Nghiên cứu xử lý nền đất yếu bằng phương pháp bơm hút chân không kết hợp gia tải trước có sử dụng bấc thấm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOALÊ QUANG NGỌC NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG PHƯƠNG PHÁP BƠM HÚT CHÂN KHÔNG KẾT HỢP GIA TẢI TRƯỚC CÓ SỬ DỤNG BẤC THẤM Chuyên ngành : ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG Mã s

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ QUANG NGỌC

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG PHƯƠNG PHÁP BƠM HÚT CHÂN KHÔNG KẾT HỢP GIA TẢI TRƯỚC CÓ SỬ DỤNG BẤC THẤM

Chuyên ngành : ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

Mã số ngành : 60.58.60

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.Hồ Chí Minh - Tháng 06 năm 2012

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH

-

-oOo -Tp HCM, ngày tháng năm 2012

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

1. TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG PHƯƠNG PHÁP

BƠM HÚT CHÂN KHÔNG KẾT HỢP GIA TẢI TRƯỚC CÓ SỬ DỤNG BẤC THẤM.

2 NHIỆM VỤ: Nghiên cứu xử lý nền đất yếu bằng phương pháp bơm hút chân

không kết hợp gia tải trước có sử dụng bấc thấm và ứng dụng tính toán bằng giảitích kết hợp mô phỏng bằng phần mềm Plaxis cho công trình xử lý nền tại cảngHiệp Phước, huyện Nhà Bè

3 NỘI DUNG:

MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1: Tổng quan về các phương pháp xử lý nền đất yếu và phương pháp

bơm hút chân không có sử dụng bấc thấm

CHƯƠNG 2: Cơ sở lý thuyết tính toán nền đất xử lý bằng bấc thấm trong điều

kiện gia tải chân không kết hợp với đất đắp

CHƯƠNG 3: Tính toán lún cố kết cho nền đất được xử lý bằng bơm hút chân

không tại cảng Hiệp Phước bằng phương pháp giải tích và mô hìnhhoá Plaxis

CHƯƠNG 4: Phân tích kết quả tính toán theo lý thuyết và mô hình so sánh với

kết quả quan trắc tại công trình cảng Hiệp Phước

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

4 NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :

5 NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ :

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN KHOA QL CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký) QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

Trãi qua quá trình học tập và rèn luyện của bản thân dưới sự giảng dạy của các thầy cô bộ môn Địa cơ nền móng – khoa Kỹ thuật xây dựng, trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, tác giả đã đúc kết các kiến thức học được và hoàn thành luận văn thạc sỹ của mình.

Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến Thầy PGS - TS VÕ PHÁN đã tận tình hướng dẫn tác giả trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn.

Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy TS Lê Bá Vinh, TS Đỗ Thanh Hải và toàn thể Quý Thầy, Cô Bộ môn Địa Cơ Nền Móng đã tham gia giảng dạy truyền đạt kiến thức, cung cấp tài liệu, tạo mọi điều kiện tốt nhất trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn.

Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tập thể các anh chị thuộc phòng kỹ thuật – công ty Cổ phần tư vấn thiết kế cảng - Kỹ thuật biển (PORTCOAST), tập thể lớp cao học Địa kỹ thuật K2010 Cần Thơ đã nhiệt tình giúp đỡ, cung cấp các tài liệu liên quan và trao đổi những kinh nghiệm quí báu trong suốt quá trình tác giả thực hiện luận văn này.

Niềm động viên tinh thần lớn nhất của tác giả chính là Cha Mẹ, gia đình, những người luôn động viên, khích lệ trong những lúc khó khăn nhất, là sức mạnh tinh thần để tôi vững tin thực hiện được mục tiêu của mình Luận Văn Thạc Sĩ này

là món quà cao quý nhất tôi muốn dành tặng cho gia đình.

Với những kiến thức còn hạn chế của bản thân chắc chắn không tránh khỏi những sai sót khi thực hiện luận văn, kính mong quý Thầy, Cô, bạn bè góp ý chân thành để tôi ngày càng hoàn thiện sự hiểu biết của mình hơn.

Trân trọng cảm ơn!

TÊN ĐỀ TÀI:

Nghiên cứu xử lý nền đất yếu bằng phương pháp bơm hút chân khơng kết hợp gia tải trước cĩ sử dụng bấc thấm.

TÓM TẮT:

Hiện nay, cĩ nhiều phương pháp xử lý nền đất yếu được nghiên cứu và ứngdụng thành cơng tại Việt Nam Trong đĩ, gia tải trước bằng bơm hút chân khơng làmột phương pháp mới được áp dụng nhưng cĩ nhiều ưu điểm nổi bật mà cácphương pháp khác khơng đáp ứng được

Đề tài này nghiên cứu xử lý nền đất yếu bằng bơm hút chân khơng kết hợpgia tải trước cĩ sử dụng bấc thấm

Bằng các nghiên cứu, tổng hợp tài liệu tác giả trình bày tổng quan về nguyên

lý cấu tạo, cơ chế hoạt động của phương pháp, trình tự thi cơng, cơ sở lý thuyết tínhtốn độ lún của nền đất dưới tác dụng đồng thời của tải chân khơng và tải đắp

Tính tốn độ lún của nền đất yếu được cắm bấc thấm dưới tác dụng gia tảitheo TCXD 245 – 2000, thực hiện mơ phỏng quá trình gia tải và ứng xử của đất nềnbằng phần mềm Plaxis theo số liệu thực tế tại cơng trình xây dựng cảng HiệpPhước, Huyện Nhà Bè

Từ kết quả tính tốn và mơ phỏng thu được, tác giả phân tích, so sánh với kếtquả quan trắc thực tiễn tại cơng trình để từ đĩ cĩ những kết luận, đánh giá chung vềphương pháp gia tải trước bằng bơm hút chân khơng và các kiến nghị về hướngnghiên cứu tiếp theo

This thesis study treatment soft soil by method of vacuum preloading incombination of surcharge preloading used prefabricated vertical drains.

In the study, synthetic material the author presents an overview of principles

of techniques, mechanism of the method, order construction, the theoretical basis ofcalculating the ground settlement under the influence simultaneous vacuum loadand fill load

Calculate of treatment with PVDs soft soil settlement under preloadingeffects figures TCXD 245 - 2000, perform simulated preloading processes andbehavior of the ground by PLAXIS according to the actual construction works ofHiep Phuoc port, Nha Be district

From the calculated results and simulations obtained, the authors analyze andcompare the results of actual monitoring data at the works so that give someconclusions and general assessments about the method of Vacuum preloading andrecommendations for further research

MỤC LỤC Trang

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Nội dung nghiên cứu của đề tài 2

3 Phương pháp nghiên cứu 2

4 Mục đích nghiên cứu 3

5 Tính khoa học và thực tiễn của đề tài 3

6 Phạm vi nghiên cứu và hạn chế của đề tài 4

NỘI DUNG CHƯƠNG 1: Tổng quan về các phương pháp xử lý nền đất yếu và phương pháp bơm hút chân không có sử dụng bấc thấm 1.1 Cấu tạo và sự phân bố của đất yếu khu vực TP.HCM và ĐBSCL 5

