọc tuyến được trình bày ở phụ lục 02

Giá trị các chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất phục vụ tính toán xử lý nền đường

được tổng hợp ở các bảng 2.2a ÷2.2f

Bảng 2.2a: Giá trị tiêu chu n chỉ tiêu cơ lý lớp đất Đ và lớp 1

Giá trị tiêu chuNn

hiệu Đơn vị

Lớp Đ Lớp 1

2 Khối lượng thể tích tự nhiên ρw g/cm3 1,91 1,88

3 Khối lượng thể tích khô ρc g/cm3 1,50 1,39

15 Áp lực tính toán quy ước R0 kG/cm2 0,65 0,75

16 Mô đun tổng biến dạng E0 kG/cm2 74,9 13,6

Bảng 2.2b: Giá trị tiêu chu n chỉ tiêu cơ lý lớp đất 2

hiệu Đơn vị Giá trị tiêu chuNn

4 Góc nghỉ của cát khi khô ϕk độ 33021’

5 Góc nghỉ của cát khi ướt ϕư độ 23000’

6 Giá trị thí nghiệm xuyên SPT NSPT búa 5-6

7 Áp lực tính toán quy ước R0 kG/cm2 1,20

8 Mô đun tổng biến dạng E0 kG/cm2 110,0

Bảng 2.2c: Giá trị tiêu chu n chỉ tiêu cơ lý lớp đất 3a và 3b :

Giá trị tiêu chuNn

hiệu Đơn vị

Lớp 3a Lớp 3b

2 Khối lượng thể tích tự nhiên ρw g/cm3 1,82 1,92

3 Khối lượng thể tích khô ρc g/cm3 1,31 1,52

19 Sức kháng cắt không thoát nước Su kG/cm2 0,164 0,247

20 Áp lực tính toán quy ước R0 kG/cm2 0,54 1,02

21 Mô đun tổng biến dạng E0 kG/cm2 32,2 97,4

Bảng 2.2d: Giá trị tiêu chu n chỉ tiêu cơ lý lớp đất 4 và lớp 5

Giá trị tiêu chuNn

hiệu Đơn vị

Lớp 4 Lớp 5

2 Khối lượng thể tích tự nhiên ρw g/cm3 1,81 1,75

3 Khối lượng thể tích khô ρc g/cm3 1,30 1,21

19

TN nén

ba trục sơ

đồ CU

Góc ma sát hiệu quả ϕ’u độ 32002' 30029'

20 Sức kháng cắt không thoát nước Su kG/cm2 0,186 0,228

21 Áp lực tính toán quy ước R0 kG/cm2 0,50 0,52

22 Mô đun tổng biến dạng E0 kG/cm2 22,1 15,5

Bảng 2.2e: Giá trị tiêu chu n chỉ tiêu cơ lý lớp đất 6 và lớp 7

Giá trị tiêu chuNn

hiệu Đơn vị

Lớp 6 Lớp 7

2 Khối lượng thể tích tự nhiên ρw g/cm3 1,81 1,87

3 Khối lượng thể tích khô ρc g/cm3 1,30 1,40

30

19 Sức kháng cắt không thoát nước Su kG/cm2 0,328 0,313

20 Áp lực tính toán quy ước R0 kG/cm2 0,85 0,66

21 Mô đun tổng biến dạng E0 kG/cm2 55,2 21,8

Bảng 2.2f: Giá trị tiêu chu n chỉ tiêu cơ lý lớp đất 8 và lớp 8a

Giá trị tiêu chuNn

hiệu Đơn vị

Lớp 8 Lớp 8a

2 Khối lượng thể tích tự nhiên ρw g/cm3 1,97 1,96

3 Khối lượng thể tích khô ρc g/cm3 1,57 1,54

15 Áp lực tính toán quy ước R0 kG/cm2 1,59 2,23

16 Mô đun tổng biến dạng E0 kG/cm2 153,4 148,.3

Qua đặc điểm phân bố của các lớp đất và giá trị các chỉ tiêu cơ lý của các lớp

đất như trên, cho thấy tuyến đường xây dựng trên cấu trúc nền đất yếu Trong đó,

các lớp đất yếu là lớp đất 1, lớp đất 3a, lớp đất 4, lớp đất 5 phân bố gần ngay mặt

31 đất, có tổng chiều dày tương đối lớn và biến đổi khá mạnh theo dọc tuyến Nằm

dưới các lớp đất yếu này là các lớp đất tốt (lớp 8 và lớp 8a)

Ở một số đoạn, phía trên lớp đất yếu có thể bắt gặp các lớp cát bụi (lớp 2) và

cát pha (lớp 3b) phân bố ngay gần mặt đất Chúng phân bố không liên tục và có chiều dày biến đổi mạnh

Như vậy, dọc theo chiều dài đoạn đường (9.500m) cấu trúc đất nền biến đổi mạnh, có nơi đất yếu phân bố ngay mặt đất, có nơi đất yếu nằm ở dưới các lớp đất tốt Để có giải pháp xử lý nền phù hợp, hiệu quả cần phân chia cấu trúc nền đất yếu

