Chương 5 xử lý nền đất yếu

Khi thi công các công trình xây dựng gặp các loại nền đất yếu, tùy thuộc vào tính chất củalớp đất yếu, đặc điểm cấu tạo của công trình mà người ta dùng phương pháp xử lý nền móng chophù

Chương 5 XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU

5.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ĐẤT YẾU

Nền đất yếu là nền đất có khả năng chịu tải nhỏ, không đủ độ bền và có biến dạng nhiều, dovậy không thể xây dựng các công trình

Khi thi công các công trình xây dựng gặp các loại nền đất yếu, tùy thuộc vào tính chất củalớp đất yếu, đặc điểm cấu tạo của công trình mà người ta dùng phương pháp xử lý nền móng chophù hợp để tăng sức chịu tải của nền đất, giảm độ lún, đảm bảo điều kiện khai thác bình thườngcho công trình

Đất yếu trong thực tế ảnh hưởng rất lớn đến công trình xây dựng cả trong giai đoạn thi cônglẫn khi sử dụng Các hiện tượng công trình bị phá hoại do đất yếu gây ra: Lún không đều do tầngđất yếu có độ dày thay đổi làm nghiêng, nứt công trình dẫn đến sụp đổ (Hình 1, Hình 2)

Trong thực tế xây dựng, có rất nhiều công trình bị lún, sập khi xây dựng trên nền đất yếu dokhông có những biện pháp xử lý hiệu quả, không đánh giá chính xác được các tính chất cơ lý củanền đất để làm cơ sở và đề ra các giải pháp xử lý nền móng phù hợp Đây là một vấn đề hết sứckhó khăn, đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa kiến thức khoa học và kinh nghiệm thực tế để giảiquyết, giảm được tối đa các sự cố, hư hỏng của công trình khi xây dựng trên nền đất yếu

Nắm vững và xử lý tốt nền móng là yêu cầu quan trọng để công trình xây dựng an toàn vàkinh tế Để đáp ứng yêu cầu này, khi thiết kế và thi công ở bất cứ khu vực nào người thiết kế cầnnghiên cứu các đặc trưng địa kỹ thuật của các lớp đất nền để từ đó đề ra biện pháp xử lý nền phùhợp

Hình Chương 5.1.Đất yếu gây ra hiện tượng

trượt lở mái dốc

Hình Chương 5.2 Đất yếu cố kết, lún âm ỉ theo

thời gian gây hư hỏng công trình

5.1.1 Khái niệm đất yếu

Theo TCVN 9355 : 2012, các loại đất yếu thường gặp là bùn, đất loại sét (sét, sét pha, cátpha) ở trạng thái dẻo chảy Những loại đất này thường có độ sệt lớn (IL > 1), hệ số rỗng lớn (e >1), góc ma sát trong nhỏ ( < 100), lực dính theo kết quả cắt nhanh không thoát nước C <15KPa, lực dính theo kết quả cắt cánh tại hiện trường Cu < 0,35 KPa, sức chống mũi xuyên tĩnh pc

< 0,1 MPa và chỉ số xuyên tiêu chuẩn SPT là N<5

Theo Tiêu chuẩn Thiết kế Cảng Nhật Bản : Đất yếu là cát: Giá trị N theo SPT nhỏ hơn 4; Đấtyếu là đất dính: Cường độ nén nở hông tự do nhỏ hơn 20kN/m2.

Các loại nền đất yếu chủ yếu và thường gặp:

- Đất sét mềm: Gồm các loại đất sét hoặc á sét tương đối chặt, ở trạng thái bão hòa nước, cócường độ thấp;

- Đất bùn: Các loại đất tạo thành trong môi trường nước, thành phần hạt rất mịn, ở trạng tháiluôn no nước, hệ số rỗng rất lớn, rất yếu về mặt chịu lực;

- Đất than bùn: Là loại đất yếu có nguồn gốc hữu cơ, được hình thành do kết quả phân hủycác chất hữu cơ có ở các đầm lầy (hàm lượng hữu cơ từ 20 -80%);

- Cát chảy: Gồm các loại cát mịn, kết cấu hạt rời rạc, có thể bị nén chặt hoặc pha loãng đáng

kể Loại đất này khi chịu tải trọng động thì chuyển sang trạng thái chảy gọi là cát chảy;

- Đất bazan: là loại đất yếu có độ rỗng lớn, trọng lượng thể tích khô nhỏ, khả năng thấm nướccao, dễ bị lún sụt

Ở Việt Nam đất yếu phân bố ở một số vùng:

Với các đặc điểm của đất yếu như trên, muốn đặt móng công trình xây dựng trên nền đất nàythì phải có các biện pháp kỹ thuật để cải tạo tính năng chịu lực của nó Nền đất sau khi xử lý gọi

là nền nhân tạo

Việc xử lý khi xây dựng công trình trên nền đất yếu phụ thuộc vào các điều kiện như: Đặcđiểm công trình, đặc điểm nền đất… Với từng điều kiện cụ thể mà người thiết kế đưa ra các biệnpháp xử lý hợp lý Có nhiều biện pháp xử lý cụ thể khi gặp nền đất yếu như:

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

- Các biện pháp xử lý về móng;

- Các biện pháp xử lý nền

5.1.2.1.Các biện pháp xử lý về kết cấu công trình

Kết cấu công trình có thể bị phá hỏng cục bộ hoặc hoàn toàn do các điều kiện biến dạngkhông thỏa mãn: Lún hoặc lún lệch quá lớn do nền đất yếu, sức chịu tải bé

Các biện pháp về kết cấu công trình nhằm giảm áp lực tác dụng lên mặt nền hoặc làm tăngkhả năng chịu lực của kết cấu công trình Người ta thường dùng các biện pháp sau:

- Dùng vật liệu nhẹ và kết cấu nhẹ, thanh mảnh, nhưng phải đảm bảo khả năng chịu lực củacông trình nhằm mục đích làm giảm trọng lượng bản thân công trình, tức là giảm được tĩnh tảitác dụng lên móng

- Làm tăng sự linh hoạt của kết cấu công trình kể cả móng bằng cách dùng kết cấu tĩnh địnhhoặc phân cắt các bộ phận của công trình bằng các khe lún để khử được ứng suất phụ phát sinhtrong kết cấu khi xảy ra lún lệch hoặc lún không đều.

- Làm tăng khả năng chịu lực cho kết cấu công trình để đủ sức chịu các ứng lực sinh ra do lúnlệch và lún không đều bằng các đai bê tông cốt thép để tăng khả năng chịu ứng suất kéo khi chịuuốn, đồng thời có thể gia cố tại các vị trí dự đoán xuất hiện ứng suất cục bộ lớn

- Thay đổi kích thước và hình dáng móng sẽ có tác dụng thay đổi trực tiếp áp lực tác dụng lênmặt nền, do đó cũng cải thiện được điều kiện chịu tải cũng như điều kiện biến dạng của nền Khităng diện tích đáy móng thường làm giảm được áp lực tác dụng lên mặt nền và làm giảm độ lúncủa công trình Tuy nhiên đất có tính nén lún tăng dần theo chiều sâu thì biện pháp này khônghoàn toàn phù hợp

- Thay đổi loại móng và độ cứng của móng cho phù hợp với điều kiện địa chất công trình: Cóthể thay móng đơn bằng móng băng, móng băng giao thoa, móng bè hoặc móng hộp; trường hợp

sử dụng móng băng mà biến dạng vẫn lớn thì cần tăng thêm khả năng chịu lực cho móng; Độcứng của móng bản, móng băng càng lớn thì biến dạng bé và độ lún sẽ bé Có thể sử dụng biệnpháp tăng chiều dày móng, tăng cốt thép dọc chịu lực, tăng độ cứng kết cấu bên trên, bố trí cácsườn tăng cường khi móng bản có kích thước lớn

5.1.2.3.Các biện pháp xử lý nền đất yếu

Xử lý nền đất yếu nhằm mục đích làm tăng sức chịu tải của nền đất, cải thiện một số tính chất

cơ lý của nền đất yếu như: Giảm hệ số rỗng, giảm tính nén lún, tăng độ chặt, tăng trị số modunbiến dạng, tăng cường độ chống cắt của đất…

Trong nội dung chương này tập trung nghiên cứu các biện pháp xử lý nền đất yếu

5.2 CÁC NHÓM BIỆN PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU

5.2.1 Sơ đồ khối các biện pháp xử lý nền đất yếu

Khi xây dựng công trình trên nền đất yếu phải tiến hành thu thập tài liệu về địa hình, địachất, sự phân bố của đất yếu tại khu vực xây dựng, độ lớn của tải trọng do công trình tác dụnglên nền, phân tích sự cần thiết và đưa ra các phương án xử lý nền hợp lý dựa trên các yêu cầu kỹthuật và bài toán kinh tế Quá trình thực hiện phải tuần tự từng bước theo sơ đồ khối sau đây(Hình 3):