1.1.1 Định nghĩa đất yếu và một số loại đất yếu thường gặp 5

1.1.2 Nền đất yếu ở Đồng bằng sông Cửu Long và TP HCM 5

1.2 Các phương pháp xử lý nền đất yếu 9

1.2.1 Cải tạo sự phân bố ứng suất và điều kiện biến dạng nền đất yếu 10

1.2.2 Các phương pháp làm tăng độ chặt nền đất yếu 12

1.2.3 Đất có cốt 16

1.3 Tổng quan về phương pháp bơm hút chân không có sử dụng bấc thấm 18

1.3.1 Lịch sử hình thành và phát triển 18

1.3.2 Khái niệm phương pháp gia tải trước bằng bơm hút chân không 19

1.3.3 Cơ chế của phương pháp gia tải trước bằng bơm hút chân không 21

1.3.4 Cấu tạo của phương pháp gia tải trước bằng bơm hút chân không có sử dụng bấc thấm 24

1.3.5 Trình tự thi công 31

1.3.6 Một số hình ảnh thi công thực tế 31

1.4 Nhận xét chương 1 33

trong điều kiện gia tải chân không kết hợp với đất đắp

2.1 Cơ sở lý thuyết tính toán bài toán cố kết thấm 35

2.1.1 Các giả thuyết của bài toán cố kết 35

2.1.2 Bài toán cố kết cơ bản 35

2.2 Lý thuyết tính toán bấc thấm (Bài toán cố kết thấm ba chiều) 37

2.2.1 Các đặc trưng của thoát nước thẳng đứng bằng bấc thấm (PVDs) 37

2.2.2 Phương trình vi phân cố kết thấm 39

2.2.3 Tính toán bấc thấm theo TCXD 245 – 2000 43

2.3 Nhận xét chương 2 49

CHƯƠNG 3: Tính toán lún cố kết cho nền đất được xử lý bằng bơm hút chân không tại cảng Hiệp Phước bằng phương pháp giải tích và mô hình hóa Plaxis 3.1 Giới thiệu công trình xây dựng cảng Hiệp Phước 50

3.1.1 Giới thiệu chung 50

3.1.2 Qui mô và các thông số kỹ thuật tổng quan 51

3.1.3 Điều kiện địa chất công trình khu vực xây dựng cảng Hiệp Phước 52

3.2 Tính toán thấm và cố kết của nền đất theo lý thuyết giải tích 52

3.2.1 Các thông số đưa vào tính toán 52

3.2.2 Tính độ lún cố kết của nền đất khi chưa có bấc thấm 52

3.2.3 Tính độ lún cố kết theo thời gian của nền đất khi dùng bấc thấm dưới tác dụng của tải đắp và bơm hút chân không 57

3.3 Mô hình hóa tính toán công trình bằng phần mềm Plaxis 8.2 60

3.3.1 Trường hợp thay thế toàn bộ tải chân không bằng cát đắp và tác dụng của bấc thấm làm tăng hệ số thấm của nền đất 62

3.3.2 Trường hợp tính theo hệ số thấm thẳng đứng Kvetương đương [11] 67

3.4 Nhận xét chương 3 69

CHƯƠNG 4: Phân tích kết quả tính toán theo lý thuyết và mô hình Plaxis, so sánh với kết quả quan trắc tại công trình cảng Hiệp Phước 4.1 Kết quả quan trắc tại công trình cảng Hiệp Phước 71

4.1.1 Kết quả quan trắc lún bề mặt 71

4.1.3 Kết quả quan trắc chuyển vị ngang 75

4.2 Phân tích kết quả tính toán theo lý thuyết và theo mô hình bằng phần mềm Plaxis so sánh với các kết quả quan trắc thực tế 76

4.3 So sánh về mặt chi phí giá thành và thời gian thi công giữa phương pháp bơm hút chân không và gia tải truyền thống 77

Kết luận và kiến nghị

Kết luận 80

Kiến nghị 80

Tài liệu tham khảo 82

Lý lịch trích ngang

Phụ lục

MỘT SỐ KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN

G kPa : Module đàn hồi biến dạng cắt của đất

DANH SÁCH HÌNH ẢNH VÀ BẢNG BIỂU

Trang

Chương 1: Tổng quan về các phương pháp xử lý nền đất yếu và

phương pháp bơm hút chân không có sử dụng bấc thấm

* HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Bản đồ phân vùng đất yếu ở Đồng bằng sông Cửu Long 6

Hình 1.2: Cột địa tầng tổng hợp vùng đồng bằng sông Cửu Long 8

Hình 1.3: Bệ phản áp 11

Hình 1.4: Điều kiện địa chất thích hợp phương pháp gia tải nén trước không dùng giếng thoát nước 14

Hình 1.5: Sơ đồ cấu tạo giếng cát 14

Hình 1.6: Nguyên lý của phương pháp nén trước 15

Hình 1.7: Các loại lưới ĐKT: a) – Lưới một trục; b) – Lưới hai trục; c) – Lưới sợi thủy tinh 17

Hình 1.8: Nền đất được gia tải trước 19

Hình 1.9: Kết quả lún theo gia tải trước 20

Hình 1.10: Hệ thống tạo chân không (Theo Masse và cộng sự, 2001) 21

Hình 1.11 - a: Mô hình gia tải trước bằng vật liệu đắp 22

Hình 1.11 - b: Mô hình gia tải trước bằng bơm hút chân không 23

Hình 1.12: Sự thay đổi của ứng suất thẳng đứng: (a) – Điều kiện ban đầu; (b) – Điều kiện gia tải trước truyền thống; (c) – Gia tải chân không (theo Elgamal và Adalier, 1996) 24

Hình 1.13: Đường ứng suất trong quá trình gia cố nền đất yếu 24

Hình 1.14: Cấu tạo của phương pháp gia tải trước bằng bơm hút chân không có sử dụng bấc thấm 25

Hình 1.15: Bấc thấm đứng 26

Hình 1.16: Bấc thấm ngang 27

Hình 1.17: Thi công trải và hàn nối màng cách khí HDPE 29

Hình 1.18: Thi công lắp đặt hệ thống bơm hút chân không 30

Hình 1.19: Các thiết bị quan trắc thực địa 30

Hình 1.20: Thi công bấc thấm thoát nước đứng và ống thoát nước ngang 31

Hình 1.21: Thi công vải ĐKT và màng HDPE 32

Hình 1.22: Thi công lắp đặt các thiết bị quan trắc 32

Hình 1.23: Thi công vận hành hệ thống bơm hút chân không 32

Hình 1.24: Công trình cảng Hiệp Phước trong quá trình cố kết do bơm hút chân không 33

* BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Đặc trưng cơ học của các lớp đất chủ yếu khu vực ĐBSCL 07

Bảng 1.2: Những phương pháp xử lý nền nhân tạo 12

Bảng 1.3: Thông số kỹ thuật của một số loại bấc thấm ngang 28

Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính toán nền đất xử lý bằng bấc thấm trong điều kiện gia tải chân không kết hợp với đắp đất * HÌNH ẢNH Hình 2.1: M ặt cắt điển hình của băng thoát nước (theo Holtz và cộng sự, 1991) 37

Hình 2.2: Mô hình vùng xáo động (theo Hansbo 1994) 38

Hình 2.3: Lưới cắm bấc thấm và vùng ảnh hưởng của mỗi bấc thấm 39

Hình 2.4: Mô hình bấc thấm trong đất với vùng xáo động 40

Hình 2.5: Mô hình thoát nước trong bấc thấm với vùng xáo động và cản giếng 42

Hình 2.6: Biểu đồ xác định hệ số  Hình 2.7: Các sơ đồ bố trí bấc thấm 44

* BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Bảng tra quan hệ giữa độ cố kết thẳng đứng U v và nhân tố thời gian T v 47

Chương 3: Tính toán lún cố kết cho nền đất được xử lý bằng bơm hút chân không tại cảng Hiệp Phước bằng phương pháp giải tích và mô hình hoá Plaxis * HÌNH ẢNH Hình 3.1 Không gian cụm cảng Hiệp Phước sau khi hoàn thành 50

