Thuyết minh xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm Đồ án tốt nghiệp Đại học Giao thông vận tải Hà Nội

Thuyết minh xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm Đồ án tốt nghiệp Đại học Giao thông vận tải Hà Nội.Thuyết minh xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm Đồ án tốt nghiệp Đại học Giao thông vận tải Hà Nội.Thuyết minh xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm Đồ án tốt nghiệp Đại học Giao thông vận tải Hà Nội.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

KHOA CÔNG TRÌNH – BỘ MÔN ĐỊA KỸ THUẬT

Phần 2: CHUYÊN ĐỀ ĐỊA KỸ THUẬT THIẾT KẾ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG BẤC THẤM ĐOẠN TUYẾN Km 29+303.00 - Km 29+408.10

ĐƯỜNG DẪN ĐẦU CẦU HƯNG HÀ(ĐẦU HÀ NAM)

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU VÀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN

ĐẤT YẾU BẰNG BẤC THẤM

1.1 Đất yếu, nền đất yếu và các phương pháp phân loại

1.1.1 Khái niệm đất yếu

Có rất nhiều quan điểm khác nhau về đất yếu, nhưng nhìn chung đất yếu đềucó các đặc điểm sau:

Đất yếu là đất có tải trọng nhỏ (vào khoảng 50 - 100 kPa), có tính nén lúnlớn, hầu như bão hòa nước, có hệ số rỗng lớn (e > 1), mođuyn biến dạng thấp(thường Eo = 5000 kPa), lực chống cắt nhỏ … nếu không có biện pháp xử lý đúngđắn thì việc xây dựng công trình trên nền đất yếu là vô cùng khó khăn hoặc khôngthể thực hiện được

Đất yếu là các vật liệu mới hình thành (từ 10000 đến 15000 năm tuổi), có thểchia thành ba loại: đất sét hoặc đất sét pha bụi mềm (có độ sệt > 0,5), có hoặckhông có chất hữu cơ, than bùn, các loại đất rất nhiều hữu cơ và bùn

Đất yếu có thể hiểu một cách đơn giản là đất có sức chịu tải nhỏ so với tảitrọng của công trình cần xây dựng và không đáp ứng được các yêu cầu của thiết kế.Đối với một số công trình thì được xem là đất yếu và phải có các biện pháp xử lý,gia cố mới thi công và khai thác sử dụng công trình được Nhưng đối với một sốcông trình khác thì lại không bị xem là đất yếu, do đó không nhất thiết phải xử lý,gia cố Việc xem xét đất có phải đất yêu không phụ thuộc vào nhiều yếu tố khácnhau (quy mô, tải trọng công trình, chi phí xây dựng công trình…) Quan niệm vềđất yếu như thế này mang tính vận dụng và thực tiễn cao, được áp dụng rộng rãi Đối với xây dựng đường ô tô, theo tiêu chuẩn 22TCN 262 - 2000, đất yếu làđất ở trạng thái tự nhiên, độ ẩm của đất gần bằng hoặc cao hơn giới hạn chảy, đấtyếu có hệ số rỗng lớn (đất sét : e ≥ 1,5 ; đất á sét : e ≥ 1), lực dính kết đơn vị c theothí nghiệm cắt nhanh không thoát nước nhỏ hơn 15 kPa, góc nội ma sát φ< 10°hoặc lực dính kết đơn vị từ kết quả thí nghiệm cắt cánh hiện trường cu < 35 kPa Một số dạng đất yếu thường gặp:

Đất sét mềm: gồm các loại đất sét hoặc á sét tương đối chặt, ở trạng thái bãohòa nước có cường độ thấp

Các loại đất hình thành trong môi trường nước, thành phần hạt rất mịn, ởtrạng thái luôn no nước, hệ số rỗng lớn, rất yếu về mặt chịu lực

Than bùn: là các loại đất yếu có nguồn gốc hữu cơ, được hình thành do kếtquả phân hủy các chất hữu cơ có ở các đầm lầy.

Cát chảy: gồm các loại cát mịn, kết cấu rời rạc, có thể bị nén chặt hoặc phaloãng đáng kể Loại đất này khi chịu tải trọng động thì chuyển sang trạng thái chảygọi là cát chảy

Đất bazan: đây cũng là đất yếu với đặc điểm độ rỗng lớn, dung trọng khô bé,khả năng thấm nước cao, dễ bị ngập lún

Một số trường hợp khác, nền đất không có lớp đất yếu nhưng có kết cấu yếu(hang Karst, sông ngầm, mặt trượt đứt gãy kéo dài …) vẫn có thể xếp vào dạng nềnđất yếu Tuy nhiên đối với các loại nền này, sự mất ổn định của công trình chỉ rõrệt khi tải trọng vượt quá tải trọng cho phép Dạng nền này không thể sử dụng cácbiện pháp gia cố thông thường và cũng không phải là đối tượng xử lý

1.1.2 Khái niệm nền đất yếu

Là nền đất do nhiều lớp đất tạo thành, mỗi lớp đất có chỉ tiêu cơ lí khácnhau

Là nền đất nhiều lớp đất yếu hoặc do nhiều lớp đất tốt và lớp đất yếu xen kẽnhau tạo thành

Nền đất yếu phụ thuộc vào tải trọng Công Trình

Nền đất khi XDCT không thỏa mãn TTGH1 và TTGH2 Khi đó nền đất đógọi là nền đất yếu của CT