Hình Chương 5.3 Sơ đồ khối xử lý nền đất yếu

 Theo sơ đồ khối Hình 3 trong phần Phân tích điều kiện cần xử lý, đối với công trình nền đường trên nền đất yếu có một trong số các điều kiện sau thì cần phải dùng các biện

pháp xử lý nền đất yếu

- Về độ lún ổn định, ví dụ theo yêu cầu về độ lún cho phép theo quy trình “khảo sát thiết kếnền đường ô tô đắp trên đất yếu” 22TCN262-2000 quy định khi độ lún cho phép thỏamãn Bảng 1 thì cần phải xử lý

Loại cấp đường

Vị trí đoạn nền đắp trên đất yếu Gần mố cầu

Chỗ có cống hoặc đường dân sinh chui

dưới

Các đoạn nền đắp thông thường

5.2.2 Nguyên lý của các nhóm biện pháp xử lý nền đất yếu

Các phương pháp xử lý nền đất yếu thì có rất nhiều, đi cùng với các phương pháp này là côngnghệ thi công Mỗi phương pháp xử lý có một công nghệ thi công đặc thù, tuy nhiên các phươngpháp xử lý nền đất yếu đều dựa trên hai nguyên lý cơ bản sau đây

5.2.2.1 Nguyên lý làm tăng sức kháng cắt thông qua việc làm tăng tốc độ cố kết của nền.

Hiện tượng cố kết thấm là sự giảm hệ số rỗng của nền đất bằng cách trục xuất nước bên trong

lỗ rỗng ra ngoài bằng hiện tượng thấm, nhờ đó các hạt đất tì chặt trực tiếp lên nhau, cấu trúc đấtđược gia cố bởi sự liên kết trực tiếp của các hạt đất (Hình 4)

Hình Chương 5.4 Đất cố kết dưới tải trọng tác dụng

Bản chất và tác dụng của việc cố kết đất nền trước khi xây dựng nói chung được giải thích

trên Hình 5 Nếu trước khi xây dựng mà không gia cố đất nền thì sau khi đặt công trình lên tải

trọng công trình (p) sẽ gia tăng áp lực lên nền khiến cho quá trình cố kết xảy ra do nước vẫn bị

đẩy ra khỏi lỗ rỗng Kết quả là đất nền bị lún tương đối nhanh, có thể gây ra hiện tượng lúnkhông đều, từ đó có thể dẫn đến nứt gãy kết cấu Tại thời điểm t2 đất nền cố kết hoàn toàn và đạt

độ lún cuối Sc(p) Nếu không có sự thay đổi về tải trọng, nền ổn định và không tiếp tục lún nữa

Hình Chương 5.5 Đường quá trình lún của nền

Gia cố nền trước khi xây dựng được tiến hành bằng cách gia tải trước có giá trị bằng tổng tảitrọng công trình (p) với một siêu tải (f) (tải trọng gia tải chất thêm), tổng siêu tải sẽ bằng (p+f),

sẽ khiến nền lún nhanh hơn và mau chóng đạt được giá trị bằng S(p+f) xấp xỉ giá trị độ lún cuối c(p) tại thời điểm t1, sớm hơn t2 Nếu tại thời điểm này bắt đầu xây dựng và đặt công trình lên trênnền thì độ lún dư trong các năm tiếp theo của

S-công trình sẽ tương đối nhỏ và không gây nguy

hại cho kết cấu Có thể thấy siêu tải (f) càng

lớn, thời gian cố kết t1 càng ngắn

Một lưu ý nữa trong khi xây dựng thì đất

nền có khả năng nở ngược do gia tải của công

trình đã được dỡ ra mà công trình vẫn chưa

được xây dựng xong (hình 6) Vì vậy việc

chọn giá trị độ lún S(p+f) tại thời điểm ngừng gia

cố đòi hỏi tính toán cả hiện tượng nở ngược

này

5.2.2.2 Nguyên lý làm tăng trực tiếp sức kháng cắt, sức chịu tải của nền

Nguyên lý này dựa trên triết lý làm thay đổi trực tiếp tính chất cơ học, tính chống cắt củanền đất yếu bằng các biện pháp hóa học (như trộn đất nguyên trạng với ximăng hoặc vôi thànhcọc ximăng đất hoặc cọc vôi đất), các biện pháp cơ học (như cọc cát làm tăng độ chặt của đấtnền….)