Hình 3.2: Mô hình hình học bài toán mô phỏng bơm hút chân không

bằng lớp cát đắp tương đương 62 Hình 3.3: Các giai đoạn tính toán của chương trình trong trường hợp tăng hệ số thấm lên 25 lần 63 Hình 3.4: Kết quả tính toán độ lún cực đại 64 Hình 3.5: Kết quả tính lún theo mặt cắt ngang trên mặt lớp 1a 64 Hình 3.6: Các giai đoạn tính toán của chương trình trong trường hợp tăng hệ số thấm lên 15 lần 65 Hình 3.7: Kết quả tính toán độ lún cực đại khi hệ số thấm tăng lên 15 lần 66 Hình 3.8: Kết quả tính lún theo mặt cắt ngang trên mặt lớp 1a khi hệ số thấm tăng lên 15 lần 66 Hình 3.9: Các giai đoạn tính toán của chương trình trong trường hợp tính theo K ve tương đương 68 Hình 3.10: Kết quả tính toán độ lún cực đại theo K ve 68 Hình 3.11: Kết quả tính lún theo mặt cắt ngang trên mặt lớp 1a theo hệ số thấm đứng tương đương, K ve 69

* BẢNG BIỂU

Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật của bấc thấm được sử dụng tại công trình xây

dựng cảng Hiệp Phước 51 Bảng 3.2: Các giá trị tính độ lún cố kết S c1 ứng với cấp tải trọng 6 tấn/m 2

do công trình tạo ra 55 Bảng 3.3: Các giá trị tính độ lún cố kết S c2 ứng với cấp tải trọng

15,7 tấn/m 2 do bơm hút chân không kết hợp gia tải tạo ra 56 Bảng 3.4: Các thông số của nền đất đưa vào sử dụng trong chương

trình Plaxis: 61

Chương 4: Phân tích kết quả tính toán theo lý thuyết và mô hình

Plaxis, so sánh với kết quả quan trắc tại công trình cảng Hiệp Phước

* HÌNH ẢNH

Hình 4.1: Biểu đồ đường lún mặt theo thời gian tại vị trí SP23 71 Hình 4.2: Biểu đồ đường lún mặt theo thời gian tại vị trí SP08 72 Hình 4.3: Biểu đồ quan trắc áp lực nước lỗ rỗng theo thời gian tại vị trí P02 73

Hình 4.4: Biểu đồ quan trắc áp lực nước lỗ rỗng theo thời gian tại vị trí P05 74 Hình 4.5: Biểu đồ quan trắc chuyển vị ngang 75

* BẢNG BIỂU

Bảng 4.1: So sánh chi phí giữa phương pháp cố kết chân không và phương

pháp PVD truyền thống (nền đắp cao) 78

Bảng 4.2: So sánh chi phí giữa phương pháp cố kết chân không và phương

pháp PVD truyền thống (nền đắp cao trung bình) 79

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Nước ta đang bước vào thời kỳ công nghiệp hoá hiện đại hoá, các khu côngnghiệp tập trung, cơ sở hạ tầng kỹ thuật, khu đô thị mới, nhà kho, bến cảng… đangđược xây dựng với tốc độ ngày càng lớn Nền móng của các công trình xây dựngnhà ở, đường sá, đê điều, đập chắn nước và một số công trình khác trên nền đấtyếu thường đặt ra hàng loạt các vấn đề phải giải quyết như: sức chịu tải của nềnthấp, độ lún lớn và độ ổn định của nền thấp

Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) có bề dày tầng đất yếu lớn, có thể lên đếntrên 30m Nhiều thành phố và thị trấn quan trọng được hình thành và phát triểntrên nền đất yếu này với những điều kiện địa chất hết sức phức tạp của đất nền,nhất là dọc theo các dòng sông và ven biển Thực tế này đã đòi hỏi phải hình thành

và phát triển các công nghệ thích hợp và tiên tiến để xử lý nền đất yếu Việc xử lýnền đất yếu là vấn đề bức thiết và quan trọng hàng đầu trong ngành xây dựng củavùng Xử lý nền đất yếu nhằm mục đích làm tăng sức chịu tải của nền đất, cảithiện một số tính chất cơ lý của nền đất yếu như: Giảm hệ số rỗng, giảm tính nénlún, tăng độ chặt, tăng trị số modun biến dạng, tăng cường độ chống cắt của đất…đảm bảo điều kiện khai thác bình thường cho công trình

Hiện nay một số các phương pháp xử lý nền đất yếu thường được áp dụng là :Gia tải trước bằng vật liệu đắp kết hợp các biện pháp thoát nước cố kết (bấc thấm,giếng bao cát, giếng cát, cọc đá dăm, …); xử lý nền bằng đất trộn xi măng, đất trộnvôi, …; Hoặc dùng móng cọc chịu lực: Cọc bê tông cốt thép, cọc khoan nhồi, cọc

ly tâm ứng suất trước, cọc cừ tràm hoặc cọc tre… Với các phương pháp này khicần thi công xử lý trên diện tích rộng lớn sẽ rất tốn kém về kinh phí, nguồn vật liệuđắp gia tải ngày một ít và phương tiện vận tải gặp khó khăn, thời gian thi côngthường phải kéo dài

Theo đà phát triển chung của khoa học kỹ thuật, kỹ thuật xử lý nền đất yếu trênthế giới đã có những bước tiến đáng kể với nhiều phương pháp tiên tiến, hiệu quả.Gia tải trước bằng bơm hút chân không để xử lý nền đất yếu là một điển hình vớinhiều ưu điểm nổi bật, thời gian thi công được rút ngắn, không tạo ra áp lực gây

trượt cho nền đất, nhất là gần bờ sông, biển, hạn chế việc sử dụng vật liệu đắp gópphần bảo vệ tài nguyên thiên nhiên, bảo vệ lòng sông khỏi sạt lở,…

Tuy nhiên hiện nay việc áp dụng phương pháp này ở khu vực ĐBSCL cònnhiều hạn chế Để hiểu rõ thêm về phương pháp và khả năng áp dụng tại địaphương cần có những nghiên cứu, đánh giá từ kết quả của các công trình thực tế

đã triển khai để từ đó có cơ sở so sánh và lựa chọn phương pháp gia cố nền đất yếutrong vùng được hợp lý nhất Đó là lý do để tác giả chọn và thực hiện đề tài

“Nghiên cứu xử lý nền đất yếu bằng phương pháp bơm hút chân không kết hợp

gia tải trước có sử dụng bấc thấm ”

2 Nội dung nghiên cứu của đề tài

Đề tài nghiên cứu những nội dung cụ thể như sau:

 Nghiên cứu tổng quan về phương pháp gia tải trước bằng bơm hút chânkhông có sử dụng bấc thấm và cơ sở lý thuyết tính toán bấc thấm, tốc độ cốkết của nền đất có sử dụng bấc thấm

 Thông qua các thông số cơ lý đất khảo sát tại công trình thực tế xây dựngcảng Hiệp Phước, huyện Nhà Bè, TP HCM, tính toán bấc thấm, độ lún củanền đất, độ cố kết của nền đất theo phương pháp giải tích và mô hình hóabằng Plaxis

 Tìm tương quan giữa kết quả tính toán và quan trắc để đề xuất điều chỉnh

hệ số có xét đến sự phá hoại kết cấu của nền đất do thi công bấc thấm khiđưa vào tính toán sao cho kết quả tính được gần nhất với thực tế

 Điều chỉnh thông số đầu vào (hệ số thấm) cũng như phương pháp môphỏng bấc thấm trong trường hợp sử dụng phần mềm Plaxis để mô phỏngnền đất được xử lý sao cho kết quả mô phỏng gần với thực tế nhất

3 Phương pháp nghiên cứu

 Tổng hợp các tài liệu trong và ngoài nước về các phương pháp xử lý nềnđất yếu, phương pháp gia tải trước bằng bơm hút chân không có sử dụngbấc thấm

 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính toán bấc thấm, tốc độ cố kết của nền đất có

sử dụng bấc thấm dưới tác dụng gia tải trước bằng bơm hút chân không vàtải đắp thêm

 Tổng hợp các tài liệu liên quan về phương pháp gia tải trước bằng bơm hútchân không tại công trình xây dựng cảng Hiệp Phước – Nhà Bè, kết quảquan trắc tại hiện trường.