1.1.3 Phân loại đất yếu

Để áp dụng trong xây dựng mục đích cơ bản của phần lớn các hệ thống phânloại đất yếu là định lượng tương đối tính chất của từng loại đất phục vụ xây dựng,

để trên cơ sở đó lựa chọn các phương pháp khảo sát, mô tả hoặc những thí nghiệmđơn giản và phù hợp, đồng thời phát triển các phương pháp thiết kế và thi công đápứng

Hệ phân loại được sử dụng kết hợp với phương pháp thiết kế kinh nghiệmtạo ra phương thức giúp cho kỹ sư tiếp nhận được những kinh nghiệm thực tiễn đãtích lũy từ nhiều chuyên gia thông thạo, thay vì những kinh nghiệm mò mẫm củabản thân

Có nhiều hệ thống phân loại đất yếu được công bố trong các tiêu chuẩn, quyphạm quốc gia hoặc tài liệu địa kỹ thuật Sau đây là một số hệ phân loại đất đượcdùng phổ biến ở các nước.

1.1.3.1 Phân loại theo tiêu chuẩn Anh

Theo tiêu chuẩn này, đất yếu gồm đất sét (Clay), bột (Silt) có trạng thái chảy(very soft), dẻo chảy (soft), và có thể là chứa hữu cơ hoặc than bùn

Loại đất có chứa ít hữu cơ có màu xám đen, nâu đen vật chất hữu cơ ở dạngnày có thể phân biệt qua màu sắc của đất Còn loại chứa nhiều hữu cơ (than bùn)thì xốp, thực vật bị phân hủy với mức độ phân hủy khác nhau, tùy theo mức độphân hủy có thể chia thành hai dạng:

- Thớ (Fibrous – xơ) gồm: thớ thô (coarse fibrous); thớ mịn (fine fibrous)

- Vô định hình (Amorphous hoặc Pseudo-fibrous)

Cũng theo tiêu chuẩn này than bùn được xem như một hỗn hợp những di tíchthực vật được phân hủy ở những mức độ khác nhau, tồn tại trong điều kiện thôngkhí không hoàn toàn và chứa một lượng nước cao, các quá trình vật lý, hóa học vàsinh vật học tạo cho các vật chất này tồn tại ở một trạng thái nhất định trong thờigian dài

Về chỉ tiêu cơ học, đất được coi là yếu khi trị số sức kháng cắt không thoátnước nhỏ hơn 40 kPa hay chỉ số xuyên tiêu chuẩn (SPT) N30 nhỏ hơn 4 búa

1.1.3.2 Phân loại theo tiêu chuẩn Mỹ - ASTM

Theo tiêu chuẩn ASTM thì đất yếu là các loại đất có chứa hữu cơ (sét, bụi)có các giá trị giới hạn chảy của đất sau khi sấy phải nhỏ hơn 75% so với giới hạnchảy của chính đất ấy trước khi sấy khô

Cũng theo tiêu chuẩn này than bùn là đất có chứa các vật chất hữu cơ phânhủy ở mức độ khác nhau, có màu nâu đen đến đen, xốp Cấu tạo của than bùn theotiêu chuẩn này cũng giống như phân loại của Anh là bao gồm có hai dạng thớ và vôđịnh hình

1.1.3.3 Phân loại theo tiêu chuẩn Nga

Theo tiêu chuẩn này các dạng đất yếu được đề cập đến là bùn, đất than bùnhóa, than bùn Chúng đều nằm trong phụ nhóm thành tạo tự nhiên, bị biến đổi trong

các điều kiện thế nằm tự nhiên bởi các tác động hóa lý, thuộc nhóm đất dính, lớpđất phân tán Đất dính được phân chia theo theo chỉ số dẻo và chia thành các trạngthái khác nhau theo độ sệt Còn đất bùn được tách thành nhóm đất đặc biệt vì bùnkhông thích hợp cho xây dựng.

Đất yếu được xếp vào bùn là đất ở trạng thái chảy và hệ số rỗng vượt quá giátrị tối thiểu cho từng dạng bùn, cho trong bảng sau:

Bảng 1.2:

Đất than bùn hóa Hàm lượng tương đối của tàn tích thực

vật q (độ than bùn)Đất than bùn hóa yếu 0,1 < q ≤ 0,25

Đất than bùn hóa vừa 0,25 < q ≤ 0,4

Đất than bùn hóa mạnh 0,4 < q ≤ 0,6

Theo tiêu chuẩn Nga thì đặc tính của địa chất công trình của đất yếu rất phứctạp, chúng biến đổi rất mạnh phụ thuộc vào nguồn gốc thành tạo, tuổi địa chất,thành phần vật chất của trầm tích, điều kiện tồn tại của chúng

1.1.3.4 Phân loại theo tiêu chuẩn Việt Nam

- Theo TCXD 245-2000:

Đất yếu là loại đất phải tiến hành xử lý, gia cố mới có thể dùng làm nền chomóng công trình 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, hệ số rỗng lớn,góc ma sát trong φ< 10°, có lực dính kết đơn vị theo kết quả cắt nhanh không thoátnước c < 15 kPa, có lực dính kết theo kết quả cắt cánh hiện trường cu < 35 kPa, cósức chống mũi xuyên tĩnh qc < 0,1 MPa và có chỉ số xuyên tiêu chuẩn SPT là N < 5