Trong các phần sau các phương pháp xử lý nền đất yếu được phân loại và giới thiệu dựa trênhai nguyên lý cơ bản này

5.2.2.3 Đặc điểm chung của các biện pháp xử lý nền đất yếu

Việc lựa chọn giải pháp xử lý nền đất yếu phụ thuộc vào đặc điểm của nền đất yếu cũng như yêucầu của từng công trình Bảng 2 đưa ra lựa chọn một số giải pháp xử lý nền đất yếu thích hợpcho các loại đất yếu và công trình

Hình Chương 5.6 Đường quá trình lún của nền

Giếng cát được sử dụng đối với loại đất bùn, than bùn cũng như các loại đất dính bão hòa nước, có tính biến dạng lớn khi xây dựng các công trình có kích thước và tải trọng lớn thay đổi theo thời gian như nền đường, sân bay, bản đáy các công trình thủy lợi

Cần chú ý khả năng phá hỏng đất yếu do kích thước giếng cát lớn Phải kiểm tra bài toán

ổn định, trượt và thời gian lún cũng như tốc độ lún ổn định.

Bấc thấm kết hợp gia tải

- Xây dựng nền đường trên đất yếu có yêu cầu tăng nhanh tốc độ cố kết và tăng nhanh cường độ của đất yếu để bảo đảm ổn định nền đắp và hạn chế

độ lún trước khi làm kết cấu áo đường.

- Tôn nền trên đất yếu để làm mặt bằng chứa vật liệu, để xây dựng các kho chứa một tầng, để xây dựng các công trình dân dụng và công nghiệp loại nhỏ

có tải trọng phân bố trên diện rộng (sau khi nền đã lún đến ổn định).

- Sự phá vỡ kết cấu đất khi thi công Sự phá hỏng kết cấu này làm tăng tổng độ lún và làm giảm sức kháng cắt của đất.

- Phạm vi chiều sâu thực

sự có hiệu quả của bấc thấm.

- Giá trị tải trọng nén trước

để việc thoát nước lỗ rỗng và

Gia cố nông, chủ yếu là giải quyết bài toán sức chịu tải Phải tính lún dưới nhóm cọc

Thông thường đóng 25 cọc/m 2 Nên tính toán nhóm cọc cùng làm việc để lựa chọn số lượng cọc hợp lý Đóng nhiều sẽ làm phá hoại nền.

Cọc nhỏ bê tông cốt thép đường kính nhỏ

Gia cố sâu, giải quyết bài toán ổn định

và chống lún và phải tính lún dưới nhóm cọc

Là giải pháp kinh tế vì tăng ma sát bên của cọc và khắc phục giới hạn của cọc tre, cọc tràm (chiều dài giới hạn)

Cọc xi măng đất, cọc vôi đất Gia cố sâu

Kiểm tra lượng xi măng và vôi thí nghiệm trong phòng

Đất có cốt, vải địa kỹ thuật và

Phân bố ứng suất đều Tăng khả năng chịu kéo của đất, giảm áp lực lên

Phải kiểm tra độ ổn định của mái dốc và tường chắn Có thể

lưới địa kỹ thuật

tường chắn ngăn cách giữa lớp đất yếu

và lớp đất đắp hoặc thay thế Thoát nước tốt hơn

kết hợp với vật liệu san lấp nhẹ Sử dụng theo chỉ dẫn kỹ thuật của nhà cung cấp

Đầm chặt đất cát, cát bụi bằng các biện pháp rung, đầm rơi quả nặng

Cát rời, đất sét yếu có thể gia cố sâu Phải có lượng cát bù sau khi

gây chấn động bằng đầm rung

5.3 MỘT SỐ BIỆN PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU THƯỜNG DÙNG

5.3.1 Các biện pháp tăng nhanh tốc độ cố kết của nền.

5.3.1.1.Biện pháp giếng cát xử lý nền đất yếu

a) Đặc điểm và phạm vi áp dụng

Giếng cát là một trong những biện pháp gia cố đất yếu bằng cách làm cho nước trong lỗrỗng của đất yếu thoát thẳng đứng bằng mao dẫn thông qua các cọc bằng cát hạt trung hoặc thô(thấm nước tốt) dưới tác dụng của tải trọng gia tải trước Giếng cát được sử dụng đối với loại đấtbùn, than bùn cũng như các loại đất dính bão hòa nước, có tính biến dạng lớn khi xây dựng cáccông trình có kích thước và tải trọng lớn thay đổi theo thời gian như nền đường, sân bay, bản đáycác công trình thủy lợi…

Giếng cát có hai tác dụng chính :