 Tính toán theo lý thuyết, thiết lập mô hình tính bằng phần mềm Plaxis vàđối chiếu với kết quả thực tế thu được tại công trình cảng Hiệp Phước

4 Mục đích nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu được thực hiện nhằm mục đích sau:

 Đánh giá tổng quan về phương pháp xử lý nền đất yếu bằng giải phápbơm hút chân không kết hợp gia tải trước có sử dụng bấc thấm, các phương pháptính toán, thiết kế

 Đánh giá khả năng ứng dụng phương pháp bơm hút chân không vàocông tác xử lý nền đất yếu cho các loại hình công trình thích hợp

 Đánh giá sơ bộ các ưu nhược điểm về kỹ thuật lẫn kinh tế khi áp dụngphương pháp gia tải trước bằng bơm hút chân không

 Nhận xét và đánh giá các kết quả thu được từ đó đưa ra các kết luận vàkiến nghị về phương pháp gia tải trước bằng bơm hút chân không

5 Tính khoa học và thực tiễn của đề tài

Hiện nay trên thế giới và tại Việt Nam đã và đang sử dụng phương pháp bơmhút chân không để xử lý nền đất yếu cho rất nhiều công trình lớn nhỏ Đặc biệt làđối với những công trình xây dựng ven sông, biển, hay công trình xây dựng trênnền đất rất yếu, đất bùn vì phương pháp này không gây ra hiện tượng mất ổn địnhtrượt cho nền khi gia tải Ngoài ra, phương pháp này còn giúp rút ngắn thời gian

xử lý nền, hạn chế lượng cát đắp gia tải nên có giá thành tương đối hợp lý Thiết bịthi công đơn giản, vật liệu sử dụng có nhiều trên thị trường và các nhà thầu ViệtNam hoàn toàn có thể thực hiện được

Tại Việt Nam hiện nay, xu hướng phát triển hạ tầng các khu công nghiệp, cáccông trình giao thông, bến bãi, nền nhà kho, nhà xưởng, bồn chứa, cảng sông, cảngbiển, … là rất cấp bách Do đó các công nghệ xử lý nền đất yếu cần sớm đượcquan tâm nghiên cứu và ứng dụng để đáp ứng yêu cầu ngày càng nhiều của xã hội

Vì thế cần có những nghiên cứu, đánh giá cụ thể và đúng đắn về phương pháp gia

cố nền đất yếu bằng bơm hút chân không để làm cơ sở lựa chọn giải pháp xử lýnền đất hợp lý nhất.

6 Phạm vi nghiên cứu và hạn chế của đề tài

Đề tài chỉ dừng lại ở mức độ nghiên cứu tổng quan về bơm hút chân không vàứng dụng tính toán cho công trình cụ thể tại cảng Hiệp Phước mà không nghiêncứu sâu về các yếu tố ảnh hưởng đến ứng xử của nền đất trong quá trình thi công.Qua đó sẽ rút ra các kết luận về phương pháp bơm hút chân không và khả năngứng dụng nó vào xử lý nền đất yếu

Đề tài được thực hiện thông qua việc tổng hợp các tài liệu nghiên cứu về bơmhút chân không đã có trước mà không có điều kiện quan sát hay ghi nhận về quátrình thi công thực tế để đánh giá sâu sắc hơn về ưu nhược điểm của phương pháp

xử lý nền đất yếu này, nhất là các vấn đề thực tế phát sinh trong quá trình thi công

1.1.1 Định nghĩa đất yếu và một số loại đất yếu thường gặp [3], [7]

Đất yếu là những đất có khả năng chịu lực thấp (0,5 – 1,0 kG/cm2), hầu nhưhoàn toàn bão hòa nước, hệ số nén lún lớn, sức chống cắt nhỏ, mô đun tổng biếndạng nhỏ

Theo TCXD 245: 2000, đất yếu thường có:“ Độ sệt lớn ( IL> 1) ; hệ số rỗnglớn (e > 1), góc ma sát trong nhỏ (ϕ < 100) ; lực dính theo kết quả cắt nhanh khôngthoát nước từ c < 0.15 daN/cm2, lực dính theo kết quả cắt cánh tại hiện trường

Cu < 0.35 daN/cm2; sức chống mũi xuyên tĩnh qc < 0,1 Mpa ; Chỉ số xuyên tiêuchuẩn SPT là N < 5 ”

Phần lớn các nước trên thế giới thống nhất về định nghĩa nền đất yếu theosức kháng cắt không thoát nước Su và trị số xuyên tiêu chuẩn N như sau:

- Đất rất yếu: Su ≤ 12.5 kPa hoặc N ≤ 2

- Đất yếu: Su ≤ 25 kPa hoặc N ≤ 4

Các loại đất yếu thường gặp là: đất loại sét (sét, sét pha, cát pha) ở trạngthái dẽo chảy hoặc chảy, bùn sét, than bùn, đất hữu cơ, … công trình xây dựngtrên đất yếu bắt buộc phải có biện pháp xử lý gia cố nếu không sẽ khó đảm bảo ổnđịnh cho công trình

1.1.2 Nền đất yếu ở Đồng bằng sông Cửu Long và TP HCM

Đất yếu đồng bằng sông Cửu Long: Trầm tích Holocen đồng bằng sông

Cửu Long được phân chia thành ba bậc (Hình 1.2 - Cột địa tầng)

Bậc Holocen trung – hạ (QIV -1-2): Cát màu vàng, xám tro, chứa sỏi nhỏ kếtvón sắt, phủ trên tầng sét loang lỗ Pleistocen hoặc đá gốc, bề dày lớn nhất 12m

Bậc Holocen trung (QIV -2): Bùn sét màu xám, sét xám xanh, xám vàng, bềdày từ 10m đến 50m

Bậc Holocen trên (QIV -3): Gồm trầm tích biển, sông biển hỗn hợp (mQIV -3),(mbQIV -3) là cát mịn, bùn sét hữu cơ; đầm lầy ven biển (bmQIV -3) gồm bùn séthữu cơ, than bùn và bồi tích ( 3

Hình 1.1: Bản đồ phân vùng đất yếu ở Đồng bằng sông Cửu Long

Có thể chia vùng đồng bằng sông Cửu Long thành 3 khu vực ĐCCT:

a Khu vực ven TP Hồ Chí Minh, thượng nguồn Vàm Cỏ Tây, Vàm CỏĐông, rìa tây Đồng Tháp Mười, rìa quanh vùng Bảy Núi chạy tới ven biển HàTiên, Rạch Giá, rìa đồng bằng Vũng Tàu đến Biên Hòa là khu vực đất yếu, bề dày

Chỉ tiêu cơ lý các lớp đất chủ yếu cho trong bảng 1.1

Bảng 1.1: Đặc trưng cơ học của các lớp đất chủ yếu khu vực ĐBSCL

Loại đất

Sét

4 3 3

Đất yếu khu vực thành phố Hồ Chí Minh: Khu vực thành phố Hồ Chí

Minh thuộc loại địa hình đồng bằng bồi tụ các trầm tích phù sa cổ đến trẻ với cácnguồn gốc sông, đầm lầy, sông – biển, vũng vịnh hỗn hợp Tầng trầm tích biến đổikhá lớn và phức tạp, chiều dày từ vài mét đến hơn 100m

Khu vực thành phố Hồ Chí Minh có thể chia thành hai vùng:

a Vùng cao phía Bắc gồm Củ Chi, Hóc Môn, Gò Vấp, một phần các quận

1, 3, 3, 10, 12, Thủ Đức, Phú Nhuận, Tân Bình: Phân bố trầm tích cổ Pleistocengồm có: sét, sét pha cát, cát mịn đến thô lẫn sỏi sạn có khả năng chịu tải tốt

b Vùng đồng bằng thấp phía nam gồm toàn bộ các quận 2, 4, 6,7,8, 11,Bình Chánh, Nhà Bè, Cần Giờ: Phân bố trầm tích trẻ Holocen nguồn gốc sôngbiển, đầm lầy gồm có: sét bùn, bùn á sét hữu cơ bão hòa nước, sét xám ghi, xámxanh có nguồn gốc trầm tích tro núi lửa bề dày từ 8 – 30m, một số nơi 35m đến40m