+ Loại có nguồn gốc hữu cơ thường hình thành từ đầm lầy, nơi tích đọngnước thường xuyên, mực nước ngầm cao, tại đây các loài thực vật phát triển, thốirữa và phân hủy, tạo ra các vật lắng hữu cơ lẫn các trầm tích khoáng vật Loại nàythường gọi là đất đầm lầy than bùn, hàm lượng hữu cơ chiếm tới 20 - 80%, thườngcó màu đen hay nâu sẫm, cấu trúc không mịn (vì lẫn các tàn dư thực vật) Đối vớiloại này được xác định là đất yếu nếu hệ số rỗng và các đặc trưng sức chống cắt củachúng cũng đạt các trị số như đã nêu trên

- Đất yếu đầm lầy than bùn còn được phân theo tỷ lệ lượng hữu cơ có trongchúng:

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

+ Lượng hữu cơ có từ 30 - 60 %: đất than bùn

+ Lượng hữu cơ có trên 60%: than bùn

- Đất yếu loại sét được phân theo độ sệt:

+ Nếu IL > 1 là đất có trạng thái chảy

+ Nếu 0,75 < IL ≤ 1 là đất có trạng thái dẻo chảy

- Đất yếu loại đầm lầy than bùn được phân loại như sau :

+ Loại 1: Loại có độ sệt ổn định, thuộc loại này nếu vách đất đào thẳngđứng sâu 1 m trong chúng vẫn duy trì được ổn định trong 1- 2 ngày

+ Loại 2: Loại có độ sệt không ổn định

+ Loại 3: Đất than bùn ở trạng thái chảy

1.2 Cơ sở lý thuyết giải pháp xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm

1.2.1 Sơ lược về bấc thấm

Bấc thấm là một vật liệu địa kỹ thuật dùng để xử lý nền đất yếu, nó được cấutạo từ hai lớp: vỏ hay áo lọc bằng vải địa kĩ thuật không dệt sợi liên tục chất liệu PPhoặc PE 100% có độ bền cơ học lớn, hệ số thấm cao, kích thước lỗ nhỏ giúp ngăncác hạt đất xét nhỏ thâm nhập vào lõi thoát nước; lớp lõi thoát nước đùn bằng nhựahạt PP, có rãnh cả hai phía

- Phân loại bấc thấm:

+ Bấc thấm đứng CD: là một loại của bấc thấm PVD, được sản xuất bởicông ty Thai Miltec Sản phẩm này đã được sử dụng rộng rãi tại khu vực ĐôngNam Á Như: Thái Lan, Việt Nam, Singapore, Indonesia…

+ Bấc thấm ngang SD: là một loại của bấc thấm PVD được sản xuất để thaythế lớp đệm cát trong hệ thống PVD, thay thế hệ thống ống thoát nước đục lỗ tronghệ thống PVD và thay thế vật liệu thoát nước ngầm Sản phẩm có độ bền cao, dễ thicông và giá cả cạnh tranh

- Đặc tính:

+ Giảm thiểu tối đa sự xáo trộn các lớp đất.

+ Khả năng tương thích cao của lõi cũng như vỏ bấc thấm với nhiều loạiđất

+ Dễ dàng thi công, hiệu suất có thể đạt tới 8.000 m/ngày

+ Không cần cấp nước khi thi công

+ Bấc có thể được đóng xuống độ sâu trên 40 m

- Ứng dụng:

Gia cố nền đất yếu, bấc thấm đứng được sử dụng để xử lý gia cố nền đất yếu,trong thời gian ngắn có thể đạt tới 95% độ ổn định dài hạn, tạo khởi động cho quátrình ổn định tự nhiên ở giai đoạn sau Quá trình gia cố có thể được tăng tốc bằnggia tải

- Lợi thế thi công:

+ Tiết kiệm được khối lượng đào đắp

+ Rút ngắn được thời gian thi công

1.2.2 Khái quát về phương pháp

Nền đất sét yếu có hệ số thấm nhỏ, vì vậy để hoàn thành giai đoạn lún cố kếtcần phải có nhiều thời gian Để rút ngắn thời gian cố kết này người ta thường dùngthiết bị tiêu nước thẳng đứng kết hợp gia tải trước can thiệp trực tiếp vào nền đất.Trong phương pháp gia cố nền bằng bấc thấm, người ta dùng bấc thấm cắmvào lòng đất đến độ sâu cần thiết, kết hợp với gia tải trước nhằm tạo gradien thủylực làm cho nước lỗ rỗng thoát ra khi nước trong đất chảy nhanh theo phươngngang về phía bấc thấm rồi sau đó chảy tự do ra ngoài

Việc đặt bấc thấm vào trong nền đất sét sẽ làm giảm chiều dài đường thấm vàdẫn đến giảm thời gian hoàn thành quá trình cố kết Như vậy bấc thấm đặt vàotrong nền đất có mục đích là làm tăng tốc độ cố kết của nền đất và từ đó nâng caosự ổn định của công trình đặt trên nền đất yếu

Khi cắm bấc thấm xuống chiều sâu thiết kế, nước trong lỗ rống thoát ra khi đấtsét cố kết với gradien thủy lực tạo ra nén trước, chảy nhanh theo phương ngang về

phía thiết bị tiêu nước, rồi chảy từ đó theo phương ngang thẳng đứng, dọc theo thiếtbị về các lớp đất dễ thấm nước.