- Giếng cát sẽ làm cho nước tự do trong lỗ rỗng thoát thẳng đứng, sau đó được chảyngang theo lớp đệm cát đặt trên đỉnh các giếng cát vì vậy làm tăng nhanh tốc độ cố kết của nền,làm cho công trình nhanh đạt đến giới hạn ổn định về lún, đồng thời làm cho đất nền có khả năngbiến dạng đồng đều

- Nếu khoảng cách giữa các giếng được chọn thích hợp thì nó còn có tác dụng làm tăng

độ chặt của nền và do đó sức chịu tải của đất nền tăng lên

Những điểm giống và khác nhau giữa giếng cát và cọc cát :

- Kích thước (đường kính và chiều dài) tương tự như nhau, nhưng khoảng cách giữa cácgiếng cát thì lớn hơn cọc cát

- Nhiệm vụ của chúng khác nhau :

+ Cọc cát làm chặt đất là chính, làm tăng sức chịu tải của đất nền, thoát nước lỗ rỗng làphụ

+ Giếng cát để thoát nước lỗ rỗng là chính, tăng nhanh quá trình cố kết, làm cho độ lúncủa nền nhanh chóng ổn định Làm tăng sức chịu tải của nền là phụ

 Ưu nhược điểm:

- Ưu điểm:

+ Sử dụng trong vùng có đất yếu lớn, chiều sâu xử lý lớn hơn 20m

+ Tốc độ cố kết nhanh hơn bấc thấm, nên thời gian chờ lún cố kết nhỏ Độ lún dư sau khi

xử lý nhỏ

+ Mức độ rủi ro thấp, diễn biến lún khơng phức tạp

+ Khả năng chống mất ổn định trượt sâu cao hơn bấc thấm, vì ngồi tác dụng chính làthốt nước để cố kết đất, cịn cĩ tác dụng cải thiện đất ngay trong quá trình thi cơng giếngcát (lèn đất và thay đất yếu bằng cát trung trong các giếng cát)

+ Tiến độ thi cơng chậm hơn bấc thấm

+ Cần lưu ý rằng khi sử dụng giếng cát gia cố nền đất yếu cần đảm bảo đạt được độ đồngđều của cát trong suốt chiều dài giếng cát, tránh hiện tượng đứt đầu giếng cát dưới tác dụngcác loại tải trọng

Xử lý nền đất yếu bằng giếng cát sẽ phát huy hiệu quả cao nếu đất yếu cĩ hàm lượng hữu cơkhơng lớn (thường <10%) và tải trọng đắp lớn hơn áp lực tiền cố kết của đất yếu

a) Cấu tạo giếng cát

Tầ ng khô ng thấ m nướ c

Đấ t yế u

Đệ m cá t q

Giế ng cá t

L

L d

Cấ u tạo giế ng cá t trê n mặ t bằ ng.

Hình Chương 5.7 Sơ đồ cấu tạo giếng cát

Nền đất được xử lý bằng giếng cát cĩ sơ đồ cấu tạo như Hình 7, gồm các bộ phận cấu tạo sau:

+ Giếng cát: cĩ đường kính 30 ÷ 50cm, thường dùng d =40cm Chiều sâu của giếng bằng

chiều sâu chịu nén cực hạn của đất nền dưới mĩng, chẳng hạn: mĩng đơn lg= 2b ÷ 3b; mĩngbăng lg = 4b; mĩng bè (cĩ cạnh lớn hơn 10m) nếu nền đất sét yếu: lg ≥ 9m +0,15b: nền đất loạicát yếu: lg ≥ 6m + 0,9b; trong một số trường hợp chiều dài của giếng cát cĩ thể từ 28÷30m.Khoảng cách các giếng cát cho cơng trình dân dụng và cơng nghiệp là: L =1.50m ÷ 5m

+ Đệm cát: tạo điều kiện cho cơng trình lún đều Chiều dày tầng đệm cát Hd tính theo cơngthức kinh nghiệm sau đây:

Hd = S + (0,3 ÷ 0,5m) (Chương 5.1)

Để xác định tải trọng cần thiết gia tải và thời gian gia tải dùng lý thuyết phần gia tảitrước (giáo trình cơ học đất) ta có biểu thức tính độ cố kết trung bình của giếng cát.

Hình Chương 5.8 Giếng cát

trong đó: ’(p) là giá trị tải trọng công trình trên một đơn vị diện tích;

’0 - ứng suất do trọng lượng bản thân gây ra;

’(f)- tải trọng chất thêm;

Uv,r – là độ cố kết trung bình theo phương thẳng đứng và xuyên tâm (theophương ngang).