Đất yếu, hoàn toàn bão hòa nước và chưa cố kết, đang trong quá trình phânhủy, độ ẩm rất cao từ 50% đến trên 100%, dung trọng khô nhỏ <10kN/m3, độ sệt

Is>1, hệ số rỗng e > 1 (có thể đến 2 hoặc 3), chỉ số nén Cc = 0,5 – 1,5, mô đun tổngbiến dạng E0 = 5 – 10kG/cm2

Nước dưới đất trong tầng bùn sét, á sét hữu cơ cách mặt đất từ 0,5m đến0,8m có quan hệ thủy lực với nước mặt, sông, đầm lầy và nước thải Nước bịnhiễm bẩn, nhiễm phèn, nhiễm mặn; có tính ăn mòn a xít và sunfat cao đối vớimóng công trình

1.2 Các phương pháp xử lý nền đất yếu [2], [3], [5]

Nền đất yếu có sức chịu tải thấp và khả năng biến dạng lớn Dưới tác dụngcủa tải trọng công trình, nền đất có thể bị phá hoại do mất ổn định về cường độhoặc do biến dạng lún vượt quá giới hạn cho phép, hoặc do lún không đều Chính

do lún không đều và diễn biến theo thời gian lại quyết định sự bền vững của côngtrình: Độ lún tuyệt đối dù lớn nhưng có giá trị đều nhau tại mọi điểm thì khôngnguy hiểm bằng khi lún không đều, các ứng suất phát sinh trong điều kiện lún lệchcủa các kết cấu siêu tĩnh sẽ làm cho công trình bị nứt nẻ hoặc hư hỏng Do đómuốn xây dựng công trình trên nền đất yếu an toàn thì phải có những biện pháp xử

lý kết cấu bên trên công trình cũng như với phần đất nền dưới móng

1.2.1 Cải tạo sự phân bố ứng suất và điều kiện biến dạng nền đất yếu

Khi lớp đất yếu có chiều dày không lớn nằm trực tiếp dưới móng công trìnhthì có thể dùng các biện pháp xử lý nhân tạo như đệm cát, đệm đất, đệm đá, bệphản áp,… để làm tăng khả năng chịu lực và hạn chế mức độ biến dạng (đặc biệt

là biến dạng không đều) của đất nền dưới tác dụng của tải trọng công trình

Biện pháp xử lý đệm cát, đệm đất, đệm đá: Để tận dụng khả năng các lớp

dưới của đất nền, người ta thường đào bỏ lớp đất yếu ở phía trên tiếp giáp vớimóng công trình và thay thế bằng đất, cát, đá có cường độ chống cắt lớn, dễ thicông và là vật liệu địa phương có sẵn Lớp thay thế này được gọi là tầng đệm.Tầng đệm có các tác dụng sau:

- Giảm độ lún của nền công trình và độ lún không đều, đồng thời làmtăng nhanh quá trình cố kết của đất nền

- Làm tăng khả năng ổn định của công trình kể cả khi có tải trọng ngangtác dụng vì cát được nén chặt sẽ tăng lực ma sát và tăng sức chống trượt

- Giảm kích thước móng và độ sâu chôn móng do sức chịu của đất nềntăng lên

Ngoài ra, do thi công đơn giản, không đòi hỏi các thiết bị phức tạp nênphương pháp này được sử dụng khá rộng rãi Tuy nhiên, không nên sử dụng cáctầng đệm cát, đất trong một số trường hợp sau:

- Lớp đất yếu cần thay thế khá dày, chiều dày trên 3m vì khi đó thi côngkhó khăn và chi phí cao

- Mực nước ngầm cao và nước có áp vì cần phải hạ thấp mực nước ngầm

và tầng đệm không ổn định (xói ngầm, hóa lỏng)

Khi thiết kế lớp đệm cát, đất cần phải đảm bảo các điều kiện sau:

- Lớp đệm phải ổn định dưới tác dụng của tải trọng công trình

- Áp lực trên mặt lớp đất ở đáy lớp đệm khi có tải trọng công trình phảinhỏ hơn áp lực tiêu chuẩn trên mặt lớp đất đó

- Độ lún toàn bộ của lớp đệm và lớp đất nằm dưới cũng như độ lún khôngđều của móng phải nhỏ hơn giá trị giới hạn qui định trong qui phạm thiết kế nền

Bệ phản áp: Bệ phản áp là các khối đất đá đắp ở hai bên công trình để

chống trượt do xuất hiện vùng biến dạng dẽo dưới nền đất yếu khi làm đường, đê,

đập ở phía trên Bệ phản áp còn dùng để phòng chống lũ, chống sóng, chống thấmmất nước.

Hình 1.3: Bệ phản áp

Kích thước bệ phản áp xác định theo sự hình thành vùng biến dạng dẽo ởhai bên công trình, theo lý luận cân bằng giới hạn để xác định mặt trượt và trạngthái giới hạn của nền đất theo điều kiện khống chế ứng suất ngang

Bảng 1.2: Những phương pháp xử lý nền nhân tạo

Các phương pháp xử

lý nền nhân tạo

Dạng nền và các khả năng xây dựng chúng Điều kiện địa chất công trình

Các loại đất lỗ rỗng lớn, cát tơi xốp, đất dính chưa nén chặt

5 Phương pháp nhiệt Dùng sức nóng để nung cho đất

cứng lại Đất có lỗ rỗng lớn

1.2.2 Các phương pháp làm tăng độ chặt nền đất yếu

Với đất có độ rỗng lớn, ở trạng thái rời, bão hòa nước có tính nén lớn hayđất có kết cấu dễ bị phá hoại và kém ổn định dưới tác dụng tải trọng nhỏ (cát rời,đất bùn, than bùn, đất dính ở trạng thái chảy, ), để tăng độ chặt của nền nhằm làmtăng khả năng chịu lực, hạn chế độ lún và chênh lệch lún khi xây dựng công trình,

người ta dùng các phương pháp làm tăng độ chặt nền đất yếu như: Cọc cát, cọcđất, giếng cát, nén trước bằng tải trọng tĩnh, nén chặt trên mặt và dưới sâu.

Nền cọc cát: Cọc cát có tác dụng giúp cho nước lỗ rỗng trong đất thoát ra

nhanh làm cho quá trình cố kết của đất nhanh hơn và có độ lún chóng ổn định hơn;Đất được nén chặt thêm, độ rỗng của đất giảm và cường độ của nền cọc cát đượctăng lên

Không nên dùng cọc cát trong trường hợp đất quá nhão vì cọc cát không thểlèn chặt đất được hoặc khi chiều dày lớp đất yếu nhỏ (<2m) thì nên dùng đệm cát

Nền cọc vôi và cọc đất xi măng:

Cọc vôi: Thường dùng để nén chặt các lớp đất yếu như than bùn, bùn, sét

và á sét ở trạng thái dẽo nhão Cọc vôi có các tác dụng sau: Sau khi cọc vôi đượcđầm chặt, đường kính cọc tăng thêm 20% và làm cho đất xung quanh nén chặt;Trong lỗ khoan, khi vôi được tôi nhiệt độ lên đến 120 – 1600C với nhiệt lượng caotỏa ra làm cho nước lỗ rỗng bốc hơi, đất giảm độ ẩm và nén chặt nhanh Ngoài rakhi tôi vôi tăng thể tích 2 lần làm cho đất xung quanh nén chặt thêm Thôngthường khi dùng cọc vôi, độ ẩm của đất giảm 5-8%, mô đun biến dạng tăng 3-4lần, lực dính tăng 1,5-3 lần, cường độ nền cọc vôi tăng 2-3 lần