1.2.3 Cấu tạo bấc thấm

Bấc thấm là tên gọi chung để gọi các băng chất dẻo được cắm vào trong đấtbằng thiết bị đặc biệt,thường có bề rộng khoảng 100 ~ 200 mm bề dày từ 4 ~ 7 mm.Lõi bấc thấm là một băng chất dẻo có nhiều rãnh nhỏ để:

- Tạo các rãnh để dẫn nước thấm dọc theo lõi

- Nâng đỡ lớp vỏ bọc không bị dính vào nhau do áp lực ngang trong đất

- Chống chịu lực kéo căng khi thi công giúp bấc thấm không bị đứt khi thicông hoặc do cắt trượt khi có chuyển vị ngang lớn xảy ra trong đất

Bấc thấm có hai loại là bấc thấm ngang và bấc thấm đứng:

- Bấc thấm đứng có chức năng chính là thấm và hút nước trong nền đất yếu,làm tăng nhanh khả năng cố kết của nền đất, được bố trí theo chiều sâu nền đất đếnchiều sâu thiết kế

Bấc thấm đứng có cấu tạo gồm lõi và vỏ bọc

Hình 2.1: Bấc thấm đứng.

- Bấc thấm ngang có tác dụng tăng nhanh khả năng thoát nước (có tác dụngnhư lớp đệm cát) Bấc thấm ngang có cấu tạo như bấc thấm đứng nhưng kích thướclớn hơn

- Đặc tính của bâc thấm ngang:

+ Nước lỗ rỗng được hấp thụ qua lớp vải lọc và bản thoát nước chảy vàotrong lõi bấc một cách êm thuận Do đặc tính này ngay cả bâc thấm ngang được mởrộng thì khả năng thoát nước vẫn được duy trì

+ Đây là loại vật liệu có cường độ chịu kéo và độ dãn dài cao trong khi cốđịnh tốc độ dịch chuyển tự do của lõi và lớp vải lọc Do đó nó có thể biến dạngtheo sự thay đổi của địa hình do lún cố kết.

+ Bản thoát nước không chỉ nhẹ và dễ vận chuyển mà cũng không cần mộtvật liệu liên kết đặc biệt nào

Hình 2.2 : Cấu tạo bấc thấm ngang.

a a

Hình 2.3 : Cấu tạo mặt lõi bấc thấm.

- Bấc thấm có các tính chất quan trọng sau:

+ Có khả năng thoát nước lớn

+ Mềm, dễ uốn

+ Có cường độ cao, dai (kéo và nén)

+ Không co ngót khi thay đổi độ ẩm, nhiệt độ thấp

+ Chịu được axit, kiềm, muối

- Lõi bấc thấm được bọc bằng một lớp vải địa kỹ thuật Lớp vải được chế tạobằng sợi liên tục chất liệu Polypropylene hoặc Polyester 100% và không có bất kỳ

chất kết dính nào khác Nó là hàng rào vật liệu phân cách lòng của dòng chảy vớiđất xung quanh và bộ lọc hạn chế cát mịn đi vào lõi làm tắc thiết bị Vỏ lọc có cáctính chất quan trọng sau:

+ Có cường độ cao như nhau theo cả hai phương

+ Không co giãn khi thay đổi độ ẩm

+ Có khả năng thấm nước cao

+ Chịu được axit, kiềm và muối

+ Có đặc tính lọc hoàn hảo

Bấc thấm được chế tạo hàng loạt trên công nghệ hiện đại, chúng được cuốnlại trong các rulo, có độ dài 200 - 300 m và nặng từ 15 - 40 kg

1.2.4 Nguyên lý của phương pháp

Là phương pháp kỹ thuật thoát nước thẳng đứng bằng bấc thấm kết hợp vớigia tải trước Khi chiều dày đất yếu rất lớn hoặc khi độ thấm của đất rất nhỏ thì cóthể bố trí đường thấm thẳng đứng để tăng tốc độ cố kết Phương pháp này thườngdùng để xử lý nền đường đắp trên nền đất yếu Phương pháp bấc thấm(Prefabricated Vertical Drainage - PVD) có tác dụng thấm thẳng đứng để tăngnhanh quá trình thoát nước trong các lỗ rỗng của đất yếu, làm giảm độ rỗng, độ ẩm,tăng dung trọng Kết quả là làm tăng nhanh quá trình cố kết của nền đất yếu, tăngsức chịu tải và làm cho nền đất đạt độ lún quy định trong thời gian cho phép.Phương pháp bấc thấm có thể sử dụng độc lập, nhưng trong trường hợp cần tăngnhanh tốc độ cố kết, người ta có thể sử dụng kết hợp đồng thời biện pháp xử lýbằng bấc thấm với gia tải tạm thời, tức là đắp cao thêm nền đường so với chiều dàythiết kế 2 - 3 m trong vài tháng rồi sẽ lấy phần gia tải đó đi ở thời điểm mà nềnđường đạt được độ lún cuối cùng như trường hợp nền đắp không gia tải Bấc thấmđược cấu tạo gồm 2 phần: Lõi chất dẽo (hay bìa cứng) được bao ngoài bằng vật liệutổng hợp (thường là vải địa kỹ thuật Polypropylene hay Polyeste không dệt…) Bấcthấm có các tính chất vật lý đặc trưng sau:

+ Cho nước trong lỗ rỗng của đất thấm qua lớp vải địa kỹ thuật bọc ngoàivào lõi chất dẻo

+ Lõi chất dẻo chính là đường tập trung nước và dẫn chúng thoát ra ngoàikhỏi nền đất yếu bão hòa nước