Trình tự để xác định độ cố kết trung bình Uv,r như sau:

Với một tải trọng và thời gian t2, độ cố kết trung bình do thoát nước thẳng đứng và thoát nướcxuyên tâm là

(Chương 5.3)trong đó

Ur= độ cố kết trung bình thoát nước xuyên tâm;

Uv= độ cố kết trung bình thoát nước thẳng đứng

Độ cố kết trung bình do thoát nước xuyên tâm

Hình 9 thể hiện sơ đồ của giếng cát Trong hình, rw là bán kính của giếng cát và re=de/2 làbán kính ảnh hưởng của vùng thoát nước Trong quá trình thi công giếng cát, một vùng cố địnhcủa đất sét xung quanh giếng cát bị xáo động, do đó làm thay đổi tính thấm của đất sét TrongHình 9 , rs là khoảng cách xuyên tâm từ tâm của giếng cát đến điểm xa nhất của vùng xáo động

Bây giờ, với quan hệ độ cố kết trung bình, chúng ta sử dụng lý thuyết đẳng biến dạng“theory of equal strain” Có hai trường hợp tải trọng tác dụng được biểu diễn như Hình 10.

Trường hợp (a) toàn bộ tải trọng được tác dụng tức thời (xem Hình 10a),

Trường hợp (b) toàn bộ tải trọng tác dụng từ từ (xem Hình 10b)

Khi toàn bộ tải trọng tác dụng tức thời (Barron, 1948).

(Chương 5.4)trong đó

(Chương 5.5)

Hình Chương 5.9 Sơ đồ của một giếng cát

Hình Chương 5.10 Điều kiện chất tải

(Chương 5 6)

kh - hệ số thấm của đất sét theo phương ngang trong vùng không xáo động;

ks - hệ số thấm theo phương ngang trong vùng xáo động;

Tr- hệ số thời gian không đơn vị cho thấm xuyên tâm

(Chương5.8)

Cvr - hệ số cố kết cho thoát nước xuyên tâm

Với trường hợp không xáo động, rs=rw và kh=ks, do đó S=1 và phương trình (Chương5.5) trở thành

(Chương 5.10)Bảng 3 cho các giá trị của Ur với sự thay đổi của Tr và n

Nếu tải trọng tác dụng theo tuyến tính và không có vùng xáo động, lúc đó (Olson, 1977).

(với Tr ≤ Trc) (Chương 5.11)

Và

(với Tr ≥ Trc) (Chương 5.12)

Bảng Chương 5.3 Sự thay đổi Ur với sự thay đổi giá trị của Tr và n, trường hợp không có vùng

Độ cố kết trung bình do thoát nước thẳng đứng

Sử dụng Hình 10a, khi đặt tải tức thời, ta có thể thu được độ cố kết trung bình do thoát

nước thẳng đứng

( với Uv = 0 ÷ 60% ) (Chương 5.15)

và

(với Uv > 60%) (Chương 5.16)trong đó

Uv - độ cố kết trung bình do thoát nước thẳng đứng, và

(Chương 5.17)

Cv - hệ số cố kết với trường hợp thoát nước thẳng đứng

Với trường hợp chất tải tuyến tính, được biểu diễn như Hình 10b, sự thay đổi của Uv với Tv

có thể được biểu diễn như sau (Olson, 1977)

Với T v ≤ T c :

(Chương 5.18)

Với T v >T c :

(Chương 5.19)trong đó

(Chương 5.20)Trong đó, H - chiều dài thoát nước thẳng đứng lớn nhất Hình 11 thể hiện sự thay đổi của

Uv(%) với Tc và Tv.

Hình Chương 5.11 Sự thay đổi của Uv với T v và T c (phương trình (Chương 5.18) và (Chương 5.19))

Trường hợp ứng dụng thực tế của giếng cát

Aboshi và Monden (1963) đã nêu chi tiết về chất lượng thực tế của 2700 giếng cát dùng đểxây dựng công trình tường cảng Toya trên vùng đất mở rộng ở Nhật Bản trong một nghiên cứuđược tóm tắt bởi Johnson (1970) Vị trí của khu đất được nêu trong bản đồ ở Hình 12 Đất ngoàihiện trường gồm có bụi pha sét yếu, cố kết thông thường, dày 30m Các số liệu sau đây là của đấthiện trường và giếng cát

Đất nền: Giới hạn chảy (WL) = 110; Giới hạn dẻo (WP) = 48 Độ ẩm tự nhiên W =74%÷65%