Cọc đất – vôi, đất – xi măng: Là loại cọc (cột) đất được trộn thêm hàm

lượng các chất liên kết là vôi hoặc xi măng, được thi công bằng các máy khoanchuyên dụng Máy khoan này có mũi khoan được thiết kế thêm các cánh trộn làmtơi đất và trộn đều chất liên kết với đất Khi khoan đến độ sâu thiết kế thì xi mănghoặc vôi bắt đầu được phun vào đất nhờ hệ thống máy phun áp lực cao và đượcmũi khoan trộn đều với đất Chất kết dính tạo ra các liên kết xi măng và silicathóa, gắn kết các hạt đất và làm cho đất trở nên cứng hơn một cách rõ rệt

Lượng xi măng sử dụng thường từ 7 – 15% Nếu dùng cùng tỉ lệ xi măng vàvôi thì sức chịu tải của đất – xi măng tăng cao hơn Đất sau khi gia cố xi măng cóthể tăng sức kháng xuyên lên 4-5 lần, tăng độ bền chống cắt lên hàng chục lần.Nhờ cường độ tăng lên rõ rệt nên có thể dùng cọc này làm tường cừ hoặc làm nềncho móng công trình

Phương pháp gia tải nén trước: Khi gặp nền đất yếu như bùn, than bùn,

sét và á sét dẽo nhão, á cát bão hòa nước thì có thể dùng phương pháp gia tải nén

trước nhằm làm tăng sức chịu tải của nền đất, tăng nhanh thời gian cố kết, làm cho

độ lún nhanh ổn định Để đạt được mục đích đó, người ta tiến hành chất tải trọng(bằng cát, sỏi, đất đá, các khối bê tông) bằng hoặc lớn hơn tải trọng công trìnhđịnh thiết kế trên nền đất yếu để nền chịu tải và lún trước khi xây dựng thực Cóthể dùng kết hợp giếng cát hay bấc thấm để tăng nhanh quá trình thoát nước cốkết

Hình 1.4: Điều kiện địa chất thích hợp phương pháp gia tải nén trước

không dùng giếng thoát nước

Hình 1.5: Sơ đồ cấu tạo giếng cát

Nguyên lý nén trước được giải thích theo hình 1.9 Tải trọng công trình trênmỗi đơn vị diện tích là∆Pp trên lớp sét đang cố kết có bề dày Hc Độ lún cố kết sơcấp do tải trọng công trình gây ra là Sp Khi gia tải trước thêm một phụ tải là

∆Pp+∆Pf thì độ lún cố kết sơ cấp do gia tải trước gây ra là Sp+f

Hình 1.6: Nguyên lý của phương pháp nén trước

Quan hệ độ lún – thời gian dưới tải trọng nén trước∆Pp+∆Pf cho tương ứng

độ lún là Sp tại thời điểm t1 còn nếu dưới tải trọng thực của công trình thì phải đếnthời điểm t2 mới đạt đến độ lún đó mà t2 lớn hơn nhiều so với t1 nghĩa là đã chonền đất được lún trước nên khi chịu tải trọng vĩnh cửu của công trình là∆Pp thì sẽkhông lún nữa hoặc độ lún dư là không đáng kể

Phương pháp nén trước dùng bấc thấm: Bấc thấm được dùng làm biên

thoát nước thẳng đứng giống như giếng cát nhưng có nhiều ưu điểm hơn: Sản xuấtcông nghiệp với khối lượng lớn, giá thành rẻ (khoảng 25% so với giếng cát), thicông nhanh bằng máy chuyên dùng và tác dụng thoát nước lỗ rỗng tốt hơn giếngcát Một bấc thấm có tác dụng thoát nước tương đương một giếng cát đường kính18cm có cùng chiều dài Bấc thấm là loại vật liệu bằng nhựa mềm có chiều rộng10mm, dày 3mm gồm hai lớp nhựa, kẹp giữa là 10 rãnh thoát nước với tiết diện3mm2 Do có lớp nhựa mềm bọc ngoài nên lớp giấy thấm nước ở trong có thể bảotồn và làm việc tốt trong khoảng 2-3 năm Thời gian đó đủ để thoát nước lỗ rỗng

và nén trước đạt yêu cầu

Phương pháp nén trước bằng bơm hút chân không: Là phương pháp gia tải

nén trước mà tải trọng tác dụng lên nền đất được tạo ra bằng cách dùng hệ thống

bơm hút chân không để tạo ra áp suất chân không trên bề mặt nền đất yếu từ đó ápsuất của khí quyển sẽ tác động lên nền đất một áp lực khoảng 70 – 80 kPa giúpcho nền đất bị nén chặt Ngoài ra với áp suất chân không tạo ra sẽ giúp cho nước

lỗ rỗng thoát ra theo các kênh thoát nước thẳng đứng (bấc thấm) nhanh chóng hơncách đắp tải thông thường Phương pháp này tạo ra tải tác dụng lên nền nhanh,thời gian gia tải ngắn và đặc biệt là không gây ra hiện tượng trượt của nền đất

1.2.3 Đất có cốt

Đất có cốt là vật liệu xây dựng gồm có đất đã được tăng cường độ bằngcách bố trí các vật liệu chịu kéo như các thanh và dải kim loại, vải không bị phânhủy sinh học trong đất và gần đây là lưới địa kỹ thuật bằng hỗn hợp nhựa HDPE.Lợi ích cơ bản của đất có cốt là tăng cường độ chống kéo và cường độ chống cắtcủa đất do lực ma sát tồn tại tại mặt phân cách đất – cốt

Vật liệu có thể làm cốt trong đất là các dải kim loại và các loại vật liệu địa

kỹ thuật khác (vải ĐKT, lưới ĐKT, màng ĐKT,…)

Các dải kim loại: Trong nhiều trường hợp, dải kim loại được dùng làm cốt

đất nhưng có nhược điểm là bị ăn mòn Tốc độ ăn mòn của dải kim loại tùy thuộcmột số yếu tố của môi trường và chủng loại vật liệu làm cốt vì thế khi tính toánthiết kế cốt đất bằng kim loại phải lưu ý vấn đề này

Vải địa kỹ thuật (vải ĐKT): Không bị phân hủy sinh học, được sản xuất từ

các chế phẩm dầu mỏ như polyeste, polyethylen, polypropylen, hoặc làm từ sợithủy tinh Vải ĐKT chia thành loại được dệt (gồm hai nhóm sợi song song được

bố trí có hệ thống để tạo cấu trúc phẳng), được đan (các sợi móc vào nhau để tạocấu trúc phẳng) hay không dệt (các sợi hay sơ ngắn sắp xếp định hướng hay ngẫunhiên trong cấu trúc phẳng)

Vải ĐKT có các chức năng như: thoát nước tốt, lọc hạt đất lại chỉ cho nướcthấm qua, chia tách các lớp đất khi thi công và cả khi công trình đang làm việc,làm tăng sức chịu tải nền đất do độ bền chống kéo của vải địa kỹ thuật

Lưới địa kỹ thuật (lưới ĐKT): Lưới ĐKT thường được làm từ chất liệu

polyetylen có tỉ trọng cao HDPE (high density polyethylene) giúp cho lưới rất bềnvững dưới tác dụng của môi trường Lưới ĐKT có khả năng chịu kéo rất cao, tuổithọ dài (vòng đời thiết kế lên đến 120 năm ), thời gian thi công nhanh, kỹ thuật thi

công đơn giản, chi phí thi công thấp so với các giải pháp kết cấu trọng lực bê tôngcốt thép thông thường và ứng dụng được trong nhiều lĩnh vực xây dựng (gia cốnền, mái dốc, tường chắn, đường dẫn vào cầu, liên kết đầu cọc, …).