Lớp vải địa kỹ thuật bọc ngoài là Polypropylene và Polyeste không dệt hayvật liệu giấy tổng hợp, có chức năng ngăn cách giữa lõi chất dẽo và đất xungquanh, đồng thời là bộ phận lọc, hạn chế cát hạt mịn chui vào làm tắc thiết bị Lõichất dẽo có 2 chức năng: Vừa đỡ lớp bao bọc ngoài vừa tạo đường cho nước thấmdọc chúng ngay cả khi áp lực ngang xung quanh lớn Nếu so sánh hệ số thấm nướcgiữa bấc thấm PVD với đất sét bão hòa nước cho thấy rằng, bấc thấm PVD có hệ sốthấm (k = 1.10-4 m/s) lớn hơn nhiều lần so với hệ số thấm nước của đất sét (k =1,16.10-9 m/s) Do đó, các thiết bị PVD dưới tải trọng nén tức thời đủ lớn có thể épnước trong lỗ rỗng của đất thoát tự do ra ngoài

1.2.5 Ưu, nhược điểm

+ Khả năng thấm nước cao, hệ số thấm trung bình từ 30.10-6 - 90.10-6

m3/sec Trong khi đó một cọc cát đường kính 350 cm thì khả năng thoát nước củanó chỉ đạt khoảng 20 10-6 m3/sec

+ Trong quá trình thi công bấc thấm, phạm vi vấy bẩn và phá hoại kết cấunền nhỏ hơn nhiều so với việc thi công cọc cát và giếng cát

+ Không yêu cầu phục vụ nước khi thi công

+ Chiều sâu cắm bấc thấm có thể đạt tới 40 m

+ Dễ dàng kiểm tra chất lượng

+ Thoát nước tốt trong các điều kiện khác nhau

+ Bấc thấm và sản phẩm được chế tạo sẵn trong các nhà máy nên chấtlượng ổn định

- Nhược điểm

+ Nếu diện tích xây dựng nhỏ thì sử dụng phương pháp bấc thấm là khônghợp lý.

+ Không làm tăng cường độ trực tiếp của đất nền

+ Kém hiệu quả khi chiều dày lớp đất yếu quá dày

Hình 1.1: Mặt cắt bố trí bấc thấm và các thiết bị quan trắc khi xử lý nền đất

yếu bằng bấc thấm

1.3 Lý thuyết tính toán

1.3.1 Độ lún

Do sự thay đổi ứng suất gây ra bởi tải trọng của nền đường và độ sâu phân

bổ của đất, một lớp đất sẽ được phân chia thành các lớp nhỏ để tính toán độ lún và

độ lún của lớp đất sẽ là tổng độ lún của các lớp nhỏ (phân tầng cộng lún)

Tính toán độ lún cố kết bằng cách sử dụng công thức gốc theo mô tả dưới đây:

S c=

e o−e1

1+e0 H (1.1)Hoặc bằng các công thức điều chỉnh sau đây:

+ Đối với đất cố kết bình thường hoặc chưa cố kết xong:

e o i: Hệ số rỗng của lớp đất thứ i ở trạng thái tự nhiên;

σ vz i : Áp lực do trọng lượng bản thân các lớp đất tự nhiên nằm trên lớp I;

σ vz i = ∑ γ i .h i; (1.5)

σ i pz:Áp lực tiền cố kết ở lớp I;

σ z i: Áp lực do tải trọng đắp gây ra ở lớp I;

σ z i = I.q1 (phụ lục II, 22TCN 262-2000); (1.6)

I - Hệ số ảnh hưởng, tra toán đồ Osterberg (Phụ lục II, 22TCN 262-2000);

C c i- Chỉ số nén của lớp đất thứ I;

C r i- Chỉ số nở của lớp đất thứ i

U: Độ cố kết,

Uv: Thành phần cố kết thẳng đứng được tính như đề cập trên,

Uh: Thành phần cố kết ngang được tính bằng kiến nghị Hansbo như sau:

U h=1−exp(−8×Th

F ) (1.8)

T h=C h .t

d

e2 (1.9) F=F(n )+F s+F r

ds: Khoảng cách từ tâm đến tâm giữa các đường thấm đứng;

dw: Đường kính/đường kính tương đương của đường thấm đứng;

kh: Hệ số thấm theo phương ngang;

ks: Hệ số thấm trong vùng đất bị xáo trộn;

ds: Đường kính mặt cắt ngang của vùng đất bị xáo trộn;

L: Chiều dài thoát nước;

qw: Khả năng thoát nước của đường thấm đứng

1.3.3 Sức kháng cắt do cố kết

Sức kháng cắt không thoát nước của đất yếu được xem là tăng lên 1 lượng

C do cố kết được xác định như sau:

∆c = (σ VZ−σ PZ+∆ σ Z) × U × m (1.15)

Trong đó:

c: Lượng tăng của sức kháng cắt không thoát nước do cố kết,

m: Hệ số tăng của sức kháng cắt không thoát nước, m = tanφ cu

1.3.4 Kiểm toán trượt

Sử dụng Phương pháp Bishop như công thức dưới đây để kiểm toán trượt

u: Áp lực nước lỗ rộng tác động đáy cung trượt,

W: Trọng lượng của phân tố,

α : Góc nghiêng tại đáy cung trượt so với phương ngang

Hình 1.2: Mô tả kiểm toán trượt

1.4 Ứng dụng của phương pháp xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm và qui

định về vật liệu dùng làm tầng đệm thoát nước

1.4.1 Ứng dụng của phương pháp xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm

- Gia cố nền đất yếu:

Bấc thấm được sử dụng để xử lý gia cố nền đất yếu, trong thời gian ngắn

để đạt tới 95% độ ổn định dài hạn, tạo khởi động cho quá trình ổn định tự nhiên ởgiai đoạn sau Quá trình cố kết có thể được tăng tốc bằng cách gia tải

- Ổn định nền:

Các công trình có thể ứng dụng bấc thấm để xử lý nền đất yếu rất đadạng, bao gồm đường cao tốc, đường dẫn đầu cầu, đường bang sân bay, đường sắt,bến cảng, kho xăng dầu,… xây dựng trên nền đất yếu có tải trọng động

- Xử lý môi trường:

Bấc thấm được sử dụng để xử lý nền đất yếu, đất nhão thường thấy ở cáckhu vực ô chôn lấp rác Bấc thấm cũng được sử dụng để tẩy rửa các khu vực đất bị

ô nhiễm, bằng công nghệ hút chân không, hút nước ngầm thấm qua các lớp đất bị ônhiễm, mang theo các chất ô nhiễm hòa tan trong nước lên bề mặt để xử lý

1.4.2 Qui định về vật liệu dùng làm tầng đệm thoát nước.

- Cát được sử dụng làm đệm cát thoát nước phải là cát sạch, cỡ hạt trungtrở lên và phải đảm bảo được theo các yêu cầu sau:

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

+ Hàm lượng hạt < 0,14 mm chiếm không quá 10%;

+ Hàm lượng hữu cơ < 5%;

1.5 Thi công xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm

- Thiết bị thi công có các đặc trưng kỹ thuật sau:

+ Trục tâm để lắp bấc thấm có tiết diện 61x120mm, dọc trục có vạch chiađến cm để theo dõi chiều sâu cắm bấc thấm và phải có quả dọi để thương xuyênkiểm tra độ thẳng đứng khi cắm bấc thấm vào trong đất

+ Máy phải có lực đủ lớn để cắm bấc thấm đến độ sâu thiết kế

- Trình tự thi công:

1 Định vị tất cả các điểm sẽ phải cắm bấc thấm bằng máy đo đạc thôngthường theo hàng dọc và hàng ngang đúng với sơ đồ thiết kế, côngviệc này áp dụng cho từng ca máy

2 Đưa máy cắm bấc thấm vào đúng vị trí theo đúng hành trình đã vạchtrước Xác định vạch xuất phát trên trục tâm để tính chiều dài bấcthấm được cắm vào đất, kiểm tra độ thẳng đứng của bấc thấm

3 Lắp bấc thấm vào trục tâm và điều khiên máy dài bấc thấm được gấpđôi lại tối thiểu là 30cm và đưa đầu trục đến vị trí cắm bấc thấm

4 Gắn đầu neo vào đầu dưới của bấc thấm với chiều dài bấc thấm đượcgấp lại tối thiểu là 30cm và được ghim bằng ghim thép Các đầu neophải có kích thước phù hợp với đầu bấc thấm( thường là bằng tôn85x150mm dày 0.5mm)

5 Cắm trục tâm đã được lắp bấc thấm đến độ sâu thiết kế với tốc độ đềutrong phạm vi 0.2~0.6m/s Sau khi cắm xong, kéo trục tâm lên( lúcnày đầu neo giữ bấc thấm lại trong đất) Khi trục tâm đã được kéo lên

hết, dung kéo cắt đứt bấc thấm sao cho còn lại ít nhất 20cm đầu bấcthấm nhô lên trên lớp đệm cát và quá trình lặp lại cho vị trí khác.

6 Sau khi cắm xong thi công lớp đệm cát thoát nước ở bên trên

1.6 Nhận xét

Để rút ngắn thời gian cố kết, nâng cao sự ổn định của công trình người tathường sử dụng thiết bị thoát nước thẳng định kết hợp với gia tải trước bằng cáckhối đắp tạm thời Thiết bị thoát nước thẳng đứng gồm nhiều loại với các đặctrưng cơ lý khác nhau nhằm tạo ra đường thoát nước nhân tạo cho đất

Phương pháp xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp với gia tải trước cóthể làm tăng tốc độ lún, tăng ổn định tổng thể và đẩy nhanh tiến độ xây dựng

CHƯƠNG II THIẾT KẾ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG BẤC THẤM

ĐOẠN TUYẾN Km 29+303.00 - Km 29+408.10

ĐƯỜNG DẪN ĐẦU CẦU HƯNG HÀ(ĐẦU HÀ NAM)

2.1 Khái quát về công trình

2.1.1 Giới thiệu chung

Dự án đầu tư xây dựng cầu Hưng Hà thuộc tuyến đường bộ nối đường caotốc Hà Nội – Hải Phòng với đường cao tốc Cầu Giẽ - Ninh Bình đã được Bộ GTVTphê duyệt ngày 25/03/2014 bằng quyết định số 853/QĐ-BGTVT, dự án sử dụngvốn vay EDCF của Chính Phủ Hàn Quốc Liên danh tư vẫn Dohwa-Jinwoo-Dongilđược lựa chọn là Tư vấn chính và Công ty cổ phần tư vấn thiết kế Đường bộ(HECO) được lựa chọn là Tư vấn phụ để cung cấp dịch vụ tư vấn thiết kế chi tiếtdự án xây dựng cầu Hưng Hà và đường dẫn hai đầu cầu

Phạm vi của dự án xây dựng cầu Hưng Hà:

- Điểm đầu tuyến giao với QL39 tại Km24+950

- Điểm cuối tuyến giao với QL39 tại Km32+259.98

- Chiều dài toàn tuyến L=7,161Km, trong đó phạm vi thiết kế cầu Hưng Hà

từ Km27+123.084 đến Km29+226.634, chiều dài L=2103.55m, bao gồm

cả 10m nền đường đầu cầu

Phạm vi xây dựng công trình thuộc các phương thuộc TP.Hưng Yên, các xãthuộc huyện Tiên Lữ, tỉnh Hưng Yên và các xã thuộc huyện Lý Nhân, tỉnh HàNam.