2.2.3 Phân chia cấu trúc nền đất yếu

2.2.3.1 Cơ sở phân chia cấu trúc nền

Phân chia các kiểu có cấu trúc địa chất tương tự nhau phục vụ cho việc lựa chọn và thiết kế xử lý nền đất yếu Việc phân chia trên các cơ sở xem xét quy luật phân bố các lớp đất yếu, các lớp đất tốt và tính chất cơ lý của chúng

Như vậy, cần phân tích đặc điểm biến đổi của đất trên theo không gian và theo chiều sâu để có thể xây dựng tiêu chí phân chia cấu trúc nền

Việc phân chia cấu trúc nền, cho phép đánh giá tổng quan về điều kiện ổn

định của nền và làm cơ sở cho việc lựa chọn các giải pháp xử lý nền đất yếu Do đó,

cần xem xét sự phân bố của các lớp đất yếu (lớp 1, lớp 3a, lớp 4, lớp 5), các lớp đất này ảnh hưởng trực tiếp tới ổn định và biến dạng của các công trình xây dựng trên mặt, việc lựa chọn xử lý nền đất yếu phụ thuộc vào tính chất cơ lý và sự phân bố của chúng Các lớp đất tương đối tốt (lớp 2, lớp 3b) tạo thành lớp áo cứng phía trên mặt, cần phải xem xét biến đổi chiều dày của lớp để đánh giá vai trò của các lớp đất này đối với gia tăng khả năng chịu tải và giảm biến dạng lún cố kết của nền Các lớp đất tốt phía đáy lớp đất yếu là lớp 8, lớp 8a là lớp nền đất tốt ở phía dưới đáy của các lớp đất yếu, phân bố gần như liên tục trên toàn bộ chiều dài tuyến, đây là lớp nền ổn định cho công trình, làm cơ sở cho việc lựa chọn chiều sâu kết thúc xử lý nền đất yếu

32

Để phân chia cấu trúc nền đất yếu, tác giả đã nghiên cứu toàn bộ mặt cắt địa

chất dọc tuyến đường phụ lục số 02 Hình 2-5 minh họa mặt cắt địa chất công trình dọc tuyến từ km 6+58 đến km 6+261

Hình 2.5: Sơ đồ mặt cắt địa chất công trình

Trên cơ sở xem xét sự phân bố của các lớp đất dọc theo tuyến đường nghiên cứu, nhấn mạnh đến sự phân bố của các lớp đất yếu và lớp đất tốt ở phía dưới và các lớp khá tốt ở phía trên mặt, làm cơ sở cho sự phân chia các kiểu cấu trúc nền Ở

đây cần thấy rằng, toàn bộ tuyến nghiên cứu đều bắt gặp các lớp đất yếu, các lớp đất

yếu này phân bố khá nông với chiều dày biến đổi khá mạnh, phân bố trên các lớp

đất tốt Đây chính là yếu tố quyết định đến chiều sâu xử lý khi sử dụng các giải

pháp đường thoát nước thẳng đứng như bấc thấm, giếng cát Ngoài ra cũng thấy rằng, một số đoạn trên tuyến, các lớp đất yếu này phân bố ngay mặt đất, nhưng một

số đoạn tuyến lớp đất yếu lại phân bố ngay dưới các lớp đất tốt, lớp đất thoát nước tốt (lớp 2) điều này có ý nghĩa cho việc lựa chọn giải pháp xử lý nông hay xử lý sâu

33

khi xem xét trên cơ sở chiều dày của lớp đất tốt với đặc điểm của công trình và tải trọng

2.2.3.2 Phân chia cấu trúc nền

Từ các cơ sở phân chia cấu trúc nền như trên, tác giả phân chia nền đất thành hai kiểu cấu trúc như sau:

- Kiểu cấu trúc nền I: Nền gồm các lớp đất yếu phân bố ngay mặt đất, dưới các lớp đất yếu là các lớp đất tốt

- Kiểu cấu trúc nền II: Nền gồm các lớp đất yếu phân bố kẹp giữa các lớp đất tốt (các lớp đất tốt phân bố ngay mặt đất và phía đáy các lớp đất yếu) Dựa vào đặc tính thoát nước của lớp đất tốt phía trên mặt, kiểu cấu trúc nền II được phân làm 2 phụ kiểu như sau:

+ Phụ kiểu IIa: Lớp đất tốt phía trên là lớp thoát nước chậm (sét pha, cát pha,

có xét biến dạng theo thời gian)

+ Phụ kiểu IIb: Lớp đất tốt phía trên là lớp thoát nước tốt (lớp cát không xét biến dạng theo thời gian)

Các kiểu cấu trúc nền đất yếu được minh họa theo sơ đồ hình 2-6:

Hình 2.6: Sơ đồ minh họa các kiểu cấu trúc nền

Nghiên cứu, mặt cắt địa chất dọc tuyến, sự phân bố của các kiểu cấu trúc nền

đất yếu được thể hiện như sau:

+ Kiểu cấu trúc nền I phân theo chiều dài tuyến: Phân bố từ lý trình Km 0 +950 đến km 1+220; km 1 +380 đến km 2+620; km 3 + 370 đến km 3 + 830; km 4