Lưới ĐKT được chia thành nhiều loại như: lưới một trục, lưới 2 trục, lướisợi thủy tinh,…

c)

Hình 1.7: Các loại lưới ĐKT: a) – Lưới một trục; b) – Lưới hai trục;

c) – Lưới sợi thủy tinh

1.3 Tổng quan về phương pháp bơm hút chân không có sử dụng bấc thấm

1.3.1 Lịch sử hình thành và phát triển [15]

Sáng kiến sử dụng áp suất chân không để gia tải trước do giáo sưW.Kjellman đề xuất từ năm 1952 Kể từ đó gia tải chân không đã phát triển thànhmột phương pháp xử lý đất yếu hữu hiệu Phương pháp này từng được sử dụngthành công cho các dự án gia cố đất hoặc cải tạo vùng đất ở một số nước Với sựkết hợp của các vật liệu mới và kỹ thuật mới, Phương pháp này đã được hoàn thiệnhơn nhiều trong những năm gần đây Trong kỹ thuật này cột cát thấm và gần đây

là bấc thấm (PVD) thường được sử dụng để phân bố áp suất chân không và tháonước lỗ rỗng Trong thiết kế thường dùng tải chân không danh nghĩa là 80kPa mặc

dù vậy đôi khi vẫn có thể tạo ra áp suất chân không đến 90 kPa Khi tải chất thêmđược yêu cầu cao hơn 80kPa thì cần kết hợp tải chân không và tải đắp bằng vật

liệu khác Khi xử lý nền đất rất yếu thì phương pháp gia tải chân không nhanh hơn

tải đắp vì đạt được mức tải 80kPa nhanh chóng mà không sợ các vấn đề về ổnđịnh Phương pháp gia tải chân không cũng cho giá thành thấp hơn tải đắp trongcùng một mức tải (Chu và cộng sự, 2000)

Gia tải chân không cũng thường gắn liền với quá trình cải tạo vùng đất yếukhi vùng đó được san đắp bằng bùn vét ở đáy sông, biển Nếu bùn sét đắp quá yếu

để chất tải thì phương pháp gia tải chân không rất hữu dụng trong việc cố kết của

bùn sét Hàng ngàn hecta đất được cải tạo ở Trung Quốc được sử dụng giải pháp

này (Chen and Bao 1983; Yan and Chu 2005) Trong những năm gần đây, kỹthuật chân không này cũng được áp dụng cho các công trình cải tạo (Lindhult vàcộng sự 1995) Mặt khác, kỹ thuật này cũng được sử dụng để gia cường sự ổnđịnh cho các công trình, kết cấu tường chắn (Miyazaki và cộng sự 2005) TạiHàn Quốc, xử lý nền đất yếu dưới đoạn đường cao tốc bằng bơm hút chân không

đã rút ngắn thời gian cố kết nền đất đến ba năm, hay khu nhà máy xử lý nước thảicũng tại Hàn Quốc (1995) cũng rút ngắn thời gian cố kết lớp đất yếu bên dưới rấtđáng kể: khoảng 1 năm Cả hai công trình trên được thực hiện bởi công ty VacuumMenard (Theo PGS Lê Kiều – Đại học xây dựng)

Ở Việt Nam, phương pháp gia tải trước bằng bơm hút chân không cũng đãđược ứng dụng tại một số công trình lớn và đạt được nhiều kết quả tốt Như tại

công trình nhà máy khí điện đạm Cà Mau, các công trình do Tập đoàn dầu khíquốc gia VN đầu tư như: Nhà máy điện chu trình hỗn hợp Nhơn Trạch 2 – ĐồngNai, Kho LPG lạnh Thị Vải, PVTEX Hải Phòng,….

1.3.2 Khái niệm phương pháp gia tải trước bằng bơm hút chân không [16]

Kỹ thuật gia tải trước: Một cách tổng quan, gia tải trước là quá trình nén

đất bằng ứng suất thẳng đứng do con người tạo ra trước khi xây dựng công trình(truyền tải trọng ổn định lâu dài vào đất nền) Có hai kỹ thuật gia tải trước thôngdụng là gia tải truyền thống (gia tải đắp bằng vật liệu) và gia tải chân không

Gia tải truyền thống : Dùng vật liệu phụ (đất, đá, cát,…) đắp lên bề mặt đất

cần gia cố để tạo ra áp lực tác dụng lên nền Nếu nền đất bão hòa nước thì ban đầunước lỗ rỗng sẽ gánh chịu toàn bộ tải này và làm tăng áp lực nước lỗ rỗng Theothời gian nước lỗ rỗng thoát ra, đất cố kết (lún xuống) Trong một số trường hợpphải chia thành nhiều giai đoạn gia tải để tránh các sự cố trượt, mất ổn định có thểxảy ra

Nguyên lý gia tải trước được minh họa ở hình 1.8 Nếu tải tạm thời cao hơntải trọng công trình thì phần dư ra gọi là tải phụ thêm Phần vật liệu đắp dư ra sẽđược chuyển đi khi độ lún lớn hơn độ lún cuối cùng dự kiến khi xây dựng côngtrình Không nên dỡ bỏ tải phụ trước khi áp lực lỗ rỗng thặng dư trở nên nhỏ hơnứng suất gia tăng gây ra bởi tải phụ thêm này Bằng cách tăng thời gian vượt tảihoặc tăng thêm tải thì sẽ làm giảm, thậm chí là loại trừ được độ lún thứ cấp (Hình1.9) Vì sử dụng tải phụ thêm cao hơn tải làm việc, nền đất luôn trở nên trạng tháiquá cố kết nên độ lún thứ cấp nhỏ hơn nhiều so với đất cố kết thường Điều này có

ý nghĩa quan trọng khi thiết kế các vấn đề địa kỹ thuật sau đó (Chu và cộng sự,2004)

Hình 1.8: Nền đất được gia tải trước

Hình 1.9: Kết quả lún theo gia tải trước Gia tải trước bằng bơm hút chân không : Trong một số trường hợp biện

pháp đắp gia tải không khả thi do nền đất quá yếu, khó thi công hoặc dễ xảy ratrượt mất ổn định thì phương pháp gia tải chân không sẽ hợp lý hơn Trongphương pháp này, tải phụ thêm được thay thế bằng áp suất khí quyển và sẽ làmtăng nhanh quá trình cố kết hơn

Phương pháp gia tải trước bằng chân không, một cách đơn giản nhất, gồm

có một hệ thống dẫn thoát nước thẳng đứng và một lớp thoát nước nằm phía trên,ngăn cách với khí quyển bằng lớp màng không thấm Các kênh thoát nước ngangđược lắp đặt trong lớp thoát nước và nối với bơm hút chân không Để duy trì sựkín khí, lớp màng ngăn được dẫn đến các đường mương bao và lấp đầy bentonitevào đó Áp lực ngược (âm) được tạo ra trong lớp thoát nước bằng máy bơm hútchân không (hình 1.10) Áp lực âm này kéo theo áp suất nước lỗ rỗng âm, kết quả

là làm tăng ứng suất hữu hiệu trong đất nghĩa là làm đất cố kết nhanh

Ưu điểm phổ biến của phương pháp gia tải trước bằng chân không là khôngcần phải có vật liệu đắp thêm (hoặc giảm lượng vật liệu đắp nếu mức tải gia trướccần thiết cao hơn áp lực do máy hút chân không tạo ra, khoảng 60 – 80 kPa), thờigian thi công nhanh, không đòi hỏi các máy móc, thiết bị nặng nề Hơn nữa, vìkhông dùng các hóa chất trộn vào đất nên nó được xem là phương pháp gia cườngđất thân thiện với môi trường

Hình 1.10: Hệ thống tạo chân không (Theo Masse và cộng sự, 2001)

Một ưu điểm khác của phương pháp này là loại trừ được các nguy cơ gâyphá hoại nền đất dưới tác dụng của tải trọng ngoài gây ra vì sự cố kết của đất ở đây

là đẳng hướng Không tạo ra nguy cơ gây trượt mất ổn định của đất bên ngoàiđường biên và nó cho phép kiểm soát được mức tải và độ lún đạt được (theoMasse và cộng sự, 2001)

Một số vấn đề thường gặp trong gia tải trước bằng bơm hút chân không là :