2.1.2 Các thông số kỹ thuật và qui mô thiết kế

- Qui mô tiêu chuẩn kỹ thuật phần đường dẫn đầu cầu.

Qui mô mặt cắt ngang dự kiến thiết kế đường cấp II Đồng Bằng theo TCVN 4054 –2005:

Thời gian thi công xử lý nền đất yếu tối đa là: 18 tháng

- Độ ổn định

Trong qua trình thi công nền đường sức kháng cắt của đất nền được gia tăngtrong quá trình đắp Phạm vi tính độ tăng sức kháng cắt của nền đất đến hết chiềusâu xử lý bằng giải pháp thoát nước thẳng đứng Độ tăng sức kháng cắt của nền đấttuân thủ theo mục V.3 trong Quy trình 22TCN 262-2000

Độ ổn định cho nền đường đắp trên đất yếu được quy định trong “Quy trìnhKhảo sát Thiết kế nền đường ôtô đắp trên đất yếu 22TCN 262-2000”, nội dung cụthể như sau:

- Hệ số ổn định Kmin ≥1,20 trong quá trình thi công nền đường

- Hệ số ổn định Kmin ≥1,40 trong quá trình thi công nền đường

- Vật liệu đắp nền đường:

Bảng 2.1:

2 Vị trí đoạn nền đường đắp trên đất yếu Đoạn nền đắp đường đầu

9 Tải trọng xe lớn nhất chạy trên đường (H30) G = 30 T

10 Chiều sâu mực nước ngầm Không gặp nước ngầm

11 Thời gian thi công nền đường Tối đa 18 tháng

12 Thời gian xử lý nền đất yếu Tối đá 9 tháng

Áp lực do lớp đất đắp gây ra: q 1 = 19,1 × 4,2 = 80,22 kPa.

2.1.3 Các tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng khi thiết kế

Công tác khảo sát địa chất công trình được tiến hành theo các tiêu chuẩn sau:

- Tiêu chuẩn khảo sát hiện trường:

Bảng 2.2:

1 Khảo sát cho xây dựng – Nguyên tắc cơ bản TCVN 4419:1987

2 Quy trình khoan thăm dò địa chất công trình TCVN 9437-2000

3 Quy trình khảo sát thiết kế nền đường ôtô đắp

trên đất yếu

22TCN 262-2000

5 Đất xây dựng, phương pháp lấy, bao gói, vận

chuyển và bảo quản mẫu

TCVN 2683:2012

6 Đất xây dựng – Phương pháp thí nghiệm hiện

trường thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT)

TCVN 9351:2012

7 Quynh trình thí nghiệm cắt cánh hiện trường 22TCN 355-06

- Tiêu chuẩn thí nghiệm trong phòng:

Bảng 2.3:

1 Đất xây dựng – Phương pháp xác định khối

lượng riêng trong phòng thí nghiệm

TCVN 4195:2012

2 Đất xây dựng – Phương pháp xác định độ ẩm và

độ hút ẩm trong phòng thí nghiệm

TCVN 4196:2012

3 Đất xây dựng – Phương pháp xác định giới hạn

chất dẻo và giới hạn chảy trong phòng thí

nghiệm

TCVN 4197:2012

4 Đất xây dựng – Các phương pháp xác định thành TCVN 4198:2012

5 Đất xây dựng – Phương pháp thí nghiệm nén cố

kết trong phòng thí nghiệm

TCVN 4200:2012

6 Đất xây dựng – Các phương pháp xác định khối

lượng thể tích trong phòng thí nghiệm

TCVN 4202:2012

7 Các phương pháp xác định góc nghỉ (khô và ướt)

của cát trong phòng thí nghiệm

TCVN 8724:2012

8 Các phương pháp xác định e max, e mincủa cát trong

phòng thí nghiệm

TCVN 8721:2012

9 Đất xây dựng – Phương pháp phân loại đất TCVN 5747:1993

- Tiêu chuẩn dung để thiết kế, xử lý đất yếu:

Bảng 2.4:

1 Quy trình khảo sát và thiết kế nền đường đắp trên đất

3 Quy trình kỹ thuật thi công và nghiệm thu bấc thấm

trong xây dựng nền đường trên đất yếu

22 TCN 236 - 97

4 Vải địa kỹ thuật trong xây dựng nền đấp trên đất yếu 22 TCN 248 - 98

5 Gia cố nền đất yếu bằng bấc thấm thoát nước TCXD 245 - 2000

2.2 Điều kiện địa kỹ thuật khu vực thiết kế

2.2.1 Sự phân bố các lớp đất nền và đặc điểm của chúng

Trong phạm vi xử lý đất yếu từ Km 29+303.00 - Km 29+408.10 tiến hành khoan 2

lỗ khoan:

Bảng 2.5:

Tên LK27 LK28

Căn cứ vào kết quả khoan khảo sát, cùng với kết quả thí nghiệm trong phòng vàngoài trời Địa tầng khu vực được chi làm các lớp đất sau

Lớp 1: Sét ít dẻo, xám nâu, dẻo mềm.