Các giếng cát: Tổng số giếng cát đã dùng = 2700; Chiều dài = 15m; de=3,15m; rw =0,225m; Cvr = 2,7 (từ thí nghiệm ba trục); Cv = 1,7 ( từ thí nghiệm nén một trục)

Phần trên cùng của hình vẽ cho thấy sự thay đổi của tải trọng chất thêm theo thời gian.Phần dưới cho thấy sự thay đổi độ lún theo lý thuyết và quan trắc được chỉ do giếng cát

So sánh thấy hai kết quả này rất giống nhau

Độ

cố kết

Nhân tố thời gian, Tv

Hình Chương 5.12 So sánh độ lún quan trắc và độ lún lý thuyết khi có giếng cát ở công trình tường

Toya, Nhật Bản (theo Johnson, 1970)

Ví dụ 5.1

Giả thiết rằng, với mô hình giếng cát của Hình 9, đất sét cố kết bình thường Ta có các dữliệu sau:

Đất sét: Hc = 4,57m (thoát nước hai mặt); Cc = 0,31; e0 = 1,1

Ứng suất có hiệu ở giữa lớp sét = 47,92 kN/m2, Cv =106,15 × 10-4 m2/ngày

Giếng cát: rw = 0,091m; de = 1,83m; Cv = Cvr

Tải trọng được gia tải theo sơ đồ như Hình VD5.1 Giả sử không có xáo động Tính độ cố kết

30 ngày sau khi gia tải Cũng, xác định độ lún cố kết do tải trọng gia tải

Lời giải:

Từ phương trình (Chương 5.20)

Tải trọng

d) Các bước thi công chính

Trình tự các bước thi công chính của giếng cát như sau:

- Chuẩn bị mặt bằng thi công;

- Đào bỏ lớp đất hữu cơ, rải vải địa kỹ thuật

- Đắp lớp đệm cát thoát nước ngang dày từ 0,3 ÷0,5m

- Thi công giếng cát bằng máy rung chuyên dụng, trình tự thi công được thể hiện như Hình.13

- Lắp đặt thiết bị quan trắc lún

- Gia tải theo từng giai đoạn

Hình Chương 5.13 Trình tự thi công giếng cát

5.3.1.2.Biện pháp bấc thấm xử lý nền đất yếu

a) Đặc điểm và phạm vi sử dụng

Xử lý nền đất yếu bằng phương pháp bấc thấm là phương pháp thoát nước thẳng đứng lên lớpđệm cát bằng bấc thấm kết hợp với việc gia tải trước, làm tăng tốc độ cố kết của nền đất yếu,được thể hiện như trong Hình 14

Hình Chương 5.14 Sơ đồ xử lý nền đấy yếu bằng bấc thấm

 Phạm vi áp dụng.

- Xây dựng nền đường trên đất yếu có yêu cầu tăng nhanh tốc độ cố kết và tăng nhanh cường

độ của đất yếu để bảo đảm ổn định nền đắp và hạn chế độ lún trước khi làm kết cấu áo đường

- Tôn nền trên đất yếu để làm mặt bằng chứa vật liệu, để xây dựng các kho chứa một tầng, đểxây dựng các công trình dân dụng và công nghiệp loại nhỏ có tải trọng phân bố trên diện rộng(sau khi nền đã lún đến ổn định)

- Xây dựng các công trình dân dụng trên nền đất yếu

 Ưu nhược điểm

- Ưu điểm:

+ Công nghệ thi công phổ biến, thiết bị thi công đơn giản;

+ Thời gian thi công nhanh hơn giếng cát;

+ Vật liệu được sản xuất trong nhà máy

+ Phù hợp với những vị trí có chiều dày lớp đất yếu nhỏ hơn 20m

- Nhược điểm:

+ Tốc độ cố kết chậm, thời gian chờ lún cố kết lâu hơn biện pháp giếng cát;

+ Chiều sâu xử lý nhỏ hơn biện pháp giếng cát

+ Tốc độ thoát nước giảm theo thời gian

+ độ lún dư sau khi xử lý lớn hơn biện pháp giếng cát

+ Không cải thiện tính chất cơ lý của đất yếu, độ ổn định và khả năng chống trượtthấp