• Khó duy trì hệ thống thoát nước một cách có hiệu quả dưới màng chắn

mà tách được nước và khí trong suốt quá trình bơm hút

• Duy trì mức độ hiệu quả của chân không vì dễ bị lọt khí vào trongmàng

• Khó kiểm soát độ kín của màng, nhất là các vị trí nối, tại hệ thống bơm,đường ống,…

• Phần neo của màng và hệ thống mương chắn khí ở ven diện tích thicông

• Việc làm giảm tối thiểu lượng rò rỉ ở bên của vùng bơm hút chân không

1.3.3 Cơ chế của phương pháp gia tải trước bằng bơm hút chân không [10, 15]

Nguyên lý và cơ chế của gia tải chân không được diễn giải đầy đủ trong cácbài viết của Kjellman (1952), Holtz (1975), Chen và Bao (1983), Chu vàcộng sự (2000), Indraratna và cộng sự (2004) Nhằm so sánh với phương phápgia tải bằng vật liệu đắp, quá trình thay đổi áp lực nước lỗ rỗng, ứng suất hữu hiệutrong gia tải chân không được xem xét cụ thể hơn như sau:

Quá trình cố kết của đất dưới tác dụng của tải đắp đã được hiểu thấu đáo và

có thể được giải thích bằng việc sử dụng mô hình lò xo như hình 1.11(a) Để thuậntiện trong việc giải thích, áp lực trong hình 1.11 được đưa ra giá trị chính xác và pa

là áp suất khí quyển Ngay khi chất tải đắp Δp, áp lực nước lỗ rỗng thặng dư sẽmang tải Vì vậy với đất bão hòa nước, áp lực nước lỗ rỗng thặng dư ban đầuΔu=0, thì cấp tải đắp là Δp Dần dần, áp lực nước lỗ rỗng thặng dư bị tiêu tán vàtải trọng chuyển dần từ nước sang lò xo (xem như khung hạt đất) Lượng gia tăngcủa ứng suất hữu hiệu bằng lượng tiêu hao của áp lực nước lỗ rỗng, Δp – Δu (hình1.11-a) Ở cuối của quá trình cố kết, Δu = 0 và tổng lượng tăng thêm của ứng suấthữu hiệu là lượng tải đắp thêm, Δp Lưu ý rằng quá trình trên không bị ảnh hưởngcủa áp suất không khí, pa

Hình 1.11 - a: Mô hình gia tải trước bằng vật liệu đắp

Cơ chế của phương pháp gia tải trước chân không cũng được minh họabằng mô hình lò xo như hình 1.11 (b) Khi tải chân không được thực hiện theo hệthống như thế, áp lực nước lỗ rỗng trong đất giảm xuống Khi tổng ứng suất khôngthay đổi, ứng suất hữu hiệu gia tăng Ngay lập tức khi gia tải chân không , –Δu, thì

áp lực nước lỗ rỗng trong đất vẫn là pa Dần dần áp lực lỗ rỗng giảm xuống và lò

xo bị nén lại đó là khi khung hạt đất bắt đầu có được ứng suất hữu hiệu Lượngứng suất hữu hiệu gia tăng bằng lượng giảm đi của áp lực lỗ rỗng, Δu, mà sẽkhông vượt quá áp suất khí quyển (trong thực tế thường là 80kPa).

Hình 1.11 - b: Mô hình gia tải trước bằng bơm hút chân không

Áp suất khí quyển thật ra không phải là một thông số trong địa kỹ thuật,ứng suất trong đất được tính toán theo ứng suất hữu hiệu Khi xem xét áp suất khíquyển, ứng suất hữu hiệu ở điều kiện ban đầu có thể được viết lại như sau:

) (

) (

,

w w a

Trong đó, , - ứng suất hữu hiệu thẳng đứng;  - ứng suất tổng thẳng đứng;

u – áp lực nước lỗ rỗng; P a – áp suất khí quyển

 - dung trọng của đất; w - dung trọng của nước

h - chiều sâu của lớp đất; h w - chiều sâu của phần đất ngập nước.Trong trường hợp gia tải truyền thống, tổng ứng suất sẽ gia tăng do tảingoài tác dụng nhưng áp lực nước lỗ rỗng sau cùng (sau khi cố kết hoàn toàn) vẫn

sẽ không đổi và vì thế ứng suất hữu hiệu sẽ tăng lên Trong trường hợp gia tảibằng chân không thì ngược lại, ứng suất tổng không đổi nhưng áp lực nước lỗ rỗnggiảm (Pa giảm) nên ứng suất hữu hiệu tăng lên Áp lực nước lỗ rỗng giảm trongtrường hợp này gọi là áp lực âm (xem hình 1.12)

Hình 1.12: Sự thay đổi của ứng suất thẳng đứng: (a) – Điều kiện ban đầu; (b) – Điều kiện gia tải trước truyền thống; (c) – Gia tải chân không (theo Elgamal và Adalier, 1996)

Hình 1.13 mô tả đường ứng suất Trạng thái ứng suất ban đầu tại điểm A,đường cong ABC mô tả trường hợp gia tải trước truyền thống Khi tải ngoài đượcđắp lên, đường ứng suất đi từ A đến B và có thể bị trượt nếu điểm B vượt quađường Kf, trong quá trình cố kết sẽ tiếp tục đi từ B đến C trong vùng phía trênđường K0 và vì thế sẽ xuất hiện biến dạng ngang dịch chuyển ra phía ngoài

(KN/m2)

(KN/m 2 )

Hình 1.13: Đường ứng suất trong quá trình gia cố nền đất yếu

Đường AD tương đương với sự cố kết một chiều không nở hông Khi giatải bằng chân không thì đường ứng suất là AE Có thể thấy rằng đường ứng suất

AE nằm dưới đường K0 nên sẽ chịu lực nén ngang và dịch chuyển vào trong (vìtrong suốt quá trình cố kết chân không, hầu như đất chịu nén trong điều kiện đẳnghướng, các ứng suất chính là cân bằng)

1.3.4 Cấu tạo của phương pháp gia tải trước bằng bơm hút chân không có sử

dụng bấc thấm

Sơ đồ cấu tạo của phương pháp gia tải trước bằng bơm hút chân khôngđược mô tả trong hình 1.10 Các máy bơm tạo ra áp suất chân không trong các bồnchứa, thông qua hệ thống thoát nước ngang kết hợp bấc thấm thoát nước đứng sẽdẫn truyền nước và không khí trong đất đi vào bồn chứa Tại đây nước được bơmthoát ra ngoài mương hở để chảy đi Cụ thể hệ thống gia tải bằng bơm hút chânkhông gồm có các bộ phận được trình bày dưới đây.

Hình 1.14: Cấu tạo của phương pháp gia tải trước bằng bơm hút chân không

có sử dụng bấc thấm

1.3.4.1 Bấc thấm (PVDs) [3], [9]

Bấc thấm là vật liệu địa kỹ thuật dùng để thoát nước đứng và ngang nhằmgia tăng khả năng ổn định của nền móng, được chế tạo đặc biệt, cấu tạo từ hai lớp :lớp áo lọc bằng vải địa kỹ thuật không dệt, sợi liên tục PP hoặc PET 100%, khôngthêm bất cứ chất kết dính nào và lớp lõi thoát nước được làm bằng nhựa PP

Bấc thấm được cấu tạo bởi 2 lớp: loại chất dẻo (hay bìa cứng) được baongoài bằng loại vật liệu tổng hợp ( thường là vải địa kỹ thuật polypropylene haypolyesie không dệt)

Bấc thấm có các tính chất vật lý đặc trưng sau: cho nước trong lỗ rỗng củađất thấm qua lớp vải địa kỹ thuật bọc ngoài vào lõi chất dẻo Lõi chất dẻo chính làđường tập trung nước và dẫn chúng thoát ra ngoài khỏi nền đất yếu bão hòa nước