Lớp có thành phần chủ yếu là sét ít dẻo, màu xám nâu, trạng thái dẻo mềm Cao độmặt lớp thay đổi từ +0,61m đến +2,57m Bề dày lớp thay đổi từ 0,5m đến 3m Số

lượng mẫu thí nghiệm: 01 mẫu (chỉ tiêu cơ lý của lớp 1 được trình bày trong Bảng 2.6).

Lớp 2: Sét ít dẻo, xám nâu đen, đôi chỗ lẫn hữu cơ, chảy.

Lớp đất có thành phần chủ yếu là sét ít dẻo màu xám nâu đen, đôi chỗ có lẫn hữu

cơ, trạng thái chảy Cao độ mặt lớp thay đổi từ -0,79m đến +1,21m Bề dày lớp đấtthay đổi từ 3m đến 27m Số lượng mẫu thí nghiệm: 12 mẫu

Kết quả thí nghiệm SPT cho gia trị N < 2

Kết quả thí nghiệm cắt cánh hiện trường của lớp như sau:

- Sức kháng cắt không thoát nước của đất nguyên trạng biến đổi từ 13,0 đến 26,0kPa

- Sức kháng cắt không thoát nước của đất phá hủy biến đổi từ 6,0 đến 16,0 kPa

(chỉ tiêu cơ lý của lớp 2 được trình bày trong Bảng 2.6).

Lớp 3: Sét ít dẻo, xám nâu đen, dẻo chảy.

Lớp đất có thành phần chủ yếu là sét ít dẻo, màu xám nâu đen, đôi chỗ lẫn ít hữu

cơ, trạng thái dẻo chảy Cao độ mặt lớp thay đổi từ -24,84m đến -19,82m Bề dàylớp thay đổi từ 1,5m đến m Số lượng mẫu thí nghiệm: 06 mẫu

Kết quả thí nghiệm SPT cho giá trị N từ 2 đến 4

(chỉ tiêu cơ lý của lớp 3 được trình bày trong Bảng 2.6).

2.2.2 Nhận xét và đánh giá

Căn cứ vào địa tầng, chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất, chiều cao đắp nền đường,vị trí các công trình trên tuyến và các công nghệ thi công phổ biến tại Việt Nam cầntính toán chi tiết để đưa ra giải pháp hợp lý, kinh tế và khả thi cho công tác xử lýnền đất yếu, kết cấu móng, công trình trên tuyến

Với các lớp đất như trên có bề dày lớn, độ lún dư lớn, vượt quá qui trình cầnđược xử lý bằng biện pháp, thoát nước thẳng đứng như bấc thấm kết hợp với gia tảitrước

2.3 Tính toán thiết kế xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm

2.3.1 Tiêu chí thiết kế

- Độ lún dư và tốc độ lún

Độ lún dư cho phép của nền đường với kết cấu áo đường được quy định cụthể trong quy trình thiết kế áo đường mềm 22 TCN 211-2006 và quy trình 22TCN262-2000 như sau:

Bảng 2.6:

Cấp hạng đường và loại

tầng mặt kết cấu áo đường

Vị trí đoạn nền đắp trên đất yếu Gần mố cầu Cống hoặc cống

chui

Nền đắp thông thường

Đường cao tốc và đường cấp

2.3.2 Các thông số địa kỹ thuật phục vụ tính toán thiết kế

- Các chỉ tiêu cơ lý của đất nền:

Ta tiến hành chọn mặt cắt điểm hình tại vị trí Km 29 + 303.00 để tiến hành

xử lý Vì ở đây có chiều cao đắp (4,2m) và chiều dày đất yếu (29,6m) là lớn nhất

Lớp 2 Lớp 3

2 Trọng lượng thể tích tự nhiên γww kN/

m318.5 17.4 16.2

m314.1 12.2 11.2

4

1.1891.402

258.37

7

95.44

86.3

555.07

6

20.4430.28

124.79

11 Góc nội ma sát (TN cắt trực tiếp) φ Độ 6o18’ 3o21’ 4o46’

12 Lực dính đơn vị (TN cắt trực tiếp) c kPa 7.6 5.9 4.3

13 Góc nội ma sát (TN nén 3 trục UU) φuu Độ 0o55’ 0o6’ 1o54’

14 Lực dính đơn vị (TN nén 3 trục UU) cuu kPa 18.6 18.9 20.6

15 Góc nội ma sát (TN nén 3 trục CU) φcu Độ 17o0

2’

16o10’

14o55’

16 Lực dính đơn vị (TN nén 3 trục CU) ccu kPa 14.8 14.5 13.9

17 Hệ số cố kết (phương đứng) Cv 10- 0.93 1.06 1.04

2/s0.43 0.49 0.48

8

0.0930.113

- Tải trọng giao thông:

Tải trọng giao thông được xác định theo tiêu chuẩn 22TCN262-2000 từ cácphương trình sau đây:

q=

n×G B×l (2.1)

B=n×b+(n−1)×d+e (2.2)

Trong đó (xem Hình 2.1)

n: Số lượng xe,

G: Trọng lượng xe (= 30 tấn trong trường hợp H30),

B: Bề rộng của tải trọng giao thông

l: khoảng cách giữa bánh xe trước và bánh xe sau (= 6,6 m, trong trườnghợp H30),