+ mức độ rủi ro cao, diễn biến phức tạp

b) Cấu tạo các bộ phận chính của biện pháp bấc thấm

 Bấc thấm

Bấc thấm là vật thoát nước chế tạo sẵn gồm lõi bằng polypropylene, có tiết diện băng hoặctròn, bên ngoài được bọc vỏ lọc bằng vải địa kỹ thuật không dệt (Hình 15) tạo thành từ các sợigắn kết bằng biện pháp cơ học, hóa học hoặc gia nhiệt Bấc thấm dạng băng thường có chiềurộng 100mm, dày từ 2 đến 10mm lõi có dạng máng, dạng bản hoặc lưới chéo và cuốn thành cuộn

có tổng chiều dài hàng trăm mét Bấc thấm tròn là ống có gờ, thân có lỗ, đường kính ngoài củalõi 50mm, đường kính trong 45mm, có khả năng chống bẹp, chống lão hóa, chịu được va đập vàlực kéo

Hình Chương 5.15 Cấu tạo bấc thấm

 Các thông số quan trọng và phân loại bấc thấm

- Khả năng thoát nước

Khả năng thoát nước dưới áp lực 10KPa với gradient thủy lực i=0,5 từ 80.10-6m3/s đến140.10-6m3/s Khả năng thoát nước dưới áp lực 400KPa với gradient thủy lực i=0,5 từ 60.10-6m3/s

đến 80.10-6m3/s Đối với bấc thấm đã được cắm vào nền đất, khả năng thoát nước của bấc thấm

bị giảm đi đáng kể Nguyên nhân sự giảm khả năng thoát nước của bấc thấm có thể kết luận là:

 Sự biến dạng và sự rão của lớp vải địa kỹ thuật làm thay đổi mặt cắt thoát nước

 Sự giảm độ thấm của lớp vải địa kỹ thuật và sự lắng đọng các hạt nhỏ trong cấu trúc lõilàm tắc đường bọc thoát nước

 Sự giảm khả năng thoát nước của bấc thấm do bị gập hay bị uốn cong trong quá trình lún

Cát để làm tầng đệm cát phải là cát thô hoặc cát trung, đạt các yêu cầu sau:

- Tỷ lệ cỡ hạt lớn hơn 0,5mm phải chiếm trên 50%

- Tỷ lệ cỡ hạt nhỏ hơn 0,14mm không quá 10%

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

- Hàm lượng hữu cơ không quá 5%

Độ đầm nén của lớp đệm cát phải thỏa mãn hai điều kiện:

- Máy thi công di chuyển và làm việc ổn định

- Phù hợp độ chặt K yêu cầu trong kết cấu nền đắp

Trong phạm vi chiều cao tầng đệm cát và dọc theo chu vi (biên) tầng đệm cát phải có tầng lọcngược thiết kế bằng sỏi đá theo cấp phối chọn lọc hoặc sử dụng vải địa kỹ thuật

 Vải địa kỹ thuật

- Khi nền là đất yếu ở trạng thái dẻo nhão, có khả năng làm nhiễm bẩn lớp đệm cát trực tiếpbên trên đầu bấc thấm thì dùng vải địa kỹ thuật để ngăn cách giữa lớp đất yếu và lớp đệm cát.Ghi chú: Trường hợp lớp đất yếu không làm nhiễm bẩn tầng đệm cát thoát nước trên đầu bấcthấm thì không cần dùng vải địa kỹ thuật

- Sử dụng vải địa kỹ thuật để tăng khả năng chống trượt của khối đắp khi cần thiết

- Sử dụng vải địa kỹ thuật để làm kết cấu tầng lọc ngược

- Vải địa kỹ thuật phải có các chỉ tiêu cơ lý sau:

+ Cường độ chịu kéo không dưới 1,0 kN;

xây dựng biểu đồ thiết kế cho PVDs Sự phát triển lý thuyết được Yeung sử dụng được trình bàynhư sau.

Hình 17 biểu thị sơ đồ bố trí Bấc thấm (PVD) theo lưới ô vuông Đường kính tương đươngcủa Bấc thấm được tính như sau:

(Chương 5.21)trong đó: a – chiều rộng của Bấc thấm

b- chiều dày của bấc thấm được biểu diễn như Hình 16

Hình Chương 5.16 bấc thấm

Bây giờ, phương trình (Chương 5.4) có thể được viết như sau

(Chương 5.22)Trong đó de = đường kính có hiệu của vùng thoát nước = 2 re

Cũng có,

(Chương 5.23)(Chương 5.24)Lõi Polyetylen

Vải địa kỹ thuật

Và (Chương 5.25)

Hình Chương 5.18 đồ thị α’ với n (a) S=2 ; (b) S =3 (phương trình 5.24)

Sau đây là trình tự các bước thiết kế bấc thấm (PVD)

Bước 1: xác định thời gian t2 của quá trình cố kết và độ cố kết Uv,r yêu cầu theo (phương trình